多級氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應器的研制及其效益分析

劉健峰++張無敵++尹芳++王昌梅++趙興玲++柳靜++楊紅++劉士清

摘要：針對傳統(tǒng)CSTR反應器存在攪拌不均勻、微生物與有機物接觸不充分、頂層易結殼、能源轉化效率低、攪拌裝置更換頻繁、維修費用高等問題，研制了一種多級氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應器，其包括連續(xù)攪拌全混合厭氧反應器主體、文丘里管、多級外循環(huán)管路。利用文丘里管實現(xiàn)了氣液聯(lián)合攪拌的效果，用泵把發(fā)酵液吸出，再通過文丘里管將其射入，沼氣在射入位置的上部形成攪拌作用，可以防止發(fā)酵液上層結殼，液體通過流出和射入的液位差形成攪拌作用，而且可以根據(jù)發(fā)酵過程的不同情況，對發(fā)酵原料進行不同形式、不同程度的攪拌。與傳統(tǒng)的CSTR反應器進行比較，新型CSTR反應器在造價上要比傳統(tǒng)CSTR反應器貴0.450萬元，但是在年運行費用上要比傳統(tǒng)的CSTR反應器節(jié)省0.631萬元，所以新型CSTR反應器的經(jīng)濟效益更高。

關鍵詞：氣液聯(lián)合攪拌；文丘里管；CSTR反應器；厭氧消化

中圖分類號：S237 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）01-0153-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.01.039

Development and Benefit Analysis of a Multi-stage Gas-liquid Stirred Digester

——New Continuous Stirred-Tank Reactor

LIU Jian-feng，ZHANG Wu-di，YIN Fang，WANG Chang-mei，ZHAO Xing-ling，LIU Jing，YANG Hong，LIU Shi-qing

（Energy and Environmental Science Institute， Yunnan Normal University， Kunming 650500， China）

Abstract：Focuse on the problems of traditional CSTR reactor such as in uneven mixing， microbes in contact with organic matter is not sufficient，the top crust is easy，low energy conversion efficiency，a stirring device change frequently and the higher maintenance costs. We developed a multi-stage gas-liquid joint stirred style CSTR anaerobic digester. The new CSTR reactor is composed of mixing continuous stirred anaerobic reactor main body，Venturi tube，multi-stage outside circle pipeline. The venturi tube plays an important role to achieve a joint gas-liquid stirring effect，using a pump to suck out the bio-slurry，and then to shot through the venturi tube，with the result of gas pluses in the upper position，it will have function of stirring so that it can prevent the upper bio-slurry from forming shell. As a result of that the liquid flowing power of the different levels between the entrance and the shooting level，an agitation is generated. Furthermore，our digester can provide many kinds of agitations according to different situations and fermentation process，to fit different fermentation raw materials in different forms and degrees. It is compared with the conventional CSTR reactors，it showed that the former costs is more than the latter， with about 4 500 RMB，but the new CSTR reactor can save 6 310 RMB in operating costs than the old ones per year，so the economical benefits of new CSTR reactor is better.

Key words： gas-liquid mixing； venturi tube； CSTR reactor； anaerobic digestion

沼氣工程是一種處理有機廢棄物，實現(xiàn)廢棄物的資源化、環(huán)?；⒛茉椿玫挠行緩?。通過厭氧消化過程，可以使有機物經(jīng)過微生物的分解作用，產(chǎn)生清潔能源沼氣，實現(xiàn)有機廢棄物的資源化、環(huán)?；肹1]。中國的沼氣發(fā)酵技術始于20世紀30年代，經(jīng)過波浪式的發(fā)展歷程，到70年代后期開始蓬勃發(fā)展起來。近年來，厭氧消化新工藝被廣泛研究與應用，厭氧消化技術應用于酒精、食品、屠宰、制藥、畜禽養(yǎng)殖場、化工等近20個行業(yè)的廢物處理工程[2-4]。到2013年年底，農(nóng)村戶用沼氣已累計發(fā)展至4 122.52萬戶，約占中國農(nóng)戶總數(shù)的20%，具備了一定的發(fā)展基礎；大中型沼氣也取得了良好的進展；全國已建成處理農(nóng)業(yè)廢棄物沼氣工程總池容達1 505.77萬m3，在改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和解決農(nóng)村能源方面發(fā)揮了積極作用[5]。對于大中型沼氣工程建設，中國根據(jù)原料來源不同以及交通運輸是否方便，進行了針對性的改進，如原料的預處理、厭氧消化工藝、沼氣輸配、制肥、消化液后處理等方面的設計改進[6]。目前，中國所建的大中型沼氣工程絕大部分是CSTR反應器，因為CSTR反應器結構簡單，成本低廉，是處理農(nóng)業(yè)廢棄物的最佳選擇。但是，CSTR反應器攪拌不均勻、微生物與有機物接觸不充分、頂層易結殼、能源轉化效率低、攪拌裝置更換頻繁、維修費用高，因此對其進行改進優(yōu)化具有重要意義。

