孫 勇，王連瑞，張兆國※，李景巖

（1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030； 2. 昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500；3. 黑龍江德沃科技開發(fā)有限公司，哈爾濱 150100）

0 引 言

利用農(nóng)作物秸稈為主要原料進行厭氧發(fā)酵制取沼氣是中國秸稈高值化利用的重要途經(jīng)之一。以玉米秸稈為主要發(fā)酵原料進行厭氧發(fā)酵時，玉米秸稈中的一些難分解物質(zhì)會上浮至表面，失水硬化形成浮渣層結(jié)殼，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵中產(chǎn)生出料困難、產(chǎn)氣效率低等一系列問題，嚴(yán)重制約了秸稈沼氣工程的發(fā)展。Madhukara等研究不同發(fā)酵方式對浮渣層結(jié)殼的影響，指出堆漚處理可以減少結(jié)殼；Hill等分析了物料濃度對結(jié)殼形成的影響，提出合適的物料濃度能有效減少結(jié)殼的產(chǎn)生；彭震等設(shè)計了一種具有防止浮渣上浮和集氣功能的抗結(jié)殼裝置，該抗結(jié)殼裝置具有明顯的抗浮渣結(jié)殼作用并可以提高產(chǎn)氣；朱洪光等對比研究了不同的攪拌器安裝方式對全混合式厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)流場的影響，得出雙層攪拌器可以有效破殼并且改善流場狀態(tài)的結(jié)論；畢華飛等研究攪拌槳偏心攪拌對流場內(nèi)部的影響，發(fā)現(xiàn)攪拌偏心對漩渦深度影響遠大于轉(zhuǎn)速及物料。以上研究大多是揭示結(jié)殼產(chǎn)生機理，并未從抑制打破結(jié)殼的角度進行研究，常用的機械攪拌方式有頂部中心攪拌，罐壁側(cè)面攪拌及斜置式攪拌等，傳統(tǒng)的攪拌方式結(jié)構(gòu)較為單一，不能針對性的對浮渣層結(jié)殼進行破除。鑒于此，本文設(shè)計了一種抗結(jié)殼厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，通過機械攪拌方法對浮渣結(jié)殼層進行破除和抑制作用，利用DEM-CFD耦合的方法對破殼裝置的攪拌葉片進行優(yōu)化，并通過與對照組試驗驗證抗結(jié)殼厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的工作性能。

1 抗結(jié)殼厭氧發(fā)酵反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與工作原理

抗結(jié)殼厭氧發(fā)酵反應(yīng)器由傳動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，罐體及破殼裝置構(gòu)成。傳動裝置主要包括減速電機、DJ機架、GT型聯(lián)軸器、滾動軸承、機械密封和主軸，通過主軸上的凸緣法蘭將破殼裝置動力輸入軸連接；破殼裝置主要由一個行星齒輪機構(gòu)和換向器構(gòu)成，在橫向攪拌軸上均勻排布斜槳式攪拌葉片，垂直攪拌軸上放置推進式攪拌葉片及斜槳式葉片；控制系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）和變頻器構(gòu)成；罐體包括入料裝置、排料裝置、氣體收集裝置及水浴裝置。反應(yīng)器發(fā)酵有效容積為0.5 m，電機配套動力1.5 kW，工作最大壓力為0.3 MPa，如圖1所示，為抗結(jié)殼發(fā)酵反應(yīng)器整機結(jié)構(gòu)圖。

在反應(yīng)器工作時，PLC為變頻器輸入啟停信號，變頻器控制電機的轉(zhuǎn)速及啟停，電機輸入扭矩經(jīng)傳動系統(tǒng)將動力傳入到破殼裝置動力輸入軸。通過將換向器箱體與行星架固定的方式使箱體可以具有一個圓周的運動，這樣箱體上的橫向攪拌軸具有一個“公轉(zhuǎn)”加“自轉(zhuǎn)”的運動，行星齒輪機構(gòu)可以將橫向攪拌軸的“公轉(zhuǎn)”運動速度減速到遠小于其自身的“自轉(zhuǎn)”轉(zhuǎn)速，使橫軸在攪拌浮渣結(jié)殼層時不會使整個橫軸帶動整個浮渣結(jié)殼層做圓周運動，而相對較快的“自轉(zhuǎn)”運動會進一步打破浮渣結(jié)殼層，二者較大的相對速度差才會對浮渣層產(chǎn)生有效的攪拌破除作用；同時，橫向攪拌軸的旋轉(zhuǎn)方向是相互對稱的，這樣在圓周方向上會將物料向相反的方向帶動并拋散，在垂直攪拌軸上推進式攪拌葉片和斜槳式葉片的作用下，將物料繼續(xù)向液面下輸送，可在罐體內(nèi)部形成循環(huán)流動，在此過程中加快物料與沼液之間的反應(yīng)，促進發(fā)酵效果，實現(xiàn)對浮渣層結(jié)殼的破除和抑制作用。

圖1 抗結(jié)殼厭氧發(fā)酵反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of barrier crusting anaerobic fermentation reactor

2 主要部件設(shè)計

2.1 破殼裝置設(shè)計

破殼裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了滿足破殼裝置的橫向攪拌軸的速度差，以實現(xiàn)對浮渣層結(jié)殼的破碎，對機構(gòu)的傳動比進行設(shè)計。

對于所有齒輪及行星架軸線平行的行星齒輪傳動，計算轉(zhuǎn)化機構(gòu)傳動比的公式如下：

由（1）式后半部分得

由于行星架于轉(zhuǎn)向器箱體是剛性連接，可以把行星架和箱體看做一個整體部件X，故，輸入軸G到輸出軸D的傳動比：

輸入軸G到輸入軸E的傳動比：

式中n、n、n分別為輸入軸G、輸出軸D、E的轉(zhuǎn)速。

經(jīng)計算，得傳動比i=1.12，i=1.28。

圖2 破殼裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic diagram of barrier crusting device

2.2 破殼裝置動力學(xué)分析

為保證機構(gòu)運行平穩(wěn)，利用ADAMS軟件對破殼裝置對簡化后的破殼裝置模型進行動力學(xué)仿真分析，如圖3所示。

圖3 破殼裝置ADAMS動力學(xué)模型Fig.3 ADAMS dynamic model of curst breaker mechanism simulation

對機器運行的最大負載情況下進行仿真，在太陽輪輸入軸添加轉(zhuǎn)速130 r/min，在橫向輸出軸施加載荷33.01 N·m，豎向輸出軸施加載荷25.63 N·m，設(shè)定仿真時間1 s、步數(shù)為500步。

圖4為輸出軸D、E角速度曲線圖，可知在短暫啟動階段之后，其他運行時間較為平穩(wěn)，曲線趨勢呈明顯的周期性，符合齒輪運行特點，橫向輸出軸（D）轉(zhuǎn)速仿真平均值為12.08 rad/s（115.36 r/min），轉(zhuǎn)速理論值12.15 rad/s（116.07 r/min），相對誤差為0.57%；豎向輸出軸（E）轉(zhuǎn)速仿真平均值為10.33 rads（98.65 r/min），轉(zhuǎn)速理論值10.64 rad/s（101.56 r/min），相對誤差為2.8%，仿真結(jié)果與理論值基本一致，驗證其設(shè)計合理性。

圖4 輸出軸D、E角速度曲線Fig.4 Angular velocity curve of output shaft D and E

圖5a、5b為太陽輪與行星輪間的嚙合力的時域曲線和頻域曲線。在仿真過程中齒輪傳動系中存在著齒側(cè)間隙等非線性因素，嚙合力會產(chǎn)生較大的波動，符合實際工況。太陽輪與行星輪間嚙合力極大值1 200.40 N，平均值42.81 N，計算嚙合力理論值為41.86 N，相對誤差為2.3%；從頻域圖分析，嚙合力呈周期性變化，嚙合力隨頻率變化波動很平穩(wěn)，沒有引起明顯的峰值，說明齒輪在嚙合過程中不會引起較大振動。

圖5 太陽輪與行星輪嚙合力時域、頻域曲線Fig.5 Time and frequency domain curve of meshing force between solar wheel and planetary wheel

2.3 攪拌葉片安裝角設(shè)計

攪拌葉片安裝在破殼裝置的橫向輸出軸上，攪拌葉片在破殼裝置工作過程中剪切破碎浮渣層硬殼，同時旋轉(zhuǎn)過程中向外拋散物料，因此，攪拌葉片應(yīng)具有一定的剪切破碎及分散能力，本文選用斜槳式葉片作為研究對象，對葉片安裝角進行設(shè)計計算。

對單個葉片上物料的運動進行受力分析，如圖6a所示，安裝角為葉片與水平面之間的夾角，葉片在旋轉(zhuǎn)過程中與平面所產(chǎn)生的夾角很大程度上影響了破殼裝置的工作效率，物料在運動過程中受到沼液的浮力F、自身重力、葉片對其的壓力F及摩擦力F ，秸稈在沼液中是漂浮和懸浮狀態(tài)，因此重力和浮力F相互抵消，可以看作物料僅受到垂直于葉片的壓力F和沿著葉片向上的摩擦力F的作用。由圖6b可知，葉片運動過程中的受力分析圖，葉片在旋轉(zhuǎn)過程中受到物料對葉片的壓力F、沼液對葉片的壓力F，要克服物料及沼液對其的作用，葉片夾角要控制在一定合理范圍內(nèi)，過小會增大葉片旋轉(zhuǎn)運動過程的阻力，從而增大功率，過大會減小葉片對物料的壓力F，從而減小摩擦力F，考慮到二者的作用，確定安裝葉片大小為30°。

圖6 物料與葉片受力分析Fig.6 Force analysis of material and blade

3 反應(yīng)器流場固-液兩相流數(shù)值模擬

3.1 模型建立

3.1.1 物理模型

本章研究的仿真模型如圖7所示，模型尺寸為820 mm×780 mm（直徑×高），定義橫向攪拌軸公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速11 r/min，自轉(zhuǎn)速度89 r/min；垂直攪拌軸轉(zhuǎn)速78 r/min，探究破殼裝置在TS濃度（總固體含量）10%的條件下流場及顆粒分布情況。

圖7 反應(yīng)器仿真三維模型及網(wǎng)格模型Fig.7 Three-dimensional simulation model of reactor and mesh

3.1.2 數(shù)學(xué)模型

在進行DEM-CFD耦合模擬時，顆粒的體積較大且不可忽略，Eulerian模型采用的是多相流框架求解，考慮到了顆粒對流場的作用，在破殼裝置實際工作過程中沼液與玉米秸稈粉料間存在著明顯的相互作用，本文采用Eulerian模型對破殼裝置兩種葉片下的流場進行模擬。在Eulerian模型中加入了體積分數(shù)的項，即

式中流體密度，kg/m；時間，s；流體速度，m/s；流體體積分數(shù)相；?哈密頓微分算子。

3.1.3 接觸模型

在離散元法中，根據(jù)顆粒之間的接觸方式不同可以分為硬顆粒模型和軟接觸模型，軟球模型允許模型之間有重疊部分，再通過顆粒間的法向重疊量、切向位移計算顆粒接觸力。液相采用水的參數(shù)進行計算，密度998 kg/m，黏度0.001 03Pa·s。考慮到玉米秸稈粉料間存在粘附力的作用，故本文采取Hertz-Mindlin with JKR Cohesion接觸模型通過對玉米秸稈粉料進行參數(shù)標(biāo)定，得到玉米秸稈粉料參數(shù)，如表1所示。

表1 玉米秸稈粉料物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of maize straw powder

3.2 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

運用ICEM軟件對模型進行全四面體網(wǎng)格劃分，將模型劃分為6個區(qū)域，每個計算域間接觸面設(shè)置為interface，為了解決模型中較為復(fù)雜的“公轉(zhuǎn)”和“自轉(zhuǎn)”的運動，本文采用滑移網(wǎng)格模型來求解。4個攪拌葉片所在區(qū)域及罐體上部區(qū)域在Fluent計算中為旋轉(zhuǎn)域，罐體下部區(qū)域為靜止域，網(wǎng)格模型如圖7所示。

為了驗證網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響，本文采用3種不同網(wǎng)格數(shù)量的模型，進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗，在橫向攪拌軸槳葉中心位置增設(shè)監(jiān)測點，觀察其速度與壓力的變化情況，如表2所示，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達到1.8×10時，反應(yīng)器內(nèi)部顆粒速度參數(shù)變化并不顯著。最終選取模型網(wǎng)格總數(shù)為1.8×10，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為3.2×10進行計算。

表2 網(wǎng)格無關(guān)性驗證Table 2 Grid independence verification

3.3 邊界條件

在Fluent中采用瞬態(tài)計算，對于連續(xù)流體，采用-湍流模型，運用SIMPLE算法。時間步長設(shè)置為1×10，EDEM中時間步長設(shè)置為1×10，時間步長比為100∶1，設(shè)置Fluent計算步數(shù)為20 000步，在EDEM中每0.01 s保存一次數(shù)據(jù)。

