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穆震宇
（山西能投生物質能開發利用股份有限公司，山西太原030000）
摘要：作為可再生能源，沼氣在歐美等國家已經得到了高度的重視，同時原料的多元化、工藝的適應性與設備的先進程度也十分超前。隨著我國生物質能行業的飛速發展，規模化沼氣生產已成為趨勢。對生產企業來說，項目初期設備選型十分重要。對規模化沼氣工程濕式厭氧發酵工藝中發酵罐攪拌器選擇提出建議。
0引言
在規模化生物質行業中，濕式厭氧發酵作為主流沼氣厭氧發酵工藝，有較成熟的工藝技術和較廣泛的應用。談到濕式厭氧發酵離不開厭氧發酵罐及其中重要工藝設備攪拌器，所以在項目初期攪拌器的選擇成為項目投產后能否經濟、穩定生產的重要因素之一。
1厭氧發酵罐中攪拌器的作用
生化反應是依靠傳質而進行的，而傳質的產生必須通過基質與微生物之間的實際接觸。在規模化沼氣工程中，混合攪拌是最有效、最可行的手段。目前攪拌器普遍認為在沼氣厭氧發酵過程中能起到以下作用。
（1）達到均質效果，使得新舊物料混合均勻，使微生物與原料充分接觸，促進反應進行。
（2）使固體物質在料液中分散、懸浮，增加與微生物的接觸面，促進這些物質的消化，同時還避免這些物質的沉積與結殼。
（3）通過攪拌可以使氣體在液相中很好地分離。
（4）傳遞發酵罐內溫度，消除溫度不均勻現象，使生化反應正常進行。
（5）改變料液中物相的關系。
2常用的攪拌方式與優缺點分析
2.1水力攪拌
水力攪拌一般是利用泵運轉產生的液體流動來完成對物料的攪拌。需要在發酵罐上設置導流孔，在發酵罐外設置泵房。在規模化生物質沼氣工程中常采用螺桿泵作為動力泵進行，設置1～3個螺桿泵從不同方向通過出流管將消化液在罐內噴射出去以達到攪拌的目的。由于沒有機械傳動裝置在罐內，因此維護管理方便簡單。但缺點是對高固含量的消化液攪拌效果較差。
2.2頂部中心攪拌
將攪拌器安裝在發酵罐頂部中心，一般為皮帶傳動和齒輪傳動，可以用普通電機直接連接或與減速機直接連接，這種攪拌方式的優點是設計制造相對簡單。但由于不能移動，在運行中如選擇徑流型攪拌器，由于離心力的作用會在攪拌器周圍產生打旋現象。
2.3側插式長軸攪拌
這種攪拌器安裝形式也是在發酵罐側壁開孔，將攪拌裝置安裝在反應器的側壁上，攪拌器長軸側插入罐體內。螺旋槳在罐內，機械及電機部分在罐外，易于維修和保養。缺點是螺旋槳在罐內活動范圍較局限，國外有可以調整角度的傾斜式長軸攪拌器，可以上下左右擺動。但是由于長軸的原因活動范圍也不大，同時單一類型側插式攪拌器往往不好處理表面結殼問題。
2.4頂部偏心式攪拌
將攪拌裝置在立式容器上偏心安裝，可以有效防止打旋現象產生，產生與加擋板相近似一些的攪拌效果。偏心攪拌使攪拌中心偏離容器中心，使反應原料各點受力不同，因而原料層間的相對運動和原料層之間的湍動加強，攪拌效果明顯加強，攪拌效果明顯提高。但是也存在不能移動的問題，往往一座發酵罐需要安裝多個攪拌器。同時偏心攪拌容易引起振動，尤其消化液含固率較高時一般應用較少。歐洲一部分采用低速攪拌的沼氣工程使用這種攪拌器安裝形式。
2.5潛水攪拌
