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近年來,我國(guó)制定了一系列優(yōu)惠政策,重點(diǎn)推進(jìn)  規(guī)模化沼氣工程建設(shè),使得我國(guó)沼氣事業(yè)取得了長(zhǎng)  足發(fā)展。目前,我國(guó)沼氣工程以完全混合式厭氧  發(fā)酵工藝為主21,即采用完全混合式反應(yīng)器  (CSTR)。CSTR通過安裝攪拌裝置,使發(fā)酵原料和  微生物處于完全混合狀態(tài),增加原料與微生物的  接觸面積提高混合效率,進(jìn)而促進(jìn)厭氧發(fā)酵過程。然而,目前大多數(shù)采用CSTR的沼氣工程由于混合效果不佳,導(dǎo)致運(yùn)行效果較差,影響了沼氣產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

影響發(fā)酵過程混合效果的因素主要有反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、攪拌方式、原料特性、試驗(yàn)溫度等。其中,反

應(yīng)器結(jié)構(gòu)與攪拌方式在沼氣工程建設(shè)完成時(shí)已經(jīng)固定而難以調(diào)整,因此,對(duì)于沼氣工程而言更為關(guān)鍵

國(guó)內(nèi)外已開展較多攪拌方式對(duì)反應(yīng)器內(nèi)混合效果影響的研究,但對(duì)于反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)于混合效果的影響研究仍有待進(jìn)一步深入。筆者重點(diǎn)對(duì)CSTR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、攪拌方式等厭氧發(fā)酵過程及反應(yīng)器內(nèi)原料混合效果的影響進(jìn)行梳理,并提出反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法,以期為下一步深入開展相關(guān)研究提供參考

1反應(yīng)器結(jié)構(gòu)

CSTR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)對(duì)于厭氧發(fā)酵過程具有明

顯的影響,其主要原因在于反應(yīng)器結(jié)構(gòu)會(huì)影響物

料的混合效果,進(jìn)而對(duì)于物料的傳熱傳質(zhì)過程造成

影響。CsTR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)主要有

反應(yīng)器高徑比和擋板

1.1高徑比(H/D)

在實(shí)際工程應(yīng)用中,反應(yīng)器可分為高罐形(HD

≥1)和低罐形(HD<1)兩種結(jié)構(gòu)形式。國(guó)內(nèi)外

大量研究表明,高徑比在一定范圍內(nèi)時(shí),有利于厭氧

紅泥膜沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣。張波針對(duì)糞便紅泥膜沼氣發(fā)酵進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)H

D為2.18的反應(yīng)器紅泥膜沼氣發(fā)酵效果最佳。但是也有研究

表明,HD過高時(shí),紅泥膜沼氣發(fā)酵效果變差。孫竹對(duì)于填料鼓泡塔反應(yīng)器的研究結(jié)果表明,HD上升至8

時(shí),反應(yīng)器傳質(zhì)系數(shù)比HD為2時(shí)低15%

大量研究表明H/D主要對(duì)厭氧紅泥膜沼氣發(fā)酵傳質(zhì)傳熱過程造成影響,進(jìn)而影響厭氧紅泥膜沼氣發(fā)酵效率。反應(yīng)器的罐形越高軸向溫度的差異性越明顯。劉瑞賽的研究表明紅泥膜沼氣發(fā)酵罐的HD在3-4的范圍傳質(zhì)傳熱效果最佳。在一定范圍內(nèi)HD增大,可提高混合效果,但是當(dāng)超過一定范圍再增大混合效果反而減弱。蘆漢超經(jīng)CFD模擬分析,H/D=0.75增加到H/D>1.00后,反應(yīng)器流場(chǎng)低速區(qū)增加Ekundayo經(jīng)CFD模擬技術(shù)分析后表明,H/D=1.75比H/D=1.5時(shí),高速區(qū)明顯減少5%~10%張新強(qiáng)對(duì)厭氧干紅泥膜沼氣發(fā)酵反應(yīng)器H/D從1.5到3的反應(yīng)器進(jìn)行CFD模擬,低速區(qū)增加了近15%。這是由于混合物料受攪拌槳推動(dòng)作用力較小,難以充分混合,產(chǎn)生混合死區(qū)

1.2擋板

CSTR反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置擋板,通過改變處于攪拌狀態(tài)的原料的流動(dòng)方向,消除液面中間部分產(chǎn)生的下凹旋渦,提高混合效果,但同時(shí)物料混合能耗隨之上升約4~5倍。大量研究表明,擋板的數(shù)量與擋  板的結(jié)構(gòu)對(duì)混合效果產(chǎn)生明顯影響1

在一定范圍內(nèi)增加擋板數(shù)量,可提高混合效果。王袁隆對(duì)攪拌式細(xì)胞反應(yīng)器罐體壁均布擋板數(shù)量在2-6之間5種情況下的流場(chǎng)進(jìn)行分析比較發(fā)現(xiàn)均布5塊擋板時(shí)流場(chǎng)整體軸流性最佳

