CN113073047A - 一种生产沼气的扰流式反应釜及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种生产沼气的扰流式反应釜及方法，涉及化工设备领域。罐体的顶部设有阳极接线孔、阴极接线孔和轴套，罐体上设有进料口和出气口，进料口连接进料管，出气口连接出气管，罐体的内侧壁设有扰流片，罐体的底部设有出料口，出料口连接出料管；罐体内设有用于促进发酵反应进行的阳极电极和阴极电极；罐体内还设有用于搅拌的搅拌桨，搅拌桨包括搅拌轴和搅拌叶，搅拌轴的顶端穿过罐体；罐体上设有回料进口，罐体的底部设有回料出口，回料出口和回料进口之间连接有回料管，回料管上设有用于在发酵过程中驱动发酵液循环的蠕动泵。本发明能够提高沼气的制备效率。
Description
技术领域
本发明涉及化工设备领域，具体涉及一种生产沼气的扰流式反应釜及方法。
背景技术
传统沼气池在发酵时，储气室不断产生新的沼气，气压升高，挤压主池内的沼液，使部分沼液流入水压间内。当操作者打开炉灶时，储气室内的沼气气压下降，导致水压间的沼液重新回流至主池内部。在产气与用气的过程中，发酵间与出料间之间始终维持压力的平衡。但传统沼气池存在发酵路线过短，沼液流动性较差和菌种分布不均匀等问题。
公开号为CN110819528A的专利文献公开了一种生物沼气发酵池沼气产生装置及产生方法，生物沼气发酵池沼气产生装置包括发酵有机废弃物的发酵罐体，发酵罐体的上方设置有进料装置，发酵罐体的侧上方设置有气体储存装置，发酵罐体的底部设置有出料装置，发酵罐体内部设置有搅拌有机废弃物的搅拌器；所述搅拌器包括设置于发酵罐体正上方的电动机、与电动机电连接并置于发酵罐体内部的搅拌杆和搅拌叶轮；其中搅拌杆和搅拌叶轮与发酵罐体通过直流电源形成产电压电路，即直流电源的阳极接于搅拌杆和搅拌叶轮，直流电源的阴极接于环绕发酵罐体内壁的不锈钢网，以将有机废弃物发酵产生的二氧化碳为原料合成沼气。该装置的不足在于单纯的依靠搅拌装置搅拌，料液搅拌不够均匀，沼气产生效率低下。
公开号为CN205797195U的专利文献公开了一种扰流式反应釜，属于化工设备领域；该扰流式反应釜包括壳体和设在壳体内的搅拌轴，搅拌轴与电机连接，且搅拌轴上固定有搅拌叶，搅拌轴和搅拌叶相互平行，并均为空心杆状结构且内部相连通，且搅拌叶靠近壳体内壁设置，搅拌轴底端设有进气口，且进气口上密封活动设有接头，还包括气泵，且气泵的出气管与接头连接，搅拌轴和搅拌叶上设有若干与进气口连通，并分别倾斜朝下和倾斜朝上设置的出气口。搅拌轴带动搅拌叶旋转，以搅拌反应物，同时通过出气口使反应物沿着一个方向旋转，使上下层反应物能更加均匀混合。该扰流式反应釜在使用的过程中需要使用气泵向进气口内部泵气，增加生产成本。
发明内容
为了解决现有技术中沼气生产效率低、沼气发酵路线过短、沼液流动性较差和菌种分布不均匀的问题，本发明提供了一种生产沼气的扰流式反应釜及方法。
一种生产沼气的扰流式反应釜，包括罐体，
所述罐体的顶部设有阳极接线孔、阴极接线孔和轴套，罐体上设有用于进料的进料口和用于排除发酵产生气体的出气口，进料口连接进料管，出气口连接出气管，罐体的内侧壁设有扰流片，罐体的底部设有出料口，出料口连接出料管；
所述罐体内设有用于促进发酵反应进行的阳极电极和阴极电极，所述阳极电极和阴极电极在发酵过程中浸泡于发酵液中，阳极电极通过导线经阳极接线孔与外部电源的正极连接，阴极电极通过导线经阴极接线孔与外部电源的负极连接；
