利用CFD方法優化沼氣發酵罐內流場形態的研究綜述

黃如一， 趙 鑫， 李 江， 熊 霞， 郭 亭， 薛慶文， 羅 濤， 龍恩深， 梅自力

(1.農業部沼氣科學研究所, 農業部農村可再生能源開發利用重點實驗室，四川 成都 610041； 2.樂山市農業科學研究院， 四川 樂山 614000; 3.四川省農村能源辦公室， 四川成都610041； 4.成都建筑工程集團總公司, 四川 成都 610000； 5.四川大學 建筑與環境學院， 四川 成都 610065)

沼氣是當今世界最具希望的可再生能源方式，兼具強大的環保和能源效益[1-3]，尤其善于處理數量巨大的有機廢水[4]。攪拌可以提升沼氣厭氧發酵的效率，顯著提升產氣率和污染物去除率[5-6]，現代沼氣工程普遍都要添加攪拌工藝來提高發酵效率[7]。然而從當前的工程實踐來看，大量工程采用了粗劣的攪拌工藝，對發酵效率的提升收效甚微，甚至消耗更多的能源[8]。造成這種現象的根源在于沼氣厭氧發酵罐必須嚴格厭氧封閉，人們無法對其內部流場進行準確的分析測試，于是設計人員在不掌握流場形態的情況下，隨意添加了一些攪拌措施，但實際流場形態很差，并不適用于其罐體形狀和原料特性[9]。

但現在計算機數值模擬方法可以在很大程度上解決這個問題，沼氣發酵料液的攪拌本質上是在外力作用下的流動過程，數值模擬計算可以幫助人們掌握其理論上的流動過程和流場形態。而隨著現代計算機技術的持續發展，沼氣發酵裝置內部流場的精確計算也變得越來越簡便可行[10]。目前應用最廣的流體力學數值模擬方法是計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)。2002年，美國北卡羅萊納州立大學的弗雷明(JG Fleming)發表了題為《Novel simulation of anaerobic digestion using computational fluid dynamics》的博士學位論文[11]，是第1篇系統論述利用CFD方法研究沼氣發酵料液混合攪拌流場形態的論文。此后，行業學者大量應用該方法及相關成熟商業軟件，在流場形態的研究方面取得了極大進展。由于攪拌提升沼氣發酵效率的根本機理尚不夠清楚，所以關于攪拌的具體方法，學界尚存一定爭議[12-13]。但是，利用CFD工具，研究人員可將攪拌所形成的流場可視化[14]，從而更加精確地驗證和指導攪拌方式的設計[15-16]，使沼氣料液攪拌領域的研究在很大程度上擺脫了不可視條件的束縛，提升至更科學、精準的可視化、數量化研究層面上來，是21世紀以來沼氣學界較為先進的一個研究方向[17]。

1 攪拌介質研究方面的應用

CFD數值模擬計算在沼氣料液攪拌研究領域的應用最主要集中于對攪拌時的流場形態進行分析，最常用的方法是對某種攪拌形式所能形成的流場形態進行模擬并繪制出流場形態圖，根據圖形進行分析，識別流場缺陷，改進攪拌方案。

使用固體、液體、氣體的介質均可對沼氣料液形成攪拌，所以攪拌被分為機械攪拌(槳葉攪拌、葉輪攪拌)、水力攪拌(射流攪拌、漿液回流攪拌、沼液循環攪拌)和氣動攪拌(沼氣回流攪拌)3個大類。關于3種攪拌介質的優劣，爭議較大，至今并無特別權威的定論[12-13]。僅從產氣率的提升效果方面來講，認為3種攪拌介質對產氣率的提升效果最大的提法均有，而且均通過實驗驗證了自己的觀點[18-20]。在上個世紀的沼氣工程設計中，90%以上采取立式連續攪拌發酵罐，用泵輸入的方式驅動槳葉轉動，對密閉厭氧發酵罐中的料液形成攪拌[21]。而現在，3類介質的攪拌均得到廣泛應用，利用CFD模擬研究3類攪拌形式也取得了較大進展。

比較3種攪拌介質的CFD模擬，其中水力攪拌是相對最簡單的一種，因為料液本身就屬于液相，如果在模擬中省略掉儲氣間部分，只對液柱進行模擬，便只有液相模擬對象，這樣模擬會相對比較容易[22]。氣動攪拌的模擬則需要將氣體處理成氣泡，但這種處理對于在氣流進入液柱之前的狀態是失之精確的[23]。而機械攪拌則是相對最復雜的一類，需要利用動網格來構建槳葉的模型，建模的復雜程度和運算量都比前兩者大很多[24]。不過目前的建模工具和電子計算機的運算能力都足以應付3類模擬工作，3類模擬的主要優劣如表1所示。

