張蕾蕾 邢向欣 袁存亮 張重 黃超

(吉林省農業(yè)機械研究院，吉林 長春 130022)

前言

當前，我國每年畜禽糞污等農業(yè)廢棄物產出量巨大，這些廢棄物既是寶貴資源，又是污染源，若不經有效處理，將會嚴重污染人類賴以生存的環(huán)境[1]，同時，我國長期面對能源緊缺的現(xiàn)狀，問題亟待處理和解決，沼氣發(fā)酵是生物質能轉化最重要的技術之一,是將農業(yè)廢棄物進行資源化、能源化利用的一條合理有效的途徑，不僅能耗省，還能生產清潔能源沼氣和有機肥料[2]。目前沼氣發(fā)酵技術以濕法沼氣和干法沼氣發(fā)酵為主，但干法沼氣發(fā)酵技術由于物料含固率較高，很難實現(xiàn)厭氧發(fā)酵階段的物料攪拌，一般為間歇式厭氧發(fā)酵，以車庫式干發(fā)酵反應器為例，存在占地空間大、單體反應器不易擴大等缺點；濕法沼氣發(fā)酵技術物料含固率較低、流動性好，并且單體反應器容易放大，以連續(xù)式厭氧發(fā)酵為主，一般反應器內設有機械攪拌裝置用于物料混合攪拌，提高發(fā)酵效率，但由于機械攪拌長期運行機械部件易磨損腐蝕，維修麻煩，維護成本偏高。為此本研究設計開發(fā)了液體攪拌濕法厭氧發(fā)酵實驗裝置，液體攪拌是利用發(fā)酵液本身通過泵運轉所產生的液體流動來完成對物料的攪拌，是一種能耗低、操作維護簡單、易于密封的攪拌方式[3]，可以在實驗室完成攪拌、溫度、物料種類及物料濃度等因素在液體攪拌方式下對不同物料厭氧發(fā)酵產氣效果的影響研究，并優(yōu)化其工藝參數(shù)，以期為大中型濕法沼氣工程的開發(fā)建設及運行提供技術參考和理論支撐。

1 厭氧發(fā)酵工藝流程

該厭氧發(fā)酵實驗裝置適用于TS濃度為4%～8%的物料發(fā)酵，采用液體攪拌濕法厭氧發(fā)酵工藝，連續(xù)進出料、恒溫厭氧發(fā)酵，可實現(xiàn)自動控溫、自動攪拌連續(xù)厭氧發(fā)酵產氣，其工藝流程如圖1所示。

圖1 厭氧發(fā)酵工藝流程

2 實驗裝置結構組成及設計

2.1 實驗裝置構成

厭氧發(fā)酵實驗裝置主要由反應器罐體、液體攪拌裝置、控溫裝置、電控裝置、沼氣凈化裝置、沼氣流量計和儲氣罐等組成。反應器設計為立式圓柱罐體結構，罐體側壁設有攪拌進液口和攪拌出液口，罐外設有循環(huán)泵，攪拌進、出液口與循環(huán)泵通過管路相連接，可以實現(xiàn)液體攪拌功能；反應器底部設有蓄熱增溫水箱，罐體側壁設有水浴水套換熱夾層，并設有溫度傳感器，用于對反應器內發(fā)酵料溫進行控制；電控裝置由電源開關、電能表、時控開關、攪拌開關、溫控開關等構成，用于厭氧發(fā)酵攪拌及溫度控制；沼氣凈化裝置由脫水罐及脫硫罐構成；沼氣流量計選用濕式氣體流量計；沼氣儲存采用浮罩式集氣罐。

2.2 實驗裝置主體結構及控制系統(tǒng)設計

2.2.1 反應器罐體結構設計

發(fā)酵罐體為容積16L的立式圓柱體結構，按照沼氣工程反應器一般容料量80%的原則，且保證裝料后厭氧發(fā)酵過程中不至于造成物料上浮堵塞出氣口，留有足夠的容氣空間高度，并借鑒以往研究經驗，確定發(fā)酵罐內腔直徑及高度尺寸為Φ200mm×520mm。發(fā)酵罐體內、外筒均采用壁厚10mm的透明亞克力管，發(fā)酵罐底、上蓋以及聯(lián)結法蘭均采用20mm厚透明亞克力板，進出料口以及溢流口等也均采用透明亞克力材料，采用透明罐體可以在厭氧發(fā)酵過程中更好地觀察反應器內物料發(fā)酵狀態(tài)。進料口與溢流口伸入罐體內液面以下的位置，保證厭氧發(fā)酵過程中起到良好的水封作用，在料液減少時，不會導致氣體泄露而影響實驗進行。

2.2.2 液體攪拌的設計

液體攪拌方式通過采用污泥循環(huán)泵從料層上部抽出料液，從料層底部泵入，底部料液向上運動，強制料液循環(huán)實現(xiàn)攪拌作用，同時由于泵入過程中帶有一定的壓力，還可以破開底部沉淀物使其上浮，防止物料沉積。液體攪拌參數(shù)設計及循環(huán)泵的選擇如下。

2.2.2.1 系統(tǒng)壓力設定

物料在發(fā)酵過程中能使料液循環(huán)開即可，不需要過大壓力，取系統(tǒng)工作壓力為0.05MPa。

2.2.2.2 循環(huán)泵流量計算

發(fā)酵罐容積為16L,設計0.5min料液循環(huán)1次，則循環(huán)泵的流量Q=16×2=32L·min-1。

2.2.2.3 電機功率計算

N=P×Q/(60η)

(1)

