CN101037267A - 动态微混器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过底部附近以不变的或者变化的平面形状吹入气体，在具有平坦底部的反应器中对物料进行微体积混合的方法，其中，气体的吹入基本上覆盖整个底部的各单元，这些单元可对气体全部或者部分的进气过程进行动态变换控制，借此，在反应器的每个进气的空间点上引起局部微紊流。

Description

动态微混器
技术领域
本专利申请包括的应用领域涉及大型容器内含有物的混合，以优化厌氧过程中的生化操作，尤其是为形成生物气体的厌氧过程。这种生物气体的形成过程被越来越多的建立并运行起来，其在产生能量的情况下通过形成生物气体(主要是甲烷)实现了有机材料的生物分解。这种应用涉及从将结合有机残余物的含有废水的原料(例如按照EP0998430的申请人的气体生成(Skjldgas)-FFF-系统(参见EP1419995的固体-流体-发酵过程))分解的废水净化到专门用于植物，例如玉米、黑麦、青草以及其它类似物的分解过程的厌氧发酵，以及其它的类似过程，这些植物作为所谓的NOWARO(再生原料)经常被常年青贮以供给生物气体发生器。在利用该生成气体的情形中，这种气体经常被用于热能发电(BHKW)。
背景技术
过程
在已知方法中，这种用于被粗略地描述为通过形成有机酸来形成生物气体的过程形成的是甲烷+(+表示还有CO2、H2S、水蒸气等其它气体组分)的情形。此外，此过程中较为典型的是分为两个步骤，即，一步形成有机酸，另一步为甲烷化过程，这两步应当尽可能相互分离地进行，因为与酸化(其也被称为预酸化)相关的约4-6的低PH值会使接下来的活性甲烷菌-甲烷菌在优选PH值为7时生存并且发挥其全部的活性-在pH-值≤6、7的情况下最大程度的变弱，或死亡，从而破坏(有机)酸向甲烷+的生化转化。
为了优化该过程，即从1kg的有机物料中得到最大量的较高质量的气体(约0.6m3气体/kg OTS)(如65-80％的甲烷含量)，需要考虑很多因素，而这些因素尚未得到充分的研究。
为了说明在所述发明目的领域中的技术背景，下面将描述最常使用的方法，尤其是那些描述反应器中所含物运动情况的方法，因为这些优化的实施形态在成功的实现整个过程方面具有显著作用。
a)淤浆回收的厌氧装置一般通过对来自后期净化过程中的含有淤浆的原液进行泵吸来进行运作，即同时将供应的物料进行混合，尤其当它处理含有所谓“粒子”形成的活性淤浆层反应器时。其中，经过反应器的外层或者在反应器底部的前面以及上面进行直接的添加。
b)城镇净化厂的反应器通过近乎卵形的反应器的漏斗形底部聚集了较重的组分，以便在那里通过中心的气体压力(喷射环管)再次被扬起，在其中希望能形成环流(形状与磁场相似)。也可以使用一些喷射吹管。
c)农场的装置通常适合采用：
1.具有小到约500m3反应器容积的快速(约100转/分以及更大)浆叶搅拌器的小型装置；
2.具有几米直径、容积在3500m3以内的悬式、慢速运行(约13-20转/分)的大搅拌器的大型装置。
两类情况的特征为高速浆叶或者叶轮边缘速度约为1.5-3m/s，因此，多少会导致较大的死角和沉积。
d)很少使用具有位于底面附近以下的较大气体输送吹出口的垂直吹管，尤其是在约15m直径的平底大反应器上。例如US-A-5,534,141提出了一种用于需氧分解过程的多级净化过程，除了清除来自需氧分解过程的淤泥外，其还包括后期净化过程。需要进一步指出的是，需氧槽也可以用于厌氧过程，需氧槽上为了物料的翻转设有通风口。在此，厌氧槽是多级过程中的一个工序级，通过该级，厌氧过程中物料的停留时间与固体组分以及利用抽除淤浆回收的固体组分具有直接的关系。另外，在EP0 048 675中提出一种三级厌氧反应器，其包括一个发酵段、一个富集细菌的酸根中和区、以及一个实际的甲烷生成段。CO2气体的单独注入使甲烷的生成既发生在发酵段的反应器部分中也发生在生成甲烷的反应器中。
尽管该过程很久以来就已经为人类所熟悉，例如在中国，但直到今天才开始大量的应用，实际上-如上所述-千差万别的技术方案和工艺方案都在应用中，或者更准确的说，在并未得到充分发展的条件下大量地实现着，或多或少地取得了较显著的效果。仍有已相当熟知的内在联系并未被充分地考虑，例如，细菌的机械敏感性，这导致较差的或者较小的经济效益，或者带来损失。首先是下述本发明涉及到的内在联系经常未被考虑：
a)产生的气体在产生后必须尽快从单个细菌的物料中排出或进行其它类似操作，因为，在气体中还含有对于甲烷细菌有害的物质(如H2S)；这些细菌不应该在气体中“窒息”(饱和)。
b)细菌的反应-作用过程总是经过许多步骤，这些步骤很少能被仔细地考虑，通常，细菌群及其协同作用可使这些步骤优化进行。剧烈的处理作用(机械，或者准确的说，液压-机械)使这些反应难于进行，或者准确的说，阻碍这些反应，即为整个过程进行的预酸化反应。
c)特别是，生物气体生成的过程需要的不是对于物料的频繁翻转和搅拌，而仅仅是必需的并且谨慎的混合。反应器中“运动”的目的是将酸和甲烷细菌结合一起，清除从混合中产生的气体，阻止沉积，并达到均匀的温度分布，并且整体上必须以更为均匀、谨慎的方式而进行(当人们经常把羊赶到草场时，它也会吃草不香)。
d)根据经典的解释，甲烷化过程在两个温度范围下进行最好，也就是约34℃(嗜中温菌的范围)和约53℃(嗜热菌的范围)。特别指出的是，第二个温度范围定在较窄的稳定范围内，二到三摄氏度的小幅温度波动都会使过程的经济效益降低到约40％。由于细菌的增多-这基本上发生在没有回收淤泥的过程中并且要考虑由于卸料带来的经常的损失-也大大的依赖于温度波动，在过程的整个区域中，温度控制必须细致并要具有最高的精确度。这里，产品控制和反应器的动力学从确定的进料开始，只有在它们的优化组合下，才可以避免上述温度分布的波动和不均匀的副作用。
e)生物气体设备要求热能形式的能量来维持反应器温度，电能的形式的能量来用于尤其像搅拌器一样的极为不同的发动设备；应尽可能降低这些能量。
当翻转整个反应器时，因发生壁流而导致的热量转化增加，其所相应的热量损失增加。另外，间接提供混合的传统翻转方式，由于“其远程作用”在能量上最终明显地超出所必需的能量，人们只关注于必要的混合，而这些“多出的部分”能够被省去。
f)反应器的搅拌器是在反应器中运动的部件并且具有很高的潜在危险(连续操作！)。当出现缺陷，例如由于极为不同的振动(装料程度等)而导致的波形裂纹时，反应器就要必须停产，搅拌器要更新、修理等，可见，总计下来，技术方案的花费较大。
g)生物气体设备要经历极为不同的运转状况，所以设备必须具有一定的适应性；现有的搅拌方式只有有限的可调节性。这一点是个很大的缺陷，因为不同的产品、反应器不同的装料程度以及不同的运转状况-例如运转、对流受热及其它类似情况-需要对于搅拌更准确的说是混合能够完全的可调；所以人们一直致力于过程的优化工作。
h)必须避免发生“团块流动”，即整体上基本没有或者仅仅有少量混合的“流动块”；当中央搅拌器使立着的反应器中的物料作“回转运动”时，这样的情形及其它类似情形就会出现，像在反应器正常运转或者如高粘度下就经常是这种情形。
i)过程的所有步骤最终都应同等地、充分并且清楚地拟定。一定要以确凿并且具有代表性的测定值作为成功并且安全控制的基础，一定要使过程的操作优化。
j)必须要避免出现从流往方向到流出起点的短路流动。这种情形尤其发生在人们进行常规的搅拌和少许混合以及由此形成的流径(Strmungsfden)时。结果造成分解不充分和经济效益的不足。
k)目前的反应器构造方式有部分为不必要的昂贵，例如，容器顶盖和需要大动力-力矩的容器轴以及附加中央搅拌器必须具有的重量。
l)正在翻转运行着的设备中总是重新出现浮层，它会扰乱敏感的整个过程，并且，例如也阻止或者阻碍气体从容器中的排出。
m)应避免上升的吹入气流的速度范围(0.05-0.3m/s)内的流向为垂直向下的流动，因为上升的吹入气流导致障壁效应，也就是说产生阻挡过程进行的影响。
n)甲烷细菌对温度变化比较敏感，因此，在加热装置(如加热管)下形成的约＞50℃的高温时以及吹入的气体都将会对其不利，或者导致其死亡-这种负面效果比较明显。
发明内容
本发明所述的方法克服了通常翻转反应器的缺点，并且与此对比形成一个动态的即变化着平面的反应器混合。因此，本发明的内容摒弃了通过翻转过程的中间连接而间接实现物料-混合的过程，而是将反应器的每个空间点转变和形成为在物料中可得到的微紊流，如此，局部的微区域中的物料也得到混合。这是通过在反应器上基本上整个的水平横截面上微细的吹入气体来实现的，也即在全部的反应器底部上。借此，注入的气体实现了气体吹注所特有的机械-物理上的混匀作用以及如果必要的积聚作用，这些作用由通过生物气体的生成而产生。化学反应通过本发明所述的注入气体在前面部分不会发生，但是也不应排除其发生，并且据观察可以猜测其会产生一种积极的影响。
根据本发明的内容，例如在底部平坦的圆柱形反应器中，反应器被隔开成单个的底部面积-底面的1/8到1/4-并且以中等量或者微细量吹注气体的方式在底部附近注入气体，以便通过这样形成的鼓风热，一定程度上在每个空间点的微区域上产生反应器容积内的缓和但是集中且充分的混合。注入区可以交替变化，例如以循环周期的形式，以使整个反应器体积完全实现顺序变化。使用的气体要有利于反应器中产生的生物气体，也可以使用CO2、氮气或者任意的惰性气体。
不同控制的单元的转换不仅可以通过加料装置的相对较慢的运动-例如圆形的-来实现，也可以通过基本上包括所有底部区域的吹入装置的单元区域进行有规律的单元区域转换来实现。这种新方法因为其具有所有必需的工艺效果而在工艺技术上具有广泛影响，因为其：
1.注入的气体完全向上地推动前面的注入气体，将其驱出反应器容积，
2.实施起来完全无损害并且不会干扰到生物过程，
3.借助于更为安全可靠的混合，使全部容积中的养料和细菌结合在一起，
4.涉及到反应器的每个部分，并且相比之下温度比较明确，而且通过其可进行确凿无误的测量和调节，
5.由于壁流较少而降低了热损失，并由于连续紧接着进行单元处理所以只需要少量的能量，
6.另一方面，各单元也处于优异的操作状况下，可以说，通过“聚集”一定量的气体来加强进气冲击从而使翻转变得实际可行，
7.如果需要的情况下，也可以形成翻转和精细混合，
8.在反应器中没有任何运转着的部件时也可以操作，
9.可对于特定的表面加载，顺序以及动态变化带的特征进行完全的调控，
10.不会形成团块流动，即整体上为块状体积的流动，
11.因为“混合场”影响到像生物菌等，避免了从进口到出口的短路流动；该方法将整个流动区域一定程度上以优化的方式转变为柱塞流动的特征，
12.通过其中等量或者微细量吹入的气体混合场来对反应器进行仅少许的机械方式的加载-例如，完全没有电动搅拌力矩和重力，
13.在装料或粘度增加的情况下克服了苛刻的条件-这两种情况在电动搅拌下经常容易引发振动和波纹断裂，
14.通过以气体作为能量载体，在习惯上连结在一起的装置条件下，使例如状态点上使用的暂时存在于反应器中的全部供压气体量集中起来，该反应器中由于填满了黑麦而变粘，
15.破坏了浮层即全部扬起的固体结合物，或者使它们完全不出现。通过在相应单元中吹入大量气体使上升气体将浮层吹裂，这样通过该单元针对性的运行可将浮层破坏，其中，该浮层存在于该相应单元中；
16.通过本发明的技术方案，根据必需的物料来调节引入的气体量，以使在装料过程中也确保具有操作功能。
17.通过对引入的气体量多级调节可以将其合理的分成不同反应器所需要的量。
18.在料流中冷却或者以在加热装置的基座上这种间接的方式进行冷却，以使得实际过程中的热量传递有效进行，这样，通过冷却因压缩导致部分过热的气体来降低使用的能量。
在一种使用本发明所述的混合装置情形时，甲烷产率提高了超过35％。另外，使用本发明所述的装置，可获得在约25℃下超过约10个月仍稳定进行的效果显著的过程，并且该过程具有可达0.6m3气体/ΔkgOTS的较高产率以及约75％的高甲烷含量。
最终也可以将更多的反应器利用独立的供气流动连成一起。这样就可以在一台/多台压缩机的不变的吹气效率情况下，实现通过一个反应器中的气体量缩减引起在另一个反应器中供气量的提高。
下面的情形用于解释上述的方法，以基本上与反应器整个水平方向的横截面相一致的方式将物料加入到在上部区域的反应器中，这样做是为了物料形成流向为垂直向下的柱塞流动。因此，可以确保，每份物料的停留时间近似相同，时间的长度也最佳。
附图说明
以下将参照附图进一步解释本发明。在附图中，
图1是用于根据上述背景技术的传统的生物气体反应器(附图左侧)与在本发明所述方法中使用的生物气体反应器(附图右侧)的对比图；
图2是根据本发明所述方法中的带有混合工具的生物气体反应器的详细的附图。
具体实施方式
在图1中，采用透视法示出圆形生物气体发生器10，其中，图1左侧为借助背景技术中公知的搅拌器20进行的一种传统翻转方法(图中仅部分的示出)。在反应器的上部分区域中，根据左侧附图示出的箭头通过搅拌器20来翻转在物料加料口12处的添加的物料。在反应器中达到通常的停留时间后，被翻转的生物物料从反应器底部18的物料出料口14排出。如通过团块流动22在左半侧附图中所解释的背景技术中，通过电动搅拌器翻转形成所谓的流径(Stromfaeden)(较长的垂直箭头)，其中，鉴于没有内部混合，在反应器中形成了完整的物料体积块。流入的物料自然也有至少部分被快速的输送到排料口14a，因此，仅有部分的发生分解。由于中部区域具有流向为向下的流动趋势所以还会有气体障壁现象32发生。
将在图1的右半侧上根据本发明所述的单元-混合方法与这种方法进行比较。另外，基本上在反应器底部18水平方向上整个的横截面上平面方式的设置有用于气体输送的吹入装置。吹入喷嘴或者吹入口的如此设计是为了通过反应器的每个空间点的气体输送实现经过向下流动气流的局部微紊流。因此，引入的气体起到了必需的吹入气流混合和积聚的物理机械作用，而这是通过生物气体的形成而产生的。化学反应不会因本发明中引入的气体而发生，但如果可能的情况下，它甚至也会形成一定的积极影响。吹入装置为了进气的原因被分隔开成独立单元，右图的这些单元表示为SI到SIV的四个单元。通过可调阀门24为每个单元输送气体，从而使每个单元的气体量可在0到最大量之间进行自由调节。
图2更加详细的表示出本发明方法。圆形生物气体反应器10的反应器底部18被分成SI到SVIII总计为8个的单元。在每个单元中设有为了在反应器的每个空间点上形成局部微紊流所必需数目的吹入喷嘴。由反应器底部上分隔开来的吹入喷嘴所引入的气体由于反应器中每个微空间单元中上升的吹入气体而对物料产生混合作用。这种缓和的微混合作用阻止了团块流动，或者说避免了在反应器中的体积块没有真正混合就被翻转。因此，也阻止形成任何流径，即体积块的漂浮路线。
通过在反应器底部微量吹注吹入气体快速排出气体，如有害健康的H2S气体，在此情形下，气体集聚到上升的引入气体流附近，并与其一起上升到物料上表面。
被引入气体量可以通过单元进气的变化或气体量的直接调节装置34被调节到适应于不同物料的性质以及复杂的运转情况。当例如一种由固体组分形成的浮层在物料上表面发生聚集时，通过提高在这些单元上的进气量，使位于其上部的浮层被破坏。
通过总量上降低的物料流动损耗，能量输入得以减少。热量损失因为壁流减少也得以降低。
如图2进一步所示，对于在反应器顶部得到的生物气体，可借助例如通风道在反应器底部18进行气体输送。进气装置28压缩吸入的气体，并将其吹到阀门24、被分隔的各个单元以及物料上。使用的压缩能量大部分转变成气体的热能，并且加热反应器，即其起到双重作用。这时可以将具有较大幅度升温的气体结合使用，可能的情形下，这种升温是有害的，通过冷却器30可以避免这种情形，其中，如有可能，在别的不敏感的环节-例如在预酸化过程-这样获得的热能可以以有利的方式输送给该过程。