所述罐体内还设有用于搅拌的搅拌桨，所述搅拌桨包括搅拌轴和搅拌叶，所述搅拌轴的顶端穿过罐体，所述罐体外侧还设有用于驱动搅拌桨的电机；
所述罐体上设有回料进口，罐体的底部设有回料出口，回料出口和回料进口之间连接有回料管，回料管上设有用于在发酵过程中驱动发酵液循环的蠕动泵。
阳极接线孔和阴极接线孔分别用供导线穿过的盖子密封。
根据佩克莱特数Pe＝Re×Pr＝VL/α，其中Re为雷诺数，Pr为普朗特数，V为平均流速，L为特征长度，α为热扩散率；可见溶液在流速和热扩散率一定的情况下，特征长度值越大，对流扩散的作用越大，越有利于液体混合均匀。但是，越大的流速会产生越大的剪切力，当剪切力超过混合产甲烷细菌的承受能力时会导致混合产甲烷细菌的破裂死亡。过高的混合产甲烷细菌死亡率会对产沼气的效率造成影响。
在对混合菌液进行混合时，为了保障菌种的活性，使发酵液的流速控制在一定范围，通过在外部添加蠕动泵，控制发酵液的流速，将从出料管中出来的发酵液经蠕动泵再次回流到罐体中，延长了发酵液运动的特征长度，在不增加流速的条件下，提升发酵液与混合菌液的混合效果，使得混合产甲烷细菌在罐体内部混合更加均匀，进而提升产沼气的效率。
罐体内部扰流片和搅拌桨对罐体内部的发酵液进行充分的混合；罐体外部蠕动泵以特定的流速将出料管中出来的发酵液回流到罐体中，增加了延长了运动的特征长度，内部的充分混合和外部延长运动的特征长度结合，能够提高沼气中沼气的浓度，提高沼气的生产效率。
所述回料进口与进料口为同一个，所述回料出口与出料口为同一个，所述进料管和出料管兼作部分回料管，所述回料管还包括连接进料管和出料管的连接管，发酵过程中使用连接管将进料管和出料管接通作为回料管，发酵开始前和结束后拆除连接管。
所述进料管、出气管和出料管的开闭分别由第一控制阀、第二控制阀和第三控制阀控制。
所述扰流片的外形为半波形。半波形扰流片能够有效缓解罐体内的发酵液对扰流片的冲击，创造利于混合产甲烷细菌生存的环境。
所述扰流片与罐体的内侧壁呈90度均匀排布。
所述阳极电极和阴极电极的外形为波浪形。阳极电极和阴极电极的外形设计成波浪形有利于混合产甲烷细菌在其表面附着。
在电极存在的情况下，电子的传递主要有三种方式：一是通过中间介质进行传递，二是电极与微生物进行直接接触进行传递，三是通过细胞膜外的菌毛进行传递。对电极通入较小的电压，细菌在溶液中获得电子，在混合作用和电场的作用下到阴极进行还原反应，促进产沼气反应的进行，进一步提升沼气的生产效率。
所述搅拌叶的边缘为流线型。
所述搅拌叶表面设有若干用于扰流的通孔。搅拌叶的流线型外形能够减少流动的发酵液对搅拌叶的冲击，保护搅拌叶不容易被破坏，搅拌叶表面若干用于扰流的通孔能够在搅拌的过程中形成涡流，使搅拌更加均匀。
一种生产沼气的方法，所述扰流式反应釜，所述方法包括以下步骤：
(1)先将混合产甲烷细菌接种到菌种营养液中富集培养，然后将富集后的混合产甲烷细菌接种到罐体内，再向罐体内加入糖厂废水；
(2)向罐体内通入氮气进行曝气，曝气结束将罐体密封，使罐体内部处于厌氧环境；
(3)控制搅拌桨搅拌，同时对阴极电极和阳极电极以0.6V电压通电，使混合产甲烷细菌和糖厂废水混合均匀，控制发酵温度36～37℃，发酵并收集产生的气体。
所述混合产甲烷细菌包括乙酸营养型产甲烷菌和氢气营养型产甲烷细菌。混合产甲烷细菌来自于养猪场的沼气池。菌种营养液可以用液态培养基代替。
混合产甲烷细菌之间发生协同效应，使代谢的产物不易积累，使各细菌的代谢活性充分发挥，从而提高沼气的产率与效率。
在阳极电极表面混合产甲烷细菌利用糖厂废水微生物分解的葡萄糖和乙酸，产生氢质子和二氧化碳，CH3COOH+H2O→CO2↑+H+，C6H12O6+H2O→CO2↑+H+；
在阴极电极表面，氢质子得到2个电子后被还原成氢气，2H++2e-＝H2↑；一方面氢气营养型产甲烷细菌以二氧化碳和氢气为原料产生沼气，CO2+H2→CH4↑+H2O；另一方面，阴极电极表面的氢气营养型产甲烷细菌以阳极产生的氢离子和二氧化碳为原料合成沼气，CO2+H++8e→CH4↑+H2O；
上述反应同时进行，进一步提高罐体中沼气的浓度，提高沼气生产的效率。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明中不仅混合产甲烷细菌以二氧化碳和氢气为原料产生甲烷，阴极电极表面的氢气营养型产甲烷细菌以阳极产生的氢离子和二氧化碳为原料合成沼气，有效提高沼气的生产效率；半波形扰流片能够有效缓解罐体内的发酵液对扰流片的冲击，创造利于混合产甲烷细菌生存的环境，搅拌叶和扰流片同时作用使罐体内部的混合产甲烷细菌与发酵液的混合更加均匀；在出料管和进料管之间用带有蠕动泵的管道连接，一方面有效延长了发酵液运动的特征长度，另一方面解决了沼液流动性差的问题，使混合产甲烷细菌与发酵液的混合更加均匀；阴极电极、阳极电极、搅拌系统、扰流片和外接蠕动泵相互配合，能够提高沼气的生产效率。
附图说明
图1为本发明扰流式反应釜的主视剖视示意图。
图2为本发明扰流式反应釜的主视示意图。
图3为本发明扰流式反应釜的左视示意图。
图4为本发明扰流式反应釜的俯视示意图。
图5为本发明扰流片的主视示意图。
图6为本发明扰流片的俯视示意图。
图7为本发明扰流片的左视示意图。
图8为本发明扰流片在扰流式反应釜内部排布的俯视示意图。
图9为本发明阴极电极或阳极电极的主视示意图。
图10为本发明阴极电极或阳极电极的俯视示意图。
图11为本发明阴极电极或阳极电极的左视示意图。
图12为本发明搅拌桨的主视示意图。
图13为本发明搅拌桨的左视示意图。
图14为本发明搅拌桨的俯视示意图。
图中，罐体1、进料管11、第一控制阀111、阳极接线孔12、轴套13、阴极接线孔14、出气管15、第二控制阀151、出料管16、第三控制阀161、扰流片17、电机21、搅拌桨22、搅拌轴23、搅拌叶24、阳极电极3、阴极电极4。
具体实施方式
实施例1
如图1～4所示，一种生产沼气的扰流式反应釜，包括罐体1，罐体1的顶部设有阳极接线孔12、阴极接线孔14和轴套13，罐体1上设有用于进料的进料口和用于排除发酵产生气体的出气口，进料口连接进料管11，出气口连接出气管15，罐体1的内侧壁设有扰流片17，罐体1的底部设有出料口，出料口连接出料管16；
罐体1内设有用于促进发酵反应进行的阳极电极3和阴极电极4，阳极电极3和阴极电极4在发酵过程中浸泡于发酵液中，阳极电极3通过导线经阳极接线孔12与外部电源的正极连接，阴极电极4通过导线经阴极接线孔14与外部电源的负极连接；
