沼气超声处理的制作方法

沼气超声处理
1.相关申请
2.本技术根据35u.s.c.
§
119要求于2019年9月20日提交的美国临时专利申请号62/903,590的优先权，其全部内容通过引用明确地并入本文。
技术领域
3.本主题涉及超声处理，例如，具有改善的耐腐蚀性和改善的空化效应的用于沼气生产的超声处理系统。。


背景技术：

4.沼气是通过厌氧或需氧细菌分解有机物质的副产物，并且主要包括甲烷(ch4)、二氧化碳(co2)和硫化氢(hs)。沼气被认为是可再生燃料，其可用作化石燃料的替代物。沼气由有机废物源(例如城市废物、污水污泥、粪肥、来自糖厂的副产物流等)来产生，其在发酵罐或消化器中的废物流处理期间产生。为了增强生物质的崩解并增加发酵罐中的微生物活性，使用超声处理(例如，超声波处理或超声波作用)。由超声处理的生物质的分解通过使用由超声空化引起的压力波动的超声波来破碎生物质。超声空化的使用还降低了生物质悬浮液的粘度，并且是比用于沼气设备的搅拌或泵送过程更节能的方法。


技术实现要素：

5.本公开的一方面提供了一种用于超声处理的系统。该系统可以包括具有近端和远端的管道，以及设置在管道内靠近管道的近端的振动头。流体可以从近端进入管道并朝向远端流动。
6.可以以任何可行的组合包括以下特征中的一个或多个。例如，管道可以包括在振动头下游的收缩部。该系统可以包括超声波发生器，以超声地振荡振动头。超声波发生器可以使振动头以约20khz至约70khz(包括端值)之间的频率和约10μm至约150μm(包括端值)之间的振幅振荡。流体可以从近端进入管道，绕过振动头，并加速通过收缩部。管道可以包括在其下游邻近收缩部设置的扩张部。流体可以包括城市废物、污水污泥、粪肥、原油或来自糖厂的废洗液中的至少一种。
7.在另一方面，超声处理的方法可以包括通过管道从近端朝向远端供应流体，以及用振动头振荡流体。振动头可以被设置在管道内靠近管道的近端。
8.可以以任何可行的组合包括以下特征中的一个或多个。例如，该方法可以包括通过在管道中提供收缩部来使流体的压力降低。由于振动头的振荡可能产生多个空化气泡，并且随着流体压力的降低，多个空化气泡的数量可能增加。流体可以在管道的收缩部被壅塞。压力可以降低到低于管道的收缩部处的流体的饱和压力。该方法可以包括通过提供在收缩部的下游邻近收缩部设置的扩张部来使流体的压力增加。振动头可以通过超声波发生器超声振荡。超声波发生器可以使振动头以约20khz至约70khz(包括端值)之间的频率和约10μm至约150μm(包括端值)之间的振幅振荡。流体可以包括城市废物、污水污泥、粪肥、原油
或来自糖厂的废洗液中的至少一种。
9.在附图和下面的描述中阐述了本文描述的主题的一个或多个变型的细节。本文描述的主题的其他特征和优点将从说明书和附图以及权利要求书中显而易见。
附图说明
10.每个附图的简要描述被提供以更充分地理解在本公开的详细描述中使用的附图。
11.图1是根据相关技术的超声处理系统的示意图；
12.图2是根据本公开的示例性实施例的超声处理系统的示意图；
13.图3示意性地示出了根据本公开的示例性实施例的超声处理系统中的管道的收缩部内的空化的形成；
14.图4示意性地描述了在根据本公开的示例性实施例的超声处理系统中的管道的收缩部内发生的受控流动空化；
15.图5示意性地示出了通过根据本公开的示例性实施例的超声处理系统中的收缩-扩张管道的边界层形成和发展；
16.图6a-6e示出了用于将根据本公开的超声处理系统与生物反应器集成的各种配置；
17.图7示出了超声处理系统的示例性实施方式的轮廓压力；
