內(nèi)循環(huán)式漿料好氧發(fā)酵反應(yīng)器的流場(chǎng)與傳熱分析及其參數(shù)優(yōu)化

石貴振，王永江

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070

反應(yīng)器式好氧堆肥技術(shù)作為農(nóng)業(yè)廢棄物減量化、無害化和資源化的重要技術(shù)之一[1-2]，是國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于處理畜禽糞污的一種有效手段。堆肥反應(yīng)器是一個(gè)密閉式的系統(tǒng)，具有對(duì)外界環(huán)境依賴性小、占地面積少、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)和穩(wěn)定處理物料等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境保護(hù)和促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值[3-4]。常規(guī)的堆肥反應(yīng)器大都以畜禽糞尿?yàn)樵希偬砑臃鬯楹蟮霓r(nóng)作物秸稈作為調(diào)理劑。這種混合而成的半固態(tài)堆料(含水率為55% ～ 70%)為多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)[5]，具有一定的孔隙率，以保證好氧環(huán)境。但這種堆肥方式原料預(yù)處理過程繁雜，發(fā)酵周期漫長(zhǎng)，增加了經(jīng)濟(jì)成本與時(shí)間成本。相關(guān)研究表明，在保證氧氣充分和有機(jī)底物充足的條件下，物料的含水率越高，微生物的繁殖代謝速率越快[5-6]。為利用糞漿料含水率高、流動(dòng)性強(qiáng)和便于管道輸送等優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)循環(huán)式漿料好氧發(fā)酵反應(yīng)器擬直接采用漿料狀糞污作為發(fā)酵原料，合理結(jié)合工程技術(shù)手段，確保糞漿料在氧氣充分、水分充足和溫度適宜的環(huán)境下進(jìn)行好氧發(fā)酵，以期在簡(jiǎn)化發(fā)酵工藝的同時(shí)，有效提高有機(jī)質(zhì)的降解速率，獲得有機(jī)碳被消耗的糞水混合物[6-8]。開展內(nèi)循環(huán)式漿料好氧發(fā)酵反應(yīng)器的研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)糞漿料的高效處理具有一定意義。

目前，現(xiàn)有的漿料直接好氧消化反應(yīng)器主要由加熱系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和曝氣系統(tǒng)組成。張帆等[9]采用自熱高溫好氧消化 ( auto-heated thermophilic aerobic digestion，ATAD ) 反應(yīng)器降解質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～8%的污泥，通過機(jī)械攪拌提高污泥的流動(dòng)性，在反應(yīng)器底部裝置微孔曝氣盤以實(shí)現(xiàn)污泥供氧，由于攪拌不夠充分，導(dǎo)致反應(yīng)器中存在局部厭氧環(huán)境。李文浩等[10]在ATAD的基礎(chǔ)上，通過增加內(nèi)筒的方式使得污泥漿料在反應(yīng)器中處于連續(xù)的內(nèi)循環(huán)狀態(tài)，這種循環(huán)方式有效地改善了污泥的流動(dòng)性，但反應(yīng)器未配置加熱系統(tǒng)，污泥的初始溫度較低，發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。朱南文等[11]在好氧消化池中安裝了污泥循環(huán)管和污泥循環(huán)泵，實(shí)現(xiàn)了污泥漿料在垂直方向上的循環(huán)流動(dòng)，但管道和污泥泵易出現(xiàn)堵塞問題，難于檢修和維護(hù)。研究表明，提高漿料的流動(dòng)性是滿足曝氣供氧的前提條件，增加加熱裝置可改善漿料的初始溫度，縮短好氧發(fā)酵的啟動(dòng)時(shí)間[11-13]。流場(chǎng)體現(xiàn)漿料的流動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)軌跡，表征漿料流動(dòng)性的好壞。溫度場(chǎng)體現(xiàn)漿料的溫度分布和溫度變化，表征漿料傳熱性能的好壞[14]。因此，開展?jié){料流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的研究對(duì)反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)作用。

本研究基于計(jì)算流體力學(xué)軟件，采用層流模型和能量方程對(duì)內(nèi)循環(huán)式漿料好氧發(fā)酵反應(yīng)器的工況進(jìn)行數(shù)值模擬，以轉(zhuǎn)速和加熱溫度為試驗(yàn)因素，流場(chǎng)和溫度場(chǎng)為試驗(yàn)指標(biāo)，探討不同工作參數(shù)對(duì)漿料流動(dòng)特性與傳熱特性的影響，為反應(yīng)器的參數(shù)優(yōu)化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

