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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(huán)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(fā)酵的效率,顯著(zhù)提升產(chǎn)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(lái)提高發(fā)酵效率。然而從當前的工程實(shí)踐來(lái)看,大量工程采用了粗劣的攪拌工藝,對發(fā)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(fā)酵罐必須嚴格厭氧封閉,人們無(wú)法對其內部流場(chǎng)進(jìn)行準確的分析測試,于是設計人員在不掌握流場(chǎng)形態(tài)的情況下,隨意添加了一些攪拌措施,但實(shí)際流場(chǎng)形態(tài)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(gè)問(wèn)題,沼氣紅泥膜沼氣池發(fā)酵料液的攪拌本質(zhì)上是在外  力作用下的流動(dòng)過(guò)程,數值模擬計算可以幫助人們

掌握其理論上的流動(dòng)過(guò)程和流場(chǎng)形態(tài)。而隨著(zhù)現代

計算機技術(shù)的持續發(fā)展,沼氣紅泥膜沼氣池發(fā)酵裝置內部流場(chǎng)的

精確計算也變得越來(lái)越簡(jiǎn)便可行。目前應用最  廣的流體力學(xué)數值模擬方法是計算流體動(dòng)力學(xué)

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

國北卡羅萊納州立大學(xué)的弗雷明( JG Fleming)發(fā)表了題為《 Novel simulation of anaerobic digestion usingcomputational fluid dynamics.的博土學(xué)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(fā)酵料液  昆合攪拌流場(chǎng)形態(tài)的論文。此后,行業(yè)學(xué)者大量應用該方法及相關(guān)成熟商業(yè)軟件,在流場(chǎng)形態(tài)的研究方面取得了極大進(jìn)展。由于攪拌提升沼氣紅泥膜沼氣池發(fā)酵效率的根本機理尚不夠清楚,所以關(guān)于攪拌的具體方法學(xué)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(chǎng)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(lǐng)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(xué)、精準的可視化、數量化研究層面上來(lái),是21世紀以來(lái)沼氣學(xué)界較為先進(jìn)的一個(gè)研究方向

1攪拌介質(zhì)研究方面的應用

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

使用固體、液體、氣體的介質(zhì)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(huán)攪拌)和氣動(dòng)攪拌(沼氣回流攪拌)3個(gè)大類(lèi)。關(guān)于3種攪拌介質(zhì)的優(yōu)劣,爭議較大,至今并無(wú)特別權  威的定論21。僅從產(chǎn)氣率的提升效果方面來(lái)講,人為3種攪拌介質(zhì)對產(chǎn)氣率的提升效果最大的提法均有,而且均通過(guò)實(shí)驗驗證了自己的觀(guān)點(diǎn)“當。在上個(gè)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(fā)酵罐,用泵輸入的方式驅動(dòng)槳葉轉動(dòng),對密閉厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵罐中的料液形成攪拌2。而現在,3類(lèi)介質(zhì)的攪拌均得到廣泛應用,利用CFD模擬研究3  類(lèi)攪拌形式也取得了較大進(jìn)展

比較3種攪拌介質(zhì)的CFD模擬,其中水力攪拌是相對最簡(jiǎn)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(jìn)行模擬,

便只有液相模擬對象,這樣模擬會(huì )相對比較容  易2。氣動(dòng)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(jìn)入液柱之前的狀態(tài)是失之精確的2。而機械攪拌則是相對最復雜的一類(lèi),需要利用動(dòng)網(wǎng)格來(lái)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(guò)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(lèi)模擬工作,3類(lèi)模擬的主要優(yōu)劣如表1所示。

2攪拌參數的優(yōu)化研究

攪拌參數主要包括料液的動(dòng)量傳遞、質(zhì)量傳遞

和熱量傳遞對生物化學(xué)反應的影響,本質(zhì)上即化工

行業(yè)的“三傳一反”。CFD模擬可以在一定程度模

擬計算出傳遞過(guò)程。

2.1動(dòng)量傳遞

攪拌的首要目的是變靜態(tài)紅泥膜沼氣池發(fā)酵為動(dòng)態(tài)紅泥膜沼氣池發(fā)酵,所以?xún)?yōu)化的目標應該是使更多動(dòng)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(shí)的流速,提出了“死域( dead space)”和“動(dòng)態(tài)混合區( activity mixedzone)”的概念,分別指攪拌時(shí)罐內流速太低的區域和流動(dòng)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(guò)模擬計算發(fā)現采用2832Lh1,56.64Lh-1,和84.96Lh  3種射流速度進(jìn)行氣動(dòng)攪拌,紅泥膜沼氣池發(fā)酵罐內的弱攪拌區分別為31%,31%和27%。說(shuō)明在低速區間,增大  射流速度對流場(chǎng)的優(yōu)化作用很小。 Mehul s ves-  vikar用CFD試算了大量攪拌方案后,發(fā)現流場(chǎng)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(jiàn)優(yōu)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(guò)CFD模擬計算驗證了死區就  是攪拌動(dòng)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(dòng)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(chǎng)形態(tài),而只能通過(guò)優(yōu)化設計來(lái)改善。  質(zhì)量傳遞  通過(guò)攪拌來(lái)優(yōu)化流場(chǎng)形態(tài)的一個(gè)重要目標是使為,  CFD  混合紅泥膜沼氣池發(fā)酵料液的相分布更加均勻。李淑蘭發(fā)現以粘并  秤為原料的厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵罐的上中下部位均可以產(chǎn)生浮  渣,但產(chǎn)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(fā)酵,所以應該用攪溫  拌使他們混入到主體紅泥膜沼氣池發(fā)酵料液中去。李洋用一均產(chǎn)  個(gè)高2800mm,直徑50mm的長(cháng)筒型厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵罐進(jìn)沼  豬場(chǎng)糞污的厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵實(shí)驗,發(fā)現經(jīng)過(guò)數小時(shí)的重是畫(huà)  念沉淀,料液會(huì )分化成原污水和稀污水兩種形態(tài)。大  濃污水、稀污水和未經(jīng)分化的原污水三者分別進(jìn)  獨立的厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵產(chǎn)氣實(shí)驗,產(chǎn)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(guò)攪拌

