張新強(qiáng)， 寇 巍， 閆昌國， 張大雷， 張寶心， 劉昊喆

(遼寧省能源研究所， 遼寧 營口 115003)

厭氧干發(fā)酵反應(yīng)器中物料流動(dòng)的數(shù)值模擬

張新強(qiáng)， 寇 巍， 閆昌國， 張大雷， 張寶心， 劉昊喆

(遼寧省能源研究所， 遼寧 營口 115003)

當(dāng)干發(fā)酵物料TS>5%時(shí)，物料符合非牛頓流體特性。運(yùn)用CFD的方法，對物料在厭氧干發(fā)酵反應(yīng)器中的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了物料在反應(yīng)器中的速度場。保證反應(yīng)器頂部壓力3000 Pa和物料在反應(yīng)器中的流動(dòng)周期3天的初始條件，對TS 5.4%，TS 9.1%，TS 12.1%，TS 20%這幾種物料在反應(yīng)器中流動(dòng)的模擬結(jié)果進(jìn)行對比。保持反應(yīng)器的高度以及流動(dòng)邊界條件不變，通過改變反應(yīng)器原始模型的高徑比，分析TS20%的干發(fā)酵物料在這幾種反應(yīng)器中的流動(dòng)特性。分析結(jié)果表明：在貼近反應(yīng)器壁面處，物料的流速極低，甚至出現(xiàn)了流動(dòng)停滯，隨著物料TS含量增加，反應(yīng)器內(nèi)部物料的平均流速降低，混合效果減弱。隨著反應(yīng)器高徑比的增加，反應(yīng)器的有效體積增大，物料在反應(yīng)器中的平均流速降低，混合效果減弱。該項(xiàng)研究能夠使我們獲得發(fā)酵設(shè)備運(yùn)行時(shí)物料在反應(yīng)器中的速度場，以及觀測出隨著物料TS含量和反應(yīng)器高徑比的改變，物料流動(dòng)狀態(tài)的改變，可為實(shí)際工程中反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行效率的提高提供參考依據(jù)，對實(shí)際工程項(xiàng)目具有一定的指導(dǎo)意義。

厭氧干發(fā)酵； 數(shù)值模擬； 非牛頓流體； 流變特性； 混合效果； 平均速度

目前固體廢物產(chǎn)量逐漸的增大，其中生物質(zhì)垃圾作為固體廢物的主要組成，正在被人們逐漸關(guān)注[1]。由于生物質(zhì)垃圾具有含水率高，熱值低，易生物降解等特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的焚燒，填埋等方式對其并不適用[2]。厭氧發(fā)酵可以高效地把農(nóng)業(yè)，市政和生活垃圾轉(zhuǎn)化為清潔能源，具有巨大的發(fā)展?jié)摿3]。厭氧發(fā)酵利用微生物的代謝反應(yīng)，消化有機(jī)廢物產(chǎn)生能量，可作為生物質(zhì)垃圾處理的重要手段[4]。干法厭氧發(fā)酵又稱為固態(tài)發(fā)酵，它是以秸稈，生活垃圾和畜禽糞便等固體的有機(jī)廢物為原料，利用厭氧生物發(fā)酵產(chǎn)生沼氣[5]。相比于濕法發(fā)酵，干法發(fā)酵具有原料利用范圍廣，有機(jī)負(fù)荷高，污水處理量少，能耗低，工程占地少，投資費(fèi)用低等優(yōu)勢[6-7]。同時(shí)干法發(fā)酵又存在一定的問題，由于干法發(fā)酵物料固體含量高，會(huì)導(dǎo)致物料的粘度很大，這樣可能會(huì)降低酶、微生物、底物之間的傳質(zhì)傳熱，也會(huì)使影響物料在發(fā)酵設(shè)備中的傳輸效率[8]。物料在反應(yīng)器中充分混合接觸可以確保反應(yīng)器中固體分布均勻，使活性生物質(zhì)和污泥最大化接觸，避免反應(yīng)器中浮渣以及溫度梯度的產(chǎn)生，從而確保厭氧反應(yīng)的高效進(jìn)行[9-10]。

筆者研究的目的和方法是：運(yùn)用CFD的方法能夠獲得發(fā)酵過程中反應(yīng)器的內(nèi)流場，能夠直觀的觀測出物料在流動(dòng)狀態(tài)，對優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和發(fā)酵條件，從而對提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率具有重大意義。圖1是筆者課題所采用發(fā)酵方式的工藝示意圖，物料通過泵的作用輸送到反應(yīng)器頂部，然后依靠自身重力作用緩慢的向下運(yùn)動(dòng)，最終通過錐形出口離開反應(yīng)器。螺旋管從這里將厭氧分解出來的沼液沼渣排放出來，一部分消化殘余物轉(zhuǎn)移到物料泵內(nèi)與新鮮物料混合，以保證進(jìn)料達(dá)到操作的溫度等條件。反應(yīng)器內(nèi)部沒有攪拌裝置，主要依靠的是物料自身的重力實(shí)現(xiàn)沉降運(yùn)動(dòng)及相互接觸混合，因此反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對發(fā)酵工藝過程具有很大影響[11-12]。

