沼氣是當今世界最具希望的可再生能源方式,兼具強大的環保和能源效益3),尤其善于處理數量巨大的有機廢水。攪拌可以提升沼氣厭氧發酵的效率,顯著提升產氣率和污染物去除率,現代沼氣工程普遍都要添加攪拌工藝來提高發酵效率。然而從當前的工程實踐來看,大量工程采用了粗劣的攪拌工藝,對發酵效率的提升收效甚微,甚至消耗更多的能源8。造成這種現象的根源在于

沼氣厭氧紅泥膜沼氣池發酵罐必須嚴格厭氧封閉,人們無法對其內部流場進行準確的分析測試,于是設計人員在不掌握流場形態的情況下,隨意添加了一些攪拌措施,但實際流場形態很差,并不適用于其罐體形狀和原料特性9。

但現在計算機數值模擬方法可以在很大程度上解決這個問題,沼氣紅泥膜沼氣池發酵料液的攪拌本質上是在外  力作用下的流動過程,數值模擬計算可以幫助人們

掌握其理論上的流動過程和流場形態。而隨著現代

計算機技術的持續發展,沼氣紅泥膜沼氣池發酵裝置內部流場的

精確計算也變得越來越簡便可行。目前應用最  廣的流體力學數值模擬方法是計算流體動力學

( Computational Fluid Dynamies,cFD)。2002年,美

國北卡羅萊納州立大學的弗雷明( JG Fleming)發表了題為《 Novel simulation of anaerobic digestion usingcomputational fluid dynamics.的博土學位論文),是第1篇系統論述利用CFD方法研究沼氣紅泥膜沼氣池發酵料液  昆合攪拌流場形態的論文。此后,行業學者大量應用該方法及相關成熟商業軟件,在流場形態的研究方面取得了極大進展。由于攪拌提升沼氣紅泥膜沼氣池發酵效率的根本機理尚不夠清楚,所以關于攪拌的具體方法學界尚存一定爭議2131。但是,利用CFD工具,研究人員可將攪拌所形成的流場可視化1,從而更加精確地驗證和指導攪拌方式的設計3-10),使沼氣料  液攪拌領域的研究在很大程度上擺脫了不可視條件的束縛,提升至更科學、精準的可視化、數量化研究層面上來,是21世紀以來沼氣學界較為先進的一個研究方向

1攪拌介質研究方面的應用

CFD數值模擬計算在沼氣料液攪拌研究領域的應用最主要集中于對攪拌時的流場形態進行分析,最常用的方法是對某種攪拌形式所能形成的流場形態進行模擬并繪制出流場形態圖,根據圖形進行分析,識別流場缺陷,改進攪拌方案。

使用固體、液體、氣體的介質均可對沼氣料液形成攪拌,所以攪拌被分為機械攪拌(槳葉攪拌、葉輪攪拌)、水力攪拌(射流攪拌、漿液回流攪拌、沼液循環攪拌)和氣動攪拌(沼氣回流攪拌)3個大類。關于3種攪拌介質的優劣,爭議較大,至今并無特別權  威的定論21。僅從產氣率的提升效果方面來講,人為3種攪拌介質對產氣率的提升效果最大的提法均有,而且均通過實驗驗證了自己的觀點“當。在上個世紀的沼氣工程設計中,90%以上采取立式連續攪拌紅泥膜沼氣池發酵罐,用泵輸入的方式驅動槳葉轉動,對密閉厭氧紅泥膜沼氣池發酵罐中的料液形成攪拌2。而現在,3類介質的攪拌均得到廣泛應用,利用CFD模擬研究3  類攪拌形式也取得了較大進展

比較3種攪拌介質的CFD模擬,其中水力攪拌是相對最簡單的一種,因為料液本身就屬于液相,如  果在模擬中省略掉儲氣間部分,只對液柱進行模擬,

便只有液相模擬對象,這樣模擬會相對比較容  易2。氣動攪拌的模擬則需要將氣體處理成氣泡,但這種處理對于在氣流進入液柱之前的狀態是失之精確的2。而機械攪拌則是相對最復雜的一類,需要利用動網格來構建槳葉的模型,建模的復雜程度和運算量都比前兩者大很多2。不過目前的建模工具和電子計算機的運算能力都足以應付3類模擬工作,3類模擬的主要優劣如表1所示。