來(lái)使更多區城充盈濃污水,減少稀污水。而羅濤  發(fā)現在長(cháng)筒型厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)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(guò)程中紅泥膜沼氣池發(fā)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(fā)酵效率的內在機理便是攪拌能使物料抵抗重2力,長(cháng)期保持一種懸浮于液柱中緩慢沉淀的狀態(tài)

這些物料混合的過(guò)程均可在CFD模擬中以相分布  的方式體現出來(lái),從而指導改進(jìn)攪拌方式。李江還認為,紅泥膜沼氣池發(fā)酵料液中除了含有氮(N)、磷(P)硫(S)等厭氧甲烷菌生長(cháng)的主要營(yíng)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(cháng)的必備營(yíng)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(guò)攪拌才能使他們擴散到大空間中去。但是這種微觀(guān)層面的相分布目前還不便于用CFD方法來(lái)標示。

2.3熱量傳遞

攪拌的主要目的是使流場(chǎng)更加均勻,相分布更  加合理,但同時(shí)也會(huì )對料液的溫度分布產(chǎn)生影響,而  溫度也是影響沼氣紅泥膜沼氣池發(fā)酵效率的重要因素3。溫  度的變化不但顯著(zhù)影響沼氣產(chǎn)量,對沼氣成分也  有顯著(zhù)影響。于宏兵發(fā)現,70℃超高溫反應  可在水解酸化階段顯著(zhù)提升淀粉有機廢水的酸化率  以及蛋白質(zhì)水解率兩項指標,從而從源頭上大幅提  升產(chǎn)氣率,而且70℃超高溫反應還可顯著(zhù)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(fā)酵溫度  的要求越來(lái)越高,這也需要用CFD方法更精確地描

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

是使為,溫度會(huì )改變介質(zhì)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(jìn)的纏繞玻璃纖維絲作,為厭氧紅泥膜沼氣池發(fā)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(chǎn)氣率。王麗麗通過(guò)CFD模擬,發(fā)現大型進(jìn)沼氣工程紅泥膜沼氣池發(fā)酵罐的主要散熱途徑其實(shí)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(shí)是舍本逐末。

3罐體形狀的優(yōu)化研究

罐體的形狀對流場(chǎng)起著(zhù)關(guān)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(chǎng)形態(tài)。 vesvikart在頂

端進(jìn)氣的氣動(dòng)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(jìn)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(jiàn)影響顯著(zhù)。牛學(xué)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(guò)造價(jià)和維護成本太高。魏炎光附和了他的觀(guān)  點(diǎn)2。張戰鋒利用CFD方法比較了推流式反應器

的進(jìn)料管分別呈15°,30°,45°,60°,709傾角時(shí)的

部流場(chǎng),發(fā)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(chǎng)有著(zhù)重要影Marti-herrero用塑料環(huán)在沼氣池中設置格柵,優(yōu)化其回流攪拌的流場(chǎng),將產(chǎn)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(yōu)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(fā)酵罐內合適位置設置擋板更大地優(yōu)化了流場(chǎng)。在此基礎上, Stamou AI在CFD的指導下優(yōu)化設計了一種導流墻,控制大型反應器中的流場(chǎng),也極大地優(yōu)化了流場(chǎng)形態(tài)。 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(chǎng),結果發(fā)

現U型結構會(huì )在射流入口的中心軸向附近產(chǎn)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(chǎng)

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

般來(lái)說(shuō)紅泥膜沼氣池發(fā)酵料液的水力滯留時(shí)間越長(cháng),所產(chǎn)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(fā)酵工藝中,水力滯留時(shí)間對COD和  硝基酚的去除率更是至關(guān)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(dòng)規律,利用流態(tài)圖的指導優(yōu)化設計了攪拌形式  將反應器的排砂率提升了281%,極大地優(yōu)化了厭  氧紅泥膜沼氣池發(fā)酵環(huán)境。王玉恒提出攪拌能夠提升紅泥膜沼氣池發(fā)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(shí)的部分,從而增強物料與  污水的表面接觸效果,但這個(gè)微觀(guān)過(guò)程目前尚難用  顯微鏡觀(guān)察到,唯有用CFD方法可以在一定程度上  模擬顯示出流動(dòng)剪切應力的分布。在紅泥膜沼氣池發(fā)酵液中利用  固態(tài)載體形成生物膜有利于穩定傳質(zhì),濾去一些無(wú)  用的油料3),趙慶良發(fā)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(shí)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(fā)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(gè)臨界值時(shí),會(huì )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?xún)?yōu)化控制

5結語(yǔ)

近十五年來(lái),CFD成為沼氣科學(xué)領(lǐng)域越來(lái)越方便實(shí)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(chǎng)可視化,依據流場(chǎng)形態(tài)圖優(yōu)化設  計攪拌的介質(zhì)、功率、時(shí)長(cháng)、時(shí)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(jìn)入21世紀以來(lái),沼氣科學(xué)研究和工程設  計領(lǐng)域成果極其顯著(zhù)的一次科技進(jìn)步,并將在未來(lái)很長(cháng)一段時(shí)間得到更大應用,成為行業(yè)的主流研究方向。

摘自《中國沼氣》第４期

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