擋板類型一般分為側(cè)壁擋板、底部擋板與混合使用3種類型。底部擋板可消除大部分?jǐn)嚢枳饔靡鸬匿鰷u),可縮短混合時(shí)間,并減少能耗20%左右;側(cè)壁擋板則提高混合均勻度;混合擋板則兼具兩

者優(yōu)點(diǎn)。諸士春2經(jīng)過對(duì)底部數(shù)螺線擋板反應(yīng)  深入研究后,結(jié)果顯示底部擋板混合時(shí)間相比側(cè)  板縮短了近30%,提高攪并效率楊一的研究

后,反應(yīng)器內(nèi)整體液體循環(huán)速度最大提升

15.7%。  此外,許琪利用多重參考系多相流模型  究實(shí)驗(yàn)室污泥調(diào)理罐,結(jié)果表明擋流板寬度與調(diào)  罐內(nèi)徑比最佳優(yōu)化值為1:20。

2攪拌設(shè)計(jì)

2.1攪拌方式

國(guó)內(nèi)外目前在CSTR反應(yīng)器設(shè)計(jì)中常用的攪  方式主要包括立式攪拌、側(cè)式攪拌與氣體回流攪這3種類型。

2.1.1立式攪拌

立式攪拌為典型的機(jī)械攪拌方式,攪拌速率可  控,作用半徑大231。目前,單軸立式攪拌器的應(yīng)  較成熟,但攪拌效率不高1。因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者為  提高混合效果已進(jìn)行諸多研究: A Niedzielska [27對(duì)  立式螺旋混合的熱傳遞方面進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)直徑為  d/D=0.94,帶間距p/d=0.25時(shí),傳熱效果最佳  李永剛2發(fā)現(xiàn)立式多軸攪拌的功率消耗為單軸  況下(D=0.731m)的2.8倍,但立式多軸攪拌器的  制造成本更低;與側(cè)伸式攪拌相比,5%沉積面積時(shí)  立式多軸攪拌節(jié)省20%能耗,且安裝維護(hù)更簡(jiǎn)便。

2.1.2側(cè)式攪拌

側(cè)式攪拌適應(yīng)容器體積與物料粘度大的反應(yīng)器。側(cè)伸式攪拌槳的直徑與攪拌功率相對(duì)較小,大量應(yīng)用于紅泥膜沼氣工程等行業(yè);而底側(cè)式攪拌在紅泥膜沼氣工程中不能充分實(shí)現(xiàn)紅泥膜沼氣發(fā)酵池的攪拌,應(yīng)用相對(duì)較少。

側(cè)伸式攪拌下表觀流速對(duì)傳質(zhì)的影響比立式攪  拌明顯,都榮禮認(rèn)為是由于軸流槳對(duì)氣體的剪切力沒有立式攪拌中渦輪槳剪切力強(qiáng),側(cè)伸式攪拌中混合原料并未穿越攪拌槳,因而傳質(zhì)受表觀流速控制

攪拌器安裝角度對(duì)混合效果影響也十分顯著。  梁敬福則認(rèn)為攪拌器與池壁水平夾角為25°左右最佳;鄭曉東3研究側(cè)伸式攪拌槳發(fā)現(xiàn)攪拌軸水平  偏轉(zhuǎn)角對(duì)功率準(zhǔn)數(shù)的影響很小,均布式為最佳排布  方式,最佳偏轉(zhuǎn)角為=10°

2.1.3氣體回流攪拌  氣體回流攪拌是將紅泥膜沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的紅泥膜沼氣加壓后,由  反應(yīng)罐底部沖入反應(yīng)器內(nèi)部,利用產(chǎn)生的氣流進(jìn)行  攪拌的同時(shí)對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行加熱保溫。國(guó)內(nèi)外對(duì)  于氣體攪拌與其他攪拌方式對(duì)比已有大量研究王  次經(jīng)過實(shí)驗(yàn)認(rèn)為氣體攪拌與機(jī)械攪拌相比差別  欣  不大。然而 Khursheed Karim3在高濃度混合紅泥膜沼氣發(fā)酵  中,氣體循環(huán)攪拌比機(jī)械攪拌的混合效果提高約  20%-30%13;而 Michela(3發(fā)現(xiàn)在低濃度紅泥膜沼氣發(fā)酵  的過程中,由于產(chǎn)紅泥膜沼氣量不足,導(dǎo)致紅泥膜沼氣回流混合效  果差,因此認(rèn)為低濃度紅泥膜沼氣發(fā)酵時(shí)不宜用氣體回流攪拌。

在紅泥膜沼氣工程中應(yīng)用主要包括槳式、渦輪式和推進(jìn)式攪拌器,其他攪拌器都是在其基礎(chǔ)上派生出來的。攪拌器各類型特點(diǎn)見表2

目前對(duì)于攪拌槳結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)已成為研究的熱點(diǎn)德國(guó) EKATO公司開發(fā)的 Paravisc槳葉類似于

