前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的谈液体搅拌湿法厌氧发酵实验装置设计，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要:大中型湿法沼气工程发酵物料的搅拌一般以机械搅拌为主，由于长期运行机械搅拌部件易磨损腐蚀，维修麻烦，维护成本偏高。针对此现象，设计开发了一种实验室用液体搅拌湿法厌氧发酵实验装置，该实验装置主要由立式厌氧发酵罐、液体搅拌装置、电加热水浴水套增温装置、沼气计量及净化储存装置等构成，可实现自动控温、自动搅拌、连续厌氧发酵产气，适用于干物质浓度为4%～8%的畜禽粪便等农业有机废弃物厌氧发酵，可以通过设置不同厌氧发酵参数条件，研究液体搅拌对不同物料厌氧发酵产气情况的影响，通过实验数据研究分析优化相关进行参数，考察液体搅拌方式的适用性，为实验室沼气发酵技术研究提供了一种新的研究手段，为大中型湿法沼气工程建设方案的制定提供理论基础和参考依据。
关键词:沼气;厌氧发酵;液体搅拌;实验装置
前言
当前，我国每年畜禽粪污等农业废弃物产出量巨大，这些废弃物既是宝贵资源，又是污染源，若不经有效处理，将会严重污染人类赖以生存的环境［1］，同时，我国长期面对能源紧缺的现状，问题亟待处理和解决，沼气发酵是生物质能转化最重要的技术之一，是将农业废弃物进行资源化、能源化利用的一条合理有效的途径，不仅能耗省，还能生产清洁能源沼气和有机肥料［2］。目前沼气发酵技术以湿法沼气和干法沼气发酵为主，但干法沼气发酵技术由于物料含固率较高，很难实现厌氧发酵阶段的物料搅拌，一般为间歇式厌氧发酵，以车库式干发酵反应器为例，存在占地空间大、单体反应器不易扩大等缺点;湿法沼气发酵技术物料含固率较低、流动性好，并且单体反应器容易放大，以连续式厌氧发酵为主，一般反应器内设有机械搅拌装置用于物料混合搅拌，提高发酵效率，但由于机械搅拌长期运行机械部件易磨损腐蚀，维修麻烦，维护成本偏高。为此本研究设计开发了液体搅拌湿法厌氧发酵实验装置，液体搅拌是利用发酵液本身通过泵运转所产生的液体流动来完成对物料的搅拌，是一种能耗低、操作维护简单、易于密封的搅拌方式［3］，可以在实验室完成搅拌、温度、物料种类及物料浓度等因素在液体搅拌方式下对不同物料厌氧发酵产气效果的影响研究，并优化其工艺参数，以期为大中型湿法沼气工程的开发建设及运行提供技术参考和理论支撑。
1厌氧发酵工艺流程
该厌氧发酵实验装置适用于TS浓度为4%～8%的物料发酵，采用液体搅拌湿法厌氧发酵工艺，连续进出料、恒温厌氧发酵，可实现自动控温、自动搅拌连续厌氧发酵产气，其工艺流程如图1所示。
2实验装置结构组成及设计
2.1实验装置构成
厌氧发酵实验装置主要由反应器罐体、液体搅拌装置、控温装置、电控装置、沼气净化装置、沼气流量计和储气罐等组成。反应器设计为立式圆柱罐体结构，罐体侧壁设有搅拌进液口和搅拌出液口，罐外设有循环泵，搅拌进、出液口与循环泵通过管路相连接，可以实现液体搅拌功能;反应器底部设有蓄热增温水箱，罐体侧壁设有水浴水套换热夹层，并设有温度传感器，用于对反应器内发酵料温进行控制;电控装置由电源开关、电能表、时控开关、搅拌开关、温控开关等构成，用于厌氧发酵搅拌及温度控制;沼气净化装置由脱水罐及脱硫罐构成;沼气流量计选用湿式气体流量计;沼气储存采用浮罩式集气罐。
2.2实验装置主体结构及控制系统设计
2.2.1反应器罐体结构设计
发酵罐体为容积16L的立式圆柱体结构，按照沼气工程反应器一般容料量80%的原则，且保证装料后厌氧发酵过程中不至于造成物料上浮堵塞出气口，留有足够的容气空间高度，并借鉴以往研究经验，确定发酵罐内腔直径及高度尺寸为Φ200mm×520mm。发酵罐体内、外筒均采用壁厚10mm的透明亚克力管，发酵罐底、上盖以及联结法兰均采用20mm厚透明亚克力板，进出料口以及溢流口等也均采用透明亚克力材料，采用透明罐体可以在厌氧发酵过程中更好地观察反应器内物料发酵状态。进料口与溢流口伸入罐体内液面以下的位置，保证厌氧发酵过程中起到良好的水封作用，在料液减少时，不会导致气体泄露而影响实验进行。
2.2.2液体搅拌的设计
液体搅拌方式通过采用污泥循环泵从料层上部抽出料液，从料层底部泵入，底部料液向上运动，强制料液循环实现搅拌作用，同时由于泵入过程中带有一定的压力，还可以破开底部沉淀物使其上浮，防止物料沉积。液体搅拌参数设计及循环泵的选择如下。
2.2.2.1系统压力设定物料在发酵过程中能使料液循环开即可，不需要过大压力，取系统工作压力为0.05MPa。