表1 3類攪拌介質的CFD模擬優劣特性

2 攪拌參數的優化研究

攪拌參數主要包括料液的動量傳遞、質量傳遞和熱量傳遞對生物化學反應的影響，本質上即化工行業的“三傳一反”。CFD模擬可以在一定程度模擬計算出傳遞過程。

2.1 動量傳遞

攪拌的首要目的是變靜態發酵為動態發酵，所以優化的目標應該是使更多動能輸運到更廣闊的空間去[25]。早在1981年，Monteith便使用粒子示蹤法，粗略地測量了罐內攪拌時的流速，提出了“死域(dead space)”和“動態混合區(activity mixed zone)”的概念，分別指攪拌時罐內流速太低的區域和流動性充分、混合良好的區域[25]。KhursheedKarim則將合速度絕對值低于最高值5%的區域定義為“弱攪拌區(poorly mixing zone)”，通過模擬計算發現采用28.32 L·h-1,56.64 L·h-1,和84.96 L·h-1,3種射流速度進行氣動攪拌，發酵罐內的弱攪拌區分別為31%,31%和27%。說明在低速區間，增大射流速度對流場的優化作用很小[26]。Mehul S Vesvikar用CFD試算了大量攪拌方案后，發現流場最差的情況下，弱攪拌區占罐體總容積的比例高達59.7%[27]，可見優化潛力巨大。而吳斌鑫則將合速度絕對值低于0.001 m·s-1的區域定義為“死區(dead zone)”，并通過CFD模擬計算驗證了死區就是攪拌動能的死角，就算增大射流初速度，甚至增大到5.7 m·s-1這樣的極端情況，亦只能使非死區的動能更加充沛，卻并不能減少死區所占的空間[28]。這也提示了我們，一味增加攪拌功率并不能改善流場形態，而只能通過優化設計來改善。

2.2 質量傳遞

通過攪拌來優化流場形態的一個重要目標是使混合發酵料液的相分布更加均勻。李淑蘭發現以秸稈為原料的厭氧發酵罐的上中下部位均可以產生浮渣，但產氣潛力分別只有0.08 mL·g-1,0.16 mL·g-1,0.23 mL·g-1，遠遠低于直接發酵[29]，所以應該用攪拌使他們混入到主體發酵料液中去。李洋[30]用一個高2800 mm,直徑50 mm的長筒型厭氧發酵罐進行豬場糞污的厭氧發酵實驗，發現經過數小時的重力沉淀，料液會分化成原污水和稀污水兩種形態。用濃污水、稀污水和未經分化的原污水三者分別進行獨立的厭氧發酵產氣實驗，產氣效率為濃污水>原污水>稀污水，而且差距明顯，所以需要通過攪拌來使更多區域充盈濃污水，減少稀污水。而羅濤[31]發現在長筒型厭氧發酵罐中，如果將料液從頂部投入，待其在重力作用下緩慢沉淀，沉淀過程中發酵效率表現極佳。黃如一[32]在此基礎上認為，攪拌能夠提升發酵效率的內在機理便是攪拌能使物料抵抗重力，長期保持一種懸浮于液柱中緩慢沉淀的狀態。這些物料混合的過程均可在CFD模擬中以相分布的方式體現出來，從而指導改進攪拌方式。李江還認為，發酵料液中除了含有氮(N)、磷(P)、硫(S)等厭氧甲烷菌生長的主要營養素，還含有鉀(K)、鐵(Fe)、鈷(Co)以及鎳(Ni)等微量金屬元素，亦是其生長的必備營養素，但這些元素在料液中含量很低[33]，在大型罐體中必須通過攪拌才能使他們擴散到大空間中去。但是這種微觀層面的相分布目前還不便于用CFD方法來標示。

2.3 熱量傳遞

攪拌的主要目的是使流場更加均勻，相分布更加合理，但同時也會對料液的溫度分布產生影響，而溫度也是影響沼氣發酵效率的重要因素[34-37]。溫度的變化不但顯著影響沼氣產量[38]，對沼氣成分也有顯著影響[39]。于宏兵[40]發現，70℃超高溫反應可在水解酸化階段顯著提升淀粉有機廢水的酸化率以及蛋白質水解率兩項指標，從而從源頭上大幅提升產氣率，而且70℃超高溫反應還可顯著降低沼氣中的硫化物含量，尤其是沼氣中最主要的致命毒氣硫化氫(H2S)[41]。所以，現代沼氣工程對發酵溫度的要求越來越高，這也需要用CFD方法更精確地描繪其溫度場[42-43]。如果一個厭氧發酵系統同時采用了攪拌和增溫兩項工藝，攪拌會使反應器內部的流體溫度場出現空間異質化現象，所以需要利用CFD方法精心設計其攪拌流場[44]。白衛東[45]還認為，溫度會改變介質的流變特性，在模擬計算中應一并考慮。罐體的傳熱也需要被考慮。羅濤利用CFD方法，設計了一種用先進的纏繞玻璃纖維絲作為厭氧發酵罐的保溫隔熱層，可在冬季使罐壁內的溫度比罐壁外高9℃，并取得0.49 m3·m-3d-1的日均產氣率[46]。王麗麗[47]通過CFD模擬，發現大型沼氣工程發酵罐的主要散熱途徑其實不是罐壁，而是頂蓋，提示了工程設計人員在罐壁保溫上耗費巨大，其實是舍本逐末。

