一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置及方法与流程

本发明涉及发酵搅拌，具体涉及一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置及方法。

背景技术：

1、干式厌氧发酵技术是一种广泛应用于农业废弃作物，牲畜粪便以及餐饮垃圾等可利用的废弃物，使之转换为人类生活所需的清洁能源技术，也是目前碳减排背景下受到广泛关注的技术。

2、干式厌氧发酵过程中的发酵底物，具体包括农作物秸秆、畜禽粪便、餐厨垃圾、市政污泥等有机废弃物中的一种或多种。该类物料的典型特征为含固率较高，通常在20%～30%，原始物料初始动力粘度可达1000～4000mpa·s，属于高粘度非牛顿流体。

3、在干式厌氧发酵过程中，物料从进料端向出料端推进的同时，微生物持续分解有机底物，导致物料的流变学特性发生规律性变化。具体表现为：进料端的物料固含率高、颗粒度大、内摩擦力强，呈膏体状；随着水解酸化反应的深入，大分子有机物逐步转化为小分子可溶物，物料逐渐液化，出料端的物料呈低粘度泥浆状。这一过程使得物料的动力粘度沿发酵罐轴向呈单调下降趋势。具体而言，实测表观粘度约为10～30pa·s。随着发酵进行，微生物将纤维素、半纤维素等大分子有机物逐步分解为小分子可溶物，物料逐渐液化，含固率下降，粘度同步降低。至出料端时，ts浓度降至8%~13%，表观粘度降至数百至数千mpa·s，粘度降幅达一个数量级以上。

4、根据上述分析和实际工程情况，随着搅拌进程的增加（即时序变化下），粘度梯度对搅拌装置提出了矛盾性的要求（在空间上呈现含固率即粘度差异变化）：进料端高粘度物料需要低剪切、大轴流的搅拌方式以降低能耗和磨损，并实现轴向推进；出料端低粘度物料则需要高剪切、强湍流的搅拌方式以实现充分混合。

5、然而，目前常见的的干式厌氧发酵搅拌技术是采用单一的弧形或者矩形叶片形式。单一的弧形桨形式有助于进料端的高粘滞系数底物搅拌，但后段低粘滞系数的底物搅拌常常不均，并且单一矩形桨在进料端的搅拌能耗高，且磨损严重，现有单一桨型搅拌设备无法同时满足上述两段的不同需求。

技术实现思路

1、本发明意在提供一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置及方法，通过搅拌轴空间上布置不同桨叶，以应对搅拌中物料粘度时序变化，实现混合搅匀且节能。

2、本发明提供的基础方案为：一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置，包括搅拌轴；搅拌轴沿轴向从进料端至出料端至少划分为高粘特性搅拌区和低粘特性搅拌区；在高粘特性搅拌区安装若干弧形搅拌桨，在低粘特性搅拌区安装若干矩形搅拌桨；

3、靠近进料端的前预设个弧形搅拌桨呈中心对称模式成对安装，相邻对沿搅拌轴周向按顺时针方向旋转第一预设角度交错排布，且相邻对沿搅拌轴轴向具有第一预设间距；

4、其他弧形搅拌桨和所有矩形搅拌桨以最后一对呈中心对称模式安装的任一弧形搅拌桨为基准，逐个沿搅拌轴周向按顺时针方向旋转第二预设角度交错排布，且相邻桨沿搅拌轴轴向具有第二预设间距。

5、本发明还提供一种多桨型干式厌氧发酵搅拌方法，使用上述一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置；方法包括：

6、由外部驱动装置驱动搅拌轴并带动弧形搅拌桨和矩形搅拌桨旋转；

7、物料在搅拌轴、弧形搅拌桨和矩形搅拌轴的作用下，从进料端向出料端推进，首先由高粘特性搅拌区的弧形搅拌桨对当前具有高粘特性的物料以低剪切、大轴流的搅拌方式搅拌，推动物料流向出料端的同时物料的高粘特性逐步变化为低粘特性，逐步切换由低粘特性搅拌区的矩形搅拌桨对当前具有低粘特性的物料以高剪切、强湍流的搅拌方式搅拌，直至物料从出料端送出。

8、本发明的工作原理及优点在于：

9、本发明针对厌氧发酵底物在不同水解阶段呈现的浓度、动力粘度等粘度特性差异导致的空间质异性与轴向非均质粘度带来的相关问题，提出一种基于粘度特性分区的双型搅拌桨联合搅拌方案，在搅拌轴前段的高粘特性区安装弧形搅拌桨，在后段的低粘特性区安装矩形搅拌桨，二者采用串联空间布局，协同完成联合搅拌作业，以应对搅拌过程中由于发酵阶段时序变化呈现的空间上的粘度变化，解决搅拌过程中不同时段粘性程度不同的搅拌均匀问题的同时，实现节能与提高搅拌混合效果共同提升。核心优势在于：

10、在高粘特性区，发酵底物通常具有较高的浓度和动力粘度，且进料端颗粒物粒径较大、硬度较高，对搅拌设备的运行负荷和磨损性能构成挑战。针对这一工况，本发明采用弧形搅拌桨作为前端搅拌元件。该弧形搅拌桨主要产生轴向推进流，能够将高粘物料持续、平稳地推向出料端，与此同时，弧形桨叶的特殊弧度设计使其在运行过程中具有低剪切特性，这不仅有效降低了设备在高粘介质中的运行功率，减少了能耗，同时也因桨叶与物料之间的冲击作用减弱，显著减轻了由大粒径硬质颗粒物引起的桨叶磨损，延长了设备使用寿命。