2.2.2.2循环泵流量计算发酵罐容积为16L，设计0.5min料液循环1次，则循环泵的流量Q=16×2=32L•min－1。
2.2.2.3电机功率计算N=P×Q/(60η)(1)式中，压力P为0.05MPa，流量Q为32L•min－1，η循环泵总效率为0.8，则计算得功率N为33W。2.2.2.4管路内径计算参照压力油管设计，料管内径:d1≥4.6QV1槡(2)式中，Q为循环泵的额定流量，L•min－1;V1为料液流速，V1=1.5m•s－1。计算得出料管内径d1≥21.2mm，选用内径为25mm的高压软管连接。
2.2.2.5循环泵选择根据以上参数循环泵选用了最小的排污泵MP－4500型直流电动排污泵，该泵具有排液迅速、双刀设计、效率高、耐腐蚀、结构紧凑、安装方便等特点。循环泵主要参数为电压12V，功率114W，流量36L•min－1，进口管内径38mm，出口管内径25mm，最大工作压力0.2MPa。图2循环泵2.2.3电控系统设计电控箱箱体采用白钢材质，各电器元件集成在箱体上，并按各元件尺寸合理布局开孔安装，箱体内部内置加热增温水箱，箱体结构紧凑，整体操作便捷。反应器控制电源采用标准工作电源220V/50Hz;温度为了满足厌氧发酵研究需要，设定最高温为55℃，控温波动范围为±0.5℃。图3控制线路图QA:电源开关;BV:调速器;M1:液体搅拌电机;M2:循环泵;SA1:正反转开关;SA2:温控表1开关;SA3:温控表2开关;SL:液面限位传感器;R:温度传感器;KC:液面保护继电器;WDB1:温度控制表1;WDB2:温度控制表2;RR:加热器
3反应器结构及工作原理
3.1反应器整体结构
厌氧发酵反应器主要包括厌氧发酵罐及电控箱2部分，其整体结构示意如图4所示。
3.2反应器工作原理
连接电控箱和反应器，从加水口往蓄热水箱内加水至水面高于蓄热水箱内温度探头，打开电源开关，电源指示灯亮表示电源接通。温度设定，使用温度控制面板中“+”和“－”调至设定温度，打开温控开关1和2，温度监测面板红色指示灯亮表示电热管电源接通开始加热。当温度监测面板上所显示温度达到所设定温度时，稍等数分钟后，即可自动恒温控制。搅拌设定，搅拌设定可手动搅拌与自动搅拌相互切换，手动搅拌时，打开搅拌控制面板中搅拌控制开关，绿色电源指示灯亮表示液体搅拌电机电源接通，关闭搅拌面板中搅拌控制开关搅拌即停止;自动搅拌时，使用可编程时控器设置搅拌开启和关闭时间，将可编程时控器连入搅拌控制电路，保持搅拌控制面板中搅拌控制开关处于开启状态，搅拌方向及搅拌速度可事先设定。厌氧发酵实验过程中可以根据实验需要进行相关参数设定，工作时发酵液体从搅拌出液口1和搅拌出液口2吸出，经过搅拌泵体，再从搅拌进液口1和搅拌进液口2将搅拌液体泵入发酵罐内，如此进行液体循环完成厌氧发酵的液体搅拌过程。搅拌设定，搅拌设定可手动搅拌与自动搅拌相互切换，手动搅拌时，打开搅拌控制面板中搅拌控制开关，绿色电源指示灯亮表示液体搅拌电机电源接通，关闭搅拌面板中搅拌控制开关搅拌即停止;自动搅拌时，使用可编程时控器设置搅拌开启和关闭时间，将可编程时控器连入搅拌控制电路，保持搅拌控制面板中搅拌控制开关处于开启状态，搅拌方向及搅拌速度可事先设定。厌氧发酵实验过程中可以根据实验需要进行相关参数设定，工作时发酵液体从搅拌出液口1和搅拌出液口2吸出，经过搅拌泵体，再从搅拌进液口1和搅拌进液口2将搅拌液体泵入发酵罐内，如此进行液体循环完成厌氧发酵的液体搅拌过程。
4实验装置运行调试
开发的液体搅拌湿法厌氧发酵实验装置实物图如图5所示，经装料、接通电源、设定不同参数等进行7d的运行调试，实验装置各部件运行稳定，可实现物料发酵温度的自动控制，自动定时搅拌，发酵物料液体搅拌效果较好，系统密封可靠、无泄漏，完全能够满足厌氧发酵实验研究需求。
5结束语
液体搅拌湿法厌氧发酵实验装置的开发应用，为实验室沼气发酵技术的研究提供了一种新的研究手段，该实验装置运行稳定、操作简便、参数可控，可以通过设定不同发酵温度、搅拌时长、搅拌频率等参数研究液体搅拌方式对不同物料厌氧发酵产气情况的影响，优化出最佳工艺参数，并能为大中型沼气工程建设方案的制定及运行提供理论基础和参考依据。
参考文献
［1］朱德文，曹成茂，陈永生，李瑞容，曲浩丽．秸秆厌氧干发酵产沼气关键技术及问题探讨［J］．中国农机化，2011(04):56－59．
［2］彭武厚，陆鑫．浅谈沼气发酵［J］．太阳能，2007(07):63－65，15．
［3］曹秀芹，赵东方，李彩斌，等．污泥厌氧消化过程搅拌技术研究进展［C］．中国土木工程学会全国排水委员会年会．中国土木工程学会，2011．
作者：张蕾蕾 邢向欣 袁存亮 张重 黄超 单位：吉林省农业机械研究院