厌氧反应器三相分离器气液分离过程的模拟研究

訾 灿，李向东，陆飞鹏，童胜宝，郑晓宇

(光大环境科技(中国)有限公司，江苏 南京 210007)

随着城镇化快速发展和人民生活水平的日益提高，我国城镇生活垃圾清运量仍在快速增长，成为影响城市发展的重要因素[1]。城市生活垃圾一般采用直接焚烧或卫生填埋进行处理，在垃圾堆放或填埋过程中，由于重力压实、发酵等作用产生大量垃圾渗滤液。垃圾渗滤液水质成分复杂，有机污染物浓度高、氨氮浓度高、含盐量高[2]。目前垃圾渗率液主要采用厌氧好氧结合的方式。内循环厌氧反应器作为一种高效厌氧处理器，在垃圾渗滤液及其它污水处理领域得到广泛应用[3-5]。内循环厌氧反应器依靠提升管和回流管之间的沼气密度差形成内循环，从而增强液固传质，提升反应器处理效率[6-7]。三相分离器作为厌氧反应器核心部件，起到气液固三相分离作用，其沼气收集转移效率、污泥拦截率决定了反应器能否成功运行[8-11]。

三相分离器结构及工作原理较为复杂，主要包括反射板、通气槽、集气室及出气管，气体由反射板分离后经通气槽转移至集气室并由出气管排出。黄健[12]采用实验的方法探讨了回流缝宽度及沉降区高度对三相分离效果的影响。随着计算机的发展，数值模拟在厌氧反应器研究方面得到广泛应用，研究者建立二维或三维厌氧反应器模型并模拟内部流场，优化设计运行参数[13]。在二维模型中，三相分离器简化为单反射板并与出气管直接相连，于兴峰[14]等模拟了气液两相流场，考察了进水流量及反射板夹角对混合的影响；Sousa[6]等模拟了固含率分布，并与实验结果进行对比验证了模拟准确性；涂为媛[15]通过模拟气液两相流场，考察了反射板夹角及其安装高度对流场的影响；Pan[5]等模拟了气液固三相流场，考察了反射板角度对固相分离的影响；宁春雪[16]等在建立二维模型时，增加了反射板个数，通过模拟气液固三相流场探究回流缝宽度及沉淀区高度对气体分离的影响。厌氧反应器三维模型结构复杂，研究者在建模时同样进行简化，张敏华[17]等建立了含两层三相分离器的厌氧反应器模型，每层三相分离器含一个反射板并与出气管相连，模拟了气固相轴向高度体积分布；Camila[7]等建立了单反射板三维模型，通过模拟液相流场速度分布判断反应器死区范围，并得到实验结果。郝飞麟[18-19]等建立了含多个反射板的三相分离器，模拟了气液固三相流场，模拟发现液体上升流速对分离效率影响较小，而污泥回流缝宽度决定分离效率。

三相分离器工程运行过程中发现，三相分离器在气体转移排出过程存在不畅，影响三相分离效率。现有研究所由于未考虑三相分离器通气槽及集气室，尚未对气体转移排出过程进行剖析。本研究拟采用数值模拟方法，建立含反射板、通气槽、集气室及出气管的三相分离器三维模型，模拟气体转移排出过程，剖析气体转移排出不畅的原因，进而优化三相分离器结构设计。

1 数值模拟及冷模实验

1.1 模拟对象

模拟对象为图1～图3所示直径4.5 m、整体高度7 m的厌氧反应区域，该区域包含三相分离器。三相分离器A向侧视图如图2所示，三相分离器B向侧视图如图3所示。三相分离器包含三层反射板,1个集气室以及2根出气管。三层反射板交替重叠三相分离器高度2.0 m，反射板宽度为200 mm。集气室宽度500 mm，集气室顶部距上层反射板200 mm。两根沼气出气管直径均为100 mm。

