基于Fluent流場模擬的半干式連續厭氧發酵反應器的設計及中試試驗

李 靖，張 重，趙國明，袁存亮，李愛芹，丁 偉

(吉林省農業機械研究院, 吉林 長春 130022)

隨著畜禽養殖業的飛速發展，畜禽糞便的產生量也十分巨大，據統計，我國畜禽糞污每年所產生的COD的排放量是我國工業總COD排放量的5倍以上[1-2]，如何合理地將畜禽糞便無害化處理已經成為當下一種主要的研究方向。目前厭氧發酵處理工藝已被廣泛應用于畜禽糞便的無害化處理，并且還可在處理畜禽糞便的同時產生沼氣作為清潔能源而被廣泛利用。常見的畜禽糞便的厭氧發酵處理工藝可分為濕式與干式兩種[3]，近幾年又將發酵物料TS在15%～25%的稱為半干式厭氧發酵技術。基于環保與節能基礎上，我國畜禽舍現多為干清糞，其物料TS濃度在10%～25%，水分含量少[4]，故而半干式厭氧發酵技術更適合于畜禽干清糞便的處理。

根據文獻顯示，厭氧發酵技術雖然存在很多優點，但是反應器的設計與推廣上仍存在許多問題[5]，對于畜禽干清糞便來說，一是反應物料濃度過高，易出現中間產物例如乙酸等物質的積累，從而造成反應物料的酸化，進而阻止厭氧反應的進行；二是反應基質的不均勻性[6]，使得厭氧發酵反應體系不易控制，從而造成連續運行的不穩定性；三是攪拌阻力大，畜禽干清糞便厭氧發酵時的物料濃度高，攪拌阻力大，物料的攪拌混合困難[7]。

國內外學者近年來針對畜禽糞便厭氧發酵反應器進行了深入研究，趙蘭蘭[8]等在傳統CSTR反應器的基礎上對外形進行卵型結構設計，提高厭氧發酵混合效果進而提升厭氧發酵產氣效率，但整體物料濃度基本維持在8%～10%，對于干清糞便物料濃度來說仍需進行稀釋，進而增加反應器負荷。楊開宇[9]等在畜禽糞污厭氧發酵產甲烷反應器選型中也認為在畜禽糞便濕法發酵中，應選擇CSTR式厭氧反應器進行，但隨著技術的不斷發展，考慮節能減排的因素，傳統的濕法發酵技術在處理干清糞便中已出現很大的局限性，而國外一些研究學者則主要針對干式厭氧反應器進行了大量研究，其中最常見的3種典型連續式單相干發酵反應器為Dranco、Kompogas、Valorga。其中比利時的Dranco[10]干法反應器多處理經分類后的有機廢棄物，其最大特點就是可將發酵剩余物回流至反應器內二次發酵，但由于未設置機械攪拌裝置，難以解決干清糞便厭氧發酵時的發料問題。此外，BEKON[11]工藝與BIOFerm[12]工藝都是采用高溫干式厭氧發酵技術，在發酵過程中并未設置攪拌裝置，并且無好氧堆肥階段，但針對干清糞便的處理來說，高溫厭氧發酵會加速干清糞便的水解酸化進程，無攪拌裝置，易造成畜禽糞便的酸化及發料，從而抑制厭氧發酵的進行。

盡管國內外許多學者對厭氧發酵反應器都開展了大量的研究，但針對干清糞便處理的半干式厭氧發酵反應器的研究尚存在空白。因此本文設計了1種適用于處理干清糞便的300 m3的半干式連續厭氧反應器，并對其進行結構參數的計算設計及強度分析，模擬仿真物料在罐體內的運動情況，進而為半干式厭氧發酵方式提供高效有利的厭氧發酵反應器。

