一种大型混合搅拌式兼氧水解反应器及物料混合方法与流程

本发明涉及沼气发酵工程
技术领域：
，具体是一种适用于以秸秆为原料的大型混合搅拌式兼氧水解反应器及物料混合方法。
背景技术：
：中国专利cn105132469b中公开了一种利用兼氧方式进行木质纤维素预处理的工艺方式，提供了一种将干秸秆快速水解的生物化学工艺。这种方式可以使农作物秸秆原料生产的沼气中甲烷含量高达57％，并大大缩短秸秆发酵制沼气的生产时间。在采用这种工艺的过程中，需要将干秸秆粉碎至2cm以下，且经过揉丝处理，然后投入兼氧水解反应器中。但是，经过粉碎揉丝处理后的干秸秆其堆密度仅为100kg/m3，投入兼氧预处理反应器(兼氧水解反应器)后，由于其密度比水轻，以及微曝气的气浮作用，很容易在兼氧反应器中形成漂浮层，不断漂浮积累起来的秸秆，在反应器液面层形成厚厚的壳层，使搅拌器混合均质的功能失效，特别是干化秸秆的分子化学键具有较强的疏水性，不与水充分接触混合，微生物及酶很难进入到秸秆纤维内部，因此很难进行微生物的水解生物化学反应。对于容积为500立方米以上的大型水解反应器上述问题尤为明显。通过在反应器内设置搅拌器能部分解决上述问题，通过搅拌器搅动液体使其流动以克服秸秆的漂浮，同时带动秸秆混合液在反应器内转动。利用搅拌使浮在水面的秸秆被带入水中并分散在水中，是利用了水流动秸秆的拖曳力大于等于浮力，这与水的密度与秸秆的密度差、水的粘度、水向下的流速等因素有关，而水的流速又与搅拌施加给水的推动功率有关，对于兼氧水解反应器来说，还与曝气时气泡上升过程中对周围水产生的升力有关。而搅拌对水的推力作用又与水和水中物料相对于搅拌器的位置、转速有关，还与容器壁距离搅拌器的位置有关。因此，搅拌器对水的搅拌作用的流场受复杂的条件的影响，特别是对于气、液、固三相流体，流场分布极其复杂，是不均匀的流场。在这类反应器设计中，特定的反应器搅拌选型和参数选择，基本都是靠经验+试验的方式进行。申请人开发的利用干秸秆作原料的兼氧水解反应器，是一种气(空气)+液(水)+固(秸秆)三相流体，且反应器容积大于500立方米以上，采用传统的搅拌混合方法已经不能满足需要，不仅水面易形成秸秆壳层，底部还会形成沉淀层。有鉴于此，需要开发新的兼氧水解反应器新的物料混合方法。技术实现要素：研究发现，单独增大搅拌器功率或者增加搅拌器数量的方式并不能解决大容积的兼氧水解反应器内物料搅拌不充分的问题，而且反应器中秸秆碎料粒径小，重量轻、表面疏水，与兼氧水解反应器的液体部分分层严重，不同于发酵池内物料已经被水解充分变得粘稠不易与水分离的状态，因此发酵池的搅拌工艺直接搬过来也无法达到预期效果。经过大量分析与探索，我们发现，通过将立轴垂直主搅拌器和斜插式辅助搅拌器分别偏心设置。立轴垂直主搅拌器提供以垂直向下的分力为主，水平分力为辅的物料循环流场，根据液位深度设置二至三层桨叶，正常运转时，在液面形成从四周向轴心旋转的流场，物料旋转流向搅拌中心区域，桨叶在搅拌轴垂直方向上产生向下的流场，将液面的秸秆物料吸入到液面以下，并且继续呈逆时针螺旋向下流动，物料达到反应器下部区域后，在底面反射的作用向四周扩散并开始向上流动，形成循环；而斜插式辅助搅拌器刚好可以在另一侧在提供垂直向下分力的同时还提供较强的水平分力，由于其安装角度与垂直方向夹角为30°～50°，可根据反应器直径或高度调节，因此其主要的功能是将液面的秸秆物料带入液面以下，防止在主桨叶作用范围以外的区域产生浮渣层。同时，斜插安装的桨叶在水平方向上产生向前的推力，与主桨叶产生的水平流场方向一致，共同在水解池内产生强大的流场，保障反应器内不形成浮渣和沉淀层。