2攪拌參數的優化研究

攪拌參數主要包括料液的動量傳遞、質量傳遞

和熱量傳遞對生物化學反應的影響,本質上即化工

行業的“三傳一反”。CFD模擬可以在一定程度模

擬計算出傳遞過程。

2.1動量傳遞

攪拌的首要目的是變靜態紅泥膜沼氣池發酵為動態紅泥膜沼氣池發酵,所以優化的目標應該是使更多動能輸運到更廣闊的空間去21。早在1981年, Monteith便使用粒子示蹤法,粗略地測量了罐內攪拌時的流速,提出了“死域( dead space)”和“動態混合區( activity mixedzone)”的概念,分別指攪拌時罐內流速太低的區域和流動性充分、混合良好的區域2。 Khursheed Ka.rim則將合速度絕對值低于最高值5%的區域定義為“弱攪拌區( poorly mixing zone)”,通過模擬計算發現采用2832Lh1,56.64Lh-1,和84.96Lh  3種射流速度進行氣動攪拌,紅泥膜沼氣池發酵罐內的弱攪拌區分別為31%,31%和27%。說明在低速區間,增大  射流速度對流場的優化作用很小。 Mehul s ves-  vikar用CFD試算了大量攪拌方案后,發現流場最差  的情況下,弱攪拌區占罐體總容積的比例高達  59.7%2),可見優化潛力巨大。而吳斌鑫則將合速  度絕對值低于0.001m·s-的區域定義為“死區  ( dead zone)”,并通過CFD模擬計算驗證了死區就  是攪拌動能的死角,就算增大射流初速度,甚至增大  到57m·s這樣的極端情況,亦只能使非死區的

動能更加充沛,卻并不能減少死區所占的空間°  這也提示了我們,一味增加攪拌功率并不能改善流用了  場形態,而只能通過優化設計來改善。  質量傳遞  通過攪拌來優化流場形態的一個重要目標是使為,  CFD  混合紅泥膜沼氣池發酵料液的相分布更加均勻。李淑蘭發現以粘并  秤為原料的厭氧紅泥膜沼氣池發酵罐的上中下部位均可以產生浮  渣,但產氣潛力分別只有0.08mlg0.6mg3,為B  23mL·g-,遠遠低于直接紅泥膜沼氣池發酵,所以應該用攪溫  拌使他們混入到主體紅泥膜沼氣池發酵料液中去。李洋用一均產  個高2800mm,直徑50mm的長筒型厭氧紅泥膜沼氣池發酵罐進沼  豬場糞污的厭氧紅泥膜沼氣池發酵實驗,發現經過數小時的重是畫  念沉淀,料液會分化成原污水和稀污水兩種形態。大  濃污水、稀污水和未經分化的原污水三者分別進  獨立的厭氧紅泥膜沼氣池發酵產氣實驗,產氣效率為濃污水>3  原污水>稀污水,而且差距明顯,所以需要通過攪拌

來使更多區城充盈濃污水,減少稀污水。而羅濤  發現在長筒型厭氧紅泥膜沼氣池發酵罐中,如果將料液從頂部投形入,待其在重力作用下緩慢沉淀,沉淀過程中紅泥膜沼氣池發酵效端  率表現極佳。黃如一在此基礎上認為攪拌能夠提升紅泥膜沼氣池發酵效率的內在機理便是攪拌能使物料抵抗重2力,長期保持一種懸浮于液柱中緩慢沉淀的狀態

這些物料混合的過程均可在CFD模擬中以相分布  的方式體現出來,從而指導改進攪拌方式。李江還認為,紅泥膜沼氣池發酵料液中除了含有氮(N)、磷(P)硫(S)等厭氧甲烷菌生長的主要營養素,還含有鉀(K)、鐵Fe)、鉆(Co)以及鎳(N)等微量金屬元素,亦是其生長的必備營養素,但這些元素在料液中含量很低習),在大型罐體中必須通過攪拌才能使他們擴散到大空間中去。但是這種微觀層面的相分布目前還不便于用CFD方法來標示。

2.3熱量傳遞

攪拌的主要目的是使流場更加均勻,相分布更  加合理,但同時也會對料液的溫度分布產生影響,而  溫度也是影響沼氣紅泥膜沼氣池發酵效率的重要因素3。溫  度的變化不但顯著影響沼氣產量,對沼氣成分也  有顯著影響。于宏兵發現,70℃超高溫反應  可在水解酸化階段顯著提升淀粉有機廢水的酸化率  以及蛋白質水解率兩項指標,從而從源頭上大幅提  升產氣率,而且70℃超高溫反應還可顯著降低沼氣  中的硫化物含量,尤其是沼氣中最主要的致命毒氣  硫化氫(H2S)41。所以,現代沼氣工程對紅泥膜沼氣池發酵溫度  的要求越來越高,這也需要用CFD方法更精確地描

繪其溫度場“”。如果一個厭氧紅泥膜沼氣池發酵系統同時采流用了攪拌和增溫兩項工藝,攪拌會使反應器內部的  體溫度場出現空間異質化現象,所以需要利用  CFD方法精心設計其攪拌流場。白衛東還

