一種減少厭氧反應(yīng)罐死區(qū)的快速混合攪拌裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種減少厭氧反應(yīng)罐死區(qū)的快速混合攪拌裝置及方法，罐體底部設(shè)有進料口，罐體上部設(shè)有出水口。在厭氧反應(yīng)罐內(nèi)設(shè)有攪拌軸，攪拌軸上設(shè)有槳葉，槳葉在高度上分層設(shè)計，層與層之間的間距相等；槳葉與攪拌軸傾斜角成45°安裝，最下層的槳葉直徑為厭氧反應(yīng)罐內(nèi)直徑的3/4且高于厭氧反應(yīng)罐進料口高度，其余槳葉直徑相同且為最下層槳葉直徑的一半，最上層槳葉低于厭氧反應(yīng)罐出水口高度。本發(fā)明能夠在短時間內(nèi)使厭氧反應(yīng)罐內(nèi)的料液快速混合均勻，而且通過對槳葉的設(shè)計使得在較低的功率下能夠使罐體內(nèi)的混合液體混合達到幾乎無死區(qū)的狀態(tài)。
【專利說明】一種減少厭氧反應(yīng)罐死區(qū)的快速混合攪拌裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及厭氧反應(yīng)罐厭氧消化處理技術(shù)，具體指一種減少厭氧反應(yīng)罐死區(qū)的快速混合攪拌裝置及方法，該技術(shù)能夠在低能耗的情況下達到較好的混合效果，從而促進微生物厭氧消化，屬于生物反應(yīng)【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003]隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平日益提高，餐飲行業(yè)的食物浪費越來越嚴(yán)重，因而產(chǎn)生大量的廚余垃圾并需要處理。廚余垃圾的處理主要包括填埋、焚燒、回收作為堆肥或動物飼料和分解。城市中廚余垃圾一般采用厭氧消化罐進行厭氧消化處理，先將廚余垃圾過濾得到廚余污水，再將廚余污水引入?yún)捬跸?，在攪拌作用下進行厭氧消化反應(yīng)，清水由厭氧消化罐上部排出。但在厭氧消化罐中常常發(fā)生厭氧消化不均勻，存在死區(qū)問題，導(dǎo)致厭氧消化過程中死區(qū)沉淀逐漸增多，使得反應(yīng)罐的處理效率逐漸變低。
[0004]對于處理反應(yīng)器的死區(qū)問題已有較多研究。在生物反應(yīng)器內(nèi)，死角容積包括兩部分:水力死區(qū)和生物死區(qū)。生物死區(qū)是微生物占據(jù)而造成的，水力死區(qū)由反應(yīng)器構(gòu)造設(shè)計造成。死區(qū)的存在使得反應(yīng)器中污水的實際平均停留時間總是小于理論平均停留時間，容易造成反應(yīng)器處理效果的下降，使出水惡化。死區(qū)的產(chǎn)生原因有很多。其中，水力死區(qū)主要由于進水口與出水口的位置引起的，如:上進上出、下進下出，進出水口都在同一側(cè)罐壁上等都會引起水力死區(qū)，還有一種就是由于進水流量較小，而反應(yīng)容積較大，從而導(dǎo)致水力停留時間增大引起的；對于生物死區(qū)而言，主要是由于微生物停留在反應(yīng)器里面時間較長，因而逐漸富集引起，對于這類需要定期清洗和減少水力停留時間來解決。
[0005]現(xiàn)有死區(qū)應(yīng)對技術(shù)大多采用定期沖洗、反沖洗，以及對流態(tài)的微調(diào)等。01dshue--J--Y總結(jié)出影響反應(yīng)器中流體作用力的因素，這些因素包括擋板和攪拌槳、槳葉的幾何形狀、葉輪間距、進口流動、浸沒深度、氣體-固體的影響等。同時槳葉的安裝方式也是影響因素之一，直入式和側(cè)入式是目前較為普遍的兩種槳葉安裝方式。然而側(cè)入式對于能耗的要求較高，從節(jié)能的角度，通過改善直入式攪拌設(shè)計參數(shù)，對于解決死區(qū)問題是一個新的思路。將釜式反應(yīng)器和槽流式推流反應(yīng)器攪拌方式相互結(jié)合，也是環(huán)境流體發(fā)展的一個突破口。
[0006]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有解決反應(yīng)器死區(qū)技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種減少厭氧反應(yīng)罐死區(qū)的快速混合攪拌裝置及方法，本方法可以在低能耗的情況下有效減少厭氧消化罐死區(qū)問題。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
一種減少厭氧反應(yīng)罐死區(qū)的快速混合攪拌裝置，在厭氧反應(yīng)罐內(nèi)設(shè)有攪拌軸，攪拌軸上設(shè)有槳葉，厭氧反應(yīng)罐的罐體為圓柱型，罐體底部設(shè)有進料口，罐體上部設(shè)有出水口。所述槳葉在高度上分層設(shè)計，層與層之間的間距相等；槳葉與攪拌軸傾斜角成45°安裝，最下層的槳葉直徑為厭氧反應(yīng)罐內(nèi)直徑的3/4且高于厭氧反應(yīng)罐進料口高度，其余槳葉直徑相同且為最下層槳葉直徑的一半，最上層槳葉低于厭氧反應(yīng)罐出水口高度。
[0009]一種減少厭氧反應(yīng)罐死區(qū)的快速混合攪拌方法，本方法采用上述攪拌裝置，罐體采用自下而上的進料方式，使污水在重力作用下自然往下沉，由最下層的槳葉轉(zhuǎn)動來增強底部擾動，促進料液的均勻混合，以防止下層的污水和沉淀在重力作用下下沉在周邊帶來的死區(qū)問題；
通過槳葉與攪拌軸成45度傾斜角，使底部的流體往上部進行推流，并與上部的液體達到較好的混合，最下層之上的槳葉加強這種推流作用；工作時罐體內(nèi)的液體需要淹沒最上層攪拌槳葉。
[0010]設(shè)計厭氧反應(yīng)罐時，先采用數(shù)值模擬方法對厭氧反應(yīng)罐建立數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過網(wǎng)格劃分后，導(dǎo)入流體力學(xué)計算軟件進行模擬分析，作為死區(qū)問題的評估依據(jù)，模擬結(jié)果采用流速流場以及湍流強度兩種指標(biāo)作為評估指標(biāo)來進行分析判斷，通過判斷厭氧反應(yīng)罐的流速分布以及湍流分布情況，來改善槳葉分層距離以及槳葉大小尺寸情況，并通過控制進料口流量來進一步提高混合效果。
[0011]本發(fā)明能夠在短時間內(nèi)使厭氧反應(yīng)罐內(nèi)的料液快速混合均勻，而且通過對槳葉的設(shè)計使得在較低的功率下能夠使罐體內(nèi)的混合液體混合達到幾乎無死區(qū)的狀態(tài)。
[0012]現(xiàn)有厭氧消化罐大多采用平直式槳葉，而平直槳葉主要特性是:在水流為低速時，以水平環(huán)流為主；在水流速度高速時為徑流型，在大型厭氧消化罐對于死區(qū)的解決效果不理想。本發(fā)明通過對攪拌裝置的槳葉的設(shè)計優(yōu)化，槳葉為長方型的鋼屬性葉片，相對于平直式槳葉，將槳葉進行旋轉(zhuǎn)45°，使其不僅具有平直槳葉在低速轉(zhuǎn)速時的水平環(huán)流，與此同時，還具有向上推流的作用，所以能夠在罐體中產(chǎn)生明顯的旋流；同時槳葉分層構(gòu)造，通過最底層的大槳葉與上層的小槳葉的協(xié)調(diào)作用，促進了水流的推流作用，強化了流體的紊流脈動，減少罐體死區(qū)的形成。
[0013]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1-本發(fā)明裝置立體圖。
[0015]圖2-本發(fā)明裝置正視圖。
[0016]圖3-本發(fā)明裝置俯視圖。
[0017]圖4-本發(fā)明的裝置在低轉(zhuǎn)速下模擬的流速云圖效果圖(軸向和水平方向)。
[0018]圖5-本發(fā)明的裝置在低轉(zhuǎn)速下模擬的湍流情況效果圖(軸向和水平方向)。
[0019]

【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明先對槳葉結(jié)構(gòu)以及槳葉分層設(shè)計來增加流體流態(tài)變化，減少死區(qū)形成，再利用數(shù)值模擬技術(shù)對所設(shè)計的槳葉尺寸和槳葉分層效果等參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化，以期達到理想的混合效果。
