洪 巖,喬印虎

(安徽科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

沼氣是種清潔能源[1], 2000年以后歐洲的沼氣產(chǎn)業(yè)得到了迅猛發(fā)展[2],歐洲沼氣裝備將設(shè)計和應(yīng)用融合,較我國兩步分開進(jìn)行的發(fā)展模式自動化程度高很多[3]。現(xiàn)今,國內(nèi)使用大量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的沼氣攪拌反應(yīng)器,這種反應(yīng)器制作工期長,建造難度大[4]。本研究設(shè)計一種栓接拼裝板沼氣攪拌反應(yīng)器,安裝方便,并利用ANSYS對反應(yīng)器壁板進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化,期望對沼氣發(fā)酵反應(yīng)器的設(shè)計提供幫助。

1 反應(yīng)器種類及選型

設(shè)計前要考慮以下基本要求:

(1) 保證罐體的強(qiáng)度和剛度要求,確保安全可靠;

(2) 在滿足沼氣發(fā)酵的溫度狀態(tài)下,為保證發(fā)酵物混合均勻,需要在罐中安裝攪拌裝置[5];

(3) 控制反應(yīng)器成本,經(jīng)濟(jì)性要好。

TS濃度較高時,根據(jù)大中型沼氣工程技術(shù)規(guī)范[6]要求,應(yīng)采用完全混合式厭氧反應(yīng)器(CSTR)、升流式固體反應(yīng)器(USR)、或者高濃度推流式反應(yīng)器(HCPF)。USR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單,發(fā)酵物料從底部進(jìn)入反應(yīng)器,物料比重大,在重力作用下,下降堆積在反應(yīng)器底部與活性污泥接觸發(fā)酵,反應(yīng)器內(nèi)沒有攪拌裝置。HCPF反應(yīng)器又稱管式反應(yīng)器,一般橫置利用推力將原料推入反應(yīng)器,進(jìn)入物料粒子與排出物料粒子的順序相同,原料的分散作用主要集中在橫向,縱向的分離作用很小,分散時需要強(qiáng)大的推力。CSTR反應(yīng)器又稱連續(xù)攪拌反應(yīng)器,加入固液兩相物料,電機(jī)連接減速器再連接攪拌軸或電機(jī)直接帶動攪拌軸轉(zhuǎn)動,槳葉隨軸旋轉(zhuǎn),在反應(yīng)器內(nèi)形成湍流,固液兩相在此條件下混合形成懸浮液。

通過對比分析,CSTR反應(yīng)器的分散作用比另外兩種強(qiáng),在能耗方面,HCPF能耗最高,CSTR次之,USR的能耗最低。按照大中型沼氣工程技術(shù)規(guī)范[6],TS濃度的不同對反應(yīng)器選擇影響,見表1,綜合考慮,本設(shè)計采用CSTR反應(yīng)器。

表1 厭氧反應(yīng)器的設(shè)計類型Table 1 Design type of anaerobic reactor

由表2所示,單個反應(yīng)器容積大于50 m3或日產(chǎn)量大于50 m3且小于500 m3的為中型沼氣反應(yīng)器,單個反應(yīng)器容積或日產(chǎn)氣量大于500 m3的為大型沼氣反應(yīng)器,根據(jù)反應(yīng)器體積合理設(shè)計反應(yīng)器直徑和高。

表2 沼氣反應(yīng)器規(guī)模表Table 2 Biogas reactor scale table

拼裝板反應(yīng)器是利用螺栓緊固而成的[7],罐體的設(shè)計采用鋼板拼接,接口處使用螺栓連接并內(nèi)壁涂抹密封膠,保證強(qiáng)度和密封性。

2 材料選擇

按照規(guī)定,鋼制結(jié)構(gòu)的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器材料一般選用Q235(低碳鋼)、Q345(低碳鋼)、45號鋼(中碳鋼)和不銹鋼。但是在選擇材料時,需要對比Q235、Q345、45號鋼(中碳鋼)和不銹鋼的優(yōu)缺點(diǎn)來合理選擇,詳見表3。

表3 鋼材優(yōu)缺點(diǎn)對比Table 3 Comparison of advantages and disadvantages of steel

選擇材料時考慮焊接性能、耐腐蝕性能、耐熱性能和力學(xué)性能等因素,低碳鋼能更好地滿足性能要求,但是低碳鋼比中碳鋼成本高,考慮整體效益,選擇45號鋼并調(diào)制處理,這樣既可以在一定程度上保證強(qiáng)度要求,又能降低成本。

3 反應(yīng)器參數(shù)設(shè)計

3.1 總體尺寸及水力停留時間

中型沼氣發(fā)酵罐一般直徑大小不超8 m,高徑比一般為1∶1,反應(yīng)器容積計算,沼氣罐的容積是兩個罐蓋1、3的容積和中間圓柱體2的容積V1、V2、V3之和[8]。即:V=V1+V2+V3

(1)

其中，V為儲氣罐的容積;V1為中間圓柱體的容積;V2為端蓋的容積;V3為底蓋的容積。

厭氧反應(yīng)器有效容積可以通過多相發(fā)酵液水力停留時間確定:V0=Qθ

(2)

其中,V0為厭氧反應(yīng)器總的有效容積;Q為為厭氧反應(yīng)器的設(shè)計流量;θ為為厭氧反應(yīng)器的水力停留時間。

3.2 攪拌系統(tǒng)設(shè)計

沼氣發(fā)酵罐中充滿了多相流體,在發(fā)酵過程中需要進(jìn)行攪拌來保證發(fā)酵的充分進(jìn)行和固液的均勻融合,這種流體需要低速大扭矩的動力輸出才能攪動至均勻,一般各部分之間采用鏈傳動或帶傳動,鏈傳動固定傳動比效果比帶傳動強(qiáng),但鏈的質(zhì)量遠(yuǎn)高于皮帶,因此耗能更大,綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和使用要求,選擇齒帶連接傳動機(jī)構(gòu)各個部分比較合適。

攪拌傳動系統(tǒng)傳動如圖1所示:

圖1 傳動系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of transmission system

3.2.1 攪拌系統(tǒng)功率計算 電機(jī)輸出功率可以通過以下公式進(jìn)行估算:

P=Npρn3d5

(3)

其中,由于沼液攪拌屬于多相流問題,多相流的密度只能通過近似得到,沼液混合后,水的比重遠(yuǎn)高于其他發(fā)酵原料,一般以近似水的密度計算,沼液其他物料占比較高時,適當(dāng)增大即可。

攪拌槳的轉(zhuǎn)速和攪拌槳的直徑獲取相較容易,所以功率的關(guān)鍵設(shè)計內(nèi)容就在于多相流攪拌的攪拌功率數(shù)Np的計算:

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

其中,Re為多相流沼液攪拌的雷諾數(shù),可以近似獲取;θ為反應(yīng)器內(nèi)攪拌槳的傾角角度;b為反應(yīng)器中設(shè)置攪拌槳葉的寬度;d為反應(yīng)器中設(shè)置攪拌槳葉的物理直徑;D為栓接拼裝板反應(yīng)器的直徑;η為多相流發(fā)酵液的粘度。

由于攪拌傳動系統(tǒng)的各部位僅為串聯(lián),傳動裝置的總效率[9-10]:η=η1×η2×η3

(9)

其中，η1為齒帶傳動效率;η2為齒輪傳動效率;η3為滾動軸承效率。

3.2.2 攪拌軸的設(shè)計計算 在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行攪拌過程中,攪拌軸受到多相流的反作用力,具體的力大小難以通過公式進(jìn)行計算,只能依靠經(jīng)驗(yàn)估計多相流對攪拌槳的反作用力,空心軸在保證力學(xué)性能的同時可以有效減小質(zhì)量,因此攪拌軸設(shè)計一般選擇為空心圓截面形狀,根據(jù)軸的內(nèi)外徑、軸長和材料屬性對攪拌軸進(jìn)行校核。

(10)

其中，T為軸在危險截面處的最大扭矩;Wp為扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)。

(11)

(12)

滿足強(qiáng)度要求的軸才能正常工作[11]。

4 壁板設(shè)計

采用固定設(shè)計點(diǎn)的方法進(jìn)行計算,其計算公式:

(13)

其中,t為壁板的厚度,H為計算液位的高度,D為反應(yīng)器內(nèi)徑大小,[σ]為中溫發(fā)酵時壁板的許用應(yīng)力,φ為焊接接頭系數(shù),設(shè)計底圈壁板時,取φ為0.85,底圈以外的壁板設(shè)計,取φ為0.9,當(dāng)使用螺栓進(jìn)行固定時,取φ為1。

發(fā)酵液的密度略大于水,具體數(shù)值根據(jù)實(shí)際情況增加即可,本文取密度為1 300 kg/m3。

由于在鋼板加工過程中容易產(chǎn)生偏差,以及使用過程中各種腐蝕液對鋼板腐蝕造成的損耗,因此設(shè)計加入壁板附加值C[12]:C=C1+C2+C3;

(14)

(15)

(16)

只有滿足反應(yīng)器圓筒內(nèi)部應(yīng)力小于中溫發(fā)酵反應(yīng)器拼裝板的許用壓力,反應(yīng)器可靠性才能得到保證。

5 拼裝板設(shè)計

栓接拼裝板反應(yīng)器是利用標(biāo)準(zhǔn)鋼板邊緣打孔,利用螺栓將若干塊拼裝板連接而成的鋼板個數(shù)可以通過所需反應(yīng)器直徑來確定:D=鋼板有效長度×鋼板個數(shù)/3.14;

(17)

壁板縱向所需螺栓連接個數(shù)計算:選取標(biāo)準(zhǔn)M12螺栓進(jìn)行計算,螺栓9.8級抗拉強(qiáng)度σ拉取900 MPa,螺栓的安全系數(shù)取4,p為反應(yīng)器內(nèi)壁所受靜液壓力,p=ρgh。所選螺栓預(yù)緊力計算:

(18)

(19)

(20)

其中,a為鋼板搭接長度,b為鋼板寬度,根據(jù)螺栓數(shù)量來決定安裝時豎縫的螺栓安裝排數(shù)。

6 反應(yīng)器安裝

按照大中型沼氣工程技術(shù)規(guī)范[6],厭氧反應(yīng)器安裝在鋼筋混凝土基礎(chǔ)上,基礎(chǔ)外圓直徑應(yīng)大于設(shè)備主體直徑500 mm以上,壁板與水泥混凝土的安裝使用二次澆灌(圖2),反應(yīng)器安裝使用拼接板,拼接板之間安裝內(nèi)部使用密封膠涂抹和栓接。除頂端和底端拼裝板,其余栓接拼裝板對稱減角,頂部拼裝板保留上部角不切除,底部拼裝板保留底部角不切除,具體大小根據(jù)實(shí)際需要確定,每兩圈都設(shè)置一圈豎縫加強(qiáng)筋,尺寸根據(jù)拼裝板的長度設(shè)計,在加強(qiáng)筋處打長圓孔以補(bǔ)償加強(qiáng)筋時的錯位,栓接拼裝板反應(yīng)器安裝應(yīng)盡量避免焊接。

圖2 二次澆筑圖Fig.2 Second pouring diagram

7 栓接拼裝板靜力分析及優(yōu)化

根據(jù)大中型沼氣工程技術(shù)規(guī)范[6],發(fā)酵液液面高度不限,沼氣反應(yīng)器需要進(jìn)行發(fā)酵,需要留有合適的氣體容積,為了提高可靠性,根據(jù)發(fā)酵液充滿反應(yīng)器進(jìn)行分析:

使用NX軟件建立三維模型[14],再使用ANSYS軟件對拼裝板進(jìn)行靜態(tài)分析[15],反應(yīng)器底部邊緣拼裝板所受靜液壓力最大,選擇底部邊緣拼裝板進(jìn)行分析[14],設(shè)發(fā)酵液密度為1.3 g/cm3,液柱高度為5 000 mm,拼裝板長寬為2 500 mm×1 250 mm,厚度設(shè)為20 mm,查找資料[11],45號鋼的屈服極限355 MPa,根據(jù)拼裝板安裝,對拼裝版重疊部分進(jìn)行劃分,加載靜液壓力,生成網(wǎng)格,使用求解器計算,結(jié)果如下:

圖3 標(biāo)準(zhǔn)拼裝板形變圖和等效應(yīng)力圖Fig.3 Standard assembly plate deformation diagram and iso-effect diagram

