張蕾蕾 邢向欣 袁存亮 張重 黃超

(吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

前言

當(dāng)前，我國(guó)每年畜禽糞污等農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量巨大，這些廢棄物既是寶貴資源，又是污染源，若不經(jīng)有效處理，將會(huì)嚴(yán)重污染人類賴以生存的環(huán)境[1]，同時(shí)，我國(guó)長(zhǎng)期面對(duì)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(zhì)能轉(zhuǎn)化最重要的技術(shù)之一,是將農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)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(chǎn)清潔能源沼氣和有機(jī)肥料[2]。目前沼氣發(fā)酵技術(shù)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(shù)由于物料含固率較高，很難實(shí)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(yīng)器為例，存在占地空間大、單體反應(yīng)器不易擴(kuò)大等缺點(diǎn)；濕法沼氣發(fā)酵技術(shù)物料含固率較低、流動(dòng)性好，并且單體反應(yīng)器容易放大，以連續(xù)式厭氧發(fā)酵為主，一般反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有機(jī)械攪拌裝置用于物料混合攪拌，提高發(fā)酵效率，但由于機(jī)械攪拌長(zhǎng)期運(yùn)行機(jī)械部件易磨損腐蝕，維修麻煩，維護(hù)成本偏高。為此本研究設(shè)計(jì)開發(fā)了液體攪拌濕法厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置，液體攪拌是利用發(fā)酵液本身通過泵運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的液體流動(dòng)來完成對(duì)物料的攪拌，是一種能耗低、操作維護(hù)簡(jiǎn)單、易于密封的攪拌方式[3]，可以在實(shí)驗(yàn)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(duì)不同物料厭氧發(fā)酵產(chǎn)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(shè)及運(yùn)行提供技術(shù)參考和理論支撐。

1 厭氧發(fā)酵工藝流程

該厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)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(jìn)出料、恒溫厭氧發(fā)酵，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫、自動(dòng)攪拌連續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣，其工藝流程如圖1所示。

圖1 厭氧發(fā)酵工藝流程

2 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置構(gòu)成

厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置主要由反應(yīng)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(jì)和儲(chǔ)氣罐等組成。反應(yīng)器設(shè)計(jì)為立式圓柱罐體結(jié)構(gòu)，罐體側(cè)壁設(shè)有攪拌進(jìn)液口和攪拌出液口，罐外設(shè)有循環(huán)泵，攪拌進(jìn)、出液口與循環(huán)泵通過管路相連接，可以實(shí)現(xiàn)液體攪拌功能；反應(yīng)器底部設(shè)有蓄熱增溫水箱，罐體側(cè)壁設(shè)有水浴水套換熱夾層，并設(shè)有溫度傳感器，用于對(duì)反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵料溫進(jìn)行控制；電控裝置由電源開關(guān)、電能表、時(shí)控開關(guān)、攪拌開關(guān)、溫控開關(guān)等構(gòu)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(gòu)成；沼氣流量計(jì)選用濕式氣體流量計(jì)；沼氣儲(chǔ)存采用浮罩式集氣罐。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置主體結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 反應(yīng)器罐體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)酵罐體為容積16L的立式圓柱體結(jié)構(gòu)，按照沼氣工程反應(yīng)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(jīng)驗(yàn)，確定發(fā)酵罐內(nèi)腔直徑及高度尺寸為Φ200mm×520mm。發(fā)酵罐體內(nèi)、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(jié)法蘭均采用20mm厚透明亞克力板，進(jìn)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(yīng)器內(nèi)物料發(fā)酵狀態(tài)。進(jìn)料口與溢流口伸入罐體內(nèi)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(shí)，不會(huì)導(dǎo)致氣體泄露而影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。

2.2.2 液體攪拌的設(shè)計(jì)

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(yùn)動(dòng)，強(qiáng)制料液循環(huán)實(shí)現(xiàn)攪拌作用，同時(shí)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(shè)計(jì)及循環(huán)泵的選擇如下。

2.2.2.1 系統(tǒng)壓力設(shè)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(jì)算

發(fā)酵罐容積為16L,設(shè)計(jì)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(jī)功率計(jì)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(jì)算得功率N為33W。

2.2.2.4 管路內(nèi)徑計(jì)算

參照壓力油管設(shè)計(jì)，料管內(nèi)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(jì)算得出料管內(nèi)徑d1≥21.2mm，選用內(nèi)徑為25mm的高壓軟管連接。

2.2.2.5 循環(huán)泵選擇

根據(jù)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(dòng)排污泵，該泵具有排液迅速、雙刀設(shè)計(jì)、效率高、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便等特點(diǎn)。循環(huán)泵主要參數(shù)為電壓12V，功率114W，流量36L·min-1，進(jìn)口管內(nèi)徑38mm，出口管內(nèi)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(shè)計(jì)

