厌氧干发酵反应器中物料流动的数值模拟

张新强， 寇 巍， 闫昌国， 张大雷， 张宝心， 刘昊喆

(辽宁省能源研究所， 辽宁 营口 115003)

厌氧干发酵反应器中物料流动的数值模拟

张新强， 寇 巍， 闫昌国， 张大雷， 张宝心， 刘昊喆

(辽宁省能源研究所， 辽宁 营口 115003)

当干发酵物料TS>5%时，物料符合非牛顿流体特性。运用CFD的方法，对物料在厌氧干发酵反应器中的流动进行数值模拟，得到了物料在反应器中的速度场。保证反应器顶部压力3000 Pa和物料在反应器中的流动周期3天的初始条件，对TS 5.4%，TS 9.1%，TS 12.1%，TS 20%这几种物料在反应器中流动的模拟结果进行对比。保持反应器的高度以及流动边界条件不变，通过改变反应器原始模型的高径比，分析TS20%的干发酵物料在这几种反应器中的流动特性。分析结果表明：在贴近反应器壁面处，物料的流速极低，甚至出现了流动停滞，随着物料TS含量增加，反应器内部物料的平均流速降低，混合效果减弱。随着反应器高径比的增加，反应器的有效体积增大，物料在反应器中的平均流速降低，混合效果减弱。该项研究能够使我们获得发酵设备运行时物料在反应器中的速度场，以及观测出随着物料TS含量和反应器高径比的改变，物料流动状态的改变，可为实际工程中反应器的优化设计和运行效率的提高提供参考依据，对实际工程项目具有一定的指导意义。

厌氧干发酵； 数值模拟； 非牛顿流体； 流变特性； 混合效果； 平均速度

目前固体废物产量逐渐的增大，其中生物质垃圾作为固体废物的主要组成，正在被人们逐渐关注[1]。由于生物质垃圾具有含水率高，热值低，易生物降解等特点，因此传统的焚烧，填埋等方式对其并不适用[2]。厌氧发酵可以高效地把农业，市政和生活垃圾转化为清洁能源，具有巨大的发展潜力[3]。厌氧发酵利用微生物的代谢反应，消化有机废物产生能量，可作为生物质垃圾处理的重要手段[4]。干法厌氧发酵又称为固态发酵，它是以秸秆，生活垃圾和畜禽粪便等固体的有机废物为原料，利用厌氧生物发酵产生沼气[5]。相比于湿法发酵，干法发酵具有原料利用范围广，有机负荷高，污水处理量少，能耗低，工程占地少，投资费用低等优势[6-7]。同时干法发酵又存在一定的问题，由于干法发酵物料固体含量高，会导致物料的粘度很大，这样可能会降低酶、微生物、底物之间的传质传热，也会使影响物料在发酵设备中的传输效率[8]。物料在反应器中充分混合接触可以确保反应器中固体分布均匀，使活性生物质和污泥最大化接触，避免反应器中浮渣以及温度梯度的产生，从而确保厌氧反应的高效进行[9-10]。

笔者研究的目的和方法是：运用CFD的方法能够获得发酵过程中反应器的内流场，能够直观的观测出物料在流动状态，对优化反应器结构和发酵条件，从而对提高厌氧发酵的产气效率具有重大意义。图1是笔者课题所采用发酵方式的工艺示意图，物料通过泵的作用输送到反应器顶部，然后依靠自身重力作用缓慢的向下运动，最终通过锥形出口离开反应器。螺旋管从这里将厌氧分解出来的沼液沼渣排放出来，一部分消化残余物转移到物料泵内与新鲜物料混合，以保证进料达到操作的温度等条件。反应器内部没有搅拌装置，主要依靠的是物料自身的重力实现沉降运动及相互接触混合，因此反应器的结构设计对发酵工艺过程具有很大影响[11-12]。

图1 厌氧干发酵工艺示意图

1 计算方法与理论模型

1.1 CFD方法

计算流体力学(英文全称Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是将流体力学与计算机数值计算结合在一起而形成的独立于上述两门学科的新型学科，通过计算机数值计算和图像显示的方法，可以在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而实现对物理化学问题的研究[13]。CFD方法能够对反应器内部物料的流动进行模拟，相比较于传统实验方法，CFD方法所花费的成本较低，并且可以监测出反应器中实验方法难以获得的流动数据[14]。

