張　博，劉慶玉，薛志平，李金洋

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽　110866)

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一體化秸稈沼氣發(fā)酵反應(yīng)器設(shè)計

張博，劉慶玉，薛志平，李金洋

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽110866)

摘要：針對秸稈沼氣發(fā)酵過程中存在的秸稈親水性差、易結(jié)殼及進出料難等問題，設(shè)計了秸稈沼氣發(fā)酵反應(yīng)器。反應(yīng)器采用兩相分離發(fā)酵一體化結(jié)構(gòu)，通過沼液循環(huán)回流，使秸稈始終處在高水分區(qū)域環(huán)境，營造良好的厭氧微生物的生存環(huán)境，同時在固液兩相分離和沼液回流過程中使秸稈在反應(yīng)器內(nèi)形成上下流動的狀態(tài)，從而達到自動攪拌和秸稈破殼功能。另外，在進料口處設(shè)置預(yù)處理罐,對進料口進行水封，并對物料進行預(yù)處理。該反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、操作方便、節(jié)省動力，實現(xiàn)了預(yù)處理、自動破殼及兩相一體化秸稈高效發(fā)酵沼氣的功能，對促進秸稈綜合利用、帶動秸稈沼氣工程的推廣具有重要意義。

關(guān)鍵詞：沼氣；秸稈；厭氧消化；預(yù)處理；兩相一體化；自動破殼

0引言

近年來，生物質(zhì)能是受到全世界普遍關(guān)注的綠色清潔能源，其中將秸稈用于產(chǎn)沼氣已成為秸稈處置與能源化的一個重要技術(shù)途徑[1-2]。羅濤、陳闖[3]等人研究表明：沼氣工程采用批式非連續(xù)運行發(fā)酵處理會使產(chǎn)氣分布不均衡，厭氧消化效率低，投入產(chǎn)出比差。邱凌、劉得江、李志華[4]等人研究認為：靜態(tài)沼氣發(fā)酵裝置原料入池后，隨著時間的推移，發(fā)酵間內(nèi)存在嚴重的結(jié)殼、沉淀及分層現(xiàn)象，導(dǎo)致發(fā)酵間有效容積減小，不破殼和大換料就無法繼續(xù)使用。由于沒有破殼和清渣裝置，形成的結(jié)殼和發(fā)酵沉淀物只能從頂部的天窗口取出，勞動強度大，安全保障差，容易發(fā)生事故，致使大量的沼氣池?zé)o法使用。傳統(tǒng)秸稈單相厭氧發(fā)酵技術(shù)存在著秸稈降解率低、進出料困難等問題，阻礙了秸稈能源化利用的推廣與發(fā)展[5]。關(guān)正軍、李文哲[6]研究認為：在大中型沼氣工程中，與單相沼氣發(fā)酵相比,兩相厭氧發(fā)酵具有有機負荷大、發(fā)酵穩(wěn)定性高、水力停留時間短及產(chǎn)氣效率高的特點。

本設(shè)計基于前人對大中型沼氣工程大量研究中存在的問題，設(shè)計了具有連續(xù)進出料運行能力，實現(xiàn)秸稈預(yù)處理、自動破殼及兩相一體化厭氧發(fā)酵沼氣反應(yīng)器。經(jīng)多次試驗表明：該裝置能夠理想地實現(xiàn)各項功能，發(fā)揮兩相發(fā)酵的優(yōu)勢。一體化秸稈沼氣發(fā)酵反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、操作方便，節(jié)省動力等特點，對促進秸稈綜合利用、帶動秸稈沼氣工程的推廣具有重要意義。

1設(shè)計目標(biāo)和工作原理

1.1設(shè)計目標(biāo)

本設(shè)計主要針對秸稈沼氣發(fā)酵過程存在的秸稈親水性差、易結(jié)殼及進出料難等問題，通過采用兩相分離發(fā)酵一體化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)連續(xù)進出料、預(yù)處理、自動破殼和高效發(fā)酵沼氣的運行功能；同時，應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便及節(jié)省運行動力等特點。