图1 相分离器模型

图2 三相分离器A向侧视图

图3 三相分离器B向侧视图

1.2 模拟过程

模拟过程假设气液相为不可压缩且相间没有传质过程。厌氧实际过程涉及到气液固三相，固相为厌氧污泥，其密度一般为1050 kg·m-3与水的密度极为接近，因此研究者往往通过修正液相的密度与粘度考虑厌氧污泥对液相粘度密度的影响，进而将气液固三相系统合理简化为气液两相系统[7]。模拟过程中假设废水为连续相，空气为离散相，采用欧拉双流体模型描述气液两相运动，废水和沼气是相互渗透的拟流体。气相密度1.1 kg·m-3，粘度1.4×10-5Pas，气泡直径设置为1 mm[7]；废水密度为1020 kg·m-3，粘度为0.1 Pas，气液相温度为35℃。

模拟过程中多相流控制方程如下[20]：

气液相质量守恒方程：

(1)

(2)

式中：ε为体积分数；ρ为密度，kg·m-3；v为流体速度，m·s-1；g为气相；s为液相。

气液相动量守恒方程：

(3)

(4)

式中：τ为有压力应变张量；P为压力；βgl为气液相间曳力系数，本次模拟过程中选用Schiller-Naumann模型[14]。

1.3 模拟参数的设置与确定

边界条件：三相分离器下边界为速度入口，气液相速度均为0.0011 m·s-1，气相体积分数为0.2，气液相上升流速基于工业厌氧装置运行参数设计；上边界为压力出口；反射板、集气室、提升管及筒体均设为壁面，采用无滑移壁面条件。初始条件：水相为主相，空气为次要相。

求解设置：采用稳态计算，计算模型为非耦合求解，残差设置为0.0001。离散方法均采用二阶迎风格式，压力速度耦合方法采用SIMPLE[18]。模拟过程中监测进出口气相质量流量以及集气室提升管出口气相体积分数。

1.4 冷模实验装置

图4为冷模实验装置示意图。整个实验装置包括进水系统、进气系统、反应器系统、检测系统。进水系统包括：进水箱、进水泵、进水流量计，进水泵额定流量为6.3 m3·h-1，通过进水流量计调节进水量，模拟厌氧反应器进水。进气系统包括：进气流量计、减压阀，压缩空气经减压阀减压后维持进气压力稳定，通过调节进气流量计，气体经三个曝气盘进入反应器，曝气盘产生的气泡直径小于2 mm。反应器系统包括：反应器筒体、曝气盘、三相分离器。反应器内上升的气液经三相分离器分离，三相分离器收集的气体将携带水进入提升管，并由提升管进入后续的检测系统。检测系统包括：滤袋、出水水箱，滤袋过滤孔径为200目，出水水箱体积为0.5 m3。提升管内混合流体先经滤袋将固体颗粒拦截，然后气体所携带的水进入出水水箱，通过检测出水水箱液位的变化反映气相带水量。

1.进水箱; 2.进水泵; 3.进水流量计; 4.反应器; 5.曝气盘; 6.三相分离器; 7.进气流量计; 8.气体减压阀; 9.滤袋; 10.出水水箱

反应器整体高度为2.1 m,直径为1 m，三相分离器安装高度距反应器底部1.28 m。实验过程中，厌氧反应器由进水及进气系统分别调节进水量及进气量，模拟厌氧反应器上升的水及沼气，流量调节范围均为0.4～4 m3·h-1，进水量、进气量调节范围均参照工业厌氧罐上升流速及沼气产生量进行设定。水的密度为1000 kg·m-3，粘度为0.9 m Pas，空气密度为1.2 kg·m-3，粘度为1.8×10-5Pas，实验条件下温度为25℃。

2 结果与讨论

2.1 三相分离器气相分离过程模拟

利用稳态计算中监测的进出口气相质量流量计算气相收集效率，得到图5所示结果。由图5可知，气相收集效率在迭代3000次以后趋于稳定，即模拟结果达到稳定。模拟结果可用于后续分析。