潛水攪拌機在攪拌過程中，通過葉輪旋轉創建水流，攪拌水中物質，增加水中含氧量，有效阻止懸浮物沉積，可滿足固液二相的混合攪拌要求。攪拌器適用于污水處理、沼氣發酵等過程中需要攪拌、混合的場所，具有結構緊湊、效率高、能耗低、便于養護、葉輪精度高、推力大等優點。沼氣工程中常用潛水攪拌器不同于軸流潛水攪拌器，多為槳式潛水攪拌器。可以提升或下降到一定高度，有一定的旋轉角度，是較為靈活的一種攪拌器。在規模化沼氣工程中多作為配合其他類或單一類攪拌器使用。由于靈活性較強，應對結殼問題也有較優秀的效果。同時靈活的性能也可以提供不同的液體流向以達到最佳的攪拌效果。缺點是維修成本較高，維修較麻煩。
3槳式攪拌器螺旋槳的選擇
現國內螺旋槳材料基本分為碳鋼和不銹鋼兩類，但是在實際使用過程中，這兩類材料攪拌器槳葉都存在磨損較快的問題。頻繁的更換槳葉無疑增加了運行和維護成本。國外有的使用耐磨涂層工藝處理螺旋槳葉以達到較高的耐磨度，這應該是國內攪拌器槳葉發展的方向。就我公司的項目運行看來，雖然進口槳葉單價成本較高，但在設備穩定性、使用周期和長期維保費用方面來看也比較經濟。
4通過原料及前端預處理工藝選擇攪拌器的建議
從實際運行情況來看，單一秸稈或以秸稈為主要原料項目中攪拌設備磨損速度較單糞污原料要高很多。因為秸稈中的木質素等富有韌性的物質在一定程度上加速了設備的磨損。但由于攪拌器葉輪更換較為麻煩，一般會在前端對物料進行預處理。發酵工藝前端預處理工藝常見分為兩種：機械預處理與水解酸化預處理。
4.1機械預處理
國內常見的規模化生物質沼氣項目與餐廚垃圾沼氣項目預處理工藝是有一些區別的。餐廚垃圾預處理使用篩分設備對垃圾中的雜物進行篩分、去除、回收等工序后就可以直接進行發酵。但生物質沼氣項目中除了篩分、破碎，最重要的一點還是進行秸稈與糞污的混合，包括純秸稈項目，也是秸稈與消化液的混合。一方面是為了均勻物質，最主要是為了通過混合攪拌使每一批次進入發酵罐中的物料可以保持良好的含固率及微生物與原料的接觸面積，易于發酵和提升產期率。生物質沼氣項目中，秸稈的機械預處理多使用破碎后秸稈通過螺旋或皮帶送入混合勻漿設備，與糞液接收池送入的糞污進行預混合后泵送至發酵罐中。混合設備也是多種多樣的，有精確控制配料的稱重勻漿設備如Dissolver、ProMix等進口設備，也有較簡單的憑借經驗控制的混合器等。這些設備都是為了充分混合物料使物料充分發酵而設計的。
4.2水解酸化預處理
將秸稈原料置入水解池，加入糞污或沼液并進行加溫攪拌。如沒有沼液或糞污可以加入碳銨進行碳氮比的調整。水解酸化過程中，在大量的水解產酸菌的作用下，將不溶性有機物水解為溶解性物質，將大分子的物質轉化為易于生物降解的小分子有機物質（如有機酸類等），來提高秸稈原料的可生化性。經過水解后的原料一同泵送至厭氧發酵罐內進行發酵。以往的水解工藝是不經過破碎直接進行水解酸化工藝，但實際運行過程中發現，無論是設備的故障率還是后端的產期率都不理想，所以后期幾乎所有項目都會在預處理前端加一道破碎工藝，除非使用全株青儲秸稈作為原料。
4.3選型建議