11、在低粘特性区，随着水解反应的推进，底物流变特性发生转变，粘度降低，流动性增强。针对这一区域，本发明在后段安装矩形搅拌桨，并为其增加减阻器结构。矩形搅拌桨在低粘介质中能产生较高的局部剪切应力，其矩形平面在旋转时对物料形成强制切割与径向推挤，宏观上罐内流体以层流运动为主，同时桨叶边缘的局部绕流与减阻器诱导的竖向循环流相叠加，有效扩大了低速区的物料交换频率，从而弥补了单一层流推进在低粘段混合扩散慢的天然缺陷，实现对物料的充分剪切与混合，相较于弧形搅拌桨在此区域的混合效果更为高效，确保后续发酵反应的底物均质化要求得到满足。同时该矩形搅拌桨所附设的减阻器，能够利用其上下游存在的压力差驱动产生竖向循环流，进一步丰富罐内流体的运动方向，从而强化局部混合强度。

12、更为重要的是，本发明并非简单地将两种桨型进行物理叠加，而是实现了两种流动形态在发酵罐内的有机耦合。弧形搅拌桨所产生的轴向推进流与矩形搅拌桨及其减阻器所产生的竖向循环流，在罐内空间上相互叠加、相互补充，共同构建出覆盖全罐范围的三维立体流场。该三维流场有效打破了传统单一桨型搅拌系统仅产生环向流或单纯轴向流的局限，从根本上消除了罐内可能出现的搅拌死区，实现了发酵底物在全罐空间内的均匀分布与充分交换，显著提升了整体混合均匀度。

13、此外，前段弧形搅拌桨与后段矩形搅拌桨之间并非孤立运行，而是形成了一种空间上串联、功能上互补的协同关系。一方面，弧形搅拌桨在高粘特性区提供的低剪切推进作用，为后段矩形搅拌桨输送了流态稳定、分布均匀的进料条件，有利于矩形搅拌桨在低粘区发挥其强混合优势；另一方面，矩形搅拌桨在低粘区的充分混合又促进了后续发酵反应的深度进行，确保了水解、酸化、产氢产乙酸、产甲烷各阶段的底物供给与传质需求。前后两段在功能上互为保障、增益互补，共同实现了高粘特性区节能推进、低粘特性区高效混合的整体技术效果。

14、综上，本发明通过弧形搅拌桨的特殊弧度设计，以及矩形搅拌桨减阻器的结构优化，在有效提升了全罐混合均匀程度，还显著降低搅拌系统整体能耗的同时，实现了高效搅拌与节能的协同优化。本发明尤其适用于高固含率、高粘滞系数的厌氧发酵体系，对于提升沼气产率、降低运行成本具有重要的工程应用价值。

1.一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置，其特征在于，包括搅拌轴；搅拌轴沿轴向从进料端至出料端至少划分为高粘特性搅拌区和低粘特性搅拌区；在高粘特性搅拌区安装若干弧形搅拌桨，在低粘特性搅拌区安装若干矩形搅拌桨；

2.根据权利要求1所述的一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置，其特征在于，前4个弧形搅拌桨两两一对按180°中心对称方式成对安装；从第5个弧形搅拌桨开始至最后一个矩形搅拌桨以第4个弧形搅拌桨或第3个弧形搅拌桨为基准排布；

3.根据权利要求1所述的一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置，其特征在于，弧形搅拌桨包括具有弧形板状结构的弧形桨叶；弧形桨叶的前端设有用于与搅拌轴连接的弧形搅拌桨连接座；弧形桨叶的迎流面沿桨叶表面径向延伸设有桨叶加强筋和补强板，其中桨叶加强筋位于弧形桨叶和补强板之间。

4.根据权利要求3所述的一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置，其特征在于，桨叶加强筋从靠近弧形搅拌桨连接座的延伸起点到叶片末端方向的延伸终点，其厚度逐渐减小。

5.根据权利要求3所述的一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置，其特征在于，安装后，补强板与沿轴直径切面角度大于0°，且补强板末端高度和弧形桨叶末端的高度相差不超过预设差值。

6.根据权利要求3所述的一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置，其特征在于，弧形搅拌桨连接座的底面结构与弧形桨叶前端结构适配，弧形搅拌桨连接座的顶面后端具有凸起结构；桨叶加强筋以弧形搅拌桨连接座后端面为延伸起点；补强板的延伸起点位于弧形搅拌桨连接座后端面之前且不超过凸起结构。

7.根据权利要求1所述的一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置，其特征在于，矩形搅拌桨包括具有矩形板状结构的矩形桨叶；矩形桨叶用于与搅拌轴连接的一端设有矩形搅拌桨连接座，另一端设有减阻器。

8.根据权利要求7所述的一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置，其特征在于，减阻器的迎流面为呈锐角折弯的圆弧曲面；减阻器迎流面延伸形成的背流面呈两个具有平面板状结构且平行的尾翼；减阻器上设有封板组，以使减阻器安装在矩形桨叶时保证其整体结构内部密闭性。

9.根据权利要求7所述的一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置，其特征在于，矩形搅拌桨连接座包括两个板状结构的桨叶连接座，对称设于矩形桨叶用于与搅拌轴连接的一端两侧；桨叶连接座一端的结构与矩形桨叶的矩形结构适配，用于与矩形桨叶连接，另一端的结构与搅拌轴结构适配，用于与搅拌轴连接。

10.一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置的使用方法，其特征在于，使用权利要求1-9任一所述的一种多桨型干式厌氧发酵搅拌装置，方法包括：