式中，壓力P為0.05MPa，流量Q為32L·min-1，η循環(huán)泵總效率為0.8，則計算得功率N為33W。

2.2.2.4 管路內徑計算

參照壓力油管設計，料管內徑：

(2)

式中，Q為循環(huán)泵的額定流量,L·min-1；V1為料液流速,V1=1.5m·s-1。

計算得出料管內徑d1≥21.2mm，選用內徑為25mm的高壓軟管連接。

2.2.2.5 循環(huán)泵選擇

根據以上參數(shù)循環(huán)泵選用了最小的排污泵MP-4500型直流電動排污泵，該泵具有排液迅速、雙刀設計、效率高、耐腐蝕、結構緊湊、安裝方便等特點。循環(huán)泵主要參數(shù)為電壓12V，功率114W，流量36L·min-1，進口管內徑38mm，出口管內徑25mm，最大工作壓力0.2MPa。

圖2 循環(huán)泵

2.2.3 電控系統(tǒng)設計

電控箱箱體采用白鋼材質，各電器元件集成在箱體上，并按各元件尺寸合理布局開孔安裝，箱體內部內置加熱增溫水箱，箱體結構緊湊，整體操作便捷。反應器控制電源采用標準工作電源220V/50Hz；溫度為了滿足厭氧發(fā)酵研究需要，設定最高溫為55℃，控溫波動范圍為±0.5℃?？刂凭€路如圖3所示。

圖3 控制線路圖

QA：電源開關；BV：調速器；M1：液體攪拌電機；M2：循環(huán)泵；SA1：正反轉開關；SA2：溫控表1開關；SA3：溫控表2開關；SL：液面限位傳感器；R：溫度傳感器；KC：液面保護繼電器；WDB1：溫度控制表1；WDB2：溫度控制表2；RR：加熱器

3 反應器結構及工作原理

3.1 反應器整體結構

厭氧發(fā)酵反應器主要包括厭氧發(fā)酵罐及電控箱2部分，其整體結構示意如圖4所示。

圖4 厭氧發(fā)酵罐及電控箱結構圖

3.2 反應器工作原理

連接電控箱和反應器，從加水口往蓄熱水箱內加水至水面高于蓄熱水箱內溫度探頭，打開電源開關，電源指示燈亮表示電源接通。溫度設定，使用溫度控制面板中“+”和“-”調至設定溫度，打開溫控開關1和2，溫度監(jiān)測面板紅色指示燈亮表示電熱管電源接通開始加熱。當溫度監(jiān)測面板上所顯示溫度達到所設定溫度時，稍等數(shù)分鐘后，即可自動恒溫控制。攪拌設定，攪拌設定可手動攪拌與自動攪拌相互切換，手動攪拌時，打開攪拌控制面板中攪拌控制開關，綠色電源指示燈亮表示液體攪拌電機電源接通，關閉攪拌面板中攪拌控制開關攪拌即停止；自動攪拌時，使用可編程時控器設置攪拌開啟和關閉時間，將可編程時控器連入攪拌控制電路，保持攪拌控制面板中攪拌控制開關處于開啟狀態(tài)，攪拌方向及攪拌速度可事先設定。厭氧發(fā)酵實驗過程中可以根據實驗需要進行相關參數(shù)設定，工作時發(fā)酵液體從攪拌出液口1和攪拌出液口2吸出，經過攪拌泵體，再從攪拌進液口1和攪拌進液口2將攪拌液體泵入發(fā)酵罐內，如此進行液體循環(huán)完成厭氧發(fā)酵的液體攪拌過程。

1.進料口；2.出氣口；3.溫度探頭2；4.水浴水套進水口；5.溢流口；6.攪拌出液口1；7.水浴水套；8.攪拌進液口1；9.蓄熱水箱進水口；10.電源開關；11.電能表；12.溫度控制面板1；13.溫度控制面板2；14.溫度監(jiān)測面板1；15.溫度監(jiān)測面板2；16.溫控開關2；17.溫控開關1；18.攪拌進液口2；19.反應器發(fā)酵池；20.攪拌出液口2；21.水浴水套出水口；22.水箱泄水口；23.蓄熱水箱出水口；24.蓄熱水箱加水口；25.出料口；26.攪拌電路插座；27.液位計；28.溫度探頭1；29.電加熱管；30.蓄熱水箱；31.電路槽

4 實驗裝置運行調試

開發(fā)的液體攪拌濕法厭氧發(fā)酵實驗裝置實物圖如圖5所示，經裝料、接通電源、設定不同參數(shù)等進行7d的運行調試，實驗裝置各部件運行穩(wěn)定，可實現(xiàn)物料發(fā)酵溫度的自動控制，自動定時攪拌，發(fā)酵物料液體攪拌效果較好，系統(tǒng)密封可靠、無泄漏，完全能夠滿足厭氧發(fā)酵實驗研究需求。

圖5 液體攪拌濕法厭氧發(fā)酵實驗裝置實物圖

5 結束語

液體攪拌濕法厭氧發(fā)酵實驗裝置的開發(fā)應用，為實驗室沼氣發(fā)酵技術的研究提供了一種新的研究手段，該實驗裝置運行穩(wěn)定、操作簡便、參數(shù)可控，可以通過設定不同發(fā)酵溫度、攪拌時長、攪拌頻率等參數(shù)研究液體攪拌方式對不同物料厭氧發(fā)酵產氣情況的影響，優(yōu)化出最佳工藝參數(shù)，并能為大中型沼氣工程建設方案的制定及運行提供理論基礎和參考依據。