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        間歇式引射內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器

        2019-11-27 05:52:04馬翠忠周正穎
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2019年18期

        馬翠忠 周正穎

        摘 ?要:引射內(nèi)循環(huán),就是以反應(yīng)器產(chǎn)生的氣體為動力,以引射器為泵,使工質(zhì)在反應(yīng)器內(nèi)上下循環(huán)流動,達到攪拌工質(zhì)的目的。反應(yīng)產(chǎn)生的氣體暫存在集氣罩內(nèi),由“U”形管控制達到一定量時再排出,間歇排出的氣體帶動引射器間歇工作。該文以厭氧反應(yīng)器為例進行說明,但適應(yīng)所有工質(zhì)為液體但反應(yīng)過程中產(chǎn)生氣體的反應(yīng)器。

        關(guān)鍵詞:間歇式;引射;內(nèi)循環(huán);反應(yīng)器

        中圖分類號: ?TQ021 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼:A

        傳統(tǒng)內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示,反應(yīng)器中有兩級三相分離器。反應(yīng)器上部為沉淀區(qū),下部為主反應(yīng)區(qū),中部為次反應(yīng)區(qū),主要功能是利用沼氣提升管內(nèi)氣水混合液與該區(qū)液體的密度差產(chǎn)生循環(huán)動力。

        根據(jù)煙囪效應(yīng)原理,為了獲得足夠大的提升力,沼氣提升管必須足夠長,這也就決定了反應(yīng)器必須足夠高。

        由于中部反應(yīng)區(qū)厭氧活性污泥含量少,有機物質(zhì)濃度低,導(dǎo)致該區(qū)效率極低。

        1 間歇式引射內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器工作過程

        反應(yīng)器以UASB為基礎(chǔ)設(shè)計,主要由罐體、三相分離器、引射器、氣水分離器、進水、出水、排渣和加熱等裝置構(gòu)成。

        “U”形管、引射器、氣水分離器、回流管共同構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)(圖2),“U”形管控制引射器的工作與否,引射器提供循環(huán)動力。其工作不是連續(xù)的,可分為沼氣積累和引射器工作2個階段,2個過程交替進行。

        1.1 第一階段:沼氣積累

        集氣罩收集的沼氣不是直接進入儲氣罐,而是暫時儲存在集氣罩中,隨著沼氣的積累,集氣罩內(nèi)的水位逐步下降,此時循環(huán)系統(tǒng)不工作。

        1.2 第二階段:引射器工作

        當(dāng)水位低于“U”形管的最低點時,引射器開始工作。沼氣通過“U”形管進入引射管,帶動沼液向上進入氣水分離器,水氣分離后,沼氣進入儲氣裝置,沼液則回流到反應(yīng)器底部,實現(xiàn)自動循環(huán)。

        隨著引射過程的進行,集氣罩內(nèi)的沼氣逐漸減少,水位逐漸上升,當(dāng)水位到達“U”形管的端口時,沼液進入“U”形管,阻斷沼氣通道,該引射過程結(jié)束,如圖3所示。

        2 間歇式引射內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器的主要特點

        間歇式引射內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器有6個特點。1)與傳統(tǒng)IC反應(yīng)器相比,只有一級三相分離器,大大降低了反應(yīng)器高徑比,材料容積率高,降低了成本。2)與傳統(tǒng)UASB反應(yīng)器相比,使用自身產(chǎn)生的沼氣作動力實現(xiàn)內(nèi)循環(huán),降低了運行費用。3)使用引射器作為循環(huán)裝置,循環(huán)量大。整個循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件、自動運行,工作可靠。4)循環(huán)系統(tǒng)間歇式工作。只有積累了足夠多的沼氣時,循環(huán)系統(tǒng)才運行,循環(huán)水量與沼氣產(chǎn)量成正比,不會像傳統(tǒng)IC因沼氣產(chǎn)量少而造成循環(huán)系統(tǒng)癱瘓。5)固體懸浮物被阻擋在集氣罩下,水解后自動下沉,同時由于集氣罩內(nèi)水位周期性上下變動,不會造成浮渣結(jié)殼。6)系統(tǒng)單元化,單元個體小、重量輕、節(jié)約材料、適應(yīng)任何形狀的反應(yīng)器、制作安裝方便。

        3 間歇式引射內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案

        3.1 上部進水

        升流式反應(yīng)器均采用在反應(yīng)器底部進水,布水器支管的堵塞是難免的,一旦堵塞無法疏通。該方案采用上部進水(圖4),再回流到底部,仍屬于升流式反應(yīng)器。

        上部進水的優(yōu)點:一是便于觀察,各分支管道工作情況一目了然。二是便于維護,各分支管道一旦出現(xiàn)堵塞情況,極容易疏通。三是省去了止回閥,避免了因止回閥失效造成的回水。四是防凍,進水工作完成后,管道中的水全部回流到預(yù)處理池,不會出現(xiàn)管道凍堵現(xiàn)象。

        3.2 半地下式

        根據(jù)當(dāng)?shù)氐叵滤磺闆r,反應(yīng)器盡可能地向地下延伸,主要目的就是降低反應(yīng)器高度。一是有利于冬季保溫,二是可以降低運行費用,三是罐體用料規(guī)格可以降低,減少制造成本。

        3.3 單元化

        以1 000 m3反應(yīng)器為例,可以設(shè)計成如圖5所示21個單元,20套循環(huán)、進水系統(tǒng),每個單元覆蓋4 m2左右反應(yīng)器區(qū)域。

