間歇式引射內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器

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(dòng)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(dòng)，達(dá)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(dá)到一定量時(shí)再排出，間歇排出的氣體帶動(dòng)引射器間歇工作。該文以厭氧反應(yīng)器為例進(jìn)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(hào)： ?TQ021 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)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(jí)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(dòng)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(jī)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(jì)，主要由罐體、三相分離器、引射器、氣水分離器、進(jìn)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(dòng)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(gè)階段，2個(gè)過程交替進(jìn)行。

1.1 第一階段：沼氣積累

集氣罩收集的沼氣不是直接進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，而是暫時(shí)儲(chǔ)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(shí)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(diǎn)時(shí)，引射器開始工作。沼氣通過“U”形管進(jìn)入引射管，帶動(dòng)沼液向上進(jìn)入氣水分離器，水氣分離后，沼氣進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置，沼液則回流到反應(yīng)器底部，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)。

隨著引射過程的進(jìn)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(dá)“U”形管的端口時(shí)，沼液進(jìn)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(diǎn)

間歇式引射內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器有6個(gè)特點(diǎn)。1）與傳統(tǒng)IC反應(yīng)器相比，只有一級(jí)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(dòng)力實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)，降低了運(yùn)行費(fèi)用。3）使用引射器作為循環(huán)裝置，循環(huán)量大。整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、無運(yùn)動(dòng)部件、自動(dòng)運(yùn)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(shí)，循環(huán)系統(tǒng)才運(yùn)行，循環(huán)水量與沼氣產(chǎn)量成正比，不會(huì)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(dòng)下沉，同時(shí)由于集氣罩內(nèi)水位周期性上下變動(dòng)，不會(huì)造成浮渣結(jié)殼。6）系統(tǒng)單元化，單元個(gè)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(jì)方案

3.1 上部進(jìn)水

升流式反應(yīng)器均采用在反應(yīng)器底部進(jìn)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(jìn)水（圖4），再回流到底部，仍屬于升流式反應(yīng)器。

上部進(jìn)水的優(yōu)點(diǎn)：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(hù)，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(jìn)水工作完成后，管道中的水全部回流到預(yù)處理池，不會(huì)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(yùn)行費(fèi)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(jì)成如圖5所示21個(gè)單元，20套循環(huán)、進(jìn)水系統(tǒng)，每個(gè)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(gè)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(jìn)給安裝和維護(hù)帶來了極大方便，同時(shí)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(duì)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(gè)工程實(shí)例也采用全封閉式，其最大弊端是回流管堵塞后無法維護(hù)?，F(xiàn)改為水封式，回流管設(shè)在分離器外部，便于維護(hù)，如圖2所示，同時(shí)回流管與進(jìn)料管共用。一管兩用后，如果循環(huán)與進(jìn)料同時(shí)進(jìn)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(jìn)料在上部隔離，只有循環(huán)水走溢流管。對(duì)于以動(dòng)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(jìn)料管的堵塞是難免的，一旦堵塞，原料會(huì)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(duì)原有UASB反應(yīng)器的升級(jí)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(jìn)水管連接即可實(shí)現(xiàn)間歇式自動(dòng)循環(huán)。集氣罩應(yīng)加固，防止上浮。

在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下即可實(shí)現(xiàn)改造升級(jí)，成本以百元計(jì)。

5 儲(chǔ)氣罐的優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用塔節(jié)式濕式儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)氣罐

儲(chǔ)氣罐由2-3節(jié)組成，儲(chǔ)氣罐上升到蓄水池水面以上時(shí)，由水封槽內(nèi)的水和下一節(jié)罐體形成水封，并帶動(dòng)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(shí)也使蓄水池全地下有了可能。

儲(chǔ)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(shí)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?yàn)槠涿芏容^低，除去水的浮力后只有自重的一半多一點(diǎn)。

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(jì)專門的凝結(jié)水收集儲(chǔ)存裝置，如圖8所示，然后用手動(dòng)壓水泵排出。圖中底部的橫管用于儲(chǔ)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(chǔ)水管內(nèi)的存水量。實(shí)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(jì)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(gè)部分，糞便原料進(jìn)入發(fā)酵間，秸稈原料進(jìn)入酸化間，利用引射器將酸化液送入發(fā)酵間，秸稈殘?jiān)隽戏奖?，發(fā)酵間幾乎不用出料。

這一設(shè)計(jì)由于需要單獨(dú)的儲(chǔ)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(gè)長方形磚混結(jié)構(gòu)沼氣池并聯(lián)組成。

污水管連接進(jìn)料間進(jìn)入下部的發(fā)酵間，生活垃圾進(jìn)入上部的酸化池。當(dāng)一個(gè)酸化池需要清理時(shí)，可以將水抽干，固體殘?jiān)馗苫Ｔ摲桨笇?duì)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(xiàn)

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