豬糞原料取自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)種豬質(zhì)量檢測(cè)中心，含水率為84.56%～86.23%，密度為(1 038.03±8.71) kg/m3，黏度為(921.92±7.25) mPas，導(dǎo)熱系數(shù)為(0.514 2±0.018 1) W/(mK)，比熱容為(4 094.47±66.18) J/(kg℃)。

1.2 反應(yīng)器

反應(yīng)器主要包括攪拌系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)[15]。在攪拌系統(tǒng)中，依靠攪拌器的螺旋提升力、漿料的自身重力和導(dǎo)流筒的引流作用，使得漿料在反應(yīng)器中處于連續(xù)的內(nèi)循環(huán)狀態(tài)，以提高漿料的流動(dòng)性[16-17]。在曝氣系統(tǒng)中，由曝氣盤從罐體底部曝入空氣，增加漿料中的氧含量。在加熱系統(tǒng)中，采用循環(huán)水浴的加熱方式對(duì)反應(yīng)器壁面進(jìn)行熱補(bǔ)償，改善漿料的溫度條件。攪拌器的外徑×內(nèi)徑×螺距×厚度為200 mm×60 mm×160 mm×5 mm；罐體內(nèi)徑為350 mm，高度為570 mm，實(shí)際容積為51.95 L，有效容積約為40 L。如圖1所示，其中圖1A為反應(yīng)器示意圖，圖1B為根據(jù)反應(yīng)器設(shè)計(jì)尺寸搭建的小型試驗(yàn)臺(tái)架。

1.進(jìn)料口 Material inlet； 2.出水口 Water outlet； 3.導(dǎo)流筒 Diversion tube； 4.曝氣盤 Aeration disc； 5.電機(jī) Motor； 6.漿料循環(huán)方向 Direction of slurry circulation； 7.攪拌器 Stirrer； 8.水浴層 Water bath layer； 9.進(jìn)水口 Water inlet； 10.出料口 Material outlet； 11.螺桿式攪拌器 Screw stirrer； 12.導(dǎo)流筒 Diversion tube； 13.加熱控制器 Heating controller； 14.金屬臺(tái)架 The metal frame； 15.電機(jī) Motor； 16.變頻器 Frequency changer； 17.裝料桶 Charging bucket； 18.水浴桶 Water bath bucket.

1.3 仿真試驗(yàn)理論計(jì)算

豬糞漿料在反應(yīng)器中的運(yùn)動(dòng)為三維瞬態(tài)問題，其過程遵循質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。

1)質(zhì)量守恒方程。單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加量，等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入或流出該微元體的凈質(zhì)量[18]。

(1)

2)動(dòng)量守恒方程。在微元體中，動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于作用在該微元體上的體積力、壓力和黏性力之和。對(duì)于不可壓縮黏性流體的動(dòng)量守恒方程可表示為[18]：

(2)

式(2)中：P表示壓強(qiáng)，Pa；μ表示動(dòng)力黏性系數(shù)，Pas；?2表示拉普拉斯算子，表示流體的動(dòng)量隨時(shí)間的變化，或稱為慣性力項(xiàng)；表示體積力項(xiàng)；表示壓力項(xiàng)；表示黏性力項(xiàng)。

3)能量守恒方程。微元體的總能量(內(nèi)能與動(dòng)能之和)變化率等于流入微元體的凈熱流量加上體積力與表面力對(duì)微元體所做的功[18]。

(3)

式(3)中：E表示單位質(zhì)量流體的內(nèi)能，J/kg；τ表示應(yīng)力，N；λ表示流體的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(mK)；T表示開爾文溫度，K；q表示熱流密度，表示流體微團(tuán)總能量(包括內(nèi)能和動(dòng)能)的變化；表示體積力對(duì)流體微團(tuán)做的功，J；?表示表面力(壓力和黏性力)對(duì)流體微團(tuán)做的功，J；?(λ?T)表示流體微團(tuán)通過熱傳導(dǎo)從外界獲得的熱量，J；ρq表示流體微團(tuán)通過輻射從外界獲得的熱量，J。

1.4 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于計(jì)算流體力學(xué)軟件，分別針對(duì)不同轉(zhuǎn)速對(duì)漿料循環(huán)效果的影響以及攪拌狀態(tài)下不同加熱溫度對(duì)漿料升溫的影響，開展單因素仿真試驗(yàn)，確定較優(yōu)的工作參數(shù)。

