2.3.4消化工艺流程的最终确定
根据基本的厌氧发酵工艺和广州市餐厨垃圾的特性,本设计的工艺流程采用干式厌氧发酵制备沼气为核心的能源化技术方法。
干式厌氧发酵工艺可以适用于各种来源的固体有机废弃物原料,运行费用低、容积产气率高、发酵过程无需添加新鲜水,沼液产量小或无沼液产生,运行过程稳定,无湿法工艺中的浮渣、沉淀等问题[14]。
方案采用两级厌氧发酵系统:
一级为厌氧主发酵罐,二级为液相立式发酵罐。
经一级发酵后的物料由浆料泵输送至固液分离机,经固液分离后的固体堆肥,制成肥料出售。
液体进入集液槽,集液槽中的液体部分回流进入预处理快速预热混合器与新鲜原料接种,其余液体泵入二级立式发酵罐,使未完全发酵的物料在此进行再次发酵。
二次发酵罐出料进入沼液贮池,做液体有机肥。
该整个发酵过程无需添加稀释水,沼液产生量较小。
一级发酵罐和二级发酵罐产生的沼气暂存于二级发酵罐顶部的膜式贮气柜中,经由净化后的沼气用于发电。
其工艺流程图见图2.1
图2.1干式厌氧发酵制沼气工艺流程图
3厌氧沼气发电工艺设计计算
按照一般餐厨垃圾处理厂处理规模,取日处理量为500t来计算。
则根据餐厨垃圾的处理量为Q=500t/d,餐厨垃圾含水量为80%,可燃分含碳量<以质量分数计)取平均值43%。
初定厌氧发酵工艺参数为:
PH=6.5;温度:
一级消化为高温度55℃左右,二级消化中温度35℃左右;有机负荷5~10kgCOD/(m3·d>;一级消化停留时间20d左右,二级消化停留时间1~2d;碱度控制在2500~5000mgCaC03/时;碳氮比为25:
1~30:
1。
3.1原料收集及预处理
餐厨垃圾经单独的垃圾收集车收集后进行预处理,预处理包括分选、破碎、脱水、油脂分离和灭菌。
第一步通过人工分选拣去大的骨头、大块塑料、木棒或瓷片等物品,然后将其完全破碎<粉碎机)。
餐厨垃圾中纤维素含量较高,可降解性较小,破碎可使物料颗粒体积提高,加快消化速率、提高气体产量和减小消化体积。
再利用垃圾颗粒粒径的差异,用振动筛选的方式使餐厨垃圾均匀化。
第二步,采用机械脱水,沥除水分后再经高速离心机进行高效的深度脱水。
第三步,将脱水预处理后的餐厨固相垃圾进行水洗,并通过脱水装置脱除餐厨固相垃圾中游离的、以及粘附在餐厨固相垃圾内部油份及水份。
脱水预处理后的液相部分也进行油水分离,提取的液态油脂可用于生物柴油原料或工业用油脂原料,分离的水经处理后排放或循环再利用。
最后,将以取得的餐厨固相垃圾进行85~250℃的高温杀菌处理,杀菌时间1-20分钟,获得餐厨垃圾处理物[15]。
将经过预处理的餐厨垃圾处理物送入快速预热混合器,在此进行预热、搅拌和回流接种,接种后的物料经由螺杆泵泵入厌氧发酵反应器。
高粘稠物料的输送:
经过预处理混合后的物料,干物质含量在16%~20%,黏度大、流动性差、固形物含量高。
螺杆泵能够输送较高浓度的畜禽粪便,能够耐受长度3~5cm的长纤维。
设计选用了带绞龙喂料的单螺杆泵。
3.2厌氧反应过程设计计算
3.2.1处理规模
每天处理餐厨垃圾200t/d,有机物TS浓度为23%,则干发酵餐厨固相垃圾量TS=500×0.23=46t/d。
其中VS/TS=96%,则可挥发有机物VS=44.16t/d。
3.2.2厌氧消化产气量计算
一般来说,有机废物厌氧消化所产生的气体中甲烷含量约为50%~60%,1kg可降解有机物可产生0.63~1.0m3的沼气。
则餐厨垃圾的产气量估算值为V沼气=44160×0.85=37536m3<取0.85)。
具体计算可使用有机物组成法:
表3.1餐厨垃圾有机物的组成<%)
成分
水分
总糖
脂肪
蛋白质
盐分
其他
餐厨垃圾
77
3.16
5.23
10.26
1.29
3.1
表3.2总糖、蛋白质和脂肪的产气量<标况)
物质
总产气量/(L/g>
CH4产量/(L/g>
CO2产量/(L/g>
CH4产量/CO2产量
总糖
0.79~0.81
0.365~0.486
0.446~0.495
40~60
脂肪
1.06~1.48
0.684~1.068
0.562~0.314
28~72
蛋白质
0.70~0.73
0.49~0、533
0.21~0.197
27~73
根据餐厨垃圾有机物的基本组成表3.1以及其相应的产气量表[16]3.2,其厌氧发酵产气量可由下式计算:
G=aA+bB+cC<3-1)
式中,G——有机物的理论产气量<标况),m3/kg;
a,b,c——1kg有机物中组分各自的质量,kg;
A,B,C,——1kg有机物组分所产生的沼气体积<标况),m3/kg。
则,G=0.0316×0.8+0.0523×1.4+0.1026×0.7=0.1703m3/kg,即总产气量V沼气=200000G=34060m3。
3.2.3厌氧反应器的容积
①每日有机物进料量:
Q有=Q×TS×VS<3-2)
则Q有=200000×0.23×0.96=44160kg/d
②反应器的有机负荷率及有效容积:
可根据表3.3确定适宜的有机负荷率。
表3.3固体废物厌氧消化工艺适宜操作条件
工艺
操作条件
处理对象
中温/干式
HRT:
