全混式厭氧發酵反應器優化研究進展

趙蘭蘭， 馮 晶， 趙立欣， 郭占斌， 姚宗路， 羅 娟

( 1.黑龍江八一農墾大學， 黑龍江 大慶 163319； 2.農業部規劃設計研究院，農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室， 北京 100125)

近年來，我國制定了一系列優惠政策，重點推進規模化沼氣工程建設，使得我國沼氣事業取得了長足發展[1]。目前，我國沼氣工程以完全混合式厭氧發酵工藝為主[2]，即采用完全混合式反應器(CSTR)。CSTR通過安裝攪拌裝置，使發酵原料和微生物處于完全混合狀態[3]，增加原料與微生物的接觸面積，提高混合效率，進而促進厭氧發酵過程。然而，目前大多數采用CSTR的沼氣工程由于混合效果不佳，導致運行效果較差，影響了沼氣產業的進一步發展。

影響發酵過程混合效果的因素主要有反應器結構、攪拌方式、原料特性、試驗溫度等[4]。其中，反應器結構與攪拌方式在沼氣工程建設完成時已經固定而難以調整，因此，對于沼氣工程而言更為關鍵。

國內外已開展較多攪拌方式對反應器內混合效果影響的研究，但對于反應器結構對于混合效果的影響研究仍有待進一步深入。筆者重點對CSTR反應器結構、攪拌方式等厭氧發酵過程及反應器內原料混合效果的影響進行梳理，并提出反應器結構的優化方法，以期為下一步深入開展相關研究提供參考。

1 反應器結構

CSTR反應器的結構對于厭氧發酵過程具有明顯的影響[5]，其主要原因在于反應器結構會影響物料的混合效果，進而對于物料的傳熱傳質過程造成影響[6]。CSTR反應器結構的關鍵設計參數主要有反應器高徑比和擋板。

1.1 高徑比(H/D)

在實際工程應用中，反應器可分為高罐形(H/D≥1)和低罐形(H/D<1)兩種結構形式[7]。國內外大量研究表明，高徑比在一定范圍內時，有利于厭氧發酵產氣。張波[8]針對糞便發酵進行研究，發現H/D為2.18的反應器發酵效果最佳。但是也有研究表明，H/D過高時，發酵效果變差。孫竹[9]對于填料鼓泡塔反應器的研究結果表明， H/D上升至8時，反應器傳質系數比H/D為2時低15%。

大量研究表明H/D主要對厭氧發酵傳質傳熱過程造成影響，進而影響厭氧發酵效率[10]。反應器的罐形越高軸向溫度的差異性越明顯[11]。劉瑞賽[12]的研究表明發酵罐的H/D在3～4的范圍傳質傳熱效果最佳。在一定范圍內H/D增大，可提高混合效果，但是當超過一定范圍再增大混合效果反而減弱。蘆漢超[13]經CFD模擬分析，H/D=0.75增加到H/D>1.00 后，反應器流場低速區增加；Ekundayo[14]經CFD模擬技術分析后表明，H/D=1.75比H/D=1.5時，高速區明顯減少5%～10%。張新強[15]對厭氧干發酵反應器H/D從1.5到3的反應器進行CFD模擬，低速區增加了近15%。這是由于混合物料受攪拌槳推動作用力較小，難以充分混合，產生混合死區[16]。

1.2 擋板

CSTR反應器內設置擋板，通過改變處于攪拌狀態的原料的流動方向，消除液面中間部分產生的下凹旋渦，提高混合效果，但同時物料混合能耗隨之上升約4～5倍[17]。大量研究表明，擋板的數量與擋板的結構對混合效果產生明顯影響[18]。

在一定范圍內增加擋板數量，可提高混合效果[19]。王袁隆[20]對攪拌式細胞反應器罐體壁均布擋板數量在2～6之間5種情況下的流場進行分析比較，發現均布5塊擋板時流場整體軸流性最佳。

擋板類型一般分為側壁擋板、底部擋板與混合使用3種類型。底部擋板可消除大部分攪拌作用引起的漩渦[21]，可縮短混合時間，并減少能耗20%左右；側壁擋板則提高混合均勻度；混合擋板則兼具兩者優點。諸士春[22]經過對底部數螺線擋板反應釜深入研究后，結果顯示底部擋板混合時間相比側擋板縮短了近30%，提高攪拌效率；楊浩[23]的研究結果側壁擋板提高了混合效果，再安裝底部十字擋板后，反應器內整體液體循環速度最大提升了15.7%。

此外，許琪[24]利用多重參考系-多相流模型研究實驗室污泥調理罐，結果表明擋流板寬度與調理罐內徑比最佳優化值為1∶20。

2 攪拌設計

2.1 攪拌方式

國內外目前在CSTR反應器設計中常用的攪拌方式主要包括立式攪拌、側式攪拌與氣體回流攪拌這3種類型。

2.1.1 立式攪拌

立式攪拌為典型的機械攪拌方式，攪拌速率可控，作用半徑大[25]。目前，單軸立式攪拌器的應用較成熟，但攪拌效率不高[26]。因此，國內外學者為提高混合效果已進行諸多研究：A Niedzielska[27]對立式螺旋混合的熱傳遞方面進行研究，發現直徑為d/D=0.94，帶間距p/d=0.25時，傳熱效果最佳；李永剛[28]發現立式多軸攪拌的功率消耗為單軸情況下(D=0.731 m)的2.8倍，但立式多軸攪拌器的制造成本更低；與側伸式攪拌相比，5%沉積面積時立式多軸攪拌節省20%能耗，且安裝維護更簡便。