圖1 厭氧干發(fā)酵工藝示意圖

1 計(jì)算方法與理論模型

1.1 CFD方法

計(jì)算流體力學(xué)(英文全稱Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD)是將流體力學(xué)與計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算結(jié)合在一起而形成的獨(dú)立于上述兩門學(xué)科的新型學(xué)科，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示的方法，可以在時(shí)間和空間上定量描述流場的數(shù)值解，從而實(shí)現(xiàn)對物理化學(xué)問題的研究[13]。CFD方法能夠?qū)Ψ磻?yīng)器內(nèi)部物料的流動(dòng)進(jìn)行模擬，相比較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，CFD方法所花費(fèi)的成本較低，并且可以監(jiān)測出反應(yīng)器中實(shí)驗(yàn)方法難以獲得的流動(dòng)數(shù)據(jù)[14]。

1.2 物料流動(dòng)的控制方程

質(zhì)量守恒方程：

(1)

式中：ρ為密度，t為時(shí)間，u，v，w是速度在x，y，z上的分量[15]。

(2)

(3)

(4)

式中：p是流體微元上的壓力τxx，τyx，τzx等是粘性應(yīng)力分量，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z是微元上的體積力，其余同上[16]。

1.3 物料的流變特性

圖2 偽塑性流體的流動(dòng)曲線

圖3 偽塑性流體的粘度曲線

隨剪切變形速度的增大而減小，變形速度越大，表觀粘度越小，流動(dòng)性就越好，這就是剪切稀化流體的主要特點(diǎn)[18]。

如圖3粘度曲線所示，當(dāng)變形速率較低或者較高時(shí)，表觀粘度接近于常值，

(5)

式中：μ0稱為零切粘度；μ∞稱為極限牛頓粘度[19]。

偽塑性流體的本構(gòu)方程：

(6)

2 數(shù)值模擬過程

2.1 模型結(jié)構(gòu)尺寸與假設(shè)

該研究采用的干發(fā)酵反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖4所示，該反應(yīng)器高為12m，流動(dòng)的物料占據(jù)的高度約為11m，物料液面之上的空間內(nèi)充滿著發(fā)酵生成的沼氣。物料在頂部依靠自身重力作用逐漸向下流動(dòng)。

圖4 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

該研究采用Ansys 14中的CFX軟件，利用其強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算能力以及流場可視化功能，對干發(fā)酵反應(yīng)器的內(nèi)流場有了詳細(xì)了解，進(jìn)而為干發(fā)酵反應(yīng)器的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)的參考依據(jù)。針對該模擬過程，需建立以下幾點(diǎn)假設(shè)：

1)液體的壓縮性原本極小，物料固體含量又相對較高，因此其壓縮性微乎其微，可以把它看作不可壓縮流體。2)該反應(yīng)器外壁面設(shè)置加熱盤管與保溫裝置，物料在反應(yīng)器中的溫度變化甚微。筆者主要討論反應(yīng)器的內(nèi)流場，而溫度的微小變化只會(huì)對物料的物性參數(shù)略微影響，對流動(dòng)的影響可忽略不計(jì)，因此我們假設(shè)物料的溫度恒定。3)上文已經(jīng)提到，相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明TS>5%時(shí)，物料的流變特性符合偽塑性流體特性。文章所研究的物料為TS 5%～TS 20%，因此在模擬過程中可假設(shè)物料為偽塑性流體。4)發(fā)酵過程中反應(yīng)器內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一系列小氣泡，理論上會(huì)對物料的局部流動(dòng)產(chǎn)生一些影響。但是由于氣泡的質(zhì)量極小且分布較為均勻，它對物料整個(gè)流態(tài)分布的影響極為有限。而筆者所關(guān)注的正是物料在整個(gè)反應(yīng)器中的流態(tài)分布，因此可忽略氣泡的影響，假設(shè)整個(gè)模擬過程為單向流。

2.2 模型計(jì)算網(wǎng)格

該模型采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對近壁面和反應(yīng)器出口的網(wǎng)格進(jìn)行加密。如下圖所示，共有629518個(gè)單元615880個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