18.图8示出了超声处理系统的示例性实施方式的以米每秒(m/s)为单位的多分段(multislice)速度大小；
19.图9示出了超声处理系统的示例性实施方式的以米每秒(m/s)为单位的体积速度大小；
20.图10示出了超声处理系统的示例性实施方式的箭头体积速度场；
21.图11示出了超声处理系统的示例性实施方式的以米每秒(m/s)为单位的轮廓速度大小；
22.图12示出了超声处理系统的示例性实施方式的透视图；以及
23.图13示出了超声处理系统的另一示例性实施方式的一部分的侧视图。
24.应当理解，上述附图不一定按比例绘制，其呈现了说明本公开的基本原理的各种特征的略微简化的表示。本公开的具体设计特征，包括例如具体的尺寸、取向、位置和形状，将部分地由特定的预期应用和使用环境确定。
具体实施方式
25.本主题提供了一种超声处理系统，例如用于沼气生产的超声处理系统，该超声处理系统可以增强空化的产生并且可以提供改善的耐腐蚀性。由于增强的空化，根据本公开的超声处理系统的一些实施方式可以处理流体、污泥或生物材料含量高的任何材料，或化学需氧量(cod)或生物需氧量(bod)含量高的任何物质。此外，超声处理系统的一些实施方式可以处理具有较高粘度的流体或污泥，例如可能难以用常规超声技术处理的脂肪、油和油脂。增强的空化可以增加沼气产生速率，并且还可以改善废洗液的质量。此外，根据本公开的超声处理系统的一些实施方式可以提供改善的耐腐蚀性，诸如“点蚀”，所述点蚀是导致在金属表面中产生小空隙的局部腐蚀的形式。当前主题可以实现液体的脱气。
26.根据本公开的超声处理系统可以应用于发酵罐或消化器中以更有效地生产沼气。沼气是通过厌氧或需氧细菌分解有机物质的副产物，并且其主要包含甲烷(ch4)、二氧化碳(co2)和硫化氢(hs)。沼气厂从有机废物源(例如城市废物、污水污泥、粪肥、来自糖厂的副产物流等)产生沼气。例如，可以对糖厂的副产物进行发酵来产生沼气。在微生物消化之前或期间有机材料的超声处理可以改善沼气产生，并且可以减少待处理的残留污泥的量。由于生物质污泥中的聚集体和细胞结构可能由于超声处理而被破坏，因此污泥可以更有效地脱水。此外，聚集体和细胞壁的破坏可以允许细菌更容易地接近细胞内材料进行分解。
27.超声处理技术可以以高强度超声处理液体，并且在液体介质内传播的声波可以导致交替的高压(压缩)和低压(稀疏)循环。在低压循环期间，超声波可以在液体内产生小的真空气泡。当气泡生长并达到临界体积时，它们可能在高压循环期间塌陷或破裂。这种现象被称为空化。在内爆期间，可以达到约5000k的局部温度和约2000atm的局部压力。在一些实施方式中，在该过程期间可以发生水裂解(例如，产生氧气和氢气)。水分解可以改变流体的ph。
28.然而，在相关技术的超声处理系统中，由于局部高压和/或高温以及空化的腐蚀性质，超声处理系统的振动头(例如，活塞)和内表面可能被腐蚀。如图1所示，在相关技术的超声处理系统30中，流体流35朝向振动头40被引入，因此在振动头40的前面(例如，上游)形成空化场45。由于这种流动构造，空化气泡直接攻击振动头40，从而腐蚀问题变得更加严重。此外，在相关技术的超声处理系统30中，流体的边界层经常受到超声处理的干扰，并且系统30的内壁暴露于空化气泡。因此，常规的超声处理系统30的内壁更容易受到腐蚀。
29.本公开的一方面提供了可以改善耐腐蚀性和沼气生产效率的超声处理系统和超声处理方法。在根据本公开的超声处理系统中，流体流可以从靠近振动头的一侧引入，并且流体可以远离振动头流动。因为这种流动构造，由于在振动头的下游处形成空化场，因此可以防止空化气泡直接攻击系统的振动头，并且可以减轻腐蚀问题。此外，与相关技术的超声处理系统中的逆流动构造相比，可以更稳定地保持流体的边界层，并且可以更好地保护系统的内壁免受腐蚀。
