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标题

间歇式引射内循环反应器

范文

马翠忠周正颖

摘 ?要：引射内循环，就是以反应器产生的气体为动力，以引射器为泵，使工质在反应器内上下循环流动，达到搅拌工质的目的。反应产生的气体暂存在集气罩内，由“U”形管控制达到一定量时再排出，间歇排出的气体带动引射器间歇工作。该文以厌氧反应器为例进行说明，但适应所有工质为液体但反应过程中产生氣体的反应器。

关键词：间歇式;引射;内循环;反应器

中图分类号： ?TQ021 ? ? ? ? ? ? ? 文献标志码：A

传统内循环厌氧反应器结构如图1所示，反应器中有两级三相分离器。反应器上部为沉淀区，下部为主反应区，中部为次反应区，主要功能是利用沼气提升管内气水混合液与该区液体的密度差产生循环动力。

根据烟囱效应原理，为了获得足够大的提升力，沼气提升管必须足够长，这也就决定了反应器必须足够高。

由于中部反应区厌氧活性污泥含量少，有机物质浓度低，导致该区效率极低。

1 间歇式引射内循环反应器工作过程

反应器以UASB为基础设计，主要由罐体、三相分离器、引射器、气水分离器、进水、出水、排渣和加热等装置构成。

“U”形管、引射器、气水分离器、回流管共同构成循环系统（图2），“U”形管控制引射器的工作与否，引射器提供循环动力。其工作不是连续的，可分为沼气积累和引射器工作2个阶段，2个过程交替进行。

1.1 第一阶段：沼气积累

集气罩收集的沼气不是直接进入储气罐，而是暂时储存在集气罩中，随着沼气的积累，集气罩内的水位逐步下降，此时循环系统不工作。

1.2 第二阶段：引射器工作

当水位低于“U”形管的最低点时，引射器开始工作。沼气通过“U”形管进入引射管，带动沼液向上进入气水分离器，水气分离后，沼气进入储气装置，沼液则回流到反应器底部，实现自动循环。

随着引射过程的进行，集气罩内的沼气逐渐减少，水位逐渐上升，当水位到达“U”形管的端口时，沼液进入“U”形管，阻断沼气通道，该引射过程结束，如图3所示。

2 间歇式引射内循环反应器的主要特点

间歇式引射内循环反应器有6个特点。1）与传统IC反应器相比，只有一级三相分离器，大大降低了反应器高径比，材料容积率高，降低了成本。2）与传统UASB反应器相比，使用自身产生的沼气作动力实现内循环，降低了运行费用。3）使用引射器作为循环装置，循环量大。整个循环系统结构简单、无运动部件、自动运行，工作可靠。4）循环系统间歇式工作。只有积累了足够多的沼气时，循环系统才运行，循环水量与沼气产量成正比，不会像传统IC因沼气产量少而造成循环系统瘫痪。5）固体悬浮物被阻挡在集气罩下，水解后自动下沉，同时由于集气罩内水位周期性上下变动，不会造成浮渣结壳。6）系统单元化，单元个体小、重量轻、节约材料、适应任何形状的反应器、制作安装方便。

3 间歇式引射内循环厌氧反应器的结构优化设计方案

3.1 上部进水

升流式反应器均采用在反应器底部进水，布水器支管的堵塞是难免的，一旦堵塞无法疏通。该方案采用上部进水（图4），再回流到底部，仍属于升流式反应器。

上部进水的优点：一是便于观察，各分支管道工作情况一目了然。二是便于维护，各分支管道一旦出现堵塞情况，极容易疏通。三是省去了止回阀，避免了因止回阀失效造成的回水。四是防冻，进水工作完成后，管道中的水全部回流到预处理池，不会出现管道冻堵现象。

3.2 半地下式

根据当地地下水位情况，反应器尽可能地向地下延伸，主要目的就是降低反应器高度。一是有利于冬季保温，二是可以降低运行费用，三是罐体用料规格可以降低，减少制造成本。

3.3 单元化

以1 000 m3反应器为例，可以设计成如图5所示21个单元，20套循环、进水系统，每个单元覆盖4 m2左右反应器区域。

集气罩截面为等腰梯形，如图6所示。中间单元底面为正方形，四周单元底面为直角梯形，以适应圆形罐体，又方便制作。

3.4 ?“U”形管、引射器外置

“U”形管是循环装置的核心元件，任何故障将导致循环失败，前期的2个工程如图2所示在集气罩内部，一旦出现故障无法维修。分析原理后发现放在集气罩外部效果一样，如图6所示，这也是失败教训的总结。这一改进给安装和维护带来了极大方便，同时也大大降低了故障率。