1.2工作原理

反應(yīng)器的工作原理如圖1所示。反應(yīng)器主要由自動進料系統(tǒng)、預(yù)處理區(qū)、固相發(fā)酵區(qū)和液相發(fā)酵區(qū)構(gòu)成。秸稈經(jīng)粉碎后由傳送帶輸送至進料斗后進入螺旋進料器，加入到預(yù)處理區(qū)；通過增加新料將預(yù)處理好的物料溢流到固相發(fā)酵區(qū)反應(yīng)，液體從固相底部通過沼液流通管流入液相發(fā)酵區(qū)，進而實現(xiàn)兩相分離。沼渣從底部排污閥直接排出，液相發(fā)酵區(qū)的液體利用沼液循環(huán)泵提供動力，通過管路循環(huán)利用，注入到頂部固相發(fā)酵區(qū)，沼液對發(fā)酵原料產(chǎn)生沖擊攪拌作用，實現(xiàn)了液力攪拌功能。預(yù)處理池與發(fā)酵罐壁之間通過相對錯位焊接的破殼切割臂聯(lián)接，利用液位升降對發(fā)酵秸稈產(chǎn)生的剪切力進行切割，實現(xiàn)自動破殼的同時也增加了固相底板的強度。

在固相發(fā)酵區(qū)和液相發(fā)酵區(qū)設(shè)置球形固相底板隔開，實現(xiàn)固液兩相的強制分離；在反應(yīng)器主體右側(cè)設(shè)置沼氣導(dǎo)氣管、外部設(shè)置沼液回流管，用以實現(xiàn)沼氣的流通和完成沼液循環(huán)。發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣通過出氣閥儲存至反應(yīng)器外的雙層儲氣柔膜氣柜以備使用。

1.出料池　2.固體出料閥　3.液相閥

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1進料系統(tǒng)

目前，給料機主要有帶式給料機、刮板給料機、鏈?zhǔn)浇o料機、螺旋給料機及往復(fù)給料機等類型。其中，螺旋給料機是目前應(yīng)用比較廣泛，主要用于輸送粉末狀、顆粒狀和小塊狀物料的機型。本設(shè)計所用的秸稈原料碎片本身結(jié)構(gòu)疏松、密度小，適用于螺旋進料器。采用螺旋進料裝置可使輸送效率提高，物料進給穩(wěn)定均勻，密封性好。在進料階段，通過輸送帶將粉碎好的秸稈向上輸送至進料斗，進料斗下端連接螺旋進料器，螺旋進料器輸送末端連接預(yù)處理池底部邊緣。為方便進料，螺旋進料器底端與預(yù)處理池連接部分設(shè)計成向下擴張的錐形后再連接到預(yù)處理區(qū)域，實現(xiàn)將原料擠壓推進至預(yù)處理區(qū)，優(yōu)于普通的螺旋進料器。

2.2預(yù)處理單元

秸稈作為纖維素類原料，因其分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加之物理結(jié)構(gòu)在發(fā)酵過程中不易被微生物分解利用，通常需要進行預(yù)處理。常見的處理方法有粉碎研磨處理、整齊爆裂熱處理、酸處理、堿處理及微生物處理。生產(chǎn)實踐中采用一種方法或幾種方法結(jié)合使用，提高降解率，以便后續(xù)發(fā)酵過程利用。然而，對于秸稈沼氣本身屬于收益率較低的項目，如采用工藝復(fù)雜、成本較高的預(yù)處理方法，會失去其推廣應(yīng)用價值[7-8]。

本設(shè)計是將粉碎后的新料通過進料裝置輸送到發(fā)酵罐內(nèi)預(yù)處理罐，預(yù)處理罐上部噴淋沼液，使罐內(nèi)保持一定的水位，可以對進料口起到水封的作用；秸稈隨著螺旋進料器不斷進入到預(yù)處理罐中，使得罐內(nèi)的秸稈不斷上升，積累之后從頂部排出到固相發(fā)酵區(qū)。發(fā)酵原料在預(yù)處理罐中停留大約72h，可以有效地改善原料的親水性，達到預(yù)處理的作用，提高分解利用效率。

2.3兩相發(fā)酵區(qū)

為優(yōu)化沼氣發(fā)酵，根據(jù)兩相厭氧發(fā)酵高穩(wěn)定性、高水力負荷、高產(chǎn)氣率和水力滯留期短設(shè)計了固液兩相一體化沼氣發(fā)酵裝置。固相沼氣發(fā)酵區(qū)是裝置的上部分，液相沼氣發(fā)酵區(qū)是裝置下部分，兩相由球形固相底板相隔。球形底板有利于排出沼渣，底板上有通氣管把液相沼氣發(fā)酵區(qū)生成的氣體送到發(fā)酵罐上方。發(fā)酵罐頂部內(nèi)設(shè)置有沼氣排氣閥，實現(xiàn)沼氣輸送儲存。發(fā)酵裝置管壁外側(cè)設(shè)置有固液兩相分離的排液閥，實現(xiàn)發(fā)酵液體從固相發(fā)酵區(qū)到液相發(fā)酵區(qū)的自然流動。

液相沼氣發(fā)酵區(qū)是產(chǎn)甲烷的主要區(qū)域，容積為固相沼氣發(fā)酵區(qū)的一定比例。發(fā)酵罐底部設(shè)置出液口，實現(xiàn)沼液的排出和循環(huán)功能。沼液循環(huán)管路實現(xiàn)沼液循環(huán)利用和液體排放與供給。

2.4對原料的破殼與切割

在發(fā)酵過程中，由于秸稈原料的物理特性導(dǎo)致其上浮結(jié)殼，產(chǎn)氣無法排出，同時原料利用率低下。鑒于此，在固相沼氣發(fā)酵區(qū)內(nèi)設(shè)置有雙層破殼切割臂，破殼切割臂由“十”字形螺旋刀片構(gòu)成，錯位固定在發(fā)酵罐壁上，當(dāng)液面升降時可實現(xiàn)自動攪拌和自動破殼。循環(huán)沼液經(jīng)過循環(huán)泵輸送進入固相發(fā)酵區(qū)后自上而下呈一定角度分流噴入，對發(fā)酵原料產(chǎn)生沖擊和推動進而實現(xiàn)液力攪拌功能。通過固相沼氣發(fā)酵區(qū)的液體供給與排出產(chǎn)生明顯液面升降，在升降過程中十字形螺旋刀片完成對發(fā)酵原料的切割。

2.5分層排污和出料

因該一體化裝置內(nèi)部有預(yù)處理、固相發(fā)酵和液相發(fā)酵3個部分，需設(shè)置3個排污和出料口，且排污出料管均設(shè)計與水平呈現(xiàn)一定角度通過壓差自動排污出料。

考慮到在反應(yīng)器運行過程中由于原料進入可能會帶入土和沙石，所以在預(yù)處理底部設(shè)置了排污口，并通過閥門控制，便于定期排污使用；考慮固相滯留期的影響導(dǎo)致秸稈發(fā)酵不完全，在固相底部設(shè)置了排渣口和閥門，用于定期排渣使用；考慮到沼液循環(huán)過程中氨氮含量會逐漸積累升高，影響產(chǎn)氣量，需要設(shè)置液相排污口，用于定期排放沼液。

3設(shè)計參數(shù)確定

以沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)能源基地50 m3秸稈沼氣工程為例，進行說明。

3.1進料系統(tǒng)

經(jīng)過機械粉碎后粒徑為3～5cm的秸稈經(jīng)傳送帶輸送至料斗。傳送帶選用化工行業(yè)普通爬坡傳送帶，型號為B500，輸送速度0.8m/s。螺旋進料器選用TL-20傾斜型，最大提升高度6m，輸送量6m3/h,功率5.5kW。其中，為方便進料，螺桿進料器底部300mm為光桿漸縮無螺旋片結(jié)構(gòu)；螺桿進料器與預(yù)處理池連接錐形部分設(shè)計錐角為60°；進料斗設(shè)計為固定容積0.25m3，主要目的是可以充當(dāng)進料量的量器。

3.2預(yù)處理單元

新原料由進料系統(tǒng)不斷輸送，預(yù)處理之后的原料被新料排擠溢出預(yù)處理單元。預(yù)處理單元的大小與每天進料量和預(yù)處理時間有關(guān)。預(yù)處理單元體積為

V1=G×t

式中V1—預(yù)處理單元體積(m3)；

G—每日進料量(m3)；

t—預(yù)處理時間(d)。

本設(shè)計水力滯留期(HRT)為50d，每天進料1m3，取預(yù)處理時間為3d，計算得預(yù)處理池容積為3m3。預(yù)處理池直徑設(shè)計為2m，計算得預(yù)處理池高度為0.64m。預(yù)處理區(qū)材料選用Q235鋼。

3.3兩相發(fā)酵區(qū)

由預(yù)處理區(qū)進入液相發(fā)酵區(qū)的原料與接種物反應(yīng)，通過循環(huán)沼液調(diào)節(jié)液相發(fā)酵區(qū)液位高度。消化器的容積與每日進料量、儲氣容積、兩相發(fā)酵區(qū)體積比和沼液循環(huán)量有關(guān)[9]，則

V3=V0+V1+V2

V4=V3×10%

V=V3+V4

式中V3—液相發(fā)酵區(qū)有效容積(m3)；

V0—設(shè)計容積(m3)；

V1—預(yù)處理單元體積(m3)；

V2—循環(huán)沼液體積(m3)；

V4—儲氣容積(m3)。

本設(shè)計中，材料選用Q235鋼，每日進料量為1m3，預(yù)處理單元體積為3m3，循環(huán)沼液體積為1m3，同時按照液相發(fā)酵區(qū)設(shè)計容積為20m3，計算得儲氣容積為2.4m3?？紤]到秸稈兩相發(fā)酵中液相體積近似為固相體積的2倍，則固相區(qū)高度為1.1m，液相區(qū)高度為2.5m，發(fā)酵罐總高為5.2m，徑高比為0.68，固相區(qū)有效容積為16.34m3，液相區(qū)有效容積為24.04m3。

與此同時，為方便排渣，在固相發(fā)酵區(qū)與液相發(fā)酵區(qū)之間的球形隔板錐角為120°，在固相區(qū)預(yù)處理池底部設(shè)有排泥沙管，其與水平面呈向下45°角傾斜。

3.4對原料的破殼與切割

固相沼氣發(fā)酵區(qū)內(nèi)設(shè)置有雙層破殼切割臂，層與層上下之間間隔距離為500 mm，每層的破殼切割臂為“十”字形螺旋刀片構(gòu)成，材料選擇Q235鋼板經(jīng)加工而成；兩層錯位45°固定在發(fā)酵罐壁上；循環(huán)管路進入固相發(fā)酵區(qū)后呈左右對置180°角度，自上而下呈斜向下45°角分流噴入，實現(xiàn)最大切向速度，產(chǎn)生攪拌動力實現(xiàn)液力攪拌功能。“十”字形螺旋刀片結(jié)構(gòu)如圖2所示。

運行過程中，通過視鏡觀測發(fā)現(xiàn)：當(dāng)液相發(fā)酵區(qū)液位高于液位上限時，開啟循環(huán)泵閥門；低于液位下限時，關(guān)閉閥門。循環(huán)沼液經(jīng)過流通管路輸送進入固相發(fā)酵區(qū)反應(yīng)后，通過沼液循環(huán)管路自上而下呈一定角度分流噴入。通過固相沼氣發(fā)酵區(qū)的液體供給與排出產(chǎn)生明顯液面升降，在升降過程中十字形螺旋刀片完成對發(fā)酵原料的切割。隨著連續(xù)進出料和沼液循環(huán)，液相發(fā)酵區(qū)液位升降實現(xiàn)反應(yīng)器的自動攪拌、破殼和連續(xù)發(fā)酵功能。