1.2 物料流动的控制方程

质量守恒方程：

(1)

式中：ρ为密度，t为时间，u，v，w是速度在x，y，z上的分量[15]。

(2)

(3)

(4)

式中：p是流体微元上的压力τxx，τyx，τzx等是粘性应力分量，Fx，Fy，Fz是微元上的体积力，其余同上[16]。

1.3 物料的流变特性

图2 伪塑性流体的流动曲线

图3 伪塑性流体的粘度曲线

随剪切变形速度的增大而减小，变形速度越大，表观粘度越小，流动性就越好，这就是剪切稀化流体的主要特点[18]。

如图3粘度曲线所示，当变形速率较低或者较高时，表观粘度接近于常值，

(5)

式中：μ0称为零切粘度；μ∞称为极限牛顿粘度[19]。

伪塑性流体的本构方程：

(6)

2 数值模拟过程

2.1 模型结构尺寸与假设

该研究采用的干发酵反应器结构如图4所示，该反应器高为12m，流动的物料占据的高度约为11m，物料液面之上的空间内充满着发酵生成的沼气。物料在顶部依靠自身重力作用逐渐向下流动。

图4 反应器结构示意图

该研究采用Ansys 14中的CFX软件，利用其强大的数值计算能力以及流场可视化功能，对干发酵反应器的内流场有了详细了解，进而为干发酵反应器的工程优化设计提供科学的参考依据。针对该模拟过程，需建立以下几点假设：

1)液体的压缩性原本极小，物料固体含量又相对较高，因此其压缩性微乎其微，可以把它看作不可压缩流体。2)该反应器外壁面设置加热盘管与保温装置，物料在反应器中的温度变化甚微。笔者主要讨论反应器的内流场，而温度的微小变化只会对物料的物性参数略微影响，对流动的影响可忽略不计，因此我们假设物料的温度恒定。3)上文已经提到，相关文献和实验已经证明TS>5%时，物料的流变特性符合伪塑性流体特性。文章所研究的物料为TS 5%～TS 20%，因此在模拟过程中可假设物料为伪塑性流体。4)发酵过程中反应器内会产生一系列小气泡，理论上会对物料的局部流动产生一些影响。但是由于气泡的质量极小且分布较为均匀，它对物料整个流态分布的影响极为有限。而笔者所关注的正是物料在整个反应器中的流态分布，因此可忽略气泡的影响，假设整个模拟过程为单向流。

2.2 模型计算网格

该模型采用六面体结构化网格，对近壁面和反应器出口的网格进行加密。如下图所示，共有629518个单元615880个节点。

图5 结构化网格

2.3 计算边界条件设定

启动重力模型，进口设定3000 Pa，根据反应周期3天计算出口速度为0.006629 m·s-1，笔者课题所采用的物料为TS20%，物料的密度为1090 kg·m-3，粘稠系数为56.8 Pasn，流动指数为0.35，剪切速率的范围(0.24～23.9)s-1。由于物料的流动速度很慢，而粘度较大，因此选择层流计算模型。初始条件和时间步长均按软件默认选取。

2.4 计算结果分析

截取反应器的中截面进行分析，图6为物料在反应器中截面的速度云图，从图中可以看到物料的下降速度在轴心处最大，并且沿着半径方向逐渐降低，在壁面处由于粘性力作用最大，因此速度最低，甚至出现滞留状态。同时在反应器下部，连接圆锥出口的位置，物料的流动出现了较大的低速区，产生了局部滞留。从计算结果来看，整个反应器的体积为340.259 m3，而物料静止部分所占的体积为5.3375 m3，约占这个反应器体积的1.57%，反应器设计较为合理。由于出口尺寸相对较小，物料从上部直桶段下沉到出

口流动的过程中，物料的流动速度大幅提升，在出口处速度最大，达到出口边界条件0.006629 m·s-1。

2.5 不同TS含量对物料流动的影响

在沼气发酵中，物料的TS含量是一个非常重要的参数，TS值与物料的流变特性息息相关，从而能够影响物料在反应器的流动状态，而流动状态的改变又会对反应器中的pH值产生影响，温度均匀性以及微生物分解过程的效率产生一定影响。