17~30d;OLR:
6~9kgVS/(m3·d>
机械分选后的餐厨垃圾
高温/干式
HRT:
12~20d;OLR:
9~15kgVS/(m3·d>
机械分选后的餐厨垃圾
则厌氧反应器的有效容积可按式<3-3)计算
=44160/12=3680m3<3-3)
其中,OLR取12kgVS/(m3·d>,得厌氧反应器的有效容积取3700m3,则其水力停留时间为18d。
3.2.4接种比列
合适的接种污泥比例[17]能够有效地改善混合发酵底物的营养成分,促进厌氧混合菌群的生长及代谢活性。
接种比例不低于50%时,TS和VS去除率明显高于接种比例低于25%时的发酵过程。
餐厨垃圾与接种污泥比例为1:
1时,TS和VS去除率达到最大值,分别为43.6%和52.8%。
3.2.5物料平衡计算
根据总物料质量守恒[14],可得下式:
M=E+B<3-4)
式中:
M为反应器每天的进料量;E为反应器每天的出料量;B为每天产生的沼气量。
假定沼气中甲烷含量为60%,则沼气密度为1.2kg/m3,则:
B=34060m3/d×1.2kg/m3=40872kg/d,
M=200000kg/d,则E=159128kg/d
餐厨垃圾TS浓度为23%,经过预处理和厌氧发酵,其中TS总去除率为43%,根据TS质量守恒,可得到:
TSE=
16.5%
式中:
TSM为进料中TS浓度;TSE为出料中TS浓度。
3.3一级厌氧发酵罐
一级厌氧发酵罐采用机械搅拌厌氧反应器。
搅拌桨采用六弯叶开启涡轮搅拌器,物料在反应器内呈塞流式运动,利于发酵产生的沼气排出,同时搅拌强化物料传质、传热。
处理物料的TS%为23%,无需添加新鲜水,所需反应器容积小,占地面积省,节省热量消耗。
设计卧式一级发酵罐为55℃高温厌氧发酵,每天进料500t/d,物料停留时间为18d。
厌氧发酵罐外壁上安装加热盘管,通过蓄热水箱循环加热和太阳能进行增温。
发酵罐罐体的尺寸总汇如表3.4所示。
表3.4发酵罐的尺寸
总体积V0/m3
罐内径D/mm
罐体总高H/mm
封头的体积
/m3
装液量/m3
罐压/MPa
罐体壁厚/mm
封头壁厚/mm
材料
158.7
4200
12180
15.1
147.2
0.3
8.0
11.0
不锈钢
在搅拌方面,由于液态垃圾有机质浆液的粘度高,对混合要求高,此外,液态垃圾属于厌氧发酵,无需溶解氧,不考虑气质传递的过程,故选择用六片直叶涡轮搅拌器。
主要计算的结果如表3.5所示。
表3.5搅拌器的尺寸与功率
搅拌器叶径d/mm
叶宽b/mm
搅拌转速n/搅拌叶桨底距C/mm
搅拌桨间距S/mm
搅拌层数m
总搅拌功率Pm/kW
电机功率Pw/kW
1300
260
120
1300
3900
3
180
133.3
3.3.1形状与材质选择
从反应器的设计方面考虑,圆形结构的反应器受力情况较好,具有结构较稳定的优点,同时,在同样的截面积下,圆形反应器的周长比正方形少12%。
所以,圆形池子的建造费用至少比具有相同截面积的矩形反应器低12%以上,本设计厌氧反应器形状[14]选择为圆形。
反应器材质的选择需要从多方面考虑。
抗腐蚀性是厌氧反应器首要考虑的问题。
一般宜采用钢筋混凝土构筑物或特种材料防腐处理;而从设备化角度考虑,大部分工程工程均可采用钢、塑料和玻璃钢等材质的结构,这样可将反应器转化为能生产的设备和产品。
本设计反应器主体罐体基材为碳钢,内涂特别防腐蚀涂层,要求达到耐腐蚀、便于维修,性能优良,保温层外表美观。
3.3.2主要几何尺寸
常用的机械通风发酵罐的结构以及几何尺寸已经规范化,是发酵的种类和产房条件等在一定范围内有所变动。
其主要几何尺寸如图3.1所示。
H——罐身高h——液位高B——挡板宽C——搅拌器叶轮与罐底间距
H0——罐桶高D——罐径d——搅拌器直径S——相邻搅拌叶轮间距
图3.1机械通风发酵罐的几何尺寸
常见的机械搅拌通风发酵罐的几何尺寸比例如下:
H/D=1.7~3.5d/D=1/2~1/3S/d=2~5
B/D=1/8~1/2C/d=0.8~1.0H0/D=2
通常,对一个发酵罐的大小用“公称体积”表示。
所谓“公称体积”,是指罐的筒身体积加上底封头体积之和。
其中底封头容积可根据封头形状、直径以及壁厚从有关化工设计手册中可以查到,椭圆封头体积可以用一下公式计算:
<3-5)
故发酵罐的全体积为:
<3-6)
表3.6列举了常用的机械搅拌通风发酵罐的系列体积以及主要尺寸。
表3.6常用的机械搅拌通风发酵罐尺寸
公称体积V
罐内径D/mm
圆筒高H/mm
搅拌轴转速n/搅拌轴功率N/kW
10m3
15m3
20m3
30m3
40m3
50m3
60m3
75m3
100m3
150m3
200m3
350m3
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3600
4200
4600
5600
3800
4800
5000
6600
7500
8000
8300
8800
9500
10800
11500
12600
160-200
160-200
160-200
150-200
120-200