30.本公开的一方面提供了一种用于沼气生产的超声处理系统。图2示意性地示出了根据本公开的示例性实施例的超声处理系统205。参考图2，超声处理系统205可以包括管道100，管道100包括近端和远端。超声处理系统还可以包括设置在管道100内的振动头200。振动头200可以设置在管道100的近端附近，因此，流体可以从管道100的近端进入管道100，并且可以远离振动头200朝向管道100的远端流动。流体流被示出为从入口103流到出口104。
31.在一些实施例中，振动头200可以使用超声波发生器300振荡。超声波发生器300是可以产生超声波振动并将振动能量施加到工作流体的装置。可以使用压电换能器通过施加以超声频率振荡的交流电来振荡超声波发生器300。所施加的交流电可以使压电换能器连续地膨胀和收缩，以产生所连接的振动头200的超声振动。例如，超声波发生器300可以产生约20khz至约70khz的超声频率，以及约10μm至约150μm的振动振幅。超声波发生器300还可以包括排气管301以衰减噪声。
32.在根据本发明的示例性实施例的超声处理系统中，由于流体远离振动头200移动的流动构造，可以在振动头200的下游形成空化场，因此，可以更好地保护振动头200免受由于空化引起的腐蚀。
33.可附加地或可替换地，超声处理系统的管道100可以包括在振动头200的下游处的收缩部101。例如，流体可以从近端进入管道100，绕过振动头200，并加速通过收缩部101。工作流体可以在管道100的收缩部101中加速，因此，流体的压力可以由于文丘里效应(venturieffect)而降低。文丘里效应可以是指流体动力学效应，其中当流体通过管道的收缩部时，由于收缩部处的较小横截面积，流体的速度增加并且流体的静压减小。在根据本公开的示例性实施例的超声处理系统中，收缩部101处的减小的压力可以增强空化。在一些实施例中，收缩部101之后可以是扩张部102以恢复压力。这种结构可以改变超声的近场和远场效应。在一些实施方式中，收缩部101可以实现气泡的分散。在一些实施方式中，收缩部的长度可以变化，这可以解释不同的(例如，更低或更高的)流速。较长的收缩部可以解释较高的流速。
34.图3在305处示意性地示出了管道的收缩部处的空化形成。收缩部的横截面面积可以被设计成壅塞(choke)流体流动以增强空化。图4在400处描述了由于壅塞流引起的空化增强的物理机制。当流体进入管道的收缩部时，压力开始下降。当压力下降到流体在瞬时温度下的饱和蒸气压以下时，流体可能经历相变并被蒸发。随后，在管道的扩张部中，压力随着流体速度的降低而增加。因此，低于和高于饱和蒸气压的压力波动导致形成空化气泡和/或增加存在的空化气泡的数量，从而增强振动头的空化效果。使用收缩-扩张管道的空化过程可以被称为“受控流动空化”。
35.在根据本公开的示例性实施例的超声处理系统中，由于受控流动空化而增强的空化可以增加沼气反应器的发酵罐内的微生物活性，增加沼气生产效率，并改善废洗液的质量。例如，使用根据本公开的超声处理系统，沼气产量可以增加30％或更多，并且污泥的化学需氧量(cod)可以降低到低于百万分之(ppm)20000(或称20000份每百万份(ppm))。
36.图5在500处示意性地示出了在收缩-扩张管道内的边界层505的形成和发展。还示出了再循环区510。与相关技术的超声处理系统不同，在相关技术的超声处理系统中，流体流的边界层不断地受到到来的声波的干扰和破坏，而根据本公开的超声处理系统可以形成和发展边界层505。如图5所示，由于边界层505可以更稳定地保持在超声处理系统的管道内，因此减少或防止了穿过边界层505的动量交换，并且可以防止空化气泡到达管道的内壁。因此，本公开的超声处理系统可以提供改善的耐腐蚀性。