圖2　螺旋刀片結(jié)構(gòu)示意圖

3.5排污和出料

考慮到運行過程中由原料進入可能會帶入土和沙石，所以在預(yù)處理底部設(shè)置了排污口，位于反應(yīng)器底部中心，利于完全排出廢污；同時，通過化學(xué)防腐專用電磁閥門ZSH-ABS控制，便于定期排污使用，排污管道選用DN40型號做防腐處理的鋼管；在固相底部設(shè)置的排渣口同樣選用DN40型號做防腐處理的鋼管，位于固相區(qū)中心偏左，排污閥門選用化工級不銹鋼電動排污閥PZ-73，口徑對應(yīng)為DN40；沼液循環(huán)管道選用DN40型號做防腐處理的鋼管，鋼管設(shè)計在液相區(qū)距離底部20mm，用于定期實現(xiàn)沼液從液相發(fā)酵區(qū)到固相發(fā)酵區(qū)流通；沼液循環(huán)管路選用DN40型號做防腐處理的鋼管，同時在循環(huán)管路設(shè)置沼液排污口，并通過化學(xué)防腐專用電磁閥門ZSH-ABS控制；沼氣存儲設(shè)備采用GXL-ZQ 25m3雙層儲氣柔膜氣柜。

4結(jié)論

1)設(shè)計了內(nèi)置0.6m3預(yù)處理池，促使發(fā)酵原料在厭氧發(fā)酵過程中被充分利用，提高產(chǎn)氣率；設(shè)計的裝置可完成液體無動力流通，完整的密封措施設(shè)計保證兩相厭氧過程穩(wěn)定運行。

2)沼液循環(huán)利用可以實現(xiàn)液力攪拌功能，又能夠使微生物充分與發(fā)酵原料接觸。在此過程中，通過液位的升降和十字形設(shè)置的螺旋刀片實現(xiàn)了自動破殼；沼液循環(huán)利用時，沼液呈左右對置180°角度循環(huán)噴入，傳遞給發(fā)酵原料切向速度，從而實現(xiàn)對原料的攪拌，節(jié)省攪拌動力。

3)設(shè)計了50m3兩相一體化秸稈沼氣發(fā)酵罐，具有完善的進出料裝置，經(jīng)驗證可以理想地達到連續(xù)進出料的目的。

4)發(fā)酵過程中沼液循環(huán)利用可以實現(xiàn)液力攪拌功能，又能夠使微生物充分與發(fā)酵原料接觸，在此過程中通過液位的升降和十字形設(shè)置的螺旋刀片實現(xiàn)了自動破殼。

5)兩相一體化秸稈沼氣反應(yīng)器，具有完善的進出料裝置，可實現(xiàn)連續(xù)進出料。固液兩相發(fā)酵可以提高處理效率，增強系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和抗沖擊負荷能力；同時，提高傳質(zhì)效率和甲烷產(chǎn)氣率并降低排污負荷。

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The Design of Straw Biogas Fermentation Integral Reactor

Zhang Bo, Liu Qingyu, Xue Zhiping, Li Jinyang

(Engineering college of Shenyang Agricultural University,Shenyang 110866, China)

Abstract：This design examined poor hydrophilicity of straw, easy crusting, hard to charge and discharge during biogas fermentation process of straw. Two-phase separated fermentation integrated device was taken, straw was allowed always in high moisture environment, a good living environment for anaerobic microbe was built with the help of biogas slurry recirculation flow. In order to seal on the feeding port, A pretreatment tank was designed in the feeding terminal. At the same time, the materials were pretreated. This design had the feature of easing structure, running stabilization, easing operation. Pretreatment, auto crust-breaking, two-phase integrated device, high -effective fermentation of straw were achieved. It had played an important role in boosting straw comprehensive utilization and driving straw biogas project extension.

Key words：biogas; straw; anaerobic digestion; pretreatment; fermentation; crust auto-breaking

文章編號：1003-188X(2016)02-0244-05

中圖分類號：S216.4

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：張博(1992-)，男，河南鎮(zhèn)平人，碩士研究生，(E-mail)syauzhan@163.com。通訊作者：李金洋(1976-)，男，河北吳橋人，講師，碩士，(E-mail)syenergy@126.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAC25B07)

收稿日期：2015-01-20