外置后“U”形管与引射管不需要密封，连接牢固即可，而在集气罩内部则连接处绝对不能漏气。

引射器外置后，气水分离器可以下移到集气罩顶部以下，相应的集气罩可以上移，增大反应器的有效容积。

3.5 水封式气水分离器

传统IC配备的气水分离器为全封闭式，第一个工程实例也采用全封闭式，其最大弊端是回流管堵塞后无法维护。现改为水封式，回流管设在分离器外部，便于维护，如图2所示，同时回流管与进料管共用。一管两用后，如果循环与进料同时进行，则流量不能满足要求，必须加溢流管，如图6所示。但必须将循环水与进料在上部隔离，只有循环水走溢流管。对于以动物粪便为原料的沼气池，由于污水中含有各种杂物，成分极度复杂，进料管的堵塞是难免的，一旦堵塞，原料会溢出到反应器上部，基于此溢流管出口应在集气罩下部，将原料引入集气罩以下。

4 对原有UASB反应器的升级改造

如图7所示，集气罩出气口通过“U”形管与引射器连接，气水分离器出水口与反应器进水管连接即可实现间歇式自动循环。集气罩应加固，防止上浮。

在系统正常运行的情况下即可实现改造升级，成本以百元计。

5 储气罐的优化设计

采用塔节式湿式储气罐。

5.1 蓄水池全地下

冬季蓄水池內只有很薄的一层冰，不影响正常使用，不需要对池水加热。当水封槽离开水面后，只需要用行程开关控制电热线加热塔节水封槽内的水即可。

5.2 塔节式储气罐

储气罐由2-3节组成，储气罐上升到蓄水池水面以上时，由水封槽内的水和下一节罐体形成水封，并带动下一节罐体上升。该方案可以降低蓄水池高度（3 m即可），降低成本，同时也使蓄水池全地下有了可能。

储气罐分节后，高径比不足0.5，特别是中心塔节，重心在上部，底部又无法支撑，极易倾斜。为此中心塔节底部应有足够的配重，利用不倒翁原理，防止塔身倾斜。同时由于罐体较轻，也必须加配重。配重材料应选用钢材，不能用混凝土，因为其密度较低，除去水的浮力后只有自重的一半多一点。

5.3 凝结水排出

全地下蓄水池导致沼气管道位置更低，为排出管道中的凝结水，必须设计专门的凝结水收集储存装置，如图8所示，然后用手动压水泵排出。图中底部的横管用于储存凝结水，左侧有2根管，一根用于排水，另一根用于检查储水管内的存水量。实际凝结水很少，但该装置必须有。

6 在两步发酵沼气池上的应用

最初，间歇式引射循环是专门为户用沼气池设计的，主要解决秸秆原料的出料难问题。如图9所示，集气罩将沼气池分为上下2个部分，粪便原料进入发酵间，秸秆原料进入酸化间，利用引射器将酸化液送入发酵间，秸秆残渣出料方便，发酵间几乎不用出料。

这一设计由于需要单独的储气装置，成本较高，未能大面积应用。但可以用于农村社区生活垃圾的集中处理，如图10所示，由多个长方形砖混结构沼气池并联组成。

污水管连接进料间进入下部的发酵间，生活垃圾进入上部的酸化池。当一个酸化池需要清理时，可以将水抽干，固体残渣原地干化。该方案对沼气池的气密性要求大大降低，一般建筑工人即可胜任。

参考文献

[1]马翠忠.脉冲引射内循环厌氧反应器[P].中国专利：ZL 2010 1 0581566.X，2013-03-06.

[2]中国机械工业联合会.上流式厌氧反应器：JB/T 10669—2016[S].北京：机械工业出版社，2017：4.

[3]全国沼气标准化技术委员会.沼气工程储气装置技术条件：NY/T2598—2014[S].北京：中国农业出版社，2014：6.

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