37.本公开的另一方面提供了一种使用超声处理系统在生物质污泥中产生空化的方法。该方法可以包括通过管道供应流体，以允许流体从管道的近端朝向管道的远端流动。振动头可以被设置在管道内靠近管道的近端，并且流体可以被用振动头超声振荡。由于流体远离振动头移动的流动构造，可以在振动头的下游处形成空化场，因此，可以更好地保护振动头免受由于空化引起的腐蚀。振动头可以通过超声波发生器被超声振荡。例如，超声波发生器可以使振动头以约20khz至约70khz的频率和约10μm至约150μm的振幅振荡。
38.可替换地或可附加地，为了增强空化，可以降低管道内的流体压力。例如，可以通过在管道内提供收缩部来降低流体的压力。当收缩部设置在管道内并降低流体的压力时，由于振动头的超声波振荡可能产生多个空化气泡，并且随着流体压力的降低，多个空化气泡的数量可能增加。在一些实施方式中，管道的收缩部可以被设计成壅塞流体流动。在一些实施例中，可以通过在收缩部的下游处提供邻近收缩部设置的扩张部来在收缩部之后增加流体的压力。
39.在一些实施例中，可以在管道的收缩部处将压力降低到流体的饱和压力以下。随后，可以在管道的扩张部处再次增加压力，从而高于流体的饱和压力。
40.如图6a-6c所示，根据本公开的超声处理系统可以以各种配置与用于沼气生产的生物反应器集成。参考图6a，超声处理系统10可以被配置成从生物反应器20(例如，发酵罐)获取输入流，超声地处理超声处理系统10内的流体，并将经处理的流返回到生物反应器20，从而形成闭环配置。可替换地，参考图6b，超声处理系统10可以被配置成在进入生物反应器20之前超声地处理流体。闭环配置和预处理配置可以用于污泥处理。可替换地或可附加地，超声处理系统可以用于处理从生物反应器排出的废水。在这种情况下，超声处理系统10可以在生物反应器20的下游连接到生物反应器20，如图6c所示。然而，超声处理系统与生物反应器的集成不限于这些配置，并且配置可以基于系统要求、系统负载和工作流体的类型而变化。此外，如图6d和图6e所示，可以串联和/或并联连接多于一个的超声处理系统。
41.图7示出了超声处理系统的示例性实施方式的轮廓压力700。图8示出了超声处理系统的示例性实施方式的以米每秒(m/s)为单位的多分段(multislice)速度大小800。图9示出了超声处理系统的示例性实施方式的以米每秒(m/s)为单位的体积速度大小900。图10示出了超声处理系统的示例性实施方式的箭头体积速度场1000。图11示出了超声处理系统的示例性实施方式的以米每秒(m/s)为单位的轮廓速度大小1100。图12示出了超声处理系统的示例性实施方式的透视图1200，并且图13示出了超声处理系统的另一示例性实施方式的一部分的侧视图1300。
42.本文描述的主题可以提供许多技术优点。例如，根据本公开的超声处理系统可以处理具有较高粘度的流体或污泥，例如脂肪、油和油脂，其可能难以用常规超声技术处理。由于使用受控流动空化的增强空化，根据本公开的超声处理系统可以增加生物反应器中的微生物活性并增加沼气的产量。此外，由于流体流从超声波发生器侧进入管道并从管道流出的流动配置，根据本公开的超声波处理系统可以提供改善的耐腐蚀性。