罐体1内还设有用于搅拌的搅拌桨22，搅拌桨22包括搅拌轴23和搅拌叶24，搅拌轴23的顶端穿过罐体1，罐体1外侧还设有用于驱动搅拌桨22的电机21；
罐体1上设有回料进口，罐体1的底部设有回料出口，回料出口和回料进口之间连接有回料管，回料管上设有用于在发酵过程中驱动发酵液循环的蠕动泵。通过在罐体1外部添加蠕动泵，控制发酵液的流速，将从出料管中出来的发酵液经蠕动泵再次回流到罐体1中，延长了发酵液运动的特征长度，在不增加流速的条件下，提升发酵液与混合菌液的混合效果，使得细菌在罐体内部混合更加均匀，进而提升产沼气的效率。
回料进口与进料口为同一个，回料出口与出料口为同一个，进料管11和出料管16兼作部分回料管，回料管还包括连接进料管11和出料管16的连接管，发酵过程中使用连接管将进料管11和出料管16接通作为回料管，发酵开始前和结束后拆除连接管。
进料管11、出气管15和出料管16的开闭分别由第一控制阀111、第二控制阀151和第三控制阀161控制。
图5～8为本发明的扰流片17的示意图，扰流片17的外形为半波形，扰流片17与罐体1的内侧壁呈90度均匀排布。半波形扰流片17能够有效缓解罐体内的发酵液对扰流片17的冲击，创造利于混合产甲烷细菌生存的环境
图9～11为本发明的阴极电极4或阳极电极3的示意图，阳极电极3和阴极电极4的外形为波浪形，波浪形设计有利于细菌的附着，进一步加速电极表面反应的进行。
图12～14为本发明搅拌桨22的示意图，搅拌桨22包括搅拌轴23和搅拌叶24，搅拌叶24外观设计为流线型，搅拌叶24的表面还设有若干用于扰流的通孔。搅拌叶24外形流线型设计能够减缓发酵液对搅拌叶24的冲击，若干用于扰流的通孔能够在搅拌叶24搅拌的过程中形成涡流，使细菌和发酵液混合的更加均匀。
当扰流式反应釜工作时，先将混合产甲烷细菌接种到菌种营养液中富集培养，将富集后的混合产甲烷细菌接种到罐体1内，通过进料管11向罐体1内加入糖厂废水；再向罐体1内通入氮气进行曝气，曝气结束将第一控制阀111、第二控制阀151和第三控制阀161均关闭，将罐体1密封，使罐体1内部处于厌氧环境；然后控制搅拌桨22搅拌，同时对阴极电极4和阳极电极3以0.6V电压通电，使混合产甲烷细菌和糖厂废水混合均匀，控制发酵温度36～37℃，用带有蠕动泵的回料管连接出料管16和进料管11，打开第一控制阀111和第三控制阀161使发酵液循环，同时打开第二控制阀151收集产生的气体。
混合产甲烷细菌包括乙酸营养型产甲烷菌和氢气营养型产甲烷细菌。
实施例2
从浙江省嵊州市的某个养猪场沼气池获得污泥，进行厌氧污泥的分离，最后得到产甲烷用的混和细菌。
取出一个1000mL的三角瓶在100℃的高压蒸汽灭菌锅中灭菌30min。将灭菌后的三角瓶冷却至室温后，将300mL厌氧污泥加入三角瓶中，在无其他杂菌的环境中保存。配制液态培养基，液态培养基的成分：10g/L氨三乙酸、2g/L蛋白胨、2g/L酵母粉、0.5g/L半胱氨酸、0.4g/L K2HPO4、0.2g/L MgCl2·6H2O和1L蒸馏水，将配制好的液态培养基在121℃的条件下灭菌15min，取600mL液态培养基加入1000mL的灭菌三角瓶中，
将上述保存的300mL厌氧污泥加入600mL液态培养基混合均匀，将混合均匀后的三角瓶在厌氧箱中静置7天进行富集，厌氧箱条件为：10％氢气、10％二氧化碳和80％氮气，温度为35±1℃。3天后将上清液去除，重复上述操作3次，得到富集的混合产甲烷细菌。
