基于聚氣釋壓實(shí)現(xