專利名稱：動態微混器的制作方法
技術領域：
本專利申請包括的應用領域涉及大型容器內含有物的混合，以優化厭氧過程中的生化操作，尤其是為形成生物氣體的厭氧過程。這種生物氣體的形成過程被越來越多的建立并運行起來，其在產生能量的情況下通過形成生物氣體(主要是甲烷)實現了有機材料的生物分解。這種應用涉及從將結合有機殘余物的含有廢水的原料(例如按照EP0998430的申請人的氣體生成(Skjldgas)-FFF-系統(參見EP1419995的固體-流體-發酵過程))分解的廢水凈化到專門用于植物，例如玉米、黑麥、青草以及其它類似物的分解過程的厭氧發酵，以及其它的類似過程，這些植物作為所謂的NOWARO(再生原料)經常被常年青貯以供給生物氣體發生器。在利用該生成氣體的情形中，這種氣體經常被用于熱能發電(BHKW)。
背景技術：
過程在已知方法中，這種用于被粗略地描述為通過形成有機酸來形成生物氣體的過程形成的是甲烷+(+表示還有CO2、H2S、水蒸氣等其它氣體組分)的情形。此外，此過程中較為典型的是分為兩個步驟，即，一步形成有機酸，另一步為甲烷化過程，這兩步應當盡可能相互分離地進行，因為與酸化(其也被稱為預酸化)相關的約4-6的低PH值會使接下來的活性甲烷菌-甲烷菌在優選PH值為7時生存并且發揮其全部的活性-在pH-值≤6、7的情況下最大程度的變弱，或死亡，從而破壞(有機)酸向甲烷+的生化轉化。
為了優化該過程，即從1kg的有機物料中得到最大量的較高質量的氣體(約0.6m3氣體/kg OTS)(如65-80％的甲烷含量)，需要考慮很多因素，而這些因素尚未得到充分的研究。
為了說明在所述發明目的領域中的技術背景，下面將描述最常使用的方法，尤其是那些描述反應器中所含物運動情況的方法，因為這些優化的實施形態在成功的實現整個過程方面具有顯著作用。
a)淤漿回收的厭氧裝置一般通過對來自后期凈化過程中的含有淤漿的原液進行泵吸來進行運作，即同時將供應的物料進行混合，尤其當它處理含有所謂“粒子”形成的活性淤漿層反應器時。其中，經過反應器的外層或者在反應器底部的前面以及上面進行直接的添加。
b)城鎮凈化廠的反應器通過近乎卵形的反應器的漏斗形底部聚集了較重的組分，以便在那里通過中心的氣體壓力(噴射環管)再次被揚起，在其中希望能形成環流(形狀與磁場相似)。也可以使用一些噴射吹管。
c)農場的裝置通常適合采用1.具有小到約500m3反應器容積的快速(約100轉/分以及更大)漿葉攪拌器的小型裝置；2.具有幾米直徑、容積在3500m3以內的懸式、慢速運行(約13-20轉/分)的大攪拌器的大型裝置。
兩類情況的特征為高速漿葉或者葉輪邊緣速度約為1.5-3m/s，因此，多少會導致較大的死角和沉積。
d)很少使用具有位于底面附近以下的較大氣體輸送吹出口的垂直吹管，尤其是在約15m直徑的平底大反應器上。例如US-A-5,534,141提出了一種用于需氧分解過程的多級凈化過程，除了清除來自需氧分解過程的淤泥外，其還包括后期凈化過程。需要進一步指出的是，需氧槽也可以用于厭氧過程，需氧槽上為了物料的翻轉設有通風口。在此，厭氧槽是多級過程中的一個工序級，通過該級，厭氧過程中物料的停留時間與固體組分以及利用抽除淤漿回收的固體組分具有直接的關系。另外，在EP0 048 675中提出一種三級厭氧反應器，其包括一個發酵段、一個富集細菌的酸根中和區、以及一個實際的甲烷生成段。CO2氣體的單獨注入使甲烷的生成既發生在發酵段的反應器部分中也發生在生成甲烷的反應器中。
盡管該過程很久以來就已經為人類所熟悉，例如在中國，但直到今天才開始大量的應用，實際上-如上所述-千差萬別的技術方案和工藝方案都在應用中，或者更準確的說，在并未得到充分發展的條件下大量地實現著，或多或少地取得了較顯著的效果。仍有已相當熟知的內在聯系并未被充分地考慮，例如，細菌的機械敏感性，這導致較差的或者較小的經濟效益，或者帶來損失。首先是下述本發明涉及到的內在聯系經常未被考慮a)產生的氣體在產生后必須盡快從單個細菌的物料中排出或進行其它類似操作，因為，在氣體中還含有對于甲烷細菌有害的物質(如H2S)；這些細菌不應該在氣體中“窒息”(飽和)。
b)細菌的反應-作用過程總是經過許多步驟，這些步驟很少能被仔細地考慮，通常，細菌群及其協同作用可使這些步驟優化進行。劇烈的處理作用(機械，或者準確的說，液壓-機械)使這些反應難于進行，或者準確的說，阻礙這些反應，即為整個過程進行的預酸化反應。
c)特別是，生物氣體生成的過程需要的不是對于物料的頻繁翻轉和攪拌，而僅僅是必需的并且謹慎的混合。反應器中“運動”的目的是將酸和甲烷細菌結合一起，清除從混合中產生的氣體，阻止沉積，并達到均勻的溫度分布，并且整體上必須以更為均勻、謹慎的方式而進行(當人們經常把羊趕到草場時，它也會吃草不香)。
d)根據經典的解釋，甲烷化過程在兩個溫度范圍下進行最好，也就是約34℃(嗜中溫菌的范圍)和約53℃(嗜熱菌的范圍)。特別指出的是，第二個溫度范圍定在較窄的穩定范圍內，二到三攝氏度的小幅溫度波動都會使過程的經濟效益降低到約40％。由于細菌的增多-這基本上發生在沒有回收淤泥的過程中并且要考慮由于卸料帶來的經常的損失-也大大的依賴于溫度波動，在過程的整個區域中，溫度控制必須細致并要具有最高的精確度。這里，產品控制和反應器的動力學從確定的進料開始，只有在它們的優化組合下，才可以避免上述溫度分布的波動和不均勻的副作用。
e)生物氣體設備要求熱能形式的能量來維持反應器溫度，電能的形式的能量來用于尤其像攪拌器一樣的極為不同的發動設備；應盡可能降低這些能量。
當翻轉整個反應器時，因發生壁流而導致的熱量轉化增加，其所相應的熱量損失增加。另外，間接提供混合的傳統翻轉方式，由于“其遠程作用”在能量上最終明顯地超出所必需的能量，人們只關注于必要的混合，而這些“多出的部分”能夠被省去。
f)反應器的攪拌器是在反應器中運動的部件并且具有很高的潛在危險(連續操作！)。當出現缺陷，例如由于極為不同的振動(裝料程度等)而導致的波形裂紋時，反應器就要必須停產，攪拌器要更新、修理等，可見，總計下來，技術方案的花費較大。
g)生物氣體設備要經歷極為不同的運轉狀況，所以設備必須具有一定的適應性；現有的攪拌方式只有有限的可調節性。這一點是個很大的缺陷，因為不同的產品、反應器不同的裝料程度以及不同的運轉狀況-例如運轉、對流受熱及其它類似情況-需要對于攪拌更準確的說是混合能夠完全的可調；所以人們一直致力于過程的優化工作。
h)必須避免發生“團塊流動”，即整體上基本沒有或者僅僅有少量混合的“流動塊”；當中央攪拌器使立著的反應器中的物料作“回轉運動”時，這樣的情形及其它類似情形就會出現，像在反應器正常運轉或者如高粘度下就經常是這種情形。
i)過程的所有步驟最終都應同等地、充分并且清楚地擬定。一定要以確鑿并且具有代表性的測定值作為成功并且安全控制的基礎，一定要使過程的操作優化。
j)必須要避免出現從流往方向到流出起點的短路流動。這種情形尤其發生在人們進行常規的攪拌和少許混合以及由此形成的流徑(Strmungsfden)時。結果造成分解不充分和經濟效益的不足。
k)目前的反應器構造方式有部分為不必要的昂貴，例如，容器頂蓋和需要大動力-力矩的容器軸以及附加中央攪拌器必須具有的重量。
l)正在翻轉運行著的設備中總是重新出現浮層，它會擾亂敏感的整個過程，并且，例如也阻止或者阻礙氣體從容器中的排出。
m)應避免上升的吹入氣流的速度范圍(0.05-0.3m/s)內的流向為垂直向下的流動，因為上升的吹入氣流導致障壁效應，也就是說產生阻擋過程進行的影響。
n)甲烷細菌對溫度變化比較敏感，因此，在加熱裝置(如加熱管)下形成的約＞50℃的高溫時以及吹入的氣體都將會對其不利，或者導致其死亡-這種負面效果比較明顯。
發明內容
本發明所述的方法克服了通常翻轉反應器的缺點，并且與此對比形成一個動態的即變化著平面的反應器混合。因此，本發明的內容摒棄了通過翻轉過程的中間連接而間接實現物料-混合的過程，而是將反應器的每個空間點轉變和形成為在物料中可得到的微紊流，如此，局部的微區域中的物料也得到混合。這是通過在反應器上基本上整個的水平橫截面上微細的吹入氣體來實現的，也即在全部的反應器底部上。借此，注入的氣體實現了氣體吹注所特有的機械-物理上的混勻作用以及如果必要的積聚作用，這些作用由通過生物氣體的生成而產生。化學反應通過本發明所述的注入氣體在前面部分不會發生，但是也不應排除其發生，并且據觀察可以猜測其會產生一種積極的影響。
根據本發明的內容，例如在底部平坦的圓柱形反應器中，反應器被隔開成單個的底部面積-底面的1/8到1/4-并且以中等量或者微細量吹注氣體的方式在底部附近注入氣體，以便通過這樣形成的鼓風熱，一定程度上在每個空間點的微區域上產生反應器容積內的緩和但是集中且充分的混合。注入區可以交替變化，例如以循環周期的形式，以使整個反應器體積完全實現順序變化。使用的氣體要有利于反應器中產生的生物氣體，也可以使用CO2、氮氣或者任意的惰性氣體。
不同控制的單元的轉換不僅可以通過加料裝置的相對較慢的運動-例如圓形的-來實現，也可以通過基本上包括所有底部區域的吹入裝置的單元區域進行有規律的單元區域轉換來實現。這種新方法因為其具有所有必需的工藝效果而在工藝技術上具有廣泛影響，因為其1.注入的氣體完全向上地推動前面的注入氣體，將其驅出反應器容積，2.實施起來完全無損害并且不會干擾到生物過程，3.借助于更為安全可靠的混合，使全部容積中的養料和細菌結合在一起，4.涉及到反應器的每個部分，并且相比之下溫度比較明確，而且通過其可進行確鑿無誤的測量和調節，5.由于壁流較少而降低了熱損失，并由于連續緊接著進行單元處理所以只需要少量的能量，6.另一方面，各單元也處于優異的操作狀況下，可以說，通過“聚集”一定量的氣體來加強進氣沖擊從而使翻轉變得實際可行，7.如果需要的情況下，也可以形成翻轉和精細混合，8.在反應器中沒有任何運轉著的部件時也可以操作，9.可對于特定的表面加載，順序以及動態變化帶的特征進行完全的調控，10.不會形成團塊流動，即整體上為塊狀體積的流動，11.因為“混合場”影響到像生物菌等，避免了從進口到出口的短路流動；該方法將整個流動區域一定程度上以優化的方式轉變為柱塞流動的特征，12.通過其中等量或者微細量吹入的氣體混合場來對反應器進行僅少許的機械方式的加載-例如，完全沒有電動攪拌力矩和重力，
13.在裝料或粘度增加的情況下克服了苛刻的條件-這兩種情況在電動攪拌下經常容易引發振動和波紋斷裂，14.通過以氣體作為能量載體，在習慣上連結在一起的裝置條件下，使例如狀態點上使用的暫時存在于反應器中的全部供壓氣體量集中起來，該反應器中由于填滿了黑麥而變粘，15.破壞了浮層即全部揚起的固體結合物，或者使它們完全不出現。通過在相應單元中吹入大量氣體使上升氣體將浮層吹裂，這樣通過該單元針對性的運行可將浮層破壞，其中，該浮層存在于該相應單元中；16.通過本發明的技術方案，根據必需的物料來調節引入的氣體量，以使在裝料過程中也確保具有操作功能。
17.通過對引入的氣體量多級調節可以將其合理的分成不同反應器所需要的量。
18.在料流中冷卻或者以在加熱裝置的基座上這種間接的方式進行冷卻，以使得實際過程中的熱量傳遞有效進行，這樣，通過冷卻因壓縮導致部分過熱的氣體來降低使用的能量。
在一種使用本發明所述的混合裝置情形時，甲烷產率提高了超過35％。另外，使用本發明所述的裝置，可獲得在約25℃下超過約10個月仍穩定進行的效果顯著的過程，并且該過程具有可達0.6m3氣體/ΔkgOTS的較高產率以及約75％的高甲烷含量。
最終也可以將更多的反應器利用獨立的供氣流動連成一起。這樣就可以在一臺/多臺壓縮機的不變的吹氣效率情況下，實現通過一個反應器中的氣體量縮減引起在另一個反應器中供氣量的提高。
下面的情形用于解釋上述的方法，以基本上與反應器整個水平方向的橫截面相一致的方式將物料加入到在上部區域的反應器中，這樣做是為了物料形成流向為垂直向下的柱塞流動。因此，可以確保，每份物料的停留時間近似相同，時間的長度也最佳。
以下將參照附圖進一步解釋本發明。在附圖中，圖1是用于根據上述背景技術的傳統的生物氣體反應器(附圖左側)與在本發明所述方法中使用的生物氣體反應器(附圖右側)的對比圖；圖2是根據本發明所述方法中的帶有混合工具的生物氣體反應器的詳細的附圖。
具體實施例方式
在圖1中，采用透視法示出圓形生物氣體發生器10，其中，圖1左側為借助背景技術中公知的攪拌器20進行的一種傳統翻轉方法(圖中僅部分的示出)。在反應器的上部分區域中，根據左側附圖示出的箭頭通過攪拌器20來翻轉在物料加料口12處的添加的物料。在反應器中達到通常的停留時間后，被翻轉的生物物料從反應器底部18的物料出料口14排出。如通過團塊流動22在左半側附圖中所解釋的背景技術中，通過電動攪拌器翻轉形成所謂的流徑(Stromfaeden)(較長的垂直箭頭)，其中，鑒于沒有內部混合，在反應器中形成了完整的物料體積塊。流入的物料自然也有至少部分被快速的輸送到排料口14a，因此，僅有部分的發生分解。由于中部區域具有流向為向下的流動趨勢所以還會有氣體障壁現象32發生。
將在圖1的右半側上根據本發明所述的單元-混合方法與這種方法進行比較。另外，基本上在反應器底部18水平方向上整個的橫截面上平面方式的設置有用于氣體輸送的吹入裝置。吹入噴嘴或者吹入口的如此設計是為了通過反應器的每個空間點的氣體輸送實現經過向下流動氣流的局部微紊流。因此，引入的氣體起到了必需的吹入氣流混合和積聚的物理機械作用，而這是通過生物氣體的形成而產生的。化學反應不會因本發明中引入的氣體而發生，但如果可能的情況下，它甚至也會形成一定的積極影響。吹入裝置為了進氣的原因被分隔開成獨立單元，右圖的這些單元表示為SI到SIV的四個單元。通過可調閥門24為每個單元輸送氣體，從而使每個單元的氣體量可在0到最大量之間進行自由調節。
圖2更加詳細的表示出本發明方法。圓形生物氣體反應器10的反應器底部18被分成SI到SVIII總計為8個的單元。在每個單元中設有為了在反應器的每個空間點上形成局部微紊流所必需數目的吹入噴嘴。由反應器底部上分隔開來的吹入噴嘴所引入的氣體由于反應器中每個微空間單元中上升的吹入氣體而對物料產生混合作用。這種緩和的微混合作用阻止了團塊流動，或者說避免了在反應器中的體積塊沒有真正混合就被翻轉。因此，也阻止形成任何流徑，即體積塊的漂浮路線。
通過在反應器底部微量吹注吹入氣體快速排出氣體，如有害健康的H2S氣體，在此情形下，氣體集聚到上升的引入氣體流附近，并與其一起上升到物料上表面。
被引入氣體量可以通過單元進氣的變化或氣體量的直接調節裝置34被調節到適應于不同物料的性質以及復雜的運轉情況。當例如一種由固體組分形成的浮層在物料上表面發生聚集時，通過提高在這些單元上的進氣量，使位于其上部的浮層被破壞。
通過總量上降低的物料流動損耗，能量輸入得以減少。熱量損失因為壁流減少也得以降低。
如圖2進一步所示，對于在反應器頂部得到的生物氣體，可借助例如通風道在反應器底部18進行氣體輸送。進氣裝置28壓縮吸入的氣體，并將其吹到閥門24、被分隔的各個單元以及物料上。使用的壓縮能量大部分轉變成氣體的熱能，并且加熱反應器，即其起到雙重作用。這時可以將具有較大幅度升溫的氣體結合使用，可能的情形下，這種升溫是有害的，通過冷卻器30可以避免這種情形，其中，如有可能，在別的不敏感的環節-例如在預酸化過程-這樣獲得的熱能可以以有利的方式輸送給該過程。
