規(guī)模化沼氣工程濕式發(fā)酵工藝發(fā)酵罐攪拌器選擇

穆震宇

（山西能投生物質(zhì)能開發(fā)利用股份有限公司，山西太原 030000）

0 引言

在規(guī)?；镔|(zhì)行業(yè)中，濕式厭氧發(fā)酵作為主流沼氣厭氧發(fā)酵工藝，有較成熟的工藝技術(shù)和較廣泛的應(yīng)用。談到濕式厭氧發(fā)酵離不開厭氧發(fā)酵罐及其中重要工藝設(shè)備攪拌器，所以在項(xiàng)目初期攪拌器的選擇成為項(xiàng)目投產(chǎn)后能否經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定生產(chǎn)的重要因素之一。

1 厭氧發(fā)酵罐中攪拌器的作用

生化反應(yīng)是依靠傳質(zhì)而進(jìn)行的，而傳質(zhì)的產(chǎn)生必須通過基質(zhì)與微生物之間的實(shí)際接觸。在規(guī)?；託夤こ讨校旌蠑嚢枋亲钣行?、最可行的手段。目前攪拌器普遍認(rèn)為在沼氣厭氧發(fā)酵過程中能起到以下作用。

（1）達(dá)到均質(zhì)效果，使得新舊物料混合均勻，使微生物與原料充分接觸，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。

（2）使固體物質(zhì)在料液中分散、懸浮，增加與微生物的接觸面，促進(jìn)這些物質(zhì)的消化，同時還避免這些物質(zhì)的沉積與結(jié)殼。

（3）通過攪拌可以使氣體在液相中很好地分離。

（4）傳遞發(fā)酵罐內(nèi)溫度，消除溫度不均勻現(xiàn)象，使生化反應(yīng)正常進(jìn)行。

（5）改變料液中物相的關(guān)系。

2 常用的攪拌方式與優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1 水力攪拌

水力攪拌一般是利用泵運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的液體流動來完成對物料的攪拌。需要在發(fā)酵罐上設(shè)置導(dǎo)流孔，在發(fā)酵罐外設(shè)置泵房。在規(guī)?；镔|(zhì)沼氣工程中常采用螺桿泵作為動力泵進(jìn)行，設(shè)置1～3 個螺桿泵從不同方向通過出流管將消化液在罐內(nèi)噴射出去以達(dá)到攪拌的目的。由于沒有機(jī)械傳動裝置在罐內(nèi)，因此維護(hù)管理方便簡單。但缺點(diǎn)是對高固含量的消化液攪拌效果較差。

2.2 頂部中心攪拌

將攪拌器安裝在發(fā)酵罐頂部中心，一般為皮帶傳動和齒輪傳動，可以用普通電機(jī)直接連接或與減速機(jī)直接連接，這種攪拌方式的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計制造相對簡單。但由于不能移動，在運(yùn)行中如選擇徑流型攪拌器，由于離心力的作用會在攪拌器周圍產(chǎn)生打旋現(xiàn)象。

2.3 側(cè)插式長軸攪拌

這種攪拌器安裝形式也是在發(fā)酵罐側(cè)壁開孔，將攪拌裝置安裝在反應(yīng)器的側(cè)壁上，攪拌器長軸側(cè)插入罐體內(nèi)。螺旋槳在罐內(nèi)，機(jī)械及電機(jī)部分在罐外，易于維修和保養(yǎng)。缺點(diǎn)是螺旋槳在罐內(nèi)活動范圍較局限，國外有可以調(diào)整角度的傾斜式長軸攪拌器，可以上下左右擺動。但是由于長軸的原因活動范圍也不大，同時單一類型側(cè)插式攪拌器往往不好處理表面結(jié)殼問題。

2.4 頂部偏心式攪拌

將攪拌裝置在立式容器上偏心安裝，可以有效防止打旋現(xiàn)象產(chǎn)生，產(chǎn)生與加擋板相近似一些的攪拌效果。偏心攪拌使攪拌中心偏離容器中心，使反應(yīng)原料各點(diǎn)受力不同，因而原料層間的相對運(yùn)動和原料層之間的湍動加強(qiáng)，攪拌效果明顯加強(qiáng)，攪拌效果明顯提高。但是也存在不能移動的問題，往往一座發(fā)酵罐需要安裝多個攪拌器。同時偏心攪拌容易引起振動，尤其消化液含固率較高時一般應(yīng)用較少。歐洲一部分采用低速攪拌的沼氣工程使用這種攪拌器安裝形式。

