有機固廢厭氧消化設(shè)備的設(shè)計

有機固廢厭氧消化設(shè)備的設(shè)計

與有機廢水的厭氧處理相比，有機廢水的廢氧分解水過程復(fù)雜多，主要原因有三個。首先，固體含量高，流動性低，這意味著很難將預(yù)算符合原料的味道。其次，樣品的單位體積中的有機物質(zhì)含量遠高于有機廢水，即單位體積中需要分解的物質(zhì)較多。這很容易增加料溶液的酸性，導(dǎo)致“氧化”，也被稱為“酸中毒”，從而停止厭氧反應(yīng)。第三，比廢水更難將反應(yīng)中的料溶液接觸到微生物。由此可知，用于有機固體廢物厭氧發(fā)酵裝置的成本高，設(shè)計難度較大，發(fā)酵工藝相對復(fù)雜，這也是厭氧法未大規(guī)模應(yīng)用于處理城市有機固體廢物的主要原因。1madace實驗系統(tǒng)設(shè)計有機固廢厭氧消化實驗裝置(簡稱為MADACE)總的設(shè)計原則是:自動監(jiān)測、自動控制、自動記錄，實驗具有重復(fù)性，基本按照小試的標準進行設(shè)計。另外，從防止污染的角度考慮，整個發(fā)酵罐罐體應(yīng)保證無滲漏、積料、死角。MADACE實驗系統(tǒng)設(shè)計的基本要求如下:1)罐體的有效容積大于250L，能承受一定的壓力;2)具備攪拌功能，能使罐內(nèi)的料液盡量均一;3)有自動加溫及良好的保溫功能;4)對罐內(nèi)(反應(yīng)物)的溫度(T)、pH值、氧化還原電位(ORP)在線監(jiān)測;5)能夠保證高度的厭氧狀態(tài);6)方便的進料和出料，在進出料過程中能夠保持厭氧狀態(tài);7)能夠進行有效的固、液、氣三相分離，以保證反應(yīng)順利進行;8)具有自動控制和采集數(shù)據(jù)的功能;9)設(shè)置專門的集氣裝置;10)各個部分要形成一個有機整體。2madace實驗系統(tǒng)流程MADACE實驗系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成:1)發(fā)酵罐體;2)加熱與保溫系統(tǒng);3)攪拌器;4)在線式T、pH、ORP監(jiān)測儀;5)集氣裝置;6)控制系統(tǒng)(溫度自動控制);7)pH、ORP、罐內(nèi)溫度顯示儀表;8)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(計算機軟、硬件);9)其他:如壓力表、溫度表、加料口、出料口等。計算機與控制箱在信號不受外界干擾的情況下可以連接到1000m外的辦公室，真正實現(xiàn)遠程管理，可以查看實時實驗曲線，歷史曲線，分析pH、ORP、溫度實驗數(shù)據(jù)。MADACE實驗系統(tǒng)的流程見圖1。發(fā)酵罐的剖面圖見圖2，頂視圖見圖3。3madace的隔熱性能對于厭氧發(fā)酵來說，相對的恒溫發(fā)酵是理想的狀態(tài)，恒溫工作的厭氧反應(yīng)器必須通過加熱系統(tǒng)保持反應(yīng)器內(nèi)的溫度恒定。3.1熱媒和保溫層材料電加熱是一種環(huán)保和方便快捷的加熱方式，而且很容易實現(xiàn)溫度自動控制，是大多數(shù)用戶選用的方式。一般選用不銹鋼、鈦、石英或塑料等材料的加熱管。本實驗裝置采用兩根電加熱管進行加熱，每根電加熱管功率為1500W。熱媒主要有蒸汽、熱水、導(dǎo)熱油等。實驗采用導(dǎo)熱油加熱。其特點是傳熱優(yōu)于水分，導(dǎo)熱油在一般溫度下不會沸騰，油耗損失少，可以使用比較長的時間，此外，油的保溫效能比較好。根據(jù)實驗室的條件及上述理由，設(shè)計的實驗裝置采用100L左右的汽油作為熱媒。保溫對于厭氧發(fā)酵來說是必要的，保溫層保溫效果好就省電。保溫層保溫效果的好壞取決于保溫層的材料。目前無氟聚胺酯材料是保溫效果最好的材料，泡沫塑料保溫效果就不太好。另外，保溫效果與保溫層的厚度、密度和保溫層的加工工藝也有關(guān)系。保溫層越厚，保溫效果就越好。本實驗裝置在加熱油外專門設(shè)置中間層填充無氟聚胺酯材料。MADACE的加熱與保溫層布置示意圖見圖2。3.2計算熱量的基本原則發(fā)酵罐所需熱量由兩部分組成:一是把料液加熱到消化溫度所需的熱量Q1;二是彌補發(fā)酵罐罐體四周的熱損失而需要的熱量Q2。3.2.1比熱、消化溫度加熱料液到消化溫度所需的熱量根據(jù)公式(1)計算。式中C———料液的比熱，kJ/(kg·℃);M———料液的重量，kg/d;t1———消化溫度，℃;t2———進料的溫度，℃。3.2.2液與發(fā)酵罐外接觸介質(zhì)的溫度計算補充發(fā)酵罐罐體四周的熱損失所需要的熱量根據(jù)公式(2)計算。