1 半干式連續厭氧反應器總體設計與工作原理

經過設計的半干式厭氧反應器其結構如圖1所示，厭氧反應器主要由發酵罐體、增溫換熱盤管、攪拌裝置、進出料口及出料絞龍、攪拌電機、保溫層組成。當厭氧反應器正常工作時，畜禽干清糞便由進料口勻速進入厭氧發酵罐體中，當裝料濃度達到總發酵罐體體積的80%時停止進料，并且增溫換熱盤管進行工作，在太陽能輔助增溫條件下對盤管內的熱水進行循環加熱，使其內部物料溫度維持在(35±2)℃范圍內，之后每隔4 h攪拌電機開始工作，采用星型臥式布置的攪拌軸在工作時能將物料實現沿攪拌軸周向運動與沿罐體周向的運動，從而使物料與底物充分接觸，進而提高厭氧發酵產氣效率，當完成厭氧發酵進程后，物料將在底部絞龍與出料口的共同作用下完成出料。

1.進料口；2.發酵罐體；3.出料口；4.攪拌電機；5.出料絞龍；6.攪拌裝置；7.換熱盤管；8.罐體頂蓋

2 半干式厭氧反應器關鍵部件設計及有限元分析

2.1 發酵罐體結構參數設計及有限元分析

2.1.1 發酵罐體結構參數設計

通過對比國內外畜禽糞便厭氧發酵反應器及物料基本特性，最終確定反應器的發酵罐體設計成圓柱形結構，外形設計為矮胖型，既能節約構造材料，還可以解決垂直方向上傳質不均的問題。

本次研究以總體積300 m3為例設計反應器，考慮厭氧發酵罐體頂部需要留有一定的空間用于排氣與防止溢流，故而填料量為總體積的80%，所以罐體有效容積為240 m3，如圖2所示。本厭氧發酵罐采用臥式攪拌裝置星型結構布置，通過攪拌使罐內料液圍繞圓柱罐體的中心軸形成轉動，則發酵罐體內傳質相對不充分區域沿垂直方向的投影為圖3中的陰影部分。

圖2 發酵罐體結構示意圖(透視)

圖3 厭氧發酵罐二維簡圖

需滿足傳質相對不充分區域投影面積占總面積比≤10%，選取占比為8%，則最終可確定，發酵罐體的直徑D=11.04 m，料液高度H料=2.51 m。在保持厭氧發酵罐體直徑不變的情況下最終確定厭氧發酵罐高度H=3.13 m，滿足發酵罐體要求。厭氧發酵罐體材料選擇Q235鋼材，根據圓柱型罐體的相關最小壁厚計算公式同時考慮到鋼板的負偏差與腐蝕余量，最終選擇厭氧發酵罐罐體材料最小壁厚為8 mm的Q235鋼板。

2.1.2 發酵罐體的有限元分析

厭氧反應中，發酵罐體為厭氧發酵設備中的核心功能部件，利用三維設計軟件SolidWorks中創建了發酵罐體的三維圖，由于在實際工作過程中罐體內部設置正負壓保護器，因此發酵料液只會對發酵罐體底部與側壁產生壓力，故而在分析時簡化發酵罐體頂蓋，采用無頂蓋時三維圖進行力學分析，賦予發酵罐體模型材料參數。根據厭氧發酵罐內在實際工作情況下裝料80%時，罐體底部與側壁焊縫處受到物料產生的重力載荷與壓力載荷，在此種情況下，罐體底部受到壓力為固定約束，側壁焊縫處受到壓力為均布載荷，方向垂直于側壁。

由圖4和圖5的應力圖與總變形量云圖中可以看到，厭氧發酵罐體最大應力在罐體的底部與側壁的焊接處，在發酵罐體正常工作下會產生垂直側壁向外的拉力，因此受到最大應力為0.6007 MPa，最大應力小于材料Q235的屈服強度185 MPa，符合設計要求。

圖4 厭氧發酵罐體有限元應力云圖

圖5 厭氧發酵罐體有限元總變形量云圖

2.2 攪拌裝置的結構參數設計及有限元分析

2.2.1 攪拌裝置的結構參數設計

實現物料的攪拌需要輸入動力，即為攪拌功率。由于攪拌功率受葉翅形狀，物料粘度等因素的影響，故而，在進行攪拌裝置的設計時需計算攪拌功率。根據公式(1)可計算出攪拌功率[13]，其中，攪拌功率受功率準數、物料密度、攪拌速度與攪拌直徑等因素有關，故而需計算功率準數。