图5 气相收集效率随迭代次数的变化

提取模拟得到的气相浓度分布、气相矢量分布，如图6，图7所示。图6反映了气相在反射板内的分离收集过程，上升气体首先被最下层反射板分离收集，未被收集部分由反射板两侧上行，并由上一层反射板进一步分离收集，经3层反射板分离收集后仍有少量气体逃逸至上层沉淀区。图7反映了气体在反射板与集气室之间的运动过程，由图7可知底层反射板收集的气体能较为顺畅的进入集气室，而上层反射板收集的气体难以向集气室转移，且出现气体由集气室向上层反射板转移的倒灌现象。

图6 X-Y截面气相体积分数及气相矢量分布

图7 Y-Z截面气相体积分数及气相矢量分布

图8为在进水、进气量均为3 m3·h-1条件下反应器内气液两相运动。气体在三相分离器内过程如图9、图10、图11所示，即气体首先被反射板分离收集，然后进入集气室，最后携带一定量的液体由集气室顶部提升管排出。图9表明气泡首先经最下层反射板分离收集，大部分气泡被最下层反射板分离收集；未收集部分由反射板两侧翻至中层反射板并被分离收集，仍有部分未被及时分离收集的气泡逃逸。图10为集气室向提升管气体转移的过程，集气室收集的气体在上部汇集，并在提升管内形成向上的两相流。图11为反射板与集气室间气体转移。实验发现最下层及中间层反射板气体转移过程较顺畅，但最上层反射板气体向集气室转移困难，并出现集气室气体向最上层反射板倒灌的现象。

图8 反应器内气泡上升过程(进水、进气量均为3 m3·h-1)

图9 三相分离器反射板内气泡分离收集过程

图10 三相分离器气体提升管内气泡运动

对比图6～图11可知，模拟结果与实验结果基本一致，模拟能够反映气相在三相分离器内分离收集以及气体在反射板与集气室间的转移，尤其是能够捕捉上层反射板的气体倒灌现象，进一步证明模拟结果的准确性。

图11 三相分离器反射板与集气室间气泡转移过程

由于气体运动受压力分布主导，提取如图12和图13所示的压力分布。由图可知各层反射板内压力存在差异，集气室内存在上高下低的压力分布。进一步提取图13中标注的P1～P4四个检测点的压力，分别为P1=160 Pa，P2=20 Pa，P3=140 Pa，P4=70 Pa。模拟过程中设置三相分离器底面为压力值为零的参考点。对比图12和图13及提取的压力值可知，集气室上部压力(P1)较上层反射板通气槽处压力(P2)大，导致气体由集气室向上层反射板倒灌。下层反射板通气槽处压力(P3)较连接处集气室压力(P4)高，因此下层反射板分离收集得到的气体能更顺畅地进入集气室。

图12 X-Y截面压力及气相矢量分布

图13 Y-Z截面压力及气相矢量分布

对于集气室而言，集气室内气体集中在顶部，造成集气室内上部压力高下部压力低的分布。同样，反射板内压力分布与缓存气体量有关，经过两层反射板的分离收集，仅有少量气体进入上层反射板。上层反射板缓存气量少，不易产生稳定的高压区以克服与之相邻的集气室压力，而且上层反射板通气槽面积相对较大，少量缓存的沼气无法实现气封，最终导致上层反射板气体倒灌现象的出现。

2.2 通气槽结构对气相收集的影响

小结2.1中通过模拟和实验发现了三相分离器上层反射板气体倒灌现象，并对这一现象产生原因进行了解释。气体倒灌影响了三相分离气体分离收集效率，为解决这一问题，对三相分离器通气槽开孔分布进行优化。图14和图15为通气槽开孔前后对比，图14为原有通气槽开孔方式，三层反射板的通气槽开孔大小一致；图15为改进后通气槽开孔方式，通气槽开孔面积随着反射板高度增加而减小，以匹配各层反射板沼气分离收集量的变化。