2.3 計(jì)算邊界條件設(shè)定

啟動(dòng)重力模型，進(jìn)口設(shè)定3000 Pa，根據(jù)反應(yīng)周期3天計(jì)算出口速度為0.006629 m·s-1，筆者課題所采用的物料為TS20%，物料的密度為1090 kg·m-3，粘稠系數(shù)為56.8 Pasn，流動(dòng)指數(shù)為0.35，剪切速率的范圍(0.24～23.9)s-1。由于物料的流動(dòng)速度很慢，而粘度較大，因此選擇層流計(jì)算模型。初始條件和時(shí)間步長均按軟件默認(rèn)選取。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

截取反應(yīng)器的中截面進(jìn)行分析，圖6為物料在反應(yīng)器中截面的速度云圖，從圖中可以看到物料的下降速度在軸心處最大，并且沿著半徑方向逐漸降低，在壁面處由于粘性力作用最大，因此速度最低，甚至出現(xiàn)滯留狀態(tài)。同時(shí)在反應(yīng)器下部，連接圓錐出口的位置，物料的流動(dòng)出現(xiàn)了較大的低速區(qū)，產(chǎn)生了局部滯留。從計(jì)算結(jié)果來看，整個(gè)反應(yīng)器的體積為340.259 m3，而物料靜止部分所占的體積為5.3375 m3，約占這個(gè)反應(yīng)器體積的1.57%，反應(yīng)器設(shè)計(jì)較為合理。由于出口尺寸相對較小，物料從上部直桶段下沉到出

口流動(dòng)的過程中，物料的流動(dòng)速度大幅提升，在出口處速度最大，達(dá)到出口邊界條件0.006629 m·s-1。

2.5 不同TS含量對物料流動(dòng)的影響

在沼氣發(fā)酵中，物料的TS含量是一個(gè)非常重要的參數(shù)，TS值與物料的流變特性息息相關(guān)，從而能夠影響物料在反應(yīng)器的流動(dòng)狀態(tài)，而流動(dòng)狀態(tài)的改變又會(huì)對反應(yīng)器中的pH值產(chǎn)生影響，溫度均勻性以及微生物分解過程的效率產(chǎn)生一定影響。

上文提到我們已經(jīng)對TS 20的物料進(jìn)行了模擬，這里我們繼續(xù)對TS 5.4%，TS 9.1%，TS 12.1%這三種物料進(jìn)行模擬，它們在溫度35℃條件下流變特性及密度如表1所示。邊界條件均按進(jìn)口壓力3000 Pa，出口速度0.006629 m·s-1設(shè)定。依然選取反應(yīng)器中間截面速度場進(jìn)行分析，其速度場對比如圖7所示。物料的粘度隨著TS的增大而增大，由

于粘性力的增大，軸心附近相對高速區(qū)域有所減少，貼近壁面位置的低速區(qū)域有所擴(kuò)大，但幅度并不明顯。這是由于我們選取的邊界條件相同，物料在反應(yīng)器中的流速極低，因此物料的流變特性表現(xiàn)不明顯，粘性力的變化對物料流動(dòng)的影響極為有限。

圖6 反應(yīng)器內(nèi)速度云圖

TSK%Pasnnγs-1ρ(kg·m-3)5．40．1920．71050～7021000．789．11．0520．46711～1561001．3112．15．8850．3673～1491001．732056．80．350．24～23．91090

圖7 不同TS物料速度云圖對比

圖8是各TS模型中，物料平均流動(dòng)速度對比，隨著TS的增加，物料的流動(dòng)性變差，因此反應(yīng)器中平均速度降低。

為了更好的區(qū)分不同TS物料在反應(yīng)器中的速度場分布，我們把反應(yīng)器中物料的流速分為3個(gè)區(qū)域：

低速區(qū)：v<1×10-5(m·s-1)

中速區(qū)：1×10-5(m·s-1)≤v<1×10-4(m·s-1)

高速區(qū)：1×10-4(m·s-1)≤v

圖8 不同TS物料在反應(yīng)器中的平均速度對比

如圖9所示，低速區(qū)所占的整個(gè)流場的百分比隨著TS的增加而增大，中速區(qū)和高速區(qū)所占的比例隨著TS的增加而減小。

圖9 不同TS物料反應(yīng)器中的速度區(qū)域?qū)Ρ?/p>

2.6 不同高徑比反應(yīng)器內(nèi)流場的比較

筆者課題所采用反應(yīng)器的高徑比為2∶1，為了比較物料在不同高徑比反應(yīng)器的內(nèi)流場變化。分別建立高徑比為3∶1和3∶2的反應(yīng)器模型，確保各個(gè)反應(yīng)器的高度均為12米，不考慮上部沼氣所占的體積，高徑比3∶1，2∶1和3∶2的有效利用體積分別為147.453 m3，340.259 m3，621.367 m3。