2.1.2 側式攪拌

側式攪拌適應容器體積與物料粘度大的反應器。側伸式攪拌槳的直徑與攪拌功率相對較小，大量應用于沼氣工程等行業；而底側式攪拌在沼氣工程中不能充分實現發酵池的攪拌，應用相對較少。

側伸式攪拌下表觀流速對傳質的影響比立式攪拌明顯，都榮禮[29]認為是由于軸流槳對氣體的剪切力沒有立式攪拌中渦輪槳剪切力強，側伸式攪拌中混合原料并未穿越攪拌槳，因而傳質受表觀流速控制。

攪拌器安裝角度對混合效果影響也十分顯著。梁敬福[30]則認為攪拌器與池壁水平夾角為25°左右最佳；鄭曉東[31]研究側伸式攪拌槳發現攪拌軸水平偏轉角對功率準數的影響很小，均布式為最佳排布方式，最佳偏轉角為βopt=10°。

表1 不同攪拌方式對比

2.1.3 氣體回流攪拌

氣體回流攪拌是將發酵產生的沼氣加壓后，由反應罐底部沖入反應器內部，利用產生的氣流進行攪拌的同時對反應器進行加熱保溫[34]。國內外對于氣體攪拌與其他攪拌方式對比已有大量研究：王欣[35]經過實驗認為氣體攪拌與機械攪拌相比差別不大。然而Khursheed Karim[36]在高濃度混合發酵中，氣體循環攪拌比機械攪拌的混合效果提高約20%～30%[37]；而Michelan[38]發現在低濃度發酵的過程中，由于產沼氣量不足，導致沼氣回流混合效果差，因此認為低濃度發酵時不宜用氣體回流攪拌。目前則需要研究人員針對氣體回流攪拌的不足進行深入分析。經過綜合對比分析3種攪拌方式的優缺點，見表1。

2.2 攪拌槳

攪拌槳是攪拌器的關鍵部件，決定了反應器內流體的流型，而槳葉的結構形狀是攪拌槳性能優化設計的重要因素。目前國內外沼氣工程大多遵循經驗進行攪拌槳的選取，因此尋求攪拌器的準確選取依據目前顯得尤為重要。

國內外沼氣工程應用的攪拌槳的基本類型如圖1所示。

圖1 攪拌槳基本類型[39]

在沼氣工程中應用主要包括槳式、渦輪式和推進式攪拌器，其他攪拌器都是在其基礎上派生出來的[40]。攪拌器各類型特點見表2。

目前對于攪拌槳結構的優化改進已成為研究的熱點：德國 EKATO 公司開發的 Paravisc 槳葉類似于錨式槳的改進，把本為直臂的部分扭曲成大傾斜角度的螺帶形狀[41]，浙江大學劉悅[42]通過改進1種 45°三葉框式槳葉發明了 LY 框式槳葉(見圖2)。日本住友重機等公司則開發出最大葉片式、泛能式等攪拌槳葉[43](見圖3)。

表2 攪拌器主要類型表

圖2 槳葉

早期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現單軸組合槳存在傳質差異等缺陷[47]。因此國內外學者對攪拌槳的設計研究也從單一槳葉向組合優化方向發展，包括攪拌槳葉片個數對攪拌效果的影響。目前不同組合槳型已成為目前國內外攪拌器研究的熱點。

3 結構優化方法

目前對于CSTR反應器結構優化方法很多，大多是通過對混合效果的研究從而對反應器的結構類型進行優化：貝蒂數法、示蹤法、無因次歐拉數Eu、粒子圖像測速技術(PIV)、計算機斷層成像技術(CT)與計算流體動力學(CFD)仿真模擬。以上方法主要其優勢見表3。

圖3 新型槳葉

目前，CSTR的結構優化方法，一般根據相應混合指標，通過理論計算對反應器內混合均勻程度進行判斷，但目前多數研究利用軟件進行仿真模擬，可直觀反映整個流場內部的混合情況。

表3 結構優化方法總表

CFD技術的突出優勢周期短、成本低，對混合狀態模擬準確，已成為目前國內外研究的熱點。羅濤[52]利用Fluent對回流攪拌型混合物料厭氧發酵反應器的整體結構設計進行模擬分析后認為反應器中層混合效果最佳；周振[53]基于CFD方法對多段內循環厭氧反應器高徑比與曝氣盤安裝高度進行深度的改良性研究表明，高徑比為1.75時反應器流場情況最適宜厭氧反應器的運行；樊梨明[54]采用FLUENT軟件對斜葉槳和AFI槳發酵罐內流場進行數值模擬后發現兩相流較單向流狀態，AFI槳發酵罐內混合更均勻，同時攪拌功率較斜葉槳下降17.37%。

4 結論與展望

(1)反應器結構的關鍵影響因素主要包括高徑比和擋板，合適范圍內的高徑比能夠減少混合物料低速區域；擋板則有效消除混合物流攪拌狀態下存在渦流，提高混合均勻度。

(2)CSTR內攪拌器是傳質傳熱過程重要影響因素，主要因素有攪拌槳的結構類型、槳葉的安裝數量等，根據物料類型的不同，對攪拌器的合理選用，可縮短混合均勻時間。

(3)目前，國內外已有大量研究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，模擬結果準確的優勢，已成為各大反應器結構優化設計的研究方法。

(4)對于CSTR結構優化方法，可基于CFD方法，主要是根據混合效果指標對混合效果進行判斷，如混合效果不佳，利用CFD方法進行模擬分析，觀測混合效果分布不均勻原因，可對反應器的結構優化提供較高針對性。對于CSTR的結構優化方法將日益完善，以期本文可為后續研究提供借鑒和參考。