常用的兩種預處理工藝對前端物料都有破碎、均質的效果，但就項目實際情況來看，對同樣處理量的兩個項目1年設備使用情況對比，機械預處理后物料對攪拌器螺旋槳的磨損要遠小于水解酸化預處理工藝。就攪拌器故障率來看，水解酸化工藝大于機械預處理工藝所。根據后期維保運行考慮，建議水解酸化工藝攪拌器選用易維修的攪拌器類型配合1～2臺潛水攪拌器作為破殼使用效果為佳。同時在選用時盡量做到設備備件通用化以減少備品、備件庫存量。機械預處理工藝后使用的發酵罐攪拌器建議選擇潛水攪拌器。
5進口設備與國外設備選擇建議
目前，歐美等國沼氣行業發展的相當先進，尤其是歐洲以瑞士、德國等發達國家在規模化沼氣發酵技術領域已進行了多年的研究。我國雖然是最先開始發展沼氣發酵技術的，但多為小型沼氣發酵技術，使用范圍和秸稈利用率也較小。目前我國作為規模化沼氣工程急速發展階段，可向歐美國家進行學習，尤其是工藝設備制造。
從我公司目前運行項目來看，進口設備在維保費用遠遠高于國產設備，但進口設備穩定性卻優于國產設備。國內不乏優秀的、先進的設備制造企業，但生物質行業還處于發展初期，大多數優秀的設備制造企業沒有涉足該行業，從而導致該行業設備制造技術參差不齊。所以僅限于目前對進口和國產攪拌器設備進行選型建議。
5.1側入式、側插式攪拌器等
就攪拌器而言，側入式、側插式等機械部分與電氣部分在發酵罐外的攪拌設備，國產設備與進口設備差別不大。由于維保簡單，方便更換，作為非連續性運轉設備可以考慮作出詳細的設備檢維修計劃以減少故障率帶來的生產損失，及時更換，及時保養。所以在選擇這類攪拌器時，可以通過長遠設備維保費用核算初期投資成本和固定資產管理綜合考量。
5.2潛水攪拌器
潛水攪拌器作為沉入發酵罐且靈活的攪拌器，維保相對困難。同時，發生較大的設備故障如吊繩斷裂、電機進水等，會造成較嚴重的生產損失。通過以往的經驗來看，隱蔽類設備選擇時必須要考慮設備穩定性，低維保頻率，低故障率等。所以對于潛水攪拌的選擇而言，建議選擇優質的穩定性高的國產設備或性價比較高的進口專用設備。
6總結
綜上所述，規模化沼氣項目中發酵罐攪拌器的選擇原則總結為以下4個：
（1）根據前端工藝選擇以降低磨損率和故障率。
（2）根據原料性質選擇以保證工藝性能和設備穩定性。
（3）根據后期設備管理需要計劃性維保或低維保頻率而具體選擇設備類型。
（4）根據初期投資對比選擇最合適的進口設備或國產設備。
項目初期設備選擇的合適，項目后期運行就會非常順利。目前我國生物質行業專用設備還屬于初期階段，幾乎沒有專用設備。大多數設備為其他行業的通用設備，但是由于沒有專門匹配原料與設備，很多設備無法發揮出其應有的性能，表現出極高的故障率和不穩定性，感覺設備不好用或設備質量差。希望通過以往的選型經驗及實例，給規模化沼氣項目中濕式發酵工藝發酵罐攪拌器設備選型提供一些參考。
參考文獻
[1]楊寶林.消化池污泥攪拌器[J].中國給排水，1992（8）：47-49.
[2]劉刈，王智勇，孔垂雪，等.沼氣發酵過程混合攪拌器研究進展[J].中國沼氣，2009，27（3）：26-30.
[3]劉家燕，趙爽，姜偉立，等.餐廚垃圾厭氧消化處理技術工程應用[J].環境科技，2016（5）：43-46.
[4]徐剛，方琦，竺強，等.秸稈水解酸化+厭氧發酵生物氣化集中供氣工程研究[J].可持續發展，2012（2）：29-32.
[5]廖傳華，朱廷風，王妍，等.工業過程設備維護與檢修[M].北京：化學工業出版社，2018. |