是使為,溫度會改變介質的流變特性,在模擬計算中應  成秸并考慮。罐體的傳熱也需要被考慮。羅濤利用浮CFD方法,設計了一種用先進的纏繞玻璃纖維絲作,為厭氧紅泥膜沼氣池發酵罐的保溫隔熱層,可在冬季使罐壁內的攪溫度比罐壁外高9℃,并取得0.49m3·m3d-的日  均產氣率。王麗麗通過CFD模擬,發現大型進沼氣工程紅泥膜沼氣池發酵罐的主要散熱途徑其實不是罐壁,而重是頂蓋,提示了工程設計人員在罐壁保溫上耗費巨

大,其實是舍本逐末。

3罐體形狀的優化研究

罐體的形狀對流場起著關鍵性影響,是  計的主要方面,大量CFD研究表明,細微改

形狀即可極大改變流場形態。 vesvikart在頂

端進氣的氣動攪拌模型中,采用與豎直面呈60夾

角的罐底設計,可使弱攪拌區從59.7%下降到  29.57%;采用25°夾角的罐底設計,可使弱攪拌區  進一步下降到17.39%。 Karim比較了在相同攪

拌工況下,罐底與水平面夾角呈0°,25°,45°這3種

罐型,弱攪拌區分別為33.6%,31.9%,29.6%,可

見影響顯著。牛學義認為罐型設計比攪拌方式更重

要,并提出卵形罐體最有利于消除死角和沉積物,不

過造價和維護成本太高。魏炎光附和了他的觀  點2。張戰鋒利用CFD方法比較了推流式反應器

的進料管分別呈15°,30°,45°,60°,709傾角時的

部流場,發現30°的死區最小,為反應器的結構設計提供了重要依據3

罐體內部的形狀設計也對流場有著重要影Marti-herrero用塑料環在沼氣池中設置格柵,優化其回流攪拌的流場,將產氣率提升了44%,并使沼氣池可在6.1℃極低溫度下順利運行。 MarkusG3在CFD的指導下,優化設計了一種隔離式連續流反應器在沼氣厭氧紅泥膜沼氣池發酵罐內合適位置設置擋板更大地優化了流場。在此基礎上, Stamou AI在CFD的指導下優化設計了一種導流墻,控制大型反應器中的流場,也極大地優化了流場形態。 D AngeloSozi和 Fariborz Taghipour5在CFD的指導下設計了L型和U型兩種罐型結構的水力攪拌裝置,并分別用歐拉法和拉格朗日法模擬計算其流場,結果發

現U型結構會在射流入口的中心軸向附近產生不  穩定的紊流,L型結構則能提供更加均勻、穩定的流參考

場

4其它方面的優化研究  除以上幾個主要方面外,攪拌流場還在其它方2)面影響著厭氧紅泥膜沼氣池發酵效率,其中一些也可以用CFD方  法進行模擬計算。首先是水力滯留時間(HRD)

般來說紅泥膜沼氣池發酵料液的水力滯留時間越長,所產招氣  中的甲烷含量越高)。在一些處理化工廢水的反

硝化處理厭氧紅泥膜沼氣池發酵工藝中,水力滯留時間對COD和  硝基酚的去除率更是至關重要),而HT恰恰是(4  非常適合于用CFD軟件計算的

羅濤利用CFD軟件計算了砂礫在攪拌中的  流動規律,利用流態圖的指導優化設計了攪拌形式  將反應器的排砂率提升了281%,極大地優化了厭  氧紅泥膜沼氣池發酵環境。王玉恒提出攪拌能夠提升紅泥膜沼氣池發酵效率的原理在于攪拌的水力剪切力能夠破壞物料表面  疏松的絮凝組織,露出密實的部分,從而增強物料與  污水的表面接觸效果,但這個微觀過程目前尚難用  顯微鏡觀察到,唯有用CFD方法可以在一定程度上  模擬顯示出流動剪切應力的分布。在紅泥膜沼氣池發酵液中利用  固態載體形成生物膜有利于穩定傳質,濾去一些無  用的油料3),趙慶良發明了一種利用廢棄輪胎  的橡膠顆粒作為掛膜載體的方法,實驗證明可以在  傳統工藝基礎上提升50%-100%的生物膜量,這  種方法便可以用CFD設計橡膠顆粒在紅泥膜沼氣池發酵液中的  分布。而楊平認為攪拌的速度需要嚴格控制,因為  水力剪切力達到某個臨界值時,會造成生物膜的脫  落,對此,我們可以利用CFD方法模擬監控空間中“超速”的區域并加以優化控制

5結語

近十五年來,CFD成為沼氣科學領域越來越方便實用的研究方法。研究和設計人員利用CFD方  法將沼氣料液流場可視化,依據流場形態圖優化設  計攪拌的介質、功率、時長、時間間歇、罐體形狀、葉  輪形狀、射流器形狀等多方面參數,極大提高了設計  水平,是進入21世紀以來,沼氣科學研究和工程設  計領域成果極其顯著的一次科技進步,并將在未來很長一段時間得到更大應用,成為行業的主流研究方向。

摘自《中國沼氣》第４期

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