将上述富集后的混合产甲烷细菌500mL和3L糖厂废水加入到用本发明的扰流片扰流的扰流式反应釜的罐体1中并混合均匀，发酵罐的总体积为5L，糖厂废水中的COD为5000mg/L，罐体1所用本发明的扰流片的长度为12cm，最宽处为3cm，厚度为3mm，向罐体1中通氮气30min后，封闭罐体1使罐体1处于厌氧环境中，用蠕动泵连接进料管11和出料管16，发酵液从出料管16经蠕动泵进入进料管11，进行发酵液的循环，发酵至不再产生气体，发酵液从出料管16流出，发酵结束后取阴极电极的菌膜1mm2在无菌水中充分溶解，充分溶解后取上清液10μL稀释109倍，然后取10μL用平板涂布法进行菌落计数。
结果表明，发酵罐沼气日产量为1.27L。
对比例1
从浙江省嵊州市的某个养猪场沼气池获得污泥，进行厌氧污泥的分离，最后得到产甲烷用的混和细菌。
取出一个1000mL的三角瓶在100℃的高压蒸汽灭菌锅中灭菌30min。将灭菌后的三角瓶冷却至室温后，将300mL厌氧污泥加入三角瓶中，在无其他杂菌的环境中保存。配制液态培养基，液态培养基的成分：10g/L氨三乙酸，2g/L蛋白胨，2g/L酵母粉，0.5g/L半胱氨酸，0.4g/L K2HPO4、0.2g/L MgCl2·6H2O和1L蒸馏水，将配制好的液态培养基在121℃的条件下灭菌15min，取600mL液态培养基加入1000mL的灭菌三角瓶中，
将上述保存的300mL厌氧污泥加入600mL液态培养基混合均匀，将混合均匀后的三角瓶在厌氧箱中静置7天进行富集，厌氧箱条件为：10％氢气、10％二氧化碳和80％氮气，温度为35±1℃。3天后将上清液去除，重复上述操作3次，得到富集的混合产甲烷细菌。
将上述富集后的混合产甲烷细菌500mL和3L糖厂废水加入到用普通扰流片扰流的扰流式反应釜的罐体1中并混合均匀，罐体1所用扰流片为普通扰流片，普通扰流片的长度为12cm，宽度为3cm，厚度为3mm，向罐体1中通氮气30min后，封闭罐体1使罐体1处于厌氧环境中，用蠕动泵连接进料管11和出料管16，发酵液从出料管16经蠕动泵进入进料管11，进行发酵液的循环，发酵至不再产生气体，发酵液从出料管16流出，发酵结束后取阴极电极的菌膜1mm2在无菌水中充分溶解，充分溶解后取上清液10μL稀释109倍，然后取10μL用平板涂布法进行菌落计数。
结果表明，发酵罐沼气日产量为1.06L。
实施例2和对比例1的菌落计数结果表明，实施例2中的菌落数是实施例1中菌落数的3.3倍，说明本发明中的扰流片有利于混合产甲烷细菌的附着。实施例2的沼气日产量比对比例1中的沼气日产量高0.21L，说明本发明中的扰流式反应釜与本发明的扰流片组合能够有效提高沼气的产量。
实施例3
用CFD软件(计算流体力学的软件，即Computational Fluid Dynamics)对本发明的搅拌叶进行仿真，仿真筒的直径为20cm，高度为27cm，体积约为8L，本发明的搅拌叶的参数为:长度60mm，宽度20mm，厚度1mm，如本发明中双层设计，设有扰流的通孔。仿真结果如下：
发酵液的平均流速为0.2～0.75m/s，在本发明的搅拌叶边缘涉及的空间内，发酵液的流速呈现梯度分布，发酵液的流速以搅拌桨为中心向外侧逐渐降低，发酵液的周向流速增加，轴向流速降低。
对比例2
