內循環式漿料好氧發酵反應器的流場與傳熱分析及其參數優化

石貴振，王永江

華中農業大學工學院，武漢 430070

反應器式好氧堆肥技術作為農業廢棄物減量化、無害化和資源化的重要技術之一[1-2]，是國內外廣泛應用于處理畜禽糞污的一種有效手段。堆肥反應器是一個密閉式的系統，具有對外界環境依賴性小、占地面積少、可實現連續和穩定處理物料等優點，在環境保護和促進農業綠色可持續發展方面具有重要的應用價值[3-4]。常規的堆肥反應器大都以畜禽糞尿為原料，再添加粉碎后的農作物秸稈作為調理劑。這種混合而成的半固態堆料(含水率為55% ～ 70%)為多孔介質結構[5]，具有一定的孔隙率，以保證好氧環境。但這種堆肥方式原料預處理過程繁雜，發酵周期漫長，增加了經濟成本與時間成本。相關研究表明，在保證氧氣充分和有機底物充足的條件下，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、流動性強和便于管道輸送等優點，內循環式漿料好氧發酵反應器擬直接采用漿料狀糞污作為發酵原料，合理結合工程技術手段，確保糞漿料在氧氣充分、水分充足和溫度適宜的環境下進行好氧發酵，以期在簡化發酵工藝的同時，有效提高有機質的降解速率，獲得有機碳被消耗的糞水混合物[6-8]。開展內循環式漿料好氧發酵反應器的研究，對實現糞漿料的高效處理具有一定意義。

目前，現有的漿料直接好氧消化反應器主要由加熱系統、攪拌系統和曝氣系統組成。張帆等[9]采用自熱高溫好氧消化 ( auto-heated thermophilic aerobic digestion，ATAD ) 反應器降解質量分數為5%～8%的污泥，通過機械攪拌提高污泥的流動性，在反應器底部裝置微孔曝氣盤以實現污泥供氧，由于攪拌不夠充分，導致反應器中存在局部厭氧環境。李文浩等[10]在ATAD的基礎上，通過增加內筒的方式使得污泥漿料在反應器中處于連續的內循環狀態，這種循環方式有效地改善了污泥的流動性，但反應器未配置加熱系統，污泥的初始溫度較低，發酵啟動時間長。朱南文等[11]在好氧消化池中安裝了污泥循環管和污泥循環泵，實現了污泥漿料在垂直方向上的循環流動，但管道和污泥泵易出現堵塞問題，難于檢修和維護。研究表明，提高漿料的流動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，縮短好氧發酵的啟動時間[11-13]。流場體現漿料的流動速度和運動軌跡，表征漿料流動性的好壞。溫度場體現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，開展漿料流場與溫度場的研究對反應器的優化設計具有重要指導作用。

本研究基于計算流體力學軟件，采用層流模型和能量方程對內循環式漿料好氧發酵反應器的工況進行數值模擬，以轉速和加熱溫度為試驗因素，流場和溫度場為試驗指標，探討不同工作參數對漿料流動特性與傳熱特性的影響，為反應器的參數優化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

豬糞原料取自華中農業大學種豬質量檢測中心，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，導熱系數為(0.514 2±0.018 1) W/(mK)，比熱容為(4 094.47±66.18) J/(kg℃)。

1.2 反應器

反應器主要包括攪拌系統、曝氣系統和加熱系統[15]。在攪拌系統中，依靠攪拌器的螺旋提升力、漿料的自身重力和導流筒的引流作用，使得漿料在反應器中處于連續的內循環狀態，以提高漿料的流動性[16-17]。在曝氣系統中，由曝氣盤從罐體底部曝入空氣，增加漿料中的氧含量。在加熱系統中，采用循環水浴的加熱方式對反應器壁面進行熱補償，改善漿料的溫度條件。攪拌器的外徑×內徑×螺距×厚度為200 mm×60 mm×160 mm×5 mm；罐體內徑為350 mm，高度為570 mm，實際容積為51.95 L，有效容積約為40 L。如圖1所示，其中圖1A為反應器示意圖，圖1B為根據反應器設計尺寸搭建的小型試驗臺架。

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

1.3 仿真試驗理論計算

豬糞漿料在反應器中的運動為三維瞬態問題，其過程遵循質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。

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

(1)

2)動量守恒方程。在微元體中，動量對時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。對于不可壓縮黏性流體的動量守恒方程可表示為[18]：

(2)

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

3)能量守恒方程。微元體的總能量(內能與動能之和)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微元體所做的功[18]。

(3)

