一种采用脉冲气动搅拌的卵形厌氧反应器及其控制方法与流程

1.本发明属于厌氧反应器技术领域，具体涉及一种采用脉冲气动搅拌的卵形厌氧反应器及其控制方法。


背景技术：

2.近年来，我国对环境污染的重视程度越来越大，厌氧发酵技术作为污水、固废处理领域的核心技术，在环境保护和治理方面扮演着重要角色，在污水处理领域几乎都有它的踪影。然而，厌氧发酵也是一个耗能、造污的过程，在国内节能减排压力剧增的背景下，如何进一步提升厌氧发酵效率、降低能源消耗、保持稳定运行，是该技术满足碳中和要求、实现自我提升的关键。
3.传统的厌氧反应器为圆柱形钢制罐，普遍采用机械搅拌的方式，如顶装式搅拌桨叶，通过搅拌轴的旋转带动罐内液体流动，从而实现搅拌混合的目的。桨叶的型式和尺寸对于搅拌效果至关重要，国内的机械搅拌设计难以达到充分混合的目的，导致厌氧罐体积利用率普遍低于80%，而进口搅拌装置采购和维护费用高昂，一般企业承受不起。


技术实现要素：

4.本发明提供一种采用脉冲气动搅拌的卵形厌氧反应器及其控制方法，本发明摒弃了机械搅拌方式，采用了一种新型气动搅拌方式，通过间歇气体脉冲的搅拌作用，实现厌氧反应器内液体的有效混合，同时优化厌氧反应器的结构型式，使之更贴合搅拌流线分布，从而提升反应器的体积利用率。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种采用脉冲气动搅拌的卵形厌氧反应器，包括：厌氧反应器本体，所述厌氧反应器本体呈卵形，其顶面和底面为平面；若干导气管，所述导气管为同心套管，所述导气管输出端从所述厌氧反应器本体顶面延伸至所述厌氧反应器本体内部，所述导气管输入端通反应气体；若干压气盘，所述压气盘邻近所述厌氧反应器本体底面设置，且所述压气盘与所述导气管导通；所述压气盘包括上盘片和下盘片；所述上盘片设置于所述下盘片上方，所述上盘片与所述下盘片之间存在间隙形成第一气流通道，所述第一气流通道与所述导气管外管连通；所述下盘片设置于所述厌氧反应器本体底面上方，所述下盘片与所述厌氧反应器本体底面之间存在间隙形成第二气流通道，所述第二气流通道与所述导气管内管连通。
6.作为本发明的进一步优选，所述导气管输入端处所述外管的端部与所述内管焊接密封。
7.作为本发明的进一步优选，还包括风机、第一管道、第二管道、第三管道、第四管道以及第五管道，其中：
所述风机输出端连通所述第一管道；所述第一管道与所述第二管道连通，且所述第一管道与所述第三管道连通；所述第二管道与环空体积连通，所述环空体积为所述内管与所述外管之间的空间；所述第三管道与所述内管输入端连通；所述第四管道与所述风机输入端连通；所述第五管道输入端与所述厌氧反应器本体顶面连通，所述第五管道输出端与所述第四管道连通。
8.作为本发明的进一步优选，所述第一管道上设置有气体过滤器。
9.还提供了一种采用脉冲气动搅拌的卵形厌氧反应器的控制方法，包括以下步骤：步骤s1、cfd模拟初步确定脉冲气动搅拌供气压力和供气时间，具体模拟步骤如下：s1
‑
1、建立所述卵形厌氧反应器的三维模型，然后对建立的所述卵形厌氧反应器的三维模型进行网格化处理；s1
‑
2、初设注入气体压力值、初设出口气体压力值、初设注气持续时间；s1
‑
3、利用电脑进行模拟计算；s1
‑
4、分析模拟结果：从速度分布、气泡大小以及气相体积分数对模拟结果进行分析；s1
‑
5、经过步骤s1
‑
2初设注入气体压力值、初设出口气体压力值、初设注气持续时间后，步骤s1
‑
3计算得到的结果未达到预期，对注入气体压力、出口气体压力、注气持续时间进行调整后重复步骤1
‑
3进行再次计算，直至得到期望的计算结果达到理想的搅拌效果，记录此时调整后的注入气体压力值、出口气体压力值、注气持续时间；步骤s2、现场调试s2
‑
1、调试准备：现场安装所述卵形厌氧反应器，并运行；s2
‑
2、设定搅拌目标：具体为设定含固率均匀度和设定运动速度；s2
‑
3、进行调试：依据步骤s1
‑
5中得到的调整后的注入气体压力值、出口气体压力值、注气持续时间开始运行；s2
‑
4、调试含固率均匀度：通过调节所述风机频率实现供气压力大小的调节，通过plc控制器控制所述风机的启停来实现供气时间的调节，达到调试的搅拌目标即设定的含固率均匀度；s2
‑
5、调试离子浓度差：通过调节所述风机频率实现供气压力大小的调节，通过plc控制器控制所述风机的启停来实现供气时间的调节，达到调试的搅拌目标即设定的离子浓度差。
10.通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：1、本发明摒弃了机械搅拌方式，采用了间歇式气动搅拌方式，通过间歇气体脉冲的搅拌作用，实现厌氧反应器内液体的有效混合；间歇式气动搅拌方式：通过气动阀门控制风机的开启和关闭，风机开启时输出的气体实现搅拌，风机关闭时停止输气和搅拌，故气动搅拌不是连续的，为间歇式。