图14 原通气槽开孔方式

图15 通气槽改进开孔方式

图16和图17为改进模型模拟的气相浓度、压力分布及对气相矢量分布图。由图所示的气相矢量分布图可知，此时上层折流板气相倒灌现象基本消失。上层折流板通气槽变小，反射板内分离收集的少量沼气能够集聚形成稳定的气层，推动上层折流板内气体进入集气室，阻碍气体倒灌。与此同时，下层反射板分离收集的气体量最大，优化后下层反射板通气槽开孔面积最大，有助于气体更顺畅地进入集气室。通过检测模拟数据对比改进前后三相分离器模型的沼气收集效率，改进后模型沼气收集效率较原有模型提高10%。由此可知图17中所示的改进能够有效消除上层折流板气体倒灌现象，并增加沼气分离收集效率。

图16 改进模型Y-Z截面气相浓度及对应气相矢量分布图

2.3 集气室高度对气相收集的影响

根据2.2中模拟结果可知，集气室顶部压力大，上层反射板距离集气室顶部较近，容易出现气体由集气室向上层反射板倒灌的现象。本小结进一步研究集气室高度对气体收集效率的影响，探究增加集气室高度能否减弱气体倒灌现象。图18～图20为不同高度集气室模型。

图18 集气室顶部距上层反射板200 mm模型

图19 集气室顶部距上层反射板400 mm模型

图20 集气室顶部距上层反射板600 mm模型

模拟得到图21所示气相收集效率与出气管气相体积分数随集气室高度的变化。由图可知，随着集气室高度的增加，气相收集效率以及出气管气相体积分数均缓慢增加。为进一步解释集气室高度变化所产生的影响，提取了不同集气室高度下相同截面位置处压力分布、气相浓度分布以及对应的气相矢量分布图，分别如图22～图24所示。由图22～图24可知，随着集气室高度的增加，集气室顶部的压力不断增大，上层反射板与集气室连接处的压力变化不明显。因此，通过增加集气室高度无法明显减弱集气室上部高压区域对上层反射板影响。对比图22～图27可知，随着集气室高度的增加，集气室上部的气体集聚量不断增大，由此造成集气室上部压力增大。

图21 气相收集效率与出气管气相体积分数随集气室高度的变化

图22 集气室高度200 mmY-Z截面压力分布、气相矢量分布

图23 集气室高度400 mmY-Z截面压力分布、气相矢量分布

图24 集气室高度600 mmY-Z截面压力分布、气相矢量分布

进一步分析图22～图27中气相矢量发现，随着集气室高度的增加，上下层反射板进入集气室的气相运动速度均不断增大，下层反射板的增加更为明显，由此使得气相收集效率随集气室高度增加而增大。下层反射板进入集气室气相速度增加的原因，可能是由于集气室轴向空间随集气室高度增加而加大，气液相流场在轴向上能够上升的距离加长，使得运动速度加快。

图27 集气室高度600 mm Y-Z截面气相浓度、气相矢量分布

3 总结

本文建立了含反射板、通气槽、集气室及出气管的三相分离器三维模型，采用欧拉模型对其内部气液流场进行模拟，剖析了气体分离收集转移的过程。模拟表明三相分离器上层反射板存在气体倒灌现象，并得到实验验证。进一步提取集气室及反射板内部气相浓度及压力分布，发现集气室由于内部气体浓度分布呈现上大下小的压力分布；上层反射板收集气量少且通气槽面积大，无法在内部形成稳定的高压区以克服相邻集气室的压力，进而导致气体倒灌。在气体倒灌得以剖析的基础上，提出了梯度分布通气槽开孔，减小上层反射板通气槽面积的同时增加下层反射板通气槽面积，使通气槽面积与各层反射板气体收集量匹配。模拟表明优化后通气槽能够保证上层反射板内部形成稳定的高压以消除上层反射板气体倒灌，并有助于下层反射板所收集气体的转移，最终提升三相分离器分离效率。研究进一步考察了集气室高度对气体倒灌现象的影响，结果表明随着集气室高度的增加集气室顶部压力不断增加，无法减弱气体倒灌现象。

图25 集气室高度200 mm Y-Z截面气相浓度、气相矢量分布

图26 集气室高度400 mm Y-Z截面气相浓度、气相矢量分布