通过两个搅拌器对物料推动力的叠加，在容器内物料表面形成漩涡、底部形成扰动，推进立式流场中心的料液流动，还可以把底部沉降的物料搅动起来。这样设置以后，兼氧水解反应器内形成了良好的液体搅拌流场，解决了秸秆兼氧水解反应器中经粉碎揉丝后的干秸秆漂浮结壳和泥沙沉积的问题，取得了良好的均质效果。因此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种新的大型兼氧水解反应器，以及一种大型兼氧水解反应器的物料混合方法，适用于容积为500立方米及以上的兼氧水解反应器，使反应器内搅拌效果在更加充分均匀的同时，降低能耗，提高稳定性，延长使用寿命。下面具体详述：第一方面，本发明提供了一种大型混合搅拌式兼氧水解反应器，包括本体和设于本体内的搅拌器，本体包括顶部、侧壁和底部；搅拌器包括搅拌轴和搅拌轴上安装的桨叶，搅拌轴一端固定在本体顶部，另一端固定在本体底部；所述搅拌器包括立轴垂直主搅拌器和斜插式辅助搅拌器两种，两种类型的搅拌器均偏离本体的中心设置。优选的，上述大型混合搅拌式兼氧水解反应器中，所述本体顶部设有进料口，所述进料口的位置靠近立轴垂直主搅拌器但不在桨叶旋转范围上方。进料口设置在靠近立轴垂直主搅拌器的位置，既能避免干秸秆直接冲击桨叶缩短桨叶寿命，又能使落入的秸秆粉刚好在桨叶边缘，被迅速倾斜向下推入到兼氧水解反应器的料液中。优选的，上述大型混合搅拌式兼氧水解反应器中，所述斜插式辅助搅拌器，其上方靠近侧壁，下方靠近本体的中心，且搅拌轴从上往下沿立轴垂直主搅拌器的旋转方向一侧倾斜。例如，立轴垂直主搅拌器沿逆时针旋转时，本体内的物料在水平方向是沿着本体侧壁进行逆时针流动的，斜插式辅助搅拌器的搅拌轴在水平方向的偏转即设置在该逆时针流动方向上。优选的，上述大型混合搅拌式兼氧水解反应器中，所述本体底部设有曝气管，包括在两个搅拌器与侧壁之间位置的环形外曝气管，以及在两个搅拌器之间的矩形布置的内曝气管。曝气管从底部向料液中曝气，气流冲击料液翻动，进一步提高搅拌效率。优选的，上述大型混合搅拌式兼氧水解反应器中，所述立轴垂直主搅拌器和斜插辅助搅拌器的最上层桨叶位置均位于本体半径靠近中部的三分之一区域或本体半径的二分之一区域。优选的，上述大型混合搅拌式兼氧水解反应器中，所述斜插式辅助搅拌器的功率配置比立轴垂直主搅拌器的功率小30％～40％。功率差异导致不同的流场流动速度不同步，增加扰动性，提高料液流动率和不同流场料液的交换率。优选的，上述大型混合搅拌式兼氧水解反应器中，所述本体总容积为500立方米～1000立方米，直径大于等于10米。优选的，上述大型混合搅拌式兼氧水解反应器中，所述斜插搅拌器的上层桨叶尺寸小于下层桨叶尺寸。在兼氧水解反应器的下部，由于料液浓度高，需要使用大直径浆叶来产生高强度循环。在兼氧水解反应器的顶部，液位不断变化，使用小直径的浆叶，使输入的秸秆快速混合而又不易缠绕在桨叶上。第二方面，本发明提供了一种大型混合搅拌式兼氧水解反应器的物料混合方法，所述物料包括水、秸秆和曝气气泡，包括一个偏离反应器中心位置的立轴垂直主搅拌器，推动流体产生以向下循环流动为主的流场；一个斜插式辅助搅拌器，主要形成推动流体旋转为主的流场，使液面形成能够将秸秆物料带入水下的漩涡，并使反应器底部形成扰动防止沉淀。优选的，上述物料混合方法中，斜插式辅助搅拌器的功率配置比立轴垂直主搅拌器的功率小30％～40％。