11.2、本发明厌氧反应器呈卵形从而无棱角，因此较大程度上消除了搅拌死区的出
现，从而增大了可供厌氧发酵的工作体积，且使之更贴合搅拌流线分布，从而容积利用率增大。
附图说明
12.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
13.图1是本发明整体结构连接关系示意图；图2是本发明搅拌过程中气泡分布以及液体环流方向示意图；图3是本发明导气管与第二管道、第三管道连接示意图；图4是本发明压气盘结构示意图；图5是本发明具有多组导气管和压气盘的厌氧反应器结构示意图。
14.图中：1、第一管道；1.1、第一手动阀门；1.2、气体过滤器；1.3、第一气动调节阀；2、第二管道；2.1、第二手动阀门；2.2、第一气动控制阀；2.3、第一安全阀；3、第三管道；3.1、第二手动阀门；3.2、第三气动控制阀；3.3、第二安全阀；4、第四管道；4.1、第三气动控制阀；5、第五管道；6、厌氧反应器本体；7、压气盘；7.1、上盘片；7.2、下盘片；8、导气管；9.1、第一阀门控制开关；9.2、第二阀门控制开关；9.3、第三阀门控制开关；9.4、第四阀门控制开关；10、风机；11、plc控制器11；12、螺栓、13、支撑筋。
具体实施方式
15.现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
16.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
17.现有技术采用圆筒形罐体和机械桨叶搅拌居多，少数采用气体搅拌，存在以下问题：
①
圆筒形罐体的搅拌死区较多，可供厌氧发酵的体积减少、容积利用率较低，所以处理相同规模的污水需要更大的管体容积，占地面积增加、设备投资成本上升。
18.②
机械搅拌由电机驱动旋转轴和桨叶转动，对厌氧浆液产生推动力，由于活动部件多，容易产生机械故障，增加维护检修的工作量；
③
机械搅拌的桨叶型式及尺寸至关重要，对技术和材料的要求较高、设计难度较大，导致国内机械搅拌效率普遍不高，而进口的高效机械搅拌装置价格高昂。
19.④
目前现有技术中气体搅拌采用的是连续气流扰动的方式，存在用气量大、运行能耗大等缺点。
20.针对以上问题，本发明采用特殊形状设计的厌氧反应器，配合双层脉冲气动搅拌的方式，减少反应器内搅拌死区、提升容积使用效率，同时脉冲气动搅拌结构简单、非连续运行，从而减少了投资和运行成本，降低故障率。
21.实施例1
本实施例提供一种优选实施方案，一种采用脉冲气动搅拌的卵形厌氧反应器，如图1所示，上述卵形厌氧反应器包括厌氧反应器本体6、若干导气管8、沼气风机10、电控系统以及若干压气盘7，其中：上述厌氧反应器本体6呈卵形，其顶面和底面为平面；因厌氧反应器本体6呈卵形无棱角，较大程度上消除了搅拌死区的出现，从而增大了可供厌氧发酵的工作体积、使得容积利用率增大。
22.如图3所示，上述导气管8为同心套管，导气管8输出端从厌氧反应器本体6顶面延伸至厌氧反应器本体6内部，导气管8输入端通反应气体；优选地，导气管8输入端处外管的端部与内管外表面焊接密封。
23.如图4所示，上述压气盘7邻近厌氧反应器本体6底面设置，且压气盘7与导气管8导通。压气盘7包括上盘片7.1和下盘片7.2，上述上盘片7.1设置于下盘片7.2上方，优选地，下盘片7.2直径大于上盘片7.1。上盘片7.1与下盘片7.2之间存在间隙形成第一气流通道，第一气流通道与导气管8外管连通；上述下盘片7.2设置于厌氧反应器本体6底面上方，下盘片7.2与厌氧反应器本体6底面之间存在间隙形成第二气流通道，第二气流通道与导气管8内管连通。优选地，上盘片7.1与下盘片7.2之间通过若干支撑筋13固定，优选地，若干支撑筋13设置个数为三个，且呈三角形分布；下盘片7.2和厌氧反应器本体6的底面之间通过若干螺栓12固定，优选地，若干螺栓12设置个数为三根，且呈三角形分布。
24.关于上盘片7.1和下盘片7.2的作用及区别：设置两个盘片的目的是形成两个独立的气流通道（下盘片7.1和厌氧反应器本体6底面之间、上盘片7.1和下盘片7.2之间），下盘片7.2为主上盘片7.1为辅，气体能够分别从两个位置喷出形成气泡；经过模拟我们发现下盘片7.1和厌氧反应器本体6底面之间喷出的气泡在上升过程中对下盘片7.2附近位置的搅拌作用较小，容易造成这个小区域形成死区，所以在这个区域设置上盘片7.1，通过阀门调节能够补充该区域的搅拌混合，同时两个盘片的共同作用能够增强整体效果。
25.如图1所示，本实施方案还包括风机10、第一管道1、第二管道2、第三管道、第四管道4、第五管道5、阀门控制系统以及plc控制器11，其中：上述风机10输出端与上述第一管道1输入端连通；上述第一管道1输出端与第二管道2输入端、第三管道输入端分别连通；上述第二管道2输出端与环空体积连通环空体积为内管与外管之间的空间；上述第三管道输出端与上述导气管8的内管输入端连通；上述第四管道4输出端与风机10输入端连通；上述第五管道5输入端与厌氧反应器本体6顶面连通，第五管道5输出端与第四管道4输入端连通。