電控箱箱體采用白鋼材質(zhì)，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(nèi)部?jī)?nèi)置加熱增溫水箱，箱體結(jié)構(gòu)緊湊，整體操作便捷。反應(yīng)器控制電源采用標(biāo)準(zhǔn)工作電源220V/50Hz；溫度為了滿足厭氧發(fā)酵研究需要，設(shè)定最高溫為55℃，控溫波動(dòng)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(guān)；BV：調(diào)速器；M1：液體攪拌電機(jī)；M2：循環(huán)泵；SA1：正反轉(zhuǎn)開關(guān)；SA2：溫控表1開關(guān)；SA3：溫控表2開關(guān)；SL：液面限位傳感器；R：溫度傳感器；KC：液面保護(hù)繼電器；WDB1：溫度控制表1；WDB2：溫度控制表2；RR：加熱器

3 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及工作原理

3.1 反應(yīng)器整體結(jié)構(gòu)

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

圖4 厭氧發(fā)酵罐及電控箱結(jié)構(gòu)圖

3.2 反應(yīng)器工作原理

連接電控箱和反應(yīng)器，從加水口往蓄熱水箱內(nèi)加水至水面高于蓄熱水箱內(nèi)溫度探頭，打開電源開關(guān)，電源指示燈亮表示電源接通。溫度設(shè)定，使用溫度控制面板中“+”和“-”調(diào)至設(shè)定溫度，打開溫控開關(guān)1和2，溫度監(jiān)測(cè)面板紅色指示燈亮表示電熱管電源接通開始加熱。當(dāng)溫度監(jiān)測(cè)面板上所顯示溫度達(dá)到所設(shè)定溫度時(shí)，稍等數(shù)分鐘后，即可自動(dòng)恒溫控制。攪拌設(shè)定，攪拌設(shè)定可手動(dòng)攪拌與自動(dòng)攪拌相互切換，手動(dòng)攪拌時(shí)，打開攪拌控制面板中攪拌控制開關(guān)，綠色電源指示燈亮表示液體攪拌電機(jī)電源接通，關(guān)閉攪拌面板中攪拌控制開關(guān)攪拌即停止；自動(dòng)攪拌時(shí)，使用可編程時(shí)控器設(shè)置攪拌開啟和關(guān)閉時(shí)間，將可編程時(shí)控器連入攪拌控制電路，保持?jǐn)嚢杩刂泼姘逯袛嚢杩刂崎_關(guān)處于開啟狀態(tài)，攪拌方向及攪拌速度可事先設(shè)定。厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)過程中可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)定，工作時(shí)發(fā)酵液體從攪拌出液口1和攪拌出液口2吸出，經(jīng)過攪拌泵體，再從攪拌進(jìn)液口1和攪拌進(jìn)液口2將攪拌液體泵入發(fā)酵罐內(nèi)，如此進(jìn)行液體循環(huán)完成厭氧發(fā)酵的液體攪拌過程。

1.進(jìn)料口；2.出氣口；3.溫度探頭2；4.水浴水套進(jìn)水口；5.溢流口；6.攪拌出液口1；7.水浴水套；8.攪拌進(jìn)液口1；9.蓄熱水箱進(jìn)水口；10.電源開關(guān)；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(cè)面板1；15.溫度監(jiān)測(cè)面板2；16.溫控開關(guān)2；17.溫控開關(guān)1；18.攪拌進(jìn)液口2；19.反應(yīng)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(jì)；28.溫度探頭1；29.電加熱管；30.蓄熱水箱；31.電路槽

4 實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行調(diào)試

開發(fā)的液體攪拌濕法厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖5所示，經(jīng)裝料、接通電源、設(shè)定不同參數(shù)等進(jìn)行7d的運(yùn)行調(diào)試，實(shí)驗(yàn)裝置各部件運(yùn)行穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)物料發(fā)酵溫度的自動(dòng)控制，自動(dòng)定時(shí)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(shí)驗(yàn)研究需求。

圖5 液體攪拌濕法厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

5 結(jié)束語

液體攪拌濕法厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)應(yīng)用，為實(shí)驗(yàn)室沼氣發(fā)酵技術(shù)的研究提供了一種新的研究手段，該實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、參數(shù)可控，可以通過設(shè)定不同發(fā)酵溫度、攪拌時(shí)長(zhǎng)、攪拌頻率等參數(shù)研究液體攪拌方式對(duì)不同物料厭氧發(fā)酵產(chǎn)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(shè)方案的制定及運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。