P=NPρN3d5

(1)

根據設計要求，本次設計所選擇的葉翅結構形狀近似于MIG式攪拌葉翅，在計算功率準數時近似于多層平直槳葉，利用永田進治的攪拌功率計算式[14]，得:

(2)

式中：μ為物料粘度；b為槳葉寬度；d為攪拌直徑；D為攪拌槽內徑。

以干清牛糞為例，利用NDJ-5S數顯粘度計測得物料粘度為19668 mpa·s，雷諾數Re=60.86，屬于較高粘度，所設計的槳葉類型可近似為4層平直槳葉，其攪拌介質粘度范圍通常為<50000 mPa·s[15]。由于本論文所設計反應器攪拌類型為臥式攪拌，故而，攪拌槽內徑可近似選用料液高度，即D=2.51 m，根據規定，攪拌直徑與攪拌槽內徑的比值d/D在0.5～0.98，為增加攪拌解除面積，提高攪拌效率，故而將比值選為0.98，即攪拌直徑d=2.4598 m。經過公式(2)的計算可得功率準數Np=5.79[15]。由于，干清糞便的粘度過高，故而設計轉速條件時選取10 r·min-1。經過公式(1)的計算，單個攪拌軸功率為2.87 kW。

為實現攪拌軸的受力平衡，本論文在設計時將葉翅以螺旋形式分布，并且設有螺帶，可以使物料沿軸向運動。故而，螺帶在攪拌時消耗功率需進行計算，可將其近似于螺桿式攪拌器，其中，功率計算公式同(1)，但功率準數的計算略有不同，根據前蘇聯OB B BacH ∏ C等人對螺桿式攪拌器的功率準數的研究提出計算式公式為:

(3)

式中：Re為雷諾數；h為螺帶高度；dj為螺帶直徑。

本次所設計的螺帶條數為Z=1，dj=1.36 m，由于反應器中心需設計一個內中柱作為星型臥式攪拌軸的支撐底座，故而螺帶高度h=4.91 m。經過計算可得，螺帶的功率準數Np=4.15，故而單條螺帶的攪拌功率P=0.11 kW。故而，經過計算單個攪拌設備的總功率P=2.98 kW，取整為3 kW。通常電機的傳動效率為0.91，則單個攪拌設備的3.3 kW，根據常規電機功率規格表，取電機功率為4 kW的電機，攪拌軸及攪拌葉翅示意圖如圖6和圖7所示。

圖6 攪拌軸結構示意圖

圖7 攪拌葉翅結構示意圖

通過最終計算，可以求得抗扭截面系數9.285×105 mm3，對于空心軸內外徑之比通常取0.5～0.7，可求得最小外徑D=116.98 mm，對最小外徑進行取整得D=184 mm，則內徑d=128 mm。

2.2.2 攪拌軸與攪拌葉翅的有限元分析

利用SolidWorks軟件，創建攪拌軸及攪拌葉翅的三維模型，如圖8所示。

圖8 攪拌裝置三維模型

將圖8所示的攪拌裝置的三維模型導入SolidWorks Simulation模塊內，賦予攪拌軸與攪拌葉翅的材料參數。約束和壓力添加完畢后，利用SolidWorks Simulation的Direct Sparse求解器進行求解。由圖9和圖10可以看出，攪拌軸與攪拌葉翅的最大應力集中在攪拌軸與電機連接端，最大應力為34.76 MPa，小于Q235鋼材的屈服強度185 MPa，符合設計要求。