當前，國內(nèi)的大中型沼氣工程的攪拌方式主要有機械攪拌和液體攪拌，這兩種攪拌方式均存在一定的不合理性。①機械攪拌。機械攪拌是使用各種安裝形式的機械裝置，通過各種形式的機械運動使物料達到混合狀態(tài)的一種攪拌方式。反應器長時間運行，機械葉輪會被腐蝕造成資源浪費，維修費用高，經(jīng)濟效益低，而且葉輪攪拌能耗較大，造成能源浪費。②液體攪拌。液體攪拌一般利用泵運轉所產(chǎn)生的液體流動來完成對物料的攪拌，利用發(fā)酵液本身，通過泵抽取發(fā)酵液，再通過其沖擊作用，打破發(fā)酵液表面結殼，實現(xiàn)發(fā)酵液攪拌，是一種能耗低、操作簡單、保證罐體密封性的攪拌方式，但是液體攪拌不夠充分，不能確保微生物與有機物的充分接觸[6]。

目前，國內(nèi)大部分沼氣工程均為濕發(fā)酵反應器，濕發(fā)酵反應器發(fā)酵料液的TS濃度在4%～6%，發(fā)酵罐體內(nèi)絕大部分為液體[7]。所以，本研究主要針對用于濕發(fā)酵的CSTR反應器存在的攪拌不均勻、微生物與有機物接觸不充分、頂層易結殼、能源轉化效率低、攪拌裝置更換頻繁、維修費用高等問題進行了改進。本研究利用帶有文丘里管的外循環(huán)管路，實現(xiàn)了多級氣液聯(lián)合攪拌，提供了一種罐內(nèi)設備少、結構簡單、施工維修簡便、攪拌效果好、運行費用低的厭氧反應裝置。

1 材料與方法

1.1 設計方案

一種氣液聯(lián)合攪拌的新型CSTR反應裝置如圖1所示，在連續(xù)攪拌全混合厭氧反應器的外部安裝含有文丘里管的多級外循環(huán)管路，在發(fā)酵過程中，可以通過循環(huán)泵將發(fā)酵液從Ax（其中x=1，2，3…N，N由反應器的攪拌級數(shù)來確定）吸出，通過文丘里管和外循環(huán)管路，再從Bx射入，沼氣在射入位置的上部形成攪拌作用，而且可以達到防止發(fā)酵液上層結殼的效果，液體則在射入位置的下部形成攪拌作用，其中沼液出口的最下端一級應高于活性污泥層，另一方面配備有自動化控制設備和變速器，實現(xiàn)定時自動進料、自動攪拌，并且可以根據(jù)發(fā)酵過程的不同情況，對發(fā)酵原料進行不同形式、不同程度的攪拌。循環(huán)泵安裝在出水端的最下面一級，沼液由于重力作用，可以自行流到泵處，為泵提供足夠的沼液，可使泵更好地工作，而且方便安裝和維修。在外循環(huán)管路上安裝文丘里管，文丘里管的進氣口與氣柜相連，利用文丘里管的原理來達到氣液攪拌和破殼的效果。在文丘里管的進氣口段加一個沼氣開關，可以有效地控制沼氣的進氣量，從而控制氣體攪拌的程度。外循環(huán)管路的沼液出口端到文丘里管的管道直徑應大于沼液進口端的管道直徑，不但能保證文丘里管有足夠的壓力，而且可以確保沼液射流進入反應器。在沼液射入端口安裝一個水力噴射器，來增強攪拌效果。

文氏管是文丘里管的簡稱，文丘里效應的原理則是當風吹過阻擋物時，在阻擋物的背風面上方端口附近氣壓相對較低，從而產(chǎn)生吸附作用并導致空氣的流動。文氏管的原理其實很簡單，它就是把氣流由粗變細，以加快氣體流速，使氣體在文氏管出口的后側形成一個真空區(qū)。當這個真空區(qū)靠近工件時會對工件產(chǎn)生一定的吸附作用，如圖2所示。液體從文丘里管的入口9進入，隨之截面逐漸減小，液體流速加快。這時就在10吸附腔的進口內(nèi)產(chǎn)生一個真空度，致使周圍空氣被吸入文氏管內(nèi)，隨著氣液混合一起流進擴散腔11內(nèi)，之后射流出去[8]。

1.2 設計內(nèi)容及計算

1.2.1 新型CSTR反應器發(fā)酵罐體的設計 確定反應器發(fā)酵罐體的有效容積為6 L。根據(jù)V=（πD2/4）×H，即V=πR2×H。其中，V為反應器的有效容積，D為反應器的柱形直徑，H為反應器的有效高度。取高徑比為 1∶1，則上式可化為V=πD3/4。取V=6 L，可得D=■，則H=■。經(jīng)計算可得D=H=0.2 m。