1)不同轉(zhuǎn)速對(duì)漿料循環(huán)效果的影響。選擇轉(zhuǎn)速分別為60、120、180、240 r/min，進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分析漿料運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)和攪拌器的單轉(zhuǎn)循環(huán)流量(單轉(zhuǎn)循環(huán)流量體現(xiàn)攪拌器平均每轉(zhuǎn)的提料量，可與流場(chǎng)耦合分析，用于表征漿料循環(huán)效果的好壞)，結(jié)合流體的飛濺情況，確定較優(yōu)轉(zhuǎn)速。

2)不同加熱溫度對(duì)漿料升溫的影響。為考察不同壁面加熱溫度對(duì)漿料升溫的影響，選擇加熱溫度分別為45、50、55、60 ℃，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)的轉(zhuǎn)速、加熱時(shí)長(zhǎng)和流體初始溫度分別為120 r/min、5 min和15 ℃。分析溫度場(chǎng)和漿料平均溫度變化，確定較優(yōu)的加熱溫度。

1.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

利用圖1B中的小型試驗(yàn)臺(tái)架作為實(shí)際裝置，分別開展流速與溫度分布的驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)條件一致，轉(zhuǎn)速為120 r/min，加熱時(shí)長(zhǎng)為5 min，漿料的初始溫度為15 ℃，壁面加熱溫度為55 ℃。模擬數(shù)據(jù)與驗(yàn)證數(shù)據(jù)的取值位置相同，且均取裝置運(yùn)行至第300 s時(shí)刻的值做驗(yàn)證分析。如圖2所示，line1上的流速分布體現(xiàn)導(dǎo)流筒出口處漿料的流速變化，漿料的流動(dòng)狀態(tài)易于觀察和測(cè)量，便于開展驗(yàn)證試驗(yàn)，故將line1作為流速的取值位置。line2上的溫度梯度反映了漿料由上至下運(yùn)動(dòng)的過程中，不斷獲得熱壁面提供的熱量，體現(xiàn)漿料的升溫過程，故將line2作為溫度的取值位置。

圖2 模擬數(shù)據(jù)取值位置Fig.2 The location of the simulated data

1)流速驗(yàn)證。流速的模擬數(shù)據(jù)取值為line1上，由左至右的速度變化數(shù)據(jù)。以line1的左端為原點(diǎn)，從左往右每隔14.5 mm取1個(gè)點(diǎn)，起點(diǎn)為14.5 mm處，終點(diǎn)為145 mm處，共取10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行流速驗(yàn)證。line1與水平線平行，距離導(dǎo)流筒頂端40 mm，距離攪拌軸和反應(yīng)器內(nèi)壁的距離均為10 mm，長(zhǎng)度為145 mm。利用錄像機(jī)，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架中與line1取值位置對(duì)應(yīng)處的漿料流動(dòng)過程進(jìn)行視頻拍攝。采用視頻編輯軟件，將單位時(shí)間內(nèi)漿料的流動(dòng)過程分成60幀，每幀為1/60 s。測(cè)量每幀內(nèi)漿料的運(yùn)動(dòng)距離，由距離與時(shí)間之比計(jì)算得到流速的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3次，取平均值。

2)溫度分布驗(yàn)證。溫度分布的模擬數(shù)據(jù)取值為line2上，由上至下的溫度變化數(shù)據(jù)。以line2的頂端為原點(diǎn)，從上往下每隔38 mm取1個(gè)點(diǎn)，起點(diǎn)為38 mm處，終點(diǎn)為380 mm處，共取10個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度驗(yàn)證。line2垂直于水平線，距離反應(yīng)器內(nèi)壁20 mm，上下兩端均與導(dǎo)流筒兩端對(duì)齊，長(zhǎng)度為380 mm。在試驗(yàn)臺(tái)架中，與line2取值位置對(duì)應(yīng)處布置10個(gè)熱電偶溫度探頭，由測(cè)溫儀表讀取溫度實(shí)測(cè)值，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取平均值。測(cè)量?jī)x器包括熱電偶K型探針，K型測(cè)溫儀(-50～1 300 ℃)。

3)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差體現(xiàn)仿真值與實(shí)測(cè)值的吻合程度，不同驗(yàn)證點(diǎn)之間的數(shù)值均不同，對(duì)于有多個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的仿真值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，采用如下方法計(jì)算[19]。

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

為提高仿真精度并節(jié)約計(jì)算成本，仿真模型省去了金屬實(shí)體部分，保留做循環(huán)運(yùn)動(dòng)的流體區(qū)域，其余部分作壁面處理。流體域分為內(nèi)部流體域和外部流體域，2個(gè)流體域之間通過Interface實(shí)現(xiàn)信息交換(圖3)。

1.Interface；2.攪拌器壁面 Stirrer wall；3.內(nèi)部流體域 Internal fluid domain； 4.外部流體域 External fluid domain； 5.加熱壁面 Heated wall.