        集氣罩截面為等腰梯形,如圖6所示。中間單元底面為正方形,四周單元底面為直角梯形,以適應(yīng)圓形罐體,又方便制作。

        3.4 ?“U”形管、引射器外置

        “U”形管是循環(huán)裝置的核心元件,任何故障將導(dǎo)致循環(huán)失敗,前期的2個工程如圖2所示在集氣罩內(nèi)部,一旦出現(xiàn)故障無法維修。分析原理后發(fā)現(xiàn)放在集氣罩外部效果一樣,如圖6所示,這也是失敗教訓(xùn)的總結(jié)。這一改進給安裝和維護帶來了極大方便,同時也大大降低了故障率。

        外置后“U”形管與引射管不需要密封,連接牢固即可,而在集氣罩內(nèi)部則連接處絕對不能漏氣。

        引射器外置后,氣水分離器可以下移到集氣罩頂部以下,相應(yīng)的集氣罩可以上移,增大反應(yīng)器的有效容積。

        3.5 水封式氣水分離器

        傳統(tǒng)IC配備的氣水分離器為全封閉式,第一個工程實例也采用全封閉式,其最大弊端是回流管堵塞后無法維護?,F(xiàn)改為水封式,回流管設(shè)在分離器外部,便于維護,如圖2所示,同時回流管與進料管共用。一管兩用后,如果循環(huán)與進料同時進行,則流量不能滿足要求,必須加溢流管,如圖6所示。但必須將循環(huán)水與進料在上部隔離,只有循環(huán)水走溢流管。對于以動物糞便為原料的沼氣池,由于污水中含有各種雜物,成分極度復(fù)雜,進料管的堵塞是難免的,一旦堵塞,原料會溢出到反應(yīng)器上部,基于此溢流管出口應(yīng)在集氣罩下部,將原料引入集氣罩以下。

        4 對原有UASB反應(yīng)器的升級改造

        如圖7所示,集氣罩出氣口通過“U”形管與引射器連接,氣水分離器出水口與反應(yīng)器進水管連接即可實現(xiàn)間歇式自動循環(huán)。集氣罩應(yīng)加固,防止上浮。

        在系統(tǒng)正常運行的情況下即可實現(xiàn)改造升級,成本以百元計。

        5 儲氣罐的優(yōu)化設(shè)計

        采用塔節(jié)式濕式儲氣罐。

        5.1 蓄水池全地下

        冬季蓄水池內(nèi)只有很薄的一層冰,不影響正常使用,不需要對池水加熱。當(dāng)水封槽離開水面后,只需要用行程開關(guān)控制電熱線加熱塔節(jié)水封槽內(nèi)的水即可。

        5.2 塔節(jié)式儲氣罐

        儲氣罐由2-3節(jié)組成,儲氣罐上升到蓄水池水面以上時,由水封槽內(nèi)的水和下一節(jié)罐體形成水封,并帶動下一節(jié)罐體上升。該方案可以降低蓄水池高度(3 m即可),降低成本,同時也使蓄水池全地下有了可能。

        儲氣罐分節(jié)后,高徑比不足0.5,特別是中心塔節(jié),重心在上部,底部又無法支撐,極易傾斜。為此中心塔節(jié)底部應(yīng)有足夠的配重,利用不倒翁原理,防止塔身傾斜。同時由于罐體較輕,也必須加配重。配重材料應(yīng)選用鋼材,不能用混凝土,因為其密度較低,除去水的浮力后只有自重的一半多一點。

        5.3 凝結(jié)水排出

        全地下蓄水池導(dǎo)致沼氣管道位置更低,為排出管道中的凝結(jié)水,必須設(shè)計專門的凝結(jié)水收集儲存裝置,如圖8所示,然后用手動壓水泵排出。圖中底部的橫管用于儲存凝結(jié)水,左側(cè)有2根管,一根用于排水,另一根用于檢查儲水管內(nèi)的存水量。實際凝結(jié)水很少,但該裝置必須有。

        6 在兩步發(fā)酵沼氣池上的應(yīng)用

        最初,間歇式引射循環(huán)是專門為戶用沼氣池設(shè)計的,主要解決秸稈原料的出料難問題。如圖9所示,集氣罩將沼氣池分為上下2個部分,糞便原料進入發(fā)酵間,秸稈原料進入酸化間,利用引射器將酸化液送入發(fā)酵間,秸稈殘渣出料方便,發(fā)酵間幾乎不用出料。

        這一設(shè)計由于需要單獨的儲氣裝置,成本較高,未能大面積應(yīng)用。但可以用于農(nóng)村社區(qū)生活垃圾的集中處理,如圖10所示,由多個長方形磚混結(jié)構(gòu)沼氣池并聯(lián)組成。

        污水管連接進料間進入下部的發(fā)酵間,生活垃圾進入上部的酸化池。當(dāng)一個酸化池需要清理時,可以將水抽干,固體殘渣原地干化。該方案對沼氣池的氣密性要求大大降低,一般建筑工人即可勝任。

        參考文獻

        [1]馬翠忠.脈沖引射內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器[P].中國專利:ZL 2010 1 0581566.X,2013-03-06.

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        [3]全國沼氣標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.沼氣工程儲氣裝置技術(shù)條件:NY/T2598—2014[S].北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社,2014:6.

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