优选的，上述物料混合方法中，所述立轴垂直主搅拌器的桨叶为两层或三层，电机额定功率为20kw～40kw，循环水量为20000m3/h～40000m3/h。功率过大对于搅拌效率提高不明显，且更加耗能，上述范围内能效最优。优选的，上述物料混合方法中，所述斜插式辅助搅拌器的桨叶为两层，搅拌轴相较于垂直方向倾斜的角度为30°～50°，电机额定功率为15kw～22kw，循环水量为15000m3/h～30000m3/h，为能效最优值。优选的，上述物料混合方法中，所述搅拌器使用交流变频调速电机，能够在物料浓度发生变化时，保持搅拌的稳定性，降低能耗。优选的，上述物料混合方法中，所述本体底部设有曝气管，曝气管的位置与搅拌器的位置错开，形成外部顺流曝气和中部逆流曝气。优选的，上述物料混合方法中，所述立轴垂直主搅拌器和斜插式辅助搅拌器的桨叶均沿逆时针方向旋转。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：1、通过采用垂直搅拌和斜插搅拌相互配合，合理配置电机功率的方法，有效地将疏水强、密度远小于水的干秸秆融入水中，保证了兼氧水解反应器中生化反应顺利进行，解决了秸秆粉碎后易上浮的一大难题。采用这种设计方案的兼氧水解反应器的料液浓度即总固体含量(ts)可达到6～12％。2、通过在兼氧水解反应器上下面偏离中心的位置固定立轴垂直主搅拌器和斜插式辅助搅拌器，二者相互配合形成不同的流场叠加效果，相互影响使搅拌更加充分。3、节省土建投资：反应器内搅拌更加充分以后，其容积受搅拌作用的约束减小，增加了有效容积，反应器容积可以增大到500～1000立方米，有效容积增大后，产能不变的情况下就可以减少反应器数量。4、节省设备投资：减少反应器数量后，其相应的设备、控制系统也减少。5、节省运行成本：合理设计搅拌器功率，降低运行能耗。通过搅拌器浆叶设计，不同直径浆叶配合使用，大直径用于大循环，小直径浆叶用于新物料混匀，各自发挥作用；两种搅拌器配置，形成流场，保证搅拌效果，再利用曝气，总体上降低功耗。附图说明图1为实施例1大型混合搅拌式兼氧水解反应器俯视结构示意图。图2为实施例1大型混合搅拌式兼氧水解反应器纵向剖面结构示意图。图中：1.本体，2.立轴垂直主搅拌器，3.斜插式辅助搅拌器，4.桨叶，5.秸秆落料口，6.观察孔，7.检修口，8.曝气管。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细解释和说明，以使本领域技术人员能够更好地理解本发明并予以实施。实施例1如图1和图2所示，是一种实施例的大型混合搅拌式兼氧水解反应器设计俯视和纵向剖视图，该反应器包括本体1和设于本体1内的搅拌器。本体1为圆柱形空心立方体结构，由侧壁围绕圆形的底部和顶部构成，内部直径12米，深度7米，有效水深6.2米，总容积791立方米，有效容积679立方米。本体1的顶部设有秸秆落料口5、观察孔6和检修口7。秸秆落料口5的位置靠近立轴垂直主搅拌器2但不在其桨叶4旋转范围上方，既不易缠绕在桨叶4上对桨叶4造成冲击又能使落入的秸秆被桨叶4快速卷进料液中。观察孔6优选设在靠近秸秆落料口的位置，便于观察秸秆落料情况及搅拌效果。搅拌器包括两台、两种类型，一种是立轴垂直主搅拌器2，一种是斜插式辅助搅拌器3。两台搅拌器呈对角设置，且与本体1侧壁的距离均大于0.6米。搅拌器不能太靠近侧壁，否则会导致中心位置搅动力度不够。参见图1，立轴垂直主搅拌器2和斜插式辅助搅拌器3的顶部在穿过本体1中心的直线上，位于本体半径的约二分之一处(即距离中心和侧壁均为2～4米的区域)。