保證初始邊界條件保持不變，反應(yīng)周期為3天物料TS為20%，分別對高徑比3∶1和3∶2反應(yīng)器進(jìn)行模擬。通過軟件后處理得到其反應(yīng)器中的平均速度分別5.01641×10-5(m·s-1)和5.86168×10-5(m·s-1)，前文提到筆者課題采用的高徑比2∶1的反應(yīng)器中的平均速度為5.3748×10-5(m·s-1)。因此可以推斷，隨著高徑比的增大，雖然反應(yīng)器的有效體積增加，但是反應(yīng)器中物料流動(dòng)的平均速度變小，混合效果減弱。我們在實(shí)際工程中，要根據(jù)自身的工藝需求，選擇高徑比合適的反應(yīng)器。

3 結(jié)論與討論

(1)文章首先總結(jié)了干發(fā)酵物料的流變特性，其流變特性符合非牛頓偽塑性流體特性，表觀粘度隨著剪切速率的增大而減小。同時(shí)提出反映物料非牛頓流體特性的本構(gòu)方程以及物料流動(dòng)的控制方程。

(2)筆者課題所采用的是TS 20%的物料，對其在反應(yīng)器中的流動(dòng)進(jìn)行三維數(shù)值模擬。得到了反應(yīng)器中截面的速度云圖，分析了反應(yīng)過程中物料的流動(dòng)狀態(tài)。找到了反應(yīng)器內(nèi)部物料流速過低的位置以及計(jì)算出靜止區(qū)域所占的體積。

(3)討論不同TS含量對物料在反應(yīng)器中流動(dòng)的影響。通過對不同TS物料在筆者課題所用反應(yīng)器中的模擬結(jié)果分析：隨著TS含量的增加，反應(yīng)器內(nèi)部物料的平均流速降低，混合效果減弱，物料流動(dòng)的低速區(qū)域增大，高速區(qū)域減少。

(4)討論了TS 20%的物料在不同高徑比反應(yīng)器中的流動(dòng)特性變化，隨著反應(yīng)器高徑比的增加，反應(yīng)器的有效體積增大，但物料在反應(yīng)器中的平均流速降低，混合效果減弱。

筆者所做的工作主要基于CFD理論分析，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)進(jìn)行了合理的簡化與假設(shè)。在實(shí)際過程中，反應(yīng)器中溫度的不均勻和密度的不均勻以及生成氣泡對物料流動(dòng)的阻礙等因素均會(huì)造成模擬結(jié)果與實(shí)際過程的偏差。但是這些偏差只是某些局部的細(xì)微偏差，筆者所關(guān)注的反應(yīng)器中物料流動(dòng)的整體流態(tài)分布與實(shí)際過程大致相符。因此利用CFD方法分析干發(fā)酵反應(yīng)器的流場特性，具有一定的工程實(shí)踐價(jià)值，在今后的工作中可以結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)對反應(yīng)器中物料的流場進(jìn)行更加全面細(xì)致的分析。

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Numerical Simulation of Material Flowing in the High Solid Content Anaerobic Reactor /

ZHANG Xin-qiang, KOU Wei, YAN Chang-guo, ZHANG Da-lei, ZHANG Bao-xin, LIU Hao-zhe /

(Liaoning Institute of Energy Resources, Yingkou 115003，China)

This paper summarized the rheological properties of the manure in high solid digester. When the TS in reactor was over 5%, the manure was in accord with the non-Newtonian fluid properties. Adopting the CFD method, the numerical simulation of manure flowing in hight solid digester obtained material velocity field in the reactor. Under the condition of 3000 Pa at reactor top and 3 days of flowing period, the simulated flowing of TS 5.4%, TS 9.1%, TS 12.1%, TS 20% in the reactor were compared. Keeping the height and flowing boundary without change in the reactor, but changing the origin ratio of height to diameter of the reactor, the flowing characteristics of TS 20% were analyzed. The results showed that the flow rate of the manure in the area close to the digester wall was extremely low, even stagnated. With increasing of manure TS content, the average flow velocity inside the reactor decreased, the mixing effect weakened. With the increase of height to diameter ratio, the effective volume of the reactor was increased, the average flow rate of the manure in the reactor was reduced, and the mixing effect is also reduced.

high solid content anaerobic digester； numerical simulation； non-Newtonian fluid； rheological properties； mixing effect； average velocity

2015-12-16

2016-12-25

項(xiàng)目來源： “十二五”國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAC25B07)

張新強(qiáng)(1986-)，男，遼寧營口人，助理研究員，研究方向?yàn)閿?shù)值流動(dòng)與傳熱， E-mail:canghai0331@163.com 通信作者： 張大雷，E-mail daleizhang:@163.com

X172

A

1000-1166(2017)01-0017-06