圖10 攪拌裝置有限元總變形量云圖

3 半干式厭氧反應器流場數值模擬

3.1 workbench中模型的建立與網格劃分

模型形狀與實際形狀基本相同，計算域選取攪拌區域與反應器其他區域，網格劃分如圖11和圖12所示，546216個網格數，108150個節點數。

圖11 整體網格劃分圖

圖12 攪拌裝置區域網格劃分圖

3.2 邊界條件的設置及初始參數確定

本次選取求解器湍流模型，將流體的計算區域與邊界進行初始化，初始速度為0，殘差的收斂曲線設置為0.001，進行迭代計算，直至結果收斂。對攪拌裝置的轉速、物料的粘度等進行設置，不考慮反應的進行，只考慮混合流動情況。設置轉速為10 r·min-1，轉動方向沿攪拌軸順時針，設置負方向重力加速度g=9.8 m·s-2，物料粘度設定為19.668 Pa·s，密度1187 kg·m-3。

3.3 結果及分析

當轉速為10 r·min-1時、粘度為19.668 Pa·s時，反應器內物料的速度矢量圖及運動軌跡圖如圖13和圖14所示。沿攪拌軸軸向方向可以看出，攪拌軸附近的物料速度基本一致，可穩定在0.0104 m·s-1，而在攪拌葉片外徑處速度達到最大，可達0.0174 m·s-1。由于物料混合的多樣性與不同物料具有的復雜流變特性，在進行攪拌時，由于物料的粘度較高，在粘滯力的影響下會出現部分的層流狀態。此外，從圖中可以看出，物料以角速度旋轉方向做沿攪拌軸的周向運動，并且速度大小會沿著攪拌直徑方向呈線性增大，而在模擬過程中考慮重力場的影響，故而在底部出現轉速大的現象；此外在攪拌軸作用之外的其他區域，由于物料存在的粘滯力，可使物料隨著慣性出現沿罐體的周向運動，經過模擬后的流場速度分布基本與設計目標相符合，能夠實現物料的全混合無死角攪拌。

圖13 反應器物料運動速度矢量圖

圖14 反應器物料運動軌跡圖

4 中試試驗驗證

4.1 工程概述

為驗證該反應器針對畜禽糞便連續運行實際情況，吉林省農業機械研究院于乾安縣牧羊廠建立300 m3沼氣示范工程，該工程依托于吉林省科技發展計劃項目“畜禽糞便高濃度沼氣發酵及沼渣基質化利用技術裝備研究”，總工程占地1300 m2。工程運行處理畜禽干清糞便產生天然氣可供示范園區生產生活，沼渣渣液可固態、液態有機肥還田使用。實際工程如圖15所示。

圖15 300 m3沼氣示范工程

4.2 實際工程運行情況

本次工程運行原料以干清牛糞作為主要發酵原料，物料濃度可達16.4%，按接種比例30%進行投料，裝料容積為總體積的80%，裝料完畢后，開啟循環換熱系統與攪拌裝置，進行10 min低轉速攪拌使發酵罐體內部物料均勻勻質，之后循環換熱系統開啟，當物料溫度高于或低于(35±2)℃時，自動開啟或停止循環換熱以維持厭氧發酵罐體溫度；保持每4 h 1次，轉速為10 r·min-1，時長為2 min的間隙攪拌強度，當厭氧發酵反應進入產氣高峰時，開始連續進出料，并每天記錄產氣情況與設備的運行檢查。

本次半干式厭氧發酵反應器連續運行試驗產氣結果如圖16所示，本次干清牛糞連續厭氧發酵試驗，截取進入連續運行后的15天連續日產量，在厭氧發酵反應進入第7天開始進行連續進出料，在連續運行期間，平均日產氣量可達410.6 m3，并且平均容積產氣率可達1.37 m3·m-3d-1，整個連續厭氧發酵期內，干清牛糞能夠正常高效完整厭氧發酵，并且維持較高的產氣能力，可充分證明本次論文所研究的半干式厭氧反應器的工作性能，并值得推廣應用。