3.4 結(jié)果與分析

圖8a為反應(yīng)器流場的速度云圖?？傮w來講，攪拌葉片附近產(chǎn)生強烈的徑向流，橫向攪拌軸兩側(cè)的轉(zhuǎn)速相反，因此與橫向攪拌軸周向旋轉(zhuǎn)方向一致的葉片會產(chǎn)生較強的速度流場，相反一側(cè)的葉片在攪拌過程中轉(zhuǎn)速方向與周向攪拌方向不一致，因此，流場狀態(tài)較為復(fù)雜；下層的推進式攪拌葉片在旋轉(zhuǎn)過程中的作用是產(chǎn)生反應(yīng)器內(nèi)部的軸向流。圖8b為反應(yīng)器流場速度矢量圖，在推進式攪拌葉片內(nèi)部會向下吸入大量流體，經(jīng)過底部斜槳葉攪拌葉片對軸向流的助推，流體在碰撞的罐體底部時會沿著壁面向上流動，在罐體的中上層又受到推進式攪拌葉片的作用，在流場中產(chǎn)生渦流，在渦流的作用下，會帶動上層的秸稈沿著渦流向下運動。

圖8c為反應(yīng)器的流場跡線圖，可以發(fā)現(xiàn)斜槳式葉片附近流體速度增幅明顯，流場軌跡向壁面推進，在反應(yīng)釜上部和下部產(chǎn)生兩種渦流，這時由于整個上部流場的橫向旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生了離心力，在離心力的作用下，使流場形成混合運動，并撞擊壁面，向豎直的兩個方向運動，向下的流體會與下部流體渦流匯聚，向上的流體會在液面表面形成小范圍的渦流，消失在液面附近。

圖9為顆粒在斜槳式葉片模型內(nèi)的速度分布，可以看出在橫向攪拌軸以下部分，顆粒有了明顯的速度增幅，由于在斜槳式葉片在轉(zhuǎn)動過程中，使流場產(chǎn)生了較大范圍的橫向流動，顆粒也大多集中在橫向攪拌軸附近。在反應(yīng)器的液面處，斜槳式葉片會在液面處形成顆粒的橫向移動，這樣的運動軌跡很有助于浮渣結(jié)殼層的打破，總體來看，顆粒是在發(fā)生短暫的橫移后再向下移動。

圖8 仿真模型流場速度云圖、矢量圖及流場跡線圖Fig.8 Flow field velocity nephogram, vector diagram and flow field trace diagram of simulation model

圖9 反應(yīng)器內(nèi)顆粒速度分布Fig.9 Particle velocity distribution in the reactor

4 性能試驗與分析

4.1 試驗原料及方法

為了探究抗結(jié)殼厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的抗結(jié)殼性能，進行玉米秸稈厭氧發(fā)酵試驗。本試驗采用東農(nóng)甜3號玉米秸稈作為發(fā)酵原料，來源于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田，將收獲好的玉米秸稈進行自然風(fēng)干處理，用四達9FQ-36B錘片式粉碎機進行粉碎處理，過3 cm篩網(wǎng)處理得到玉米秸稈粉料。接種物為哈爾濱市附近某正在運行秸稈沼氣工程的發(fā)酵活性污泥，試驗原料特性見表3，試驗地點在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院。試驗采用中溫（35±1）℃批式發(fā)酵工藝，TS濃度為10%，接種物為30%的條件下，在不同的轉(zhuǎn)速、攪拌時間間隔、單次攪拌時間下進行13組試驗，單次發(fā)酵5d后結(jié)束試驗。查閱相關(guān)文獻可知，浮渣層厚度會在發(fā)酵啟動5d后趨于平穩(wěn)的狀態(tài)，測量發(fā)酵啟動5d后的浮渣層厚度作為抗結(jié)殼反應(yīng)器的性能指標(biāo)，如圖10所示，為抗結(jié)殼厭氧發(fā)酵反應(yīng)器進行破殼試驗。

圖10 反應(yīng)器破殼試驗Fig.10 Reactor shell breaking test

表3 原料及接種物屬性Table 3 The properties of raw materials and inoculum

4.2 試驗方案

以浮渣層厚度作為試驗指標(biāo)，選取轉(zhuǎn)速、攪拌時間間隔、單次攪拌時間作為試驗因素，依據(jù)Box-Behnken Design中心組合試驗設(shè)計原理，進行三因素三水平試驗，試驗因素編碼見表4，由于試驗因素間的交互作用，采用響應(yīng)面分析法進行試驗設(shè)計分析，試驗方案及結(jié)果見表5。