[0021]本發(fā)明減少厭氧反應(yīng)罐死區(qū)的快速混合攪拌裝置，厭氧反應(yīng)罐的罐體為圓柱型，罐體底部設(shè)有進料口，罐體上部設(shè)有出水口。在厭氧反應(yīng)罐內(nèi)設(shè)有攪拌軸，攪拌軸上設(shè)有槳葉，所述槳葉在高度上分層設(shè)計，層與層之間的間距相等。槳葉與攪拌軸傾斜角成45°安裝，最下層的槳葉直徑為厭氧反應(yīng)罐內(nèi)直徑的3/4且高于厭氧反應(yīng)罐進料口高度，其余槳葉直徑相同且為最下層槳葉直徑的一半，最上層槳葉低于厭氧反應(yīng)罐出水口高度。
[0022]作為一個具體實施例，所述罐體高為12m，內(nèi)直徑為8m ;槳葉由三層組成，槳葉之間的層距為3m，最下層的槳葉直徑為6m，上面兩層槳葉直徑均為3m，寬為1.2m，槳葉與攪拌軸焊接在一起。
[0023]一種減少厭氧反應(yīng)罐死區(qū)的快速混合攪拌方法，本方法采用上述攪拌裝置，罐體采用自下而上的進料方式，使污水在重力作用下自然往下沉，由最下層的槳葉轉(zhuǎn)動來增強底部擾動，促進料液的均勻混合，以防止下層的污水和沉淀在重力作用下下沉在周邊帶來的死區(qū)問題；
由于槳葉與攪拌軸成45度傾斜角，使底部的流體被槳葉往上部進行推流，并與上部的液體達到較好的混合，最下層之上的槳葉則加強這種推流作用；工作時罐體內(nèi)的液體需要淹沒最上層攪拌槳葉。污水從底部的進料口進入，厭氧消化后處理的水由上部排出。
[0024]由于最下面的槳葉直徑較大，僅僅比罐體的直徑較小，如此以來帶來的大槳葉的槳葉面積也相當(dāng)?shù)拇?，在分層槳葉的設(shè)計中，如果都采用底層相同型號的大槳葉，會使由底部的進水通過第一層大槳葉得到流體的螺旋流，在上升的過程中遇到第二層大槳葉，由于大槳葉的面積較大，因此會阻擋底部上來的螺旋流，反而影響攪拌的效果，為了解決這個問題，因此本設(shè)計將原有底部大槳葉尺寸進行縮小，本模型采用最下層槳葉直徑的一半，這樣一來，底層上升的螺旋流在通過中層的槳葉，避免大槳葉阻擋影響混合，而且還能在中層小型攪拌槳葉的推動下，強化下面流體的螺旋流的紊流狀態(tài)，還促使流體的水平環(huán)流，保證厭氧消化罐中部的攪拌效果。
[0025]然后對上述基本物理模型進行建模，采用數(shù)值模擬的方法對厭氧罐體建立數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過網(wǎng)格劃分后，導(dǎo)入流體力學(xué)計算軟件進行模擬分析，作為死區(qū)問題的評估依據(jù)，模擬結(jié)果采用流速流場以及湍流強度兩種指標(biāo)作為參考指標(biāo)來進行分析判斷，通過判斷厭氧罐體的流速分布以及湍流分布情況，來改善槳葉分層距離以及槳葉大小尺寸情況，還可以通過(進料口)流量控制來達到較好的混合效果。
[0026]本發(fā)明可以較好的給厭氧消化反應(yīng)罐內(nèi)的流體混合情況提供罐體尺寸設(shè)計，為大型厭氧消化罐體的前期設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)，進而降低設(shè)計成本，減少大型物理實驗帶來的經(jīng)濟成本和時間成本，同時能夠更好地解決大型厭氧罐體的死區(qū)問題，也提高運行效率。
[0027]具體實施時，首先要對厭氧罐體型號(長、寬、高)以及進料口和出水口的位置尺寸有大致的了解，以及厭氧罐的氣液比等屬性的掌握，然后初步設(shè)計采用分層槳葉方式加強對整個厭氧罐體的紊流擾動，由于采用自下而上的進料方式，這樣污水會因為重力的作用自然往下沉，因此最下層槳葉直徑設(shè)計為罐體直徑的3/4來增強底部擾動，促進料液的均勻混合，以防止下層的污染物在重力作用下下沉在周邊帶來的死區(qū)問題。
[0028]為了防止在重力的影響下引起混合不均勻，在中間和上層采用小槳葉起到推流作用，同時將槳葉都設(shè)置為與軸成45度傾斜角，底部的流體往上部進行推流，與上部的液體達到較好的混合。