26.上述阀门控制系统包括电磁阀门组和阀门控制器，其中：上述电磁阀门组包括第一手动阀门1.1、第一气动调节阀1.3、第二手动阀门2.1、第一气动控制阀2.2、第一安全阀2.3、第二手动阀门3.1、第三气动控制阀3.2、第二安全阀3.3以及第三气动控制阀4.1；第一手动阀门1.1和第一气动调节阀1.3安装于第一管道11上，第一手动阀门1.1靠近第一管道11输入端设置，第一气动调节阀1.3靠近第一管道11输出端设置；靠近第二管道22输入端处沿气体流通方向依次安装第二手动阀门2.1、第一气动控制阀2.2，靠近第二管道22输出端处安装第一安全阀2.3；靠近第三管道3输入端处沿气体流通方向依次安装第二手动阀门3.1、第三气动控制阀3.2，靠近第三管道3输出端处安装第二安全阀3.3。其中，考虑到沼气防爆的要求，上述电磁阀门组中阀门均采用气动控制方式。
27.上述阀门控制器包括第一阀门控制开关9.1、第二阀门控制开关9.2、第三阀门控制开关9.3以及第四阀门控制开关9.4，第一阀门控制开关9.1用于控制第一气动控制阀2.2的开启与关闭，第二阀门控制开关9.2用于控制第三气动控制阀3.2的开启与关闭，第三阀门控制开关9.3用于控制第一气动调节阀1.3的开启与关闭以及气体流量大小；第四阀门控制开关9.4用于控制第三气动控制阀4.1的开启与关闭。
28.进一步地，在第一手动阀门1.1与第一气动调节阀1.3之间设置有气体过滤器1.2，气体过滤器1.2用于过滤需要通入厌氧反应器本体6内部的反应气体。
29.上述plc控制器11与阀门控制器连接，且plc控制器11与风机10连接，plc控制器11用于控制阀门控制器的开启与关闭，且用于控制风机10的开启与关闭。
30.本技术还提供了一种采用脉冲气动搅拌的卵形厌氧反应器的控制方法，具体步骤如下：步骤s1、cfd模拟初步确定脉冲气动搅拌供气压力和供气时间，具体模拟步骤如下：s1
‑
1、建立卵形厌氧反应器的三维模型，然后对建立的卵形厌氧反应器的三维模型进行网格化处理；其中，cfd模拟时基于网格节点的递进计算，优选地，采用meshing和icem等网格划分软件完成，要求网格质量达到0.75以上（范围为0~1）。
31.s1
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2、初设注入气体压力值、初设出口气体压力值、初设注气持续时间；s1
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3、利用电脑进行模拟计算；优选地，采用ansys fluent软件内置的simplec算法进行计算；s1
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4、分析模拟结果；优选地，采用后处理软件（如tecplot）来分析模拟结果，针对cfd模拟案例的不同，模拟结果不尽相同，主要包括速度分布、压力分布、湍流分布、多相流分布等，本实施方案中模拟主要关注的是速度分布、气泡大小和气相体积分数，此三个参数体现了气泡对液体的搅拌效果以及气相在液相中分布残留；s1
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5、经过步骤s1
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2初设注入气体压力值、初设出口气体压力值、初设注气持续时间后，步骤s1
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3计算得到的结果未达到预期，对注入气体压力值、出口气体压力值、注气持续时间进行调整后重复步骤1
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3进行再次计算，得到期望的计算结果达到理想的搅拌效果，记录此时调整后的注入气体压力值、出口气体压力值、注气持续时间；其中，如果计算得到的速度分布呈现中间大两边小的情况，说明气体的搅拌作用不足以达到更远的距离，所以需要增加注入气体压力（即增加风机的工作频率）；如果气泡尺寸过小，会降低气泡对液体的搅拌作用，则需要延长注气持续时间（即增加风机和阀门工作时间）；反之，注入气体压力过大则不利于气泡的聚集，反而减弱了搅拌效果，同时还会增加风机运行成本；上述cfd模拟理想的搅拌效果由搅拌的目的决定：一般对于搅拌混合目的，整个模型内速度值要求均大于0.01m/s，10mm以下气泡占比小于10%。
32.步骤s2、现场调试s2