各个单元的气体流入以SIII、SV以及SVI单元为例加以区别的示出。在单元SIII中，气体的输送由连通到反应器底部18的中心位置处的带有阀门24的管道来完成，通过其气体输送过程从反应器的中心位置往外被分散到反应器壁16上。在单元SV中，通过具有阀门的管道气体输送从圆柱形反应器壁16到这里；该管道分成三条吹入管道。SVI单元中，三条被示出的吹入管道每条都设有一个阀门24，其中，圆柱形反应器壁16的每条管道一直通道中心位置处。阀门24借助于阀门控制器26来控制，以使气体输送以单元方式进行和/或者在气体量上具有可调节性。给出的例子典型的显示出，该系统因其灵活性可适应于许多反应器形状以及不同的过程。
根据一种有利的实施方式，反应器10上部的物料加入通过物料加料口12呈环状的进行，这样做使物料从圆柱形的反应器壁到其中心位置的加料可在水平横截面上分布均匀。借此，物料可能出现流向为垂直向下的柱塞流动。
气体进气使分到八个区域中的气体分散装置处于变换的状态，这样就实现了圆形运动着的进气操作，如图2中长箭头所示。根据本发明的方法，借助气体的吹入可引起垂直方向上的物料的穿流，这可在每个微-体积单元中导致物料的混合作用。
为清楚起见，图2中的SIV单元没有完整示出，同样，SI、SII、SVII以及SVIII单元没有示出吹入管。
附图标记列表：
10    圆形生物气体反应器
12    物料进料
14    物料出料
14a   出料口
16    反应器的圆柱形器壁
18    反应器底部
S     反应器底部单元
20    St.d.T电动搅拌器
22    团块流动
24    阀门
26    阀门控制器
28    气体压缩机
30    冷却作用
32    气体障壁效应
34    调节器(例如频率调整器)

Claims (11)

1.在具有平坦底部的厌氧反应器中，通过在平坦的底部附近将气体经基本上整个的水平横截面吹入，对物料进行微体积混合的方法，其中，气体吹入到基本上完全覆盖整个底部的各单元中，这些单元对气体进气过程可进行动态变换控制，借此，在反应器的每个进气的空间点上引起局部微紊流。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：单元进气的控制通过确定各个单元的气体量来进行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：单元进气的控制为随时间变化的操作。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：同时控制变化通过一个/多个频率调整的气体压缩机来进行。
5.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：为了物料可能形成流向为垂直向下的柱塞流动，反应器的物料加料在上部并在反应器整个水平方向上的横截面上基本均匀地进行。
6.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：在物料粘度增加的情况下提高加入物料中的气体量。
7.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：多个反应器并联，这样，通过一个反应器使用另外一个反应器的气体量，可提高这个反应器中的进气量。
8.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：调节加入到反应器中气体的温度来加热反应器中的所含物。
9.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：需要进行冷却以调节所需量的气体的温度。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：排出冷却过程中得到的气体热，并且将这些能量再次输送到所需的位置。
11.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于：所有位于反应器外部的部件都是隔热的。
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