2.2 不同轉(zhuǎn)速對(duì)漿料流場(chǎng)的影響

如圖4所示，轉(zhuǎn)速為60、120 r/min時(shí)，非攪拌區(qū)域的速度區(qū)間為0.01～0.27 m/s，流速矢量的波動(dòng)小，漿料運(yùn)動(dòng)軌跡與循環(huán)方向一致性較好，漿料在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)得到有效循環(huán)，循環(huán)速率隨轉(zhuǎn)速增大而增大。轉(zhuǎn)速升高至180 r/min時(shí)，非攪拌區(qū)域的速度區(qū)間為0.02～0.39 m/s，流速矢量的波動(dòng)較大，漿料的運(yùn)動(dòng)軌跡開始紊亂，在釜底導(dǎo)流筒入口處出現(xiàn)與循環(huán)方向相反且呈150°～180°夾角的速度矢量，反循環(huán)方向運(yùn)動(dòng)的流體對(duì)整體循環(huán)造成一定阻礙。當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高至240 r/min時(shí)，在導(dǎo)流筒出口處的最大流速為1.03 m/s，因流速過大，引起流體飛濺，不利于循環(huán)。

轉(zhuǎn)速分別為60、120、180、240 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)的單轉(zhuǎn)循環(huán)流量分別為2.24、3.77、1.38、2.33 L/r。結(jié)合圖4可知，轉(zhuǎn)速為60、120 r/min時(shí)，漿料得到連續(xù)、穩(wěn)定的循環(huán)，單轉(zhuǎn)循環(huán)流量隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，且在120 r/min處達(dá)到最大值3.77 L/r；轉(zhuǎn)速為180 r/min時(shí)，因釜體底部出現(xiàn)反循環(huán)運(yùn)動(dòng)的流體，循環(huán)受阻，單轉(zhuǎn)循環(huán)流量下降至1.38 L/r，較60、120 r/min，其循環(huán)效果較差；轉(zhuǎn)速為60、120、180 r/min時(shí)，均未出現(xiàn)流體飛濺現(xiàn)象。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)240 r/min時(shí)，因流速過大引起流體飛濺，故240 r/min的單轉(zhuǎn)循環(huán)流量不做討論。

綜上分析，轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)，非攪拌區(qū)域漿料的速度區(qū)間為0.01～0.27 m/s，流速矢量的波動(dòng)較小。此外，在120 r/min工況下，漿料具有更高的循環(huán)速率，攪拌器的單轉(zhuǎn)循環(huán)流量為3.77 L/r。因此，120 r/min適合作為反應(yīng)器的工作轉(zhuǎn)速。

2.3 不同加熱溫度對(duì)漿料溫度場(chǎng)的影響

圖5為仿真模型在不同加熱溫度條件下的縱截面溫度云圖。各仿真模型的溫度分布主要分為2個(gè)區(qū)域：一是與壁面直接接觸，且隨著循環(huán)方向向內(nèi)部流動(dòng)的區(qū)域(標(biāo)記為①區(qū)域，如圖5D所示)，各模型在該區(qū)域的溫度分別為31.24、34.11、37.43、39.67 ℃；二是未與壁面直接接觸，且隨著循環(huán)體一起循環(huán)的區(qū)域(標(biāo)記為②區(qū)域，如圖5D所示)，各模型在該區(qū)域的溫度分別為33.47、36.55、39.68、42.04 ℃，后者溫度均大于前者溫度。這是因?yàn)榻饘俦诿娴膶?dǎo)熱系數(shù)大于漿料的導(dǎo)熱系數(shù)，漿料與壁面之間的熱阻小，換熱量大，而漿料與漿料之間的熱阻相對(duì)較大，換熱量小，故在2個(gè)區(qū)域之間形成了一定的溫差。各區(qū)域內(nèi)的溫度值基本一致，表明循環(huán)流動(dòng)方式很好地改善了漿料的傳熱性能。