用CFD软件(计算流体力学的软件，即Computational Fluid Dynamics)对普通搅拌叶进行仿真，仿真筒的直径为20cm，高度为27cm，体积约为8L，所用普通搅拌叶的参数为:长度60mm，宽度20mm，厚度1mm，单层设计，没有扰流的通孔。仿真结果如下：
发酵液的平均流速为0.1～0.65m/s，部分区域的发酵液的流速产生突变，在普通搅拌叶长度0.6倍的空间外，发酵液的流速难以监测，发酵液的流速没有出现梯度渐变的情况。
实施例3和对比例2的CFD仿真结果表明，实施例3的搅拌效果要优于对比例2的搅拌效果，实施例3能够使发酵液的有效混合体积增加30％以上。
Claims (10)
1.一种生产沼气的扰流式反应釜，包括罐体，其特征在于，
所述罐体的顶部设有阳极接线孔、阴极接线孔和轴套，罐体上设有用于进料的进料口和用于排除发酵产生气体的出气口，进料口连接进料管，出气口连接出气管，罐体的内侧壁设有扰流片，罐体的底部设有出料口，出料口连接出料管；
所述罐体内设有用于促进发酵反应进行的阳极电极和阴极电极，所述阳极电极和阴极电极在发酵过程中浸泡于发酵液中，阳极电极通过导线经阳极接线孔与外部电源的正极连接，阴极电极通过导线经阴极接线孔与外部电源的负极连接；
所述罐体内还设有用于搅拌的搅拌桨，所述搅拌桨包括搅拌轴和搅拌叶，所述搅拌轴的顶端穿过罐体，所述罐体外侧还设有用于驱动搅拌桨的电机；
所述罐体上设有回料进口，罐体的底部设有回料出口，回料出口和回料进口之间连接有回料管，回料管上设有用于在发酵过程中驱动发酵液循环的蠕动泵。
2.如权利要求1所述的扰流式反应釜，其特征在于，所述回料进口与进料口为同一个，所述回料出口与出料口为同一个，所述进料管和出料管兼作部分回料管，所述回料管还包括连接进料管和出料管的连接管，发酵过程中使用连接管将进料管和出料管接通作为回料管，发酵开始前和结束后拆除连接管。
3.如权利要求1所述的扰流式反应釜，其特征在于，所述进料管、出气管和出料管的开闭分别由第一控制阀、第二控制阀和第三控制阀控制。
4.如权利要求1所述的扰流式反应釜，其特征在于，所述扰流片的外形为半波形。
5.如权利要求1所述的扰流式反应釜，其特征在于，所述扰流片与罐体的内侧壁呈90度均匀排布。
6.如权利要求1所述的扰流式反应釜，其特征在于，所述阳极电极和阴极电极的外形为波浪形。
7.如权利要求1所述的扰流式反应釜，其特征在于，所述搅拌叶的边缘为流线型。
8.如权利要求1所述的扰流式反应釜，其特征在于，所述搅拌叶表面设有若干用于扰流的通孔。
9.一种生产沼气的方法，其特征在于，使用权利要求1～8任一所述扰流式反应釜，
所述方法包括以下步骤：
(1)先将混合产甲烷细菌接种到菌种营养液中富集培养，然后将富集后的混合产甲烷细菌接种到罐体内，再向罐体内加入糖厂废水；
(2)向罐体内通入氮气进行曝气，曝气结束将罐体密封，使罐体内部处于厌氧环境；
(3)控制搅拌桨搅拌，同时对阴极电极和阳极电极以0.6V电压通电，使混合产甲烷细菌和糖厂废水混合均匀，控制发酵温度36～37℃，发酵并收集产生的气体。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述混合产甲烷细菌包括乙酸营养型产甲烷菌和氢气营养型产甲烷细菌。
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