表4 試驗因素編碼值Table 4 Factors and levels of test

表5 試驗設(shè)計及結(jié)果Table 5 Design and results of test

4.3 試驗結(jié)果與分析

利用Design-Expert10.0軟件對試驗結(jié)果進行多元回歸擬合分析，可以得到浮渣層厚度的回歸方程為

方差分析如表6所示，分析可知該擬合線性回歸模型＜0.01，說明浮渣層厚度與所得回歸方程的關(guān)系極顯著；其中轉(zhuǎn)速、單次攪拌時間的值小于0.01，對浮渣層厚度影響極顯著；攪拌時間間隔＜0.05，對浮渣層厚度影響顯著；失擬項=0.072 1，證明不存在其他因素影響試驗指標(biāo)的主要要素。試驗指標(biāo)和試驗因素存在顯著二次項關(guān)系，分析結(jié)果合理。

表6 二次回歸模型方差分析Table 6 Analysis of variance of quadratic regression model

4.4 響應(yīng)曲面分析

通過Design-Expert10.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理，得到轉(zhuǎn)速、攪拌間隔、攪拌時間之間的交互作用對浮渣層厚度的響應(yīng)曲面，如圖11所示。

圖11 交互作用對浮渣層厚度的影響Fig.11 Effects of interaction response on the thickness of slag layer

如圖11a，當(dāng)攪拌間隔時間一定時，浮渣層厚度隨著轉(zhuǎn)速的增加而減?。划?dāng)轉(zhuǎn)速時，浮渣層厚度y與攪拌間隔呈正相關(guān)，最佳的攪拌間隔在3～5 h/次之間，其中轉(zhuǎn)速為影響浮渣層厚度的主要試驗因素。如圖11b，當(dāng)攪拌時間一定時，浮渣層厚度隨著轉(zhuǎn)速的增加而減??；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，浮渣層厚度隨著攪拌時間的增加而減小，最優(yōu)的攪拌時間的范圍是20～30 min之間，其中，轉(zhuǎn)速為影響浮渣層厚度的主要試驗因素。如圖11c，當(dāng)攪拌時間一定時，浮渣層厚度隨著攪拌間隔的增加而呈先減小后增加的趨勢，最優(yōu)的攪拌間隔范圍是3～5 h/次；當(dāng)攪拌間隔一定時，浮渣層厚度隨著攪拌時間的增加而減小的，最優(yōu)的攪拌時間范圍是20～30 min，其中攪拌間隔為影響浮渣層厚度的主要因素。

4.5 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

利用Design-Expert10.0軟件中的優(yōu)化模塊對浮渣厚度最小值進行優(yōu)化，得到最優(yōu)解：轉(zhuǎn)速為120 r/min，攪拌間隔時間為3 h，攪拌時間為30 min。進行3組重復(fù)獨立試驗，將3次試驗結(jié)果的浮渣結(jié)殼層厚度平均值作為評價指標(biāo)。進行3組不做任何攪拌作用的對照組試驗，取3次試驗結(jié)果的浮渣層厚度平均值，將兩組試驗結(jié)果進行對比。如圖12a為反應(yīng)器進行發(fā)酵試驗后的效果圖，測得浮渣層厚度平均值為16.1 cm，圖12b為未經(jīng)攪拌處理的對照組試驗的浮渣層效果圖，測得浮渣層平均厚度為25.2 cm，浮渣層厚度平均減少了36.1%。明顯改善了秸稈厭氧發(fā)酵的結(jié)殼問題。

圖12 攪拌前后玉米秸稈厭氧發(fā)酵試驗浮渣結(jié)殼層對比Fig.12 Scum crusts in anaerobic fermentation experiment of maize straw

5 結(jié) 論

1）設(shè)計了一種抗結(jié)殼厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，創(chuàng)新設(shè)計了破殼裝置，利用破殼裝置自身的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)對以玉米秸稈為原料的厭氧發(fā)酵中表面的浮渣結(jié)殼層實現(xiàn)了抑制與打破作用。

2）通過EDEM軟件與Fluent耦合法對厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的工作過程進行仿真，將兩種攪拌葉片形式產(chǎn)生的流場分布與顆粒分散情況進行對比，結(jié)果表明，斜槳式葉片產(chǎn)生的橫向流動產(chǎn)生會明顯優(yōu)于傳統(tǒng)葉片，并且顆粒在液面下的分散速度略高，最終確定攪拌葉片的形式為斜槳式葉片。

3）抗結(jié)殼性能試驗結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速為120 r/min，攪拌間隔時間為3 h，攪拌時間為30 min時，浮渣層厚度為16.1 cm，相比對照組浮渣層厚度25.2 cm，浮渣層厚度減小了36.1%。