[发明专利]气体注入方法及设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体注入方法及设备，其中气体通过使用位于通流管(draft tube)内且由马达驱动的螺旋叶轮(helical impeller)来注入到液体中。更具体而言，本发明涉及一种方法及设备，其中气体由位于通流管内的注入器(可为喷射器(sparger)或喷嘴)来在通流管上方或下方或旁边注入螺旋叶轮，以产生一致(uniform)小尺寸的气泡，来增强气体在液体中的溶解以及未溶解的气泡回到通流管的再循环。

背景技术

多种过程涉及气体在液体中溶解。例如，在需氧废水处理系统中，能够去除水中的有机废物的细菌需要氧。所需的氧量可使用机械地搅动的混合器系统来有效地溶解入过程流中。类似地，在诸多饮用水处理系统中，加入了化学制品(例如，凝聚剂和凝结剂)来促进液体中的污染固体的沉淀和去除。借助于机械地搅动的气体溶解系统，加入了二氧化碳来用于在一些凝聚和凝结过程中保持最佳pH状态。

尽管广泛地使用了表面混合和气体溶解系统，但水下的混合系统具有某些优点。一个优点在于此类水下混合系统可出于定向混合或更理想的气体溶解的目的而垂直地、水平地或成角地定向。深度对有效系统压力具有显著影响；并且气体的可溶性已知是显著地受压力影响的。因此，水下混合系统在十米的深度处的水中运行时可有效地使如果混合在表面处发生时可能的大约两倍的气体体积能够溶解。

US6,273,402中公开了一种水下混合设备。该设备适于浸没在可包含废水和淤泥的槽(tank)中。在此装置中，连接到马达上的螺旋叶轮在水下通流管内旋转。通流管和马达连接到压载室上，压载室可填充有压载物，以引起该设备沉没在液体内。压载室具有：头部空间，氧经由该头部空间注入；以及下表面，其提供了朝向至通流管的入口开口的微小倾斜。旋转的叶轮将液体吸入入口开口中，用于与进入的氧混合。所得的气体-液体混合物在膨胀的射流状流中从通流管的另一端排出。未溶解的任何氧气泡在液体内朝向表面上升。这些氧气泡的一部分将由压载室的下表面捕集，且被夹带(entrain)在被吸入入口开口的液体中。未溶解的气泡的另一部分将从液体的表面散逸。

在US6,273,402中描述的混合和气体溶解系统存在若干缺点。一个主要缺点在于叶轮自身提供了吸力来将气体吸入液体中。当被吸入的气体量增加时，将存在由叶轮提供的较少的吸力，且因此能够由此类装置吸收的液体的量将是有限的，直到在液体不再可由叶轮吸入时最后发生已知为溢流的状态。

此外，不存在对通过叶轮的作用来产生的气体气泡的气泡尺寸的控制。尽管存在将影响此类混合装置内的液体内的气体的溶解速率的诸多因素，但对于经历特定运行条件的给定装置，气泡的尺寸将确定对于气体-液体接触可用的界面表面面积，且因此确定能够溶解在液体中的气体的量。另一个主要的关注在于，在此专利中示出的装置仅可在垂直定向中运行，因为在未溶解于液体中而再循环回至通流管的气体的收集中，该设备取决于压载室的下侧，且依靠压载室的水平定向来在任何给定深度处维持稳定性。在一些水处理系统中，可为重要的是不将流从通流管直接地引导入处理池的底部。如果池是浅的且具有土制底部或聚合物衬里，则液体的射流可破坏底部表面或层。然而，即使在池由实心材料(例如，混凝土)制成的情况下，如果离开通流管的液体以高速冲撞底部，则在气泡从高速液体脱离之前，气泡将扩散足够的距离，这将阻止上升的气泡收集在压载室的下侧上。这在大气泡尺寸的情况下恶化，大气泡尺寸将获得足够的末端上升速度来从液体的表面散逸，且避免了与被吸入通流管中的液体一起被再夹带。

已存在并非必须在垂直定向中运行的装置。在此类装置中的一个中，气体经由环状歧管注入通流管的内部和叶轮的下方。此类型的装置具有各自为一英寸的1/8的一系列开口。这产生了大的气泡，其将获得足够高的末端上升速度，以致注入气体的非不显著的部分将从液体的表面散逸。此外，使用的叶轮并非螺旋叶轮，而是叶片叶轮。存在可在此类设备中溶解的气体的量上的限制，因为如可领会的那样，当气体量增加时，将不存在由叶轮吸入并加速的足够的液体。

如将论述的那样，本发明提供了一种方法及设备，其中气体以受控的气泡尺寸来直接地注入到通流管中，这将不仅提高气体可溶解于液体中的程度，且还将提高未溶解的气体将被夹带在由叶轮吸入通流管中的气体流中的程度。

发明内容