3 罐體形狀的優化研究

罐體的形狀對流場起著關鍵性影響，是優化設計的主要方面，大量CFD研究表明，細微改變罐體形狀即可極大改變流場形態[48]。Vesvikar[49]在頂端進氣的氣動攪拌模型中，采用與豎直面呈60°夾角的罐底設計，可使弱攪拌區從59.7%下降到29.57%；采用25°夾角的罐底設計，可使弱攪拌區進一步下降到17.39%。Karim[50]比較了在相同攪拌工況下，罐底與水平面夾角呈0°,25°,45°這3種罐型，弱攪拌區分別為33.6%,31.9%,29.6%，可見影響顯著。牛學義認為罐型設計比攪拌方式更重要，并提出卵形罐體最有利于消除死角和沉積物，不過造價和維護成本太高[51]。魏炎光附和了他的觀點[52]。張戰鋒利用CFD方法比較了推流式反應器的進料管分別呈15°,30°,45°,60°,70°傾角時的內部流場，發現30°的死區最小，為反應器的結構設計提供了重要依據[53]。

罐體內部的形狀設計也對流場有著重要影響。Martí-Herrero用塑料環在沼氣池中設置格柵，優化其回流攪拌的流場，將產氣率提升了44%，并使沼氣池可在6.1℃極低溫度下順利運行[54]。Markus G[55]在CFD的指導下，優化設計了一種隔離式連續流反應器，在沼氣厭氧發酵罐內合適位置設置擋板，更大地優化了流場。在此基礎上，Stamou AI在CFD的指導下優化設計了一種導流墻，控制大型反應器中的流場，也極大地優化了流場形態[56]。D Angelo Sozzi和FariborzTaghipour[57]在CFD的指導下設計了L型和U型兩種罐型結構的水力攪拌裝置，并分別用歐拉法和拉格朗日法模擬計算其流場，結果發現U型結構會在射流入口的中心軸向附近產生不穩定的紊流，L型結構則能提供更加均勻、穩定的流場。

4 其它方面的優化研究

除以上幾個主要方面外，攪拌流場還在其它方面影響著厭氧發酵效率，其中一些也可以用CFD方法進行模擬計算。首先是水力滯留時間(HRT)。一般來說發酵料液的水力滯留時間越長，所產沼氣中的甲烷含量越高[58]。在一些處理化工廢水的反硝化處理厭氧發酵工藝中，水力滯留時間對COD和硝基酚的去除率更是至關重要[59]，而HRT恰恰是非常適合于用CFD軟件計算的[60]。

羅濤[61]利用CFD軟件計算了砂礫在攪拌中的流動規律，利用流態圖的指導優化設計了攪拌形式，將反應器的排砂率提升了281%，極大地優化了厭氧發酵環境。王玉恒[62]提出攪拌能夠提升發酵效率的原理在于攪拌的水力剪切力能夠破壞物料表面疏松的絮凝組織，露出密實的部分，從而增強物料與污水的表面接觸效果，但這個微觀過程目前尚難用顯微鏡觀察到，唯有用CFD方法可以在一定程度上模擬顯示出流動剪切應力的分布。在發酵液中利用固態載體形成生物膜有利于穩定傳質，濾去一些無用的油料[63]，趙慶良[64]發明了一種利用廢棄輪胎的橡膠顆粒作為掛膜載體的方法，實驗證明可以在傳統工藝基礎上提升50%～100%的生物膜量，這種方法便可以用CFD設計橡膠顆粒在發酵液中的分布。而楊平認為攪拌的速度需要嚴格控制，因為水力剪切力達到某個臨界值時，會造成生物膜的脫落[65]，對此，我們可以利用CFD方法模擬監控空間中“超速”的區域并加以優化控制。

5 結語

近十五年來，CFD成為沼氣科學領域越來越方便實用的研究方法。研究和設計人員利用CFD方法將沼氣料液流場可視化，依據流場形態圖優化設計攪拌的介質、功率、時長、時間間歇、罐體形狀、葉輪形狀、射流器形狀等多方面參數，極大提高了設計水平，是進入21世紀以來，沼氣科學研究和工程設計領域成果極其顯著的一次科技進步，并將在未來很長一段時間得到更大應用，成為行業的主流研究方向。