2.5 潛水?dāng)嚢?/h3>

潛水?dāng)嚢铏C(jī)在攪拌過程中，通過葉輪旋轉(zhuǎn)創(chuàng)建水流，攪拌水中物質(zhì)，增加水中含氧量，有效阻止懸浮物沉積，可滿足固液二相的混合攪拌要求。攪拌器適用于污水處理、沼氣發(fā)酵等過程中需要攪拌、混合的場所，具有結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、能耗低、便于養(yǎng)護(hù)、葉輪精度高、推力大等優(yōu)點(diǎn)。沼氣工程中常用潛水?dāng)嚢杵鞑煌谳S流潛水?dāng)嚢杵?，多為槳式潛水?dāng)嚢杵鳌？梢蕴嵘蛳陆档揭欢ǜ叨龋幸欢ǖ男D(zhuǎn)角度，是較為靈活的一種攪拌器。在規(guī)?；託夤こ讨卸嘧鳛榕浜掀渌惢騿我活悢嚢杵魇褂?。由于靈活性較強(qiáng)，應(yīng)對結(jié)殼問題也有較優(yōu)秀的效果。同時靈活的性能也可以提供不同的液體流向以達(dá)到最佳的攪拌效果。缺點(diǎn)是維修成本較高，維修較麻煩。

3 槳式攪拌器螺旋槳的選擇

現(xiàn)國內(nèi)螺旋槳材料基本分為碳鋼和不銹鋼兩類，但是在實(shí)際使用過程中，這兩類材料攪拌器槳葉都存在磨損較快的問題。頻繁的更換槳葉無疑增加了運(yùn)行和維護(hù)成本。國外有的使用耐磨涂層工藝處理螺旋槳葉以達(dá)到較高的耐磨度，這應(yīng)該是國內(nèi)攪拌器槳葉發(fā)展的方向。就我公司的項(xiàng)目運(yùn)行看來，雖然進(jìn)口槳葉單價成本較高，但在設(shè)備穩(wěn)定性、使用周期和長期維保費(fèi)用方面來看也比較經(jīng)濟(jì)。

4 通過原料及前端預(yù)處理工藝選擇攪拌器的建議

從實(shí)際運(yùn)行情況來看，單一秸稈或以秸稈為主要原料項(xiàng)目中攪拌設(shè)備磨損速度較單糞污原料要高很多。因?yàn)榻斩捴械哪举|(zhì)素等富有韌性的物質(zhì)在一定程度上加速了設(shè)備的磨損。但由于攪拌器葉輪更換較為麻煩，一般會在前端對物料進(jìn)行預(yù)處理。發(fā)酵工藝前端預(yù)處理工藝常見分為兩種：機(jī)械預(yù)處理與水解酸化預(yù)處理。

4.1 機(jī)械預(yù)處理

國內(nèi)常見的規(guī)?；镔|(zhì)沼氣項(xiàng)目與餐廚垃圾沼氣項(xiàng)目預(yù)處理工藝是有一些區(qū)別的。餐廚垃圾預(yù)處理使用篩分設(shè)備對垃圾中的雜物進(jìn)行篩分、去除、回收等工序后就可以直接進(jìn)行發(fā)酵。但生物質(zhì)沼氣項(xiàng)目中除了篩分、破碎，最重要的一點(diǎn)還是進(jìn)行秸稈與糞污的混合，包括純秸稈項(xiàng)目，也是秸稈與消化液的混合。一方面是為了均勻物質(zhì)，最主要是為了通過混合攪拌使每一批次進(jìn)入發(fā)酵罐中的物料可以保持良好的含固率及微生物與原料的接觸面積，易于發(fā)酵和提升產(chǎn)期率。生物質(zhì)沼氣項(xiàng)目中，秸稈的機(jī)械預(yù)處理多使用破碎后秸稈通過螺旋或皮帶送入混合勻漿設(shè)備，與糞液接收池送入的糞污進(jìn)行預(yù)混合后泵送至發(fā)酵罐中?；旌显O(shè)備也是多種多樣的，有精確控制配料的稱重勻漿設(shè)備如Dissolver、ProMix 等進(jìn)口設(shè)備，也有較簡單的憑借經(jīng)驗(yàn)控制的混合器等。這些設(shè)備都是為了充分混合物料使物料充分發(fā)酵而設(shè)計的。

4.2 水解酸化預(yù)處理

將秸稈原料置入水解池，加入糞污或沼液并進(jìn)行加溫攪拌。如沒有沼液或糞污可以加入碳銨進(jìn)行碳氮比的調(diào)整。水解酸化過程中，在大量的水解產(chǎn)酸菌的作用下，將不溶性有機(jī)物水解為溶解性物質(zhì)，將大分子的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為易于生物降解的小分子有機(jī)物質(zhì)（如有機(jī)酸類等），來提高秸稈原料的可生化性。經(jīng)過水解后的原料一同泵送至厭氧發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵。以往的水解工藝是不經(jīng)過破碎直接進(jìn)行水解酸化工藝，但實(shí)際運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，無論是設(shè)備的故障率還是后端的產(chǎn)期率都不理想，所以后期幾乎所有項(xiàng)目都會在預(yù)處理前端加一道破碎工藝，除非使用全株青儲秸稈作為原料。