斜插式辅助搅拌器3的搅拌轴从上往下沿着立轴垂直主搅拌器2的逆时针流场方向倾斜设置。具体为，在水平方向上，搅拌轴相对于上述直线沿逆时针偏离，角度为40°～60°，垂直方向上，搅拌轴相较于垂直方向倾斜30°。以使其推动物料旋转方向与立轴垂直主搅拌器推动物料旋转方向一致。两种搅拌器结构基本一致，以立轴垂直主搅拌器2进行说明，包括搅拌轴、搅拌轴上安装的桨叶4、底座和顶座，搅拌器的搅拌轴一端通过底座固定在本体底部，另一端通过顶座固定在本体顶部，增加了稳固性，同时能够提供更大的搅拌力度。桨叶4由钢芯外包覆抗震聚合物(橡胶或聚氨酯)形成，提高搅拌时整个水解体系的稳定性，同时延长使用寿命。搅拌轴上设置上下两层桨叶4，其中斜插式辅助搅拌器3的上层桨叶尺寸小于下层桨叶尺寸。斜插式辅助搅拌器3和立轴垂直主搅拌器2的桨叶4旋转方向均为逆时针。该反应器的本体底部12还安装有曝气管8，包括两个搅拌器与侧壁之间位置的环形外曝气管，以及在两个搅拌器之间的矩形布置的内曝气管。曝气管8的位置与搅拌器错开，以便尽量不影响搅拌流场，又可以利用曝气形成混合搅拌流场，同时使气泡分布尽量均匀。搅拌器参数：项目单位斜插搅拌立轴搅拌功率kw18.522电流a36.540.7浆叶转速rpm3854顶部浆叶直径mm15002300底部浆叶直径mm26502300循环动力(水中)m3/h1600021000物料混合方法(流场分布形式)介绍如下：偏离反应器(本体)中心位置的立轴垂直主搅拌器2，推动流体产生以向下循环流动为主、逆时针水平旋转为辅的流场。斜插式辅助搅拌器3，主要形成推动流体逆时针旋转为主并将物料倾斜向下压的流场。外围曝气管8，气泡上升也会带动周围的流体产生向上的运动力，在两个搅拌器的推力与曝气共同作用下，物料沿反应器侧壁产生向上的流动，同时在两个搅拌器产生的逆时针旋转作用力下，物料在上升的同时快速沿反应器侧壁逆时针旋转，并沿侧壁向上爬升。在搅拌器桨叶4覆盖范围以及其周边一定距离内，流体则被快速向下推进，并形成旋转，到达反应器底部后受底部和侧壁约束反射沿侧壁向上流动，形成循环。沿侧壁向下，沿中部向下，形成旋涡，转速越快，侧壁附近升力越大，旋涡边缘沿侧壁爬升越高，旋涡中部越低，流体表面向下流速越快，对轻质的秸秆拖曳力越大，越不易形成壳层。同时，一并使反应器底部形成剧烈扰动防止沉淀。兼氧水解反应器内介质情况：原料干玉米秸秆总固体含量(ts)80％～85％，粒径<2cm，与回流沼液混合后料液浓度(ts)7％～10％。搅拌效果：(1)反应器料液表面无浮渣层；新进秸秆快速与反应器内物料混合，没有漂浮在液面以上；(2)发酵罐底部没有出现明显沉积(底部排泥管排出的发酵物浓度不高于罐体平均浓度的1.2倍，例如罐体平均发酵浓度为9％，则底部发酵浓度不高于10.8％)；(3)兼氧水解反应器及发酵罐内温度分布均匀，温差小于0.3℃(实测池内中上部温度为36℃，反应器中下部温度在36±0.3℃范围内)；(4)兼氧水解反应器及发酵罐内ts分布均匀，差值小于5％；(5)兼氧水解反应器及发酵罐内vfa(挥发性脂肪酸)分布均匀，差值小于5％；(6)在质保期内，设备无明显磨损，涂层无脱落，其他材料磨损小于材料厚度的5％；(7)在物料条件下，连续稳定运行。本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解发明的核心思想。应当指出，对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12