上文提到我们已经对TS 20的物料进行了模拟，这里我们继续对TS 5.4%，TS 9.1%，TS 12.1%这三种物料进行模拟，它们在温度35℃条件下流变特性及密度如表1所示。边界条件均按进口压力3000 Pa，出口速度0.006629 m·s-1设定。依然选取反应器中间截面速度场进行分析，其速度场对比如图7所示。物料的粘度随着TS的增大而增大，由

于粘性力的增大，轴心附近相对高速区域有所减少，贴近壁面位置的低速区域有所扩大，但幅度并不明显。这是由于我们选取的边界条件相同，物料在反应器中的流速极低，因此物料的流变特性表现不明显，粘性力的变化对物料流动的影响极为有限。

图6 反应器内速度云图

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

图7 不同TS物料速度云图对比

图8是各TS模型中，物料平均流动速度对比，随着TS的增加，物料的流动性变差，因此反应器中平均速度降低。

为了更好的区分不同TS物料在反应器中的速度场分布，我们把反应器中物料的流速分为3个区域：

低速区：v<1×10-5(m·s-1)

中速区：1×10-5(m·s-1)≤v<1×10-4(m·s-1)

高速区：1×10-4(m·s-1)≤v

图8 不同TS物料在反应器中的平均速度对比

如图9所示，低速区所占的整个流场的百分比随着TS的增加而增大，中速区和高速区所占的比例随着TS的增加而减小。

图9 不同TS物料反应器中的速度区域对比

2.6 不同高径比反应器内流场的比较

笔者课题所采用反应器的高径比为2∶1，为了比较物料在不同高径比反应器的内流场变化。分别建立高径比为3∶1和3∶2的反应器模型，确保各个反应器的高度均为12米，不考虑上部沼气所占的体积，高径比3∶1，2∶1和3∶2的有效利用体积分别为147.453 m3，340.259 m3，621.367 m3。

保证初始边界条件保持不变，反应周期为3天物料TS为20%，分别对高径比3∶1和3∶2反应器进行模拟。通过软件后处理得到其反应器中的平均速度分别5.01641×10-5(m·s-1)和5.86168×10-5(m·s-1)，前文提到笔者课题采用的高径比2∶1的反应器中的平均速度为5.3748×10-5(m·s-1)。因此可以推断，随着高径比的增大，虽然反应器的有效体积增加，但是反应器中物料流动的平均速度变小，混合效果减弱。我们在实际工程中，要根据自身的工艺需求，选择高径比合适的反应器。

3 结论与讨论

(1)文章首先总结了干发酵物料的流变特性，其流变特性符合非牛顿伪塑性流体特性，表观粘度随着剪切速率的增大而减小。同时提出反映物料非牛顿流体特性的本构方程以及物料流动的控制方程。

(2)笔者课题所采用的是TS 20%的物料，对其在反应器中的流动进行三维数值模拟。得到了反应器中截面的速度云图，分析了反应过程中物料的流动状态。找到了反应器内部物料流速过低的位置以及计算出静止区域所占的体积。

(3)讨论不同TS含量对物料在反应器中流动的影响。通过对不同TS物料在笔者课题所用反应器中的模拟结果分析：随着TS含量的增加，反应器内部物料的平均流速降低，混合效果减弱，物料流动的低速区域增大，高速区域减少。

(4)讨论了TS 20%的物料在不同高径比反应器中的流动特性变化，随着反应器高径比的增加，反应器的有效体积增大，但物料在反应器中的平均流速降低，混合效果减弱。

笔者所做的工作主要基于CFD理论分析，在进行数值模拟时进行了合理的简化与假设。在实际过程中，反应器中温度的不均匀和密度的不均匀以及生成气泡对物料流动的阻碍等因素均会造成模拟结果与实际过程的偏差。但是这些偏差只是某些局部的细微偏差，笔者所关注的反应器中物料流动的整体流态分布与实际过程大致相符。因此利用CFD方法分析干发酵反应器的流场特性，具有一定的工程实践价值，在今后的工作中可以结合相关实验对反应器中物料的流场进行更加全面细致的分析。

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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

项目来源： “十二五”国家科技支撑计划课题(2012BAC25B07)

张新强(1986-)，男，辽宁营口人，助理研究员，研究方向为数值流动与传热， E-mail:canghai0331@163.com 通信作者： 张大雷，E-mail daleizhang:@163.com

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1000-1166(2017)01-0017-06