圖16 半干式連續厭氧發酵日產氣量變化

5 討論

5.1 對前人研究結果有所突破、創新的闡釋

(1)針對畜禽糞便厭氧發酵，目前我國常見的厭氧反應器為CSTR型，本次論文設計的半干式厭氧發酵反應器與CSTR型反應器相比結構與外型有很大差異，首先，常規的CSTR型厭氧反應器罐體采用細高型立式圓柱結構[16]，而本次論文所設計的半干式厭氧發酵反應器采用矮胖型立式圓柱罐體結構，在合理范圍內較小的高徑比能減少物料沿垂直方向上的分層，并且在大型沼氣工程中還可節省板材厚度，減少開支；其次，常規CSTR型反應器的機械攪拌為單一攪拌的小直徑攪拌葉翅方式，需利用低濃度物料自身的水力特點在機械攪拌參與時實現物料自下而上的運動[17]，但對于畜禽干清糞便來說屬高濃度物料，其粘度過高，CSTR型反應器的攪拌無法實現預期效果，而本文設計的半干式厭氧發酵反應器采用星型布置的臥式機械攪拌，不受物料粘度影響，能實現均勻傳熱傳質，攪拌效果較佳。因此，本文設計的半干式厭氧反應器可針對干清糞便進行高效處理。

(2)本文所設計的半干式厭氧發酵反應器在中試試驗中運行較為穩定，因半干式厭氧發酵反應器可滿足高濃度物料的厭氧發酵，并且厭氧發酵環境適宜，接種物比例合適，因此，反應周期較短，效率較高，較傳統的CSTR型厭氧發酵反應器的水利滯留期30 d相比，半干式厭氧發酵反應器的水利滯留期可縮短至20 d，并且在連續厭氧發酵過程中，畜禽糞便的降解率可達56.9%，連續厭氧發酵平均容積產氣率也可達1.37 m3·m-3d-1，較CSTR型厭氧發酵反應器的平均容積產氣率0.8 m3·m-3d-1有較高的提升[18]。

5.2 本研究需要說明的問題

本次論文所設計的半干式厭氧發酵反應器能高效處理濃度在12%～25%的農業廢棄物，不僅僅只適用于干清糞便的厭氧發酵，對于秸稈類原料，合理的攪拌方式可以避免物料的結殼及分層，進而達到高效運行效果。此外，由于設備可進行半干式厭氧發酵，發酵濃度較高，能避免經過厭氧發酵后產生大量沼液造成沼液難以消納的問題，因此本設備同時具有很好的推廣應用價值。在今后的研究中將會繼續加大對反應器運行時間的監測，從而確保反應器的穩定運行，并且還會增加對玉米秸稈連續厭氧發酵的研究，用以驗證反應器的處理能力。

6 結論

本文設計了1種針對畜禽干清糞便連續厭氧發酵的反應器，為畜禽干清糞便的無害化處理與資源化利用提供了1種新的處理設備及厭氧發酵工藝，并基于300 m3沼氣工程進行了實際運行試驗，最終得到以下結論。

(1)利用三維建模軟件SolidWorks對半干式厭氧反應器進行總體結構設計，基于發酵物料的理化性質、半干式厭氧發酵工藝及基本工作原理，對總體及關鍵部件進行設計計算機有限元分析，均符合實際生產需要與設計目標，值得推廣應用。

(2)通過流體數值仿真分析對半干式厭氧反應器進行流體力學仿真分析，進而模擬實際運行結果，在轉速為10 r·min-1的條件下，物料能夠實現在罐體內的全混合式攪拌，使物料沿攪拌軸周向旋轉的同時，實現物料沿罐體的周向運動，使得物料與底物的接觸更加充分，完全可避免在實際厭氧反應進程中發酵原料發料、結殼、分層等問題。

(3)通過300 m3沼氣工程實際運行情況來看，半干式厭氧反應器整機性能良好，能維持穩定的厭氧發酵環境，并且對于干清糞便的處理效果十分顯著，在連續運行期間，平均日產氣量能穩定在410.6 m3左右，平均容積產氣率可達1.37 m3·m-3d-1，工程運行穩定，值得推廣應用。