目前則需要研究人員針對(duì)氣體回流攪拌的不足進(jìn)行深入分析。經(jīng)過綜合對(duì)比分析3種攪拌方式的優(yōu)缺點(diǎn),見表1。

2.2攪拌槳

攪拌槳是攪拌器的關(guān)鍵部件,決定了反應(yīng)器內(nèi)  流體的流型,而槳葉的結(jié)構(gòu)形狀是攪拌槳性能優(yōu)化  設(shè)計(jì)的重要因素。目前國(guó)內(nèi)外紅泥膜沼氣工程大多遵循經(jīng)  驗(yàn)進(jìn)行攪拌槳的選取,因此尋求攪拌器的準(zhǔn)確選取依據(jù)目前顯得尤為重要。  國(guó)內(nèi)外紅泥膜沼氣工程應(yīng)用的攪拌槳的基本類型如圖

所示。

錨式槳的改進(jìn),把本為直臂的部分扭曲成大傾斜角  度的螺帶形狀41,浙江大學(xué)劉悅4通過改進(jìn)1種45°三葉框式槳葉發(fā)明了LY框式槳葉(見圖2)。日本住友重機(jī)等公司則開發(fā)出最大葉片式、泛能式等攪拌槳葉(見圖3)。

早期紅泥膜沼氣工程大多采用雙層或三層立式渦輪組  合槳,隨著研究的深入研究人員發(fā)現(xiàn)單軸組合槳存  在傳質(zhì)差異等缺陷。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)攪拌槳的設(shè)計(jì)研究也從單一槳葉向組合優(yōu)化方向發(fā)展,包  括攪拌槳葉片個(gè)數(shù)對(duì)攪拌效果的影響。目前不同組合槳型已成為目前國(guó)內(nèi)外攪拌器研究的熱點(diǎn)。

3結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

目前對(duì)于CSTR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法很多,大

多是通過對(duì)混合效果的研究從而對(duì)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)類  型進(jìn)行優(yōu)化:貝蒂數(shù)法、示蹤法、無因次歐拉數(shù)Ea、  粒子圖像測(cè)速技術(shù)(PV)、計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)(CT)與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)仿真模擬。以上方法主要其優(yōu)勢(shì)見表3。

目前,CSTR的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,一般根據(jù)相應(yīng)混合指標(biāo),通過理論計(jì)算對(duì)反應(yīng)器內(nèi)混合均勻程度進(jìn)行判斷,但目前多數(shù)研究利用軟件進(jìn)行仿真模擬,可直觀反映整個(gè)流場(chǎng)內(nèi)部的混合情況。

CFD技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)周期短、成本低,對(duì)混合狀態(tài)模擬準(zhǔn)確,已成為目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。羅濤2)利用Fent對(duì)回流攪拌型混合物料厭氧紅泥膜沼氣發(fā)酵反應(yīng)器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬分析后認(rèn)為反應(yīng)器中層混合效果最佳;周振5基于CFD方法對(duì)多段內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器高徑比與曝氣盤安裝高度進(jìn)行深度的改良性研究表明,高徑比為1.75時(shí)反應(yīng)器流場(chǎng)情況最適宜厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行;樊梨明采用FLUENT軟件對(duì)斜葉槳和AFI槳紅泥膜沼氣發(fā)酵罐內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬后發(fā)現(xiàn)兩相流較單向流狀態(tài),AFI槳紅泥膜沼氣發(fā)酵罐內(nèi)混合更均勻,同時(shí)攪拌功率較斜葉槳下降

17.37%

結(jié)論與展望

(1)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵影響因素主要包括高徑比和擋板,合適范圍內(nèi)的高徑比能夠減少混合物料低速區(qū)域;擋板則有效消除混合物流攪拌狀態(tài)下存在渦流,提高混合均勻度。

(2)CSTR內(nèi)攪拌器是傳質(zhì)傳熱過程重要影響因素,主要因素有攪拌槳的結(jié)構(gòu)類型、槳葉的安裝數(shù)量等,根據(jù)物料類型的不同,對(duì)攪拌器的合理選用,可縮短混合均勻時(shí)間。

(3)目前,國(guó)內(nèi)外已有大量研究CSTR混合效果  的模擬方法,其中CFD法因其周期短、成本低等特  點(diǎn),模擬結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì),已成為各大反應(yīng)器結(jié)構(gòu)優(yōu)  化設(shè)計(jì)的研究方法。

(4)對(duì)于CSTR結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,可基于CFD方法,主要是根據(jù)混合效果指標(biāo)對(duì)混合效果進(jìn)行判斷,  如混合效果不佳,利用CFD方法進(jìn)行模擬分析,觀  測(cè)混合效果分布不均勻原因,可對(duì)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)優(yōu)  化提供較高針對(duì)性。對(duì)于CSTR的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法將  日益完善,以期本文可為后續(xù)研究提供借鑒和參考。

摘自《中國(guó)沼氣》第4期 趙蘭蘭 馮晶 趙立欣 郭占斌 姚宗路 羅娟