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1、调试准备：现场安装卵形厌氧反应器，并运行；s2
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2、设定搅拌目标：具体为设定含固率均匀度和设定运动速度；s2
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3、进行调试：依据步骤s1
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5中得到的调整后的注入气体压力值、出口气体压力
值、注气持续时间开始运行；s2
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4、调试含固率均匀度：通过调节风机10频率实现供气压力大小的调节，通过plc控制器11控制风机10启停来实现供气时间的调节，达到调试的目标即设定的含固率均匀度；含固率指的是液相中含有固相的多少，对于脉冲搅拌混合设备，优选地，含固率≤15%，太大会影响搅拌效果，作为搅拌设计均匀性目标，不同位置含固率和离子浓度的偏差要求小于10%；s2
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5、调试离子浓度差：通过调节所述风机频率实现供气压力大小的调节，通过plc控制器11控制所述风机10的启停来实现供气时间的调节，达到调试的目标即设定的离子浓度差；其中，关于含固率和离子浓度的测量，是通过在卵形厌氧反应器不同位置取样后，通过实验室化验得到不同位置的含固率和离子浓度值；如果测得的含固率或者离子浓度偏差较大，则需要通过对比调大及调小注气压力、调长或调短注气时间（优选地，先调注气压力后调注气时间），然后重新测量含固率的变化，以此往复直至达到理想的搅拌效果；优选地，在运行过程中，通过plc控制器11设定的程序控制各阀门的开度、风机10的工作频率和时间，从而实现脉冲气泡的搅拌效果。具体工作顺序为：1、plc控制器11控制第三气动控制阀4.1、第一气动调节阀1.3、第一气动控制阀2.2开启
→
沼气风机10开启；2、到达设定的下盘片7.2供气时间后：plc控制器11控制风机10关闭
→
第一气动控制阀2.2关闭
→
第三气动控制阀3.2开启；3、到达上盘片7.1的供气时间后：plc控制器11控制风机10关闭
→
第三气动控制阀3.2、第一气动调节阀1.3关闭
→
第三气动控制阀4.1关闭。
33.具体效果需要根据现场搅拌最终目的来判断，如对于厌氧发酵罐而言，搅拌的效果可以通过厌氧发酵降解率、产气量来判断；对于润滑油调和，可以通过润滑油的品质鉴定结果来判定。
34.进一步地，本实施方案可以设置多组导气管8和压气盘7，如厌氧反应器本体6体积过大，一组导气管8和压气盘7无法达到预期搅拌效果，可以设置多组导气管8和压气盘7来提高搅拌效果。
35.进一步地，如图5所示，由于导气管8从顶部插入厌氧反应器本体6的施工难度小（开孔处密封容易），但是会导致厌氧反应器本体6内管道数量较多，影响搅拌效果，增加材料费用；因此本实施方案采用从侧壁插入厌氧反应器本体6的方式，此方式接口密封难度增加（下部液柱压力较大），但是厌氧反应器本体6内管道数量少、布置方便。总体来说，从侧壁插入厌氧反应器本体6的利大于弊，故本实施方案采用从侧壁插入的方式。
36.本实施方案沼气自第四管道44进入风机10的吸入口，经加压后沼气通过第一管道11、第二管道22和第三管道3进入导气管8，导气管8和压气盘7相连，沼气自第二气流通道喷出，对罐底沉积的污泥产生气流冲击，并在压气盘7周围区域产生大尺寸气泡，气泡形成后在垂直上升过程中体积和速度不断增大，厌氧反应器本体6中部较重的液体被不断挤出搅拌，并沿厌氧反应器本体6内壁四周向下返回至厌氧反应器本体6底部，从而在厌氧反应器本体6内形成自上而下的环形流动（如图2所示），正是这种环流形式将底部污泥等颗粒物带至上部，再返回到反应器底部，从而促进微生物和发酵物料充分混合。
37.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术
语和科学术语）具有与本技术所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
38.本技术中的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
39.本技术中的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
40.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。