仿真結(jié)果顯示,變形主要集中在拼裝板的中部,von-mises最大等效應(yīng)力在螺栓安裝位置,由于安裝時螺栓位置有兩種拼裝板重疊,故此螺栓安裝位置安全,拼裝板中部von-mises等效大小為98.23 MPa,遠(yuǎn)低于材料的屈服極限355 MPa,拼裝板能夠正常工作。

根據(jù)應(yīng)力分布情況對拼裝板進(jìn)行優(yōu)化,在原拼裝板內(nèi)部開始厚度0～5 mm位置進(jìn)行重新設(shè)計,分別是一階矩形、一階橢圓、等值二階矩形、等值二階橢圓,結(jié)果見圖4,進(jìn)行靜力學(xué)分析,結(jié)果見圖5。

圖4 一階矩形、一階橢圓、等值二階矩形和等值二階橢圓優(yōu)化圖Fig.4 Optimization diagram of first order rectangle, first order ellipse, equivalent second order rectangle and equivalent second order ellipse

圖5 優(yōu)化一階矩形拼裝板形變和等效應(yīng)力圖Fig.5 The deformation and isotropic effect diagram of the first order rectangular assembly plate are optimized

圖8 優(yōu)化二階橢圓拼裝板形變和等效應(yīng)力圖Fig.8 The deformation and isotropic effect diagram of the second order elliptic assembly plate are optimized

分析:比較4種優(yōu)化方式,von-Mises等效應(yīng)力依然集中在拼裝板中間位置和螺栓固定位置,拼裝板中間位置所受von-Mises等效應(yīng)力和形變量從小到大依次為一階矩形、一階橢圓、等值二階矩形、等值二階橢圓,最大von-Mises應(yīng)力都低于材料的屈服極限,能夠滿足工況要求。

一階矩形拼裝板所受von-Mises等效應(yīng)力略小于一階橢圓拼裝板,但兩者間差距對屈服極限來看幾乎可以忽略;觀察兩者的應(yīng)力分布情況,一階橢圓拼裝板應(yīng)力集中在橢圓范圍內(nèi),而且一階橢圓拼裝板較薄部分低應(yīng)力區(qū)域多于一階矩形拼裝板,能更有效降低拼裝板較薄部分承擔(dān)的應(yīng)力。

對比等值二階橢圓拼裝板和等值二階矩形拼裝板von-Mises等效應(yīng)力及應(yīng)力分布情況,等值二階橢圓拼裝板中部von-Mises等效應(yīng)力和形變都略高于等值矩形二階拼裝板,觀察兩者應(yīng)力分布,等值二階橢圓拼裝板中部高應(yīng)力區(qū)域的區(qū)域明顯小于等值二階矩形拼裝板,低應(yīng)力區(qū)域范圍比等值二階矩形拼裝板,對應(yīng)力的集中效果更好。

將一階橢圓拼裝板和等值二階橢圓拼裝板對比發(fā)現(xiàn),一階橢圓拼裝板所受應(yīng)力能夠更好的分散在板材較厚的位置,各部分承擔(dān)的應(yīng)力更小,而等值二階橢圓拼裝板的高應(yīng)力區(qū)域更小,集中效果更好,在滿足工況要求的情況下考慮經(jīng)濟(jì)因素,這四種優(yōu)化方式,選擇等值二階拼裝板的更好。

8 結(jié)論

橢圓的優(yōu)化方式能夠?qū)⒌蛻?yīng)力區(qū)域更多分布在拼裝板較薄部分上,滿足工況要求的情況下,耗材比矩形優(yōu)化方式少,經(jīng)濟(jì)效益更好;等值二階優(yōu)化方式可以對應(yīng)力集中在拼裝板較厚部分的效果更好,在滿足工況要求的情況下,耗材比一階優(yōu)化方式少,經(jīng)濟(jì)效益更高。

根據(jù)應(yīng)力分布方向進(jìn)行優(yōu)化可以有效提升優(yōu)化效果,本文優(yōu)化效果僅能針對理論方面進(jìn)行,實(shí)際具體使用效果還需要在今后實(shí)際應(yīng)用中才能確定。