各個單元的氣體流入以SIII、SV以及SVI單元為例加以區別的示出。在單元SIII中，氣體的輸送由連通到反應器底部18的中心位置處的帶有閥門24的管道來完成，通過其氣體輸送過程從反應器的中心位置往外被分散到反應器壁16上。在單元SV中，通過具有閥門的管道氣體輸送從圓柱形反應器壁16到這里；該管道分成三條吹入管道。SVI單元中，三條被示出的吹入管道每條都設有一個閥門24，其中，圓柱形反應器壁16的每條管道一直通道中心位置處。閥門24借助于閥門控制器26來控制，以使氣體輸送以單元方式進行和/或者在氣體量上具有可調節性。給出的例子典型的顯示出，該系統因其靈活性可適應于許多反應器形狀以及不同的過程。
根據一種有利的實施方式，反應器10上部的物料加入通過物料加料口12呈環狀的進行，這樣做使物料從圓柱形的反應器壁到其中心位置的加料可在水平橫截面上分布均勻。借此，物料可能出現流向為垂直向下的柱塞流動。
氣體進氣使分到八個區域中的氣體分散裝置處于變換的狀態，這樣就實現了圓形運動著的進氣操作，如圖2中長箭頭所示。根據本發明的方法，借助氣體的吹入可引起垂直方向上的物料的穿流，這可在每個微-體積單元中導致物料的混合作用。
為清楚起見，圖2中的SIV單元沒有完整示出，同樣，SI、SII、SVII以及SVIII單元沒有示出吹入管。
附圖標記列表10圓形生物氣體反應器12物料進料14物料出料14a 出料口16反應器的圓柱形器壁18反應器底部S 反應器底部單元20St.d.T電動攪拌器22團塊流動24閥門
26閥門控制器28氣體壓縮機30冷卻作用32氣體障壁效應34調節器(例如頻率調整器)
權利要求
1.在具有平坦底部的厭氧反應器中，通過在平坦的底部附近將氣體經基本上整個的水平橫截面吹入，對物料進行微體積混合的方法，其中，氣體吹入到基本上完全覆蓋整個底部的各單元中，這些單元對氣體進氣過程可進行動態變換控制，借此，在反應器的每個進氣的空間點上引起局部微紊流。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于單元進氣的控制通過確定各個單元的氣體量來進行。
3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于單元進氣的控制為隨時間變化的操作。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于同時控制變化通過一個/多個頻率調整的氣體壓縮機來進行。
5.根據上述任一權利要求所述的方法，其特征在于為了物料可能形成流向為垂直向下的柱塞流動，反應器的物料加料在上部并在反應器整個水平方向上的橫截面上基本均勻地進行。
6.根據上述任一權利要求所述的方法，其特征在于在物料粘度增加的情況下提高加入物料中的氣體量。
7.根據上述任一權利要求所述的方法，其特征在于多個反應器并聯，這樣，通過一個反應器使用另外一個反應器的氣體量，可提高這個反應器中的進氣量。
8.根據上述任一權利要求所述的方法，其特征在于調節加入到反應器中氣體的溫度來加熱反應器中的所含物。
9.根據上述任一權利要求所述的方法，其特征在于需要進行冷卻以調節所需量的氣體的溫度。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于排出冷卻過程中得到的氣體熱，并且將這些能量再次輸送到所需的位置。
11.根據上述任一權利要求所述的方法，其特征在于所有位于反應器外部的部件都是隔熱的。
全文摘要
本發明涉及一種通過底部附近以不變的或者變化的平面形狀吹入氣體，在具有平坦底部的反應器中對物料進行微體積混合的方法，其中，氣體的吹入基本上覆蓋整個底部的各單元，這些單元可對氣體全部或者部分的進氣過程進行動態變換控制，借此，在反應器的每個進氣的空間點上引起局部微紊流。
文檔編號C12M1/04GK101037267SQ20071000353
公開日2007年9月19日 申請日期2007年2月6日 優先權日2006年2月7日
發明者賴因哈特·馮·努登舍爾德 申請人:賴因哈特·馮·努登舍爾德