[0029]然后對上述基本物理模型進行建模，采用數(shù)值模擬的方法對厭氧罐體建立數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過網(wǎng)格劃分導(dǎo)入計算流體力學(xué)商業(yè)軟件，然后在CFD軟件中進行模擬分析，通過分析罐體流場的分布和湍流強度分布，來進一步調(diào)整參數(shù)設(shè)計。
[0030]以上所述只是本發(fā)明的常規(guī)的實施方法，對于該技術(shù)實施可以在模擬的結(jié)果基礎(chǔ)上，調(diào)整槳葉大小和分層槳葉直接距離，來實現(xiàn)不同尺寸物理模型中的最好的模型參數(shù)，這種技術(shù)方法在不同的大型厭氧氧罐體具有較高的普遍實用價值。
[0031]本發(fā)明能夠在低能耗的情況下達到較好的混合效果，從而促進微生物厭氧消化。通過計算模擬來確定分層槳葉的安裝距離以及對槳葉的尺寸大小進行掌控來改善混合效果，為厭氧消化提供了一種高效節(jié)能的快速混合技術(shù)。本發(fā)明能節(jié)約罐體設(shè)計的經(jīng)濟成本，提高厭氧消化罐的運行效率和縮減調(diào)試周期。
[0032]最后需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管 申請人:參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，只要不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種減少厭氧反應(yīng)罐死區(qū)的快速混合攪拌裝置，在厭氧反應(yīng)罐內(nèi)設(shè)有攪拌軸，攪拌軸上設(shè)有槳葉，厭氧反應(yīng)罐的罐體為圓柱型，罐體底部設(shè)有進料口，罐體上部設(shè)有出水口，其特征在于:所述槳葉在高度上分層設(shè)計，層與層之間的間距相等；槳葉與攪拌軸傾斜角成45°安裝，最下層的槳葉直徑為厭氧反應(yīng)罐內(nèi)直徑的3/4且高于厭氧反應(yīng)罐進料口高度，其余槳葉直徑相同且為最下層槳葉直徑的一半，最上層槳葉低于厭氧反應(yīng)罐出水口高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的減少厭氧反應(yīng)罐死區(qū)的快速混合攪拌裝置，其特征在于:所述罐體高為12m，內(nèi)直徑為Sm ;所述槳葉由三層組成，槳葉之間層距為3m，最下層的槳葉直徑為6m，上面兩層槳葉直徑均為3m，槳葉與攪拌軸焊接在一起。
3.一種減少厭氧反應(yīng)罐死區(qū)的快速混合攪拌方法，其特征在于:本方法采用權(quán)利要求1或2所述的攪拌裝置，罐體采用自下而上的進料方式，使污水在重力作用下自然往下沉，由最下層的槳葉轉(zhuǎn)動來增強底部擾動，促進料液的均勻混合，以防止下層的污水和沉淀在重力作用下下沉在周邊帶來的死區(qū)問題； 通過槳葉與攪拌軸成45度傾斜角，使底部的流體往上部進行推流，并與上部的液體達到較好的混合，最下層之上的槳葉加強這種推流作用；工作時罐體內(nèi)的液體需要淹沒最上層攪拌槳葉。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的減少厭氧反應(yīng)罐死區(qū)的快速混合攪拌方法，其特征在于:設(shè)計厭氧反應(yīng)罐時，先采用數(shù)值模擬方法對厭氧反應(yīng)罐建立數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過網(wǎng)格劃分后，導(dǎo)入流體力學(xué)計算軟件進行模擬分析，作為死區(qū)問題的評估依據(jù)，模擬結(jié)果采用流速流場以及湍流強度兩種指標(biāo)作為評估指標(biāo)來進行分析判斷，通過判斷厭氧反應(yīng)罐的流速分布以及湍流分布情況，來改善槳葉分層距離以及槳葉大小尺寸情況，并通過控制進料口流量來進一步提1?混合效果。
【文檔編號】C02F3/28GK104162377SQ201410355499
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】安強, 舒鑫, 彭緒亞, 趙彬, 於陽, 翟午琛, 王沙, 黃寧秋 申請人:重慶大學(xué)