4.3 選型建議

常用的兩種預(yù)處理工藝對前端物料都有破碎、均質(zhì)的效果，但就項(xiàng)目實(shí)際情況來看，對同樣處理量的兩個項(xiàng)目1 年設(shè)備使用情況對比，機(jī)械預(yù)處理后物料對攪拌器螺旋槳的磨損要遠(yuǎn)小于水解酸化預(yù)處理工藝。就攪拌器故障率來看，水解酸化工藝大于機(jī)械預(yù)處理工藝所。根據(jù)后期維保運(yùn)行考慮，建議水解酸化工藝攪拌器選用易維修的攪拌器類型配合1～2 臺潛水?dāng)嚢杵髯鳛槠茪な褂眯Ч麨榧?。同時在選用時盡量做到設(shè)備備件通用化以減少備品、備件庫存量。機(jī)械預(yù)處理工藝后使用的發(fā)酵罐攪拌器建議選擇潛水?dāng)嚢杵鳌?/p>

5 進(jìn)口設(shè)備與國外設(shè)備選擇建議

目前，歐美等國沼氣行業(yè)發(fā)展的相當(dāng)先進(jìn)，尤其是歐洲以瑞士、德國等發(fā)達(dá)國家在規(guī)?；託獍l(fā)酵技術(shù)領(lǐng)域已進(jìn)行了多年的研究。我國雖然是最先開始發(fā)展沼氣發(fā)酵技術(shù)的，但多為小型沼氣發(fā)酵技術(shù)，使用范圍和秸稈利用率也較小。目前我國作為規(guī)?；託夤こ碳彼侔l(fā)展階段，可向歐美國家進(jìn)行學(xué)習(xí)，尤其是工藝設(shè)備制造。

從我公司目前運(yùn)行項(xiàng)目來看，進(jìn)口設(shè)備在維保費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國產(chǎn)設(shè)備，但進(jìn)口設(shè)備穩(wěn)定性卻優(yōu)于國產(chǎn)設(shè)備。國內(nèi)不乏優(yōu)秀的、先進(jìn)的設(shè)備制造企業(yè)，但生物質(zhì)行業(yè)還處于發(fā)展初期，大多數(shù)優(yōu)秀的設(shè)備制造企業(yè)沒有涉足該行業(yè)，從而導(dǎo)致該行業(yè)設(shè)備制造技術(shù)參差不齊。所以僅限于目前對進(jìn)口和國產(chǎn)攪拌器設(shè)備進(jìn)行選型建議。

5.1 側(cè)入式、側(cè)插式攪拌器等

就攪拌器而言，側(cè)入式、側(cè)插式等機(jī)械部分與電氣部分在發(fā)酵罐外的攪拌設(shè)備，國產(chǎn)設(shè)備與進(jìn)口設(shè)備差別不大。由于維保簡單，方便更換，作為非連續(xù)性運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備可以考慮作出詳細(xì)的設(shè)備檢維修計劃以減少故障率帶來的生產(chǎn)損失，及時更換，及時保養(yǎng)。所以在選擇這類攪拌器時，可以通過長遠(yuǎn)設(shè)備維保費(fèi)用核算初期投資成本和固定資產(chǎn)管理綜合考量。

5.2 潛水?dāng)嚢杵?/h3>

潛水?dāng)嚢杵髯鳛槌寥氚l(fā)酵罐且靈活的攪拌器，維保相對困難。同時，發(fā)生較大的設(shè)備故障如吊繩斷裂、電機(jī)進(jìn)水等，會造成較嚴(yán)重的生產(chǎn)損失。通過以往的經(jīng)驗(yàn)來看，隱蔽類設(shè)備選擇時必須要考慮設(shè)備穩(wěn)定性，低維保頻率，低故障率等。所以對于潛水?dāng)嚢璧倪x擇而言，建議選擇優(yōu)質(zhì)的穩(wěn)定性高的國產(chǎn)設(shè)備或性價比較高的進(jìn)口專用設(shè)備。

6 總結(jié)

綜上所述，規(guī)?；託忭?xiàng)目中發(fā)酵罐攪拌器的選擇原則總結(jié)為以下4 個：

（1）根據(jù)前端工藝選擇以降低磨損率和故障率。

（2）根據(jù)原料性質(zhì)選擇以保證工藝性能和設(shè)備穩(wěn)定性。

（3）根據(jù)后期設(shè)備管理需要計劃性維?；虻途S保頻率而具體選擇設(shè)備類型。

（4）根據(jù)初期投資對比選擇最合適的進(jìn)口設(shè)備或國產(chǎn)設(shè)備。

項(xiàng)目初期設(shè)備選擇的合適，項(xiàng)目后期運(yùn)行就會非常順利。目前我國生物質(zhì)行業(yè)專用設(shè)備還屬于初期階段，幾乎沒有專用設(shè)備。大多數(shù)設(shè)備為其他行業(yè)的通用設(shè)備，但是由于沒有專門匹配原料與設(shè)備，很多設(shè)備無法發(fā)揮出其應(yīng)有的性能，表現(xiàn)出極高的故障率和不穩(wěn)定性，感覺設(shè)備不好用或設(shè)備質(zhì)量差。希望通過以往的選型經(jīng)驗(yàn)及實(shí)例，給規(guī)模化沼氣項(xiàng)目中濕式發(fā)酵工藝發(fā)酵罐攪拌器設(shè)備選型提供一些參考。