A:60 r/min； B:120 r/min； C:180 r/min； D:240 r/min.圖4 縱截面速度矢量Fig.4 Longitudinal section velocity vector

A:45 ℃； B:50 ℃； C:55 ℃； D:60 ℃.圖5 縱截面溫度云圖Fig.5 Longitudinal section temperature cloud diagram

圖6為仿真模型在不同加熱溫度條件下的平均溫度變化。由圖6可知，前60 s內(nèi)升溫速率較快，60 s后升溫速率相對(duì)緩慢且平穩(wěn)。這是因?yàn)殚_始加熱時(shí)漿料與壁面的溫差較大，升溫速率快，隨著漿料溫度的升高，與壁面溫差逐漸減小，升溫速率也隨之下降。加熱時(shí)長(zhǎng)為5 min時(shí)，各模型的平均溫度分別上升了14.63、18.86、21.98、24.06 ℃?？芍?，加熱溫度越高，升溫速率越快。研究表明，適宜的好氧發(fā)酵溫度為45～55 ℃[1-2,6-7]，當(dāng)加熱溫度為60 ℃時(shí)，反應(yīng)器壁面溫度過高，可能會(huì)對(duì)漿料的好氧發(fā)酵過程造成不利影響，因此，60 ℃不宜作為壁面加熱溫度。綜上分析，在55 ℃條件下，加熱5 min，可使?jié){料平均溫度由15.00 ℃上升至36.98 ℃，升溫效果明顯，故55 ℃適合作為反應(yīng)器的壁面加熱溫度。

圖6 流體的平均溫度變化Fig.6 The average temperature change of the fluid

2.4 流速驗(yàn)證

由圖7可知，在導(dǎo)流筒出口處，流體在徑向由內(nèi)向外的速度變化表現(xiàn)為先增大后減小趨勢(shì)。流速實(shí)測(cè)值和模擬值存在一定的差距，這是由于模型的流體均勻性假設(shè)與實(shí)際流體均勻性不符所導(dǎo)致，此外，模型的網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算設(shè)置也會(huì)對(duì)模擬結(jié)果造成一定的影響。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，流速的實(shí)測(cè)值與模擬值吻合良好，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為14.29%。

圖7 line1上的流速實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果Fig.7 Measured and simulated results of flow velocity on line1

2.5 溫度分布驗(yàn)證

流體貼著壁面自上而下流動(dòng)，其間不斷獲得熱壁面提供的熱量，因此，其溫度變化表現(xiàn)為不斷升高的趨勢(shì)。整個(gè)過程，模擬值上升了0.63 ℃，實(shí)測(cè)值上升了0.46 ℃(圖8)。溫度實(shí)測(cè)值與模擬值存在偏差，這是因?yàn)閷?shí)際測(cè)量時(shí)，由于裝置導(dǎo)熱以及流體與空氣的對(duì)流換熱帶走部分熱量，形成熱量損失，導(dǎo)致實(shí)測(cè)值普遍低于模擬值。溫度實(shí)測(cè)值與模擬值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.78%。

圖8 line2上的溫度實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果Fig.8 Measured and simulated results of temperature on line2

3 討 論

隨著好氧發(fā)酵反應(yīng)器研究的持續(xù)深入，對(duì)反應(yīng)器的研究手段提出了更高的要求。仿真軟件是一種功能強(qiáng)大的研究工具，可根據(jù)反應(yīng)器的工況進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果為反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，大幅度縮短了裝置的開發(fā)周期[20-22]。本研究基于計(jì)算流體力學(xué)軟件，研究了不同轉(zhuǎn)速對(duì)漿料循環(huán)效果的影響，結(jié)果表明：轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)，非攪拌區(qū)域漿料的速度區(qū)間為0.01～0.27 m/s，流速矢量的波動(dòng)較小，漿料具有更高的循環(huán)速率，攪拌器的單轉(zhuǎn)循環(huán)流量為3.77 L/r。攪拌狀態(tài)下不同加熱溫度對(duì)漿料升溫的影響研究結(jié)果表明：壁面加熱溫度為55 ℃時(shí)，反應(yīng)器在120 r/min工況下加熱5 min，可使得漿料平均溫度從15.00 ℃上升至36.98 ℃，升溫效果明顯。利用小型試驗(yàn)臺(tái)架開展了流速與溫度分布的驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：流速實(shí)測(cè)值與模擬值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為14.29%，溫度實(shí)測(cè)值與模擬值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.78%。模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致性較好，在一定程度上證實(shí)了模型的可靠性。