根據(jù)反應器柱體高與直徑之比為1.0∶1.5較合理，可得柱體高h=0.13 m，分別取A1A2A3、B1B2B3B4的間距為柱體的1/3，可得進料口位于反應器右側底端，A3位于距離底端0.04 m處，A2位于距離底端0.08 m處，A1位于距離底端0.13 m處。B4位于反應器左側底端，B3距離B4 0.04 m，B2距離B4 0.08 m，B1距離B4 0.13 m。根據(jù)反應器內(nèi)液面一般為淹沒頂蓋2/3，可以得到出料口位于距離底端0.17 m處[8]。

1.2.2 文丘里管的設計 由于攪拌太慢，水流量太小，吸氣量較少，會導致射流壓力小，攪拌不均勻、不充分，而攪拌過快又會致使發(fā)酵液從出氣孔溢出，管道太細還會發(fā)生堵塞，因為15 mm管的流量為1.67～16.67 L/min，而反應器發(fā)酵罐體的有效體積為6 L，所以文丘里管選擇15 mm管較合適[8]。文丘里管設計參數(shù)如表1所示。

1.2.3 新型CSTR反應器試運行發(fā)酵試驗 在常溫條件下，利用新型CSTR反應器處理水葫蘆汁液，其中接種物是用水葫蘆汁液長期馴化的豬糞。水力滯留時間為6 d，水葫蘆汁液COD濃度為15 950 mg/L。分別用濕式流量計、CODmaxII在線測定儀、GC-6890A型氣相色譜儀測定日產(chǎn)氣量、COD、甲烷含量。

2 結果與分析

2.1 水葫蘆產(chǎn)氣情況分析

日產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時間的變化如圖3所示。日產(chǎn)氣量隨著發(fā)酵時間逐漸增多，第5天時逐步平緩，說明微生物已經(jīng)適應了發(fā)酵環(huán)境，整個體系處于穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定后，平均日產(chǎn)氣量為4.2 L，池容產(chǎn)氣率為0.7 m3/m3·d，甲烷平均含量達到63%。

2.2 COD去除效果

進水COD濃度為15 950 mg/L，水力滯留時間為6 d時，反應器穩(wěn)定后，出水COD濃度為3 900 mg/L，COD降解率為76%。

2.3 新型CSTR反應器試運行情況分析

結果表明，新型的CSTR反應器的出水COD為3 900 mg/L，根據(jù)CSTR反應器的特點，出水COD在4 000 mg/L左右均屬正常范圍，所以新型的CSTR反應器能夠正常運行。

2.4 效益分析

2.4.1 經(jīng)濟效益分析 已在云南省安寧市建設了一項600 m3的沼氣工程，采用氣液聯(lián)合攪拌新型CSTR反應器，以600 m3的沼氣工程項目為例，對新型CSTR反應器與傳統(tǒng)的CSTR反應器進行比較。新型CSTR反應器在造價上要比傳統(tǒng)CSTR反應器貴0.450萬元，但在年運行費用上要比傳統(tǒng)的CSTR反應器節(jié)省0.630萬元，沼氣工程的壽命一般不能低于20年，所以20年運行下來要比傳統(tǒng)的CSTR反應器節(jié)省12.623萬元。所以，從長遠角度來看，新型的CSTR反應器要比傳統(tǒng)的CSTR反應器的經(jīng)濟效益好（表2、表3）。

2.4.2 能源、環(huán)境效益分析 沼氣工程本身就是一種處理有機廢棄物，實現(xiàn)廢棄物的資源化利用的有效途徑，可提高厭氧反應器的效率，可以在單位時間內(nèi)提高有機廢棄物的資源化效率和產(chǎn)沼氣效率，而且產(chǎn)生的沼氣可以替代傳統(tǒng)的煤礦燃料，達到節(jié)能減排、綠色能源的目的。

1 m3有效池體積的CSTR反應器液體攪拌所需的電量為0.005 kW·h/d，而機械攪拌的CSTR反應器所需電量一般為0.006 5 kW·h/d[9]。與液體攪拌相比，在相同的流量下，額外增加了一部分氣體攪拌，也就是說在相同的耗電量下，增加了攪拌的程度，所以在相同的攪拌程度下縮短了攪拌時間，節(jié)省了耗電量，節(jié)省了能量。因此，與機械攪拌相比，新型CSTR反應器至少每天節(jié)約用電0.0015 kW·h/d，即1 000 m3沼氣工程一年可節(jié)省219 kg的標煤，減排二氧化碳546 kg，減排149 kg碳粉塵，減排二氧化硫16.425 kg。

3 小結

本研究在傳統(tǒng)的CSTR反應器的基礎上進行了改進，利用文丘里管實現(xiàn)了氣液多相聯(lián)合攪拌。與傳統(tǒng)CSTR反應器相比，既避免了罐體內(nèi)機械攪拌裝置腐蝕造成的資源浪費，又節(jié)省了維修費用，提高了經(jīng)濟效益。利用氣液聯(lián)合攪拌要比傳統(tǒng)的機械攪拌更節(jié)省能源，可以達到節(jié)能減排的目的，具有良好的能源和環(huán)境效益。

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