式(3)中：E表示單位質量流體的內能，J/kg；τ表示應力，N；λ表示流體的導熱系數，W/(mK)；T表示開爾文溫度，K；q表示熱流密度，表示流體微團總能量(包括內能和動能)的變化；表示體積力對流體微團做的功，J；?表示表面力(壓力和黏性力)對流體微團做的功，J；?(λ?T)表示流體微團通過熱傳導從外界獲得的熱量，J；ρq表示流體微團通過輻射從外界獲得的熱量，J。

1.4 仿真試驗設計

基于計算流體力學軟件，分別針對不同轉速對漿料循環效果的影響以及攪拌狀態下不同加熱溫度對漿料升溫的影響，開展單因素仿真試驗，確定較優的工作參數。

1)不同轉速對漿料循環效果的影響。選擇轉速分別為60、120、180、240 r/min，進行仿真試驗，分析漿料運動的流場和攪拌器的單轉循環流量(單轉循環流量體現攪拌器平均每轉的提料量，可與流場耦合分析，用于表征漿料循環效果的好壞)，結合流體的飛濺情況，確定較優轉速。

2)不同加熱溫度對漿料升溫的影響。為考察不同壁面加熱溫度對漿料升溫的影響，選擇加熱溫度分別為45、50、55、60 ℃，進行仿真試驗。試驗的轉速、加熱時長和流體初始溫度分別為120 r/min、5 min和15 ℃。分析溫度場和漿料平均溫度變化，確定較優的加熱溫度。

1.5 驗證試驗

利用圖1B中的小型試驗臺架作為實際裝置，分別開展流速與溫度分布的驗證試驗。驗證試驗與仿真試驗條件一致，轉速為120 r/min，加熱時長為5 min，漿料的初始溫度為15 ℃，壁面加熱溫度為55 ℃。模擬數據與驗證數據的取值位置相同，且均取裝置運行至第300 s時刻的值做驗證分析。如圖2所示，line1上的流速分布體現導流筒出口處漿料的流速變化，漿料的流動狀態易于觀察和測量，便于開展驗證試驗，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動的過程中，不斷獲得熱壁面提供的熱量，體現漿料的升溫過程，故將line2作為溫度的取值位置。

圖2 模擬數據取值位置Fig.2 The location of the simulated data

1)流速驗證。流速的模擬數據取值為line1上，由左至右的速度變化數據。以line1的左端為原點，從左往右每隔14.5 mm取1個點，起點為14.5 mm處，終點為145 mm處，共取10個點進行流速驗證。line1與水平線平行，距離導流筒頂端40 mm，距離攪拌軸和反應器內壁的距離均為10 mm，長度為145 mm。利用錄像機，對試驗臺架中與line1取值位置對應處的漿料流動過程進行視頻拍攝。采用視頻編輯軟件，將單位時間內漿料的流動過程分成60幀，每幀為1/60 s。測量每幀內漿料的運動距離，由距離與時間之比計算得到流速的實測數據，每個點測量3次，取平均值。

2)溫度分布驗證。溫度分布的模擬數據取值為line2上，由上至下的溫度變化數據。以line2的頂端為原點，從上往下每隔38 mm取1個點，起點為38 mm處，終點為380 mm處，共取10個點進行溫度驗證。line2垂直于水平線，距離反應器內壁20 mm，上下兩端均與導流筒兩端對齊，長度為380 mm。在試驗臺架中，與line2取值位置對應處布置10個熱電偶溫度探頭，由測溫儀表讀取溫度實測值，進行3次重復試驗，取平均值。測量儀器包括熱電偶K型探針，K型測溫儀(-50～1 300 ℃)。

3)相對標準偏差。相對標準偏差體現仿真值與實測值的吻合程度，不同驗證點之間的數值均不同，對于有多個驗證點的仿真值與實測值的相對標準偏差，采用如下方法計算[19]。

(4)

2 結果與分析

2.1 幾何模型與網格劃分

為提高仿真精度并節約計算成本，仿真模型省去了金屬實體部分，保留做循環運動的流體區域，其余部分作壁面處理。流體域分為內部流體域和外部流體域，2個流體域之間通過Interface實現信息交換(圖3)。

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

2.2 不同轉速對漿料流場的影響

如圖4所示，轉速為60、120 r/min時，非攪拌區域的速度區間為0.01～0.27 m/s，流速矢量的波動小，漿料運動軌跡與循環方向一致性較好，漿料在該轉速范圍內得到有效循環，循環速率隨轉速增大而增大。轉速升高至180 r/min時，非攪拌區域的速度區間為0.02～0.39 m/s，流速矢量的波動較大，漿料的運動軌跡開始紊亂，在釜底導流筒入口處出現與循環方向相反且呈150°～180°夾角的速度矢量，反循環方向運動的流體對整體循環造成一定阻礙。當轉速繼續升高至240 r/min時，在導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。