式中α———散熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃);A———散熱面積，m2;Δt———料液與發(fā)酵罐外接觸介質(zhì)的溫差，℃。發(fā)酵罐的散熱量應(yīng)根據(jù)罐壁及罐內(nèi)外接觸介質(zhì)的不同分別進行計算。罐壁考慮的因素主要有(包括保溫層)建筑材料、構(gòu)造形式及罐壁厚度等。罐內(nèi)接觸介質(zhì)有料液和沼氣，罐外接觸介質(zhì)主要是大氣。散熱系數(shù)α根據(jù)公式(3)計算。式中y1———罐壁內(nèi)表面的傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃);y2———罐壁外表面的傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃);λi———罐壁及保溫層第i層的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)。3.3madace檢測器所需的熱量計算以環(huán)境平均溫度15℃，發(fā)酵溫度35℃為例進行計算。3.3.1．1.2料液的比熱C取4.2kJ/(kg·℃)，質(zhì)量取250kg,t1取35℃，t2取15℃。通過計算，Q1=4.2×250×(35-15)=21000kJ。3.3.2罐蓋及罐底降低熱風(fēng)溫度本實驗裝置的熱損失由兩部分組成:1)由不銹鋼制作的罐蓋，內(nèi)部主要接觸的是沼氣，外部與空氣接觸。2)罐壁及罐底，內(nèi)部接觸的是料液，至外第一層是導(dǎo)熱油，第二層是填充無氟聚胺酯材料的保溫層，外部與空氣接觸，層之間由不銹鋼材料分隔。因此，Q2又由Q21(罐蓋)及Q22(罐壁及罐底)組成。部分參數(shù)的選取見表1。另外，罐蓋部分的面積為0.9m2;罐壁及罐底的面積為4.1m2。通過計算，罐蓋部分的散熱系數(shù)α1=8.969;罐壁及罐底的散熱系數(shù)α2=1.199;Q21=24×8.969×0.9×20=3874.608;Q22=24×1.199×4.1×20=2359.632;Q2=Q21+Q22=6234.240kJ3.3.3在無保溫層的情況下，每天補充3個熱量無保溫層時，整個發(fā)酵罐(包括罐蓋、罐壁及罐底)的散熱系數(shù)均取8.969,Q3計算為21525.6kJ。3.3.4增加了大量的熱量假如環(huán)境溫度為15℃，發(fā)酵溫度為35℃，把250kg的料液加熱到消化溫度所需的熱量為21000kJ;發(fā)酵罐每天需要補充的熱量為6234.240kJ;假如發(fā)酵罐無保溫層，則每天需要補充的熱量為21525.6kJ，即在上述條件下，該發(fā)酵罐設(shè)保溫層而減少的熱量補充為15291.36kJ，減補熱量的比例為71%。因此，設(shè)計的反應(yīng)器具有良好的保溫效果。3.4不設(shè)保溫層的情況為了驗證反應(yīng)器保溫效能，從2006年1月30日11時0分開始對發(fā)酵罐逐漸加熱(為了不破壞罐內(nèi)的微生物，加溫逐漸進行)，至2006年2月7日14時30分，溫度達到32℃，然后停止加熱。罐內(nèi)溫度與環(huán)境溫度的變化情況見表2，第一組(序號為1)溫度的記錄時間為2006年2月7日14時30分，以后是每隔5h的溫度值，記錄到2006年2月15日19時30分罐內(nèi)溫度達到自然情況下為止。下面對不設(shè)保溫層的情況進行討論:為了簡化討論，將表2中的環(huán)境溫度分為兩個區(qū)間，序號1到11作為第一個區(qū)間，即從2006年2月7日14時30分到2006年2月9日21時30分，時間長度為55h，平均環(huán)境溫度為16.6℃;序號12到40作為第二個區(qū)間，即從2006年2月9日21時30分到2006年2月15日19時30分，時間長度為145h，平均環(huán)境溫度為14.4℃。第一個區(qū)間，即料液的溫度從32℃下降到20℃所需要的時間計算:1)料液的溫度從32℃下降到20℃將釋放熱量4.2×250×(32-20)=12600kJ;2)該區(qū)間料液溫度的中間值為26℃，根據(jù)公式(2)可以計算出在該區(qū)間內(nèi)每小時平均散熱為1×8.969×5×(26-16.6)=421.543kJ;3)料液的溫度從32℃下降到20℃的時間為12600/421.543=29.89≈30h。同理，可以計算出第二個區(qū)間，即料液的溫度從20℃下降到12℃所需要的時間為133h。因此，在上述實驗條件下，若沒有保溫措施，料液從32℃下降到20℃只需30h，比有保溫措施的情況(55h)少25h，從20℃下降到12℃所需要的時間為133h