43.在一些实施方式中，系统可以是自清洁的(例如，不需要如相关技术中的清洁端口)。此外，在一些实施方式中，文丘里效应可以通过反应器(例如管)的圆形横截面相对于矩形横截面来实现。在当前主题的一些实施方式中，仅使用单个超声波发生器，这可以是有利的，因为单个超声波发生器不需要与系统中的其他超声波发生器同步，单个超声波发生器可以实现与多个超声波发生器类似的效果(例如，需要更少的超声波发生器，使得系统更便宜和更有效)。在本主题的一些实施方式中，可以避免和/或减少导致金属进入流体的超声波发生器的磨损(例如，点蚀)，从而减少进入流体的金属的量。在一些实施方式中，仅具有单个超声波发生器可以保持流体温度较低，因为超声波发生器可以将热量引入流体中，并且通过具有更少的超声波发生器，更少的热量被引入流体中。
44.当前主题不限于用过已废的洗涤液的处理，而且可以应用于将材料与液体分离的其他应用中。例如，当前主题可以应用于油加工以从原油中除去硫。例如，因为空化产生高温和高压，所以化学键可以被破坏以分离某些材料，例如重金属。在一些实施方式中，当前主题可以应用于任何胶体混合物。在一些实施方式中，超声处理装置可用于处理船舶的压载舱以清空压载舱。例如，船舶可以包括填充有水(淡水或盐水)的压载舱，该压载舱可以随着时间的推移而被污染。根据当前主题的超声处理装置可以应用于在排空压载舱之前或期间处理该水。作为另一个示例，当前主题可以用作超声化学处理器，其可以用于混合难以混
合的流体。
45.在一些实施方式中，传感器可以被包括在设备内的不同位置处。例如，图13中所示的端口105可以容纳传感器，例如温度传感器、压力传感器和/或超声波传感器(例如，超声接收器)。来自这些传感器的测量可以用于确定粘度、密度、cod含量等。确定cod是可能的，因为cod含量影响超声波传播的速度(其可以经由超声接收器测量)，因此可以确定传播速度并将其与cod含量相关联。
46.在一些实施方式中，可以控制流体的粘度或密度以确保超声处理装置使用的适当粘度。例如，传感器测量结果可以由数据处理器处理，并且形成反馈回路的一部分以例如经由浸渍泵控制流速。可以基于粘度来控制流速，例如，粘度的增加可以导致控制浸渍泵以增加浸渍，从而降低粘度。其他反馈参数也是可能的。例如，可以通过改变超声波发生器和振动头的频率来控制温度。
47.在以上描述和权利要求书中，可以出现诸如
“……
中的至少一个”或
“……
中的一个或多个”的短语，随后是元件或特征的联合列表。术语“和/或”也可以出现在两个或更多个元件或特征的列表中。除非另外隐含地或明确地与其使用的上下文相矛盾，否则这样的短语旨在表示单独列出的元件或特征中的任一个，或者所述元件或特征中的任一个与其他所述元件或特征中的任一个的组合。例如，短语“a和b中的至少一个”、“a和b中的一个或多个”以及“a和/或b”各自旨在表示“单独的a、单独的b或a和b一起”。类似的解释也旨在用于包括三个或更多个项目的列表。例如，短语“a、b和c中的至少一个”、“a、b和c中的一个或多个”和“a、b和/或c”各自旨在表示“单独的a、单独的b、单独的c、a和b一起、a和c一起、b和c一起或a和b和c一起”。
48.取决于期望的配置，本文描述的主题可以体现在系统、装置、方法和/或物品中。在前面的描述中阐述的实施方式不表示与本文描述的主题一致的所有实施方式。相反，它们仅仅是与所描述的主题相关的方面一致的一些示例。尽管上面已经详细描述了一些变型，但是其他修改或添加也是可能的。特别地，除了本文阐述的那些之外，还可以提供另外的特征和/或变型。例如，上述实施方式可以涉及所公开的特征的各种组合和子组合和/或上面公开的若干其他特征的组合和子组合。另外，附图中描绘和/或本文描述的逻辑流程不一定需要所示的特定顺序或相继顺序来实现期望的结果。其他实施方式可以在所附权利要求的范围内。