轉速分別為60、120、180、240 r/min時對應的單轉循環流量分別為2.24、3.77、1.38、2.33 L/r。結合圖4可知，轉速為60、120 r/min時，漿料得到連續、穩定的循環，單轉循環流量隨轉速的升高而增大，且在120 r/min處達到最大值3.77 L/r；轉速為180 r/min時，因釜體底部出現反循環運動的流體，循環受阻，單轉循環流量下降至1.38 L/r，較60、120 r/min，其循環效果較差；轉速為60、120、180 r/min時，均未出現流體飛濺現象。當轉速達240 r/min時，因流速過大引起流體飛濺，故240 r/min的單轉循環流量不做討論。

綜上分析，轉速為120 r/min時，非攪拌區域漿料的速度區間為0.01～0.27 m/s，流速矢量的波動較小。此外，在120 r/min工況下，漿料具有更高的循環速率，攪拌器的單轉循環流量為3.77 L/r。因此，120 r/min適合作為反應器的工作轉速。

2.3 不同加熱溫度對漿料溫度場的影響

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個區域：一是與壁面直接接觸，且隨著循環方向向內部流動的區域(標記為①區域，如圖5D所示)，各模型在該區域的溫度分別為31.24、34.11、37.43、39.67 ℃；二是未與壁面直接接觸，且隨著循環體一起循環的區域(標記為②區域，如圖5D所示)，各模型在該區域的溫度分別為33.47、36.55、39.68、42.04 ℃，后者溫度均大于前者溫度。這是因為金屬壁面的導熱系數大于漿料的導熱系數，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較大，換熱量小，故在2個區域之間形成了一定的溫差。各區域內的溫度值基本一致，表明循環流動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內升溫速率較快，60 s后升溫速率相對緩慢且平穩。這是因為開始加熱時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。加熱時長為5 min時，各模型的平均溫度分別上升了14.63、18.86、21.98、24.06 ℃。可知，加熱溫度越高，升溫速率越快。研究表明，適宜的好氧發酵溫度為45～55 ℃[1-2,6-7]，當加熱溫度為60 ℃時，反應器壁面溫度過高，可能會對漿料的好氧發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，可使漿料平均溫度由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 流速驗證

由圖7可知，在導流筒出口處，流體在徑向由內向外的速度變化表現為先增大后減小趨勢。流速實測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與實際流體均勻性不符所導致，此外，模型的網格質量和計算設置也會對模擬結果造成一定的影響。根據試驗結果，流速的實測值與模擬值吻合良好，相對標準偏差為14.29%。

圖7 line1上的流速實測與模擬結果Fig.7 Measured and simulated results of flow velocity on line1

2.5 溫度分布驗證

流體貼著壁面自上而下流動，其間不斷獲得熱壁面提供的熱量，因此，其溫度變化表現為不斷升高的趨勢。整個過程，模擬值上升了0.63 ℃，實測值上升了0.46 ℃(圖8)。溫度實測值與模擬值存在偏差，這是因為實際測量時，由于裝置導熱以及流體與空氣的對流換熱帶走部分熱量，形成熱量損失，導致實測值普遍低于模擬值。溫度實測值與模擬值的相對標準偏差為10.78%。

圖8 line2上的溫度實測與模擬結果Fig.8 Measured and simulated results of temperature on line2

3 討 論

隨著好氧發酵反應器研究的持續深入，對反應器的研究手段提出了更高的要求。仿真軟件是一種功能強大的研究工具，可根據反應器的工況進行數值模擬，模擬結果為反應器優化設計提供指導，大幅度縮短了裝置的開發周期[20-22]。本研究基于計算流體力學軟件，研究了不同轉速對漿料循環效果的影響，結果表明：轉速為120 r/min時，非攪拌區域漿料的速度區間為0.01～0.27 m/s，流速矢量的波動較小，漿料具有更高的循環速率，攪拌器的單轉循環流量為3.77 L/r。攪拌狀態下不同加熱溫度對漿料升溫的影響研究結果表明：壁面加熱溫度為55 ℃時，反應器在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。利用小型試驗臺架開展了流速與溫度分布的驗證試驗，結果表明：流速實測值與模擬值的相對標準偏差為14.29%，溫度實測值與模擬值的相對標準偏差為10.78%。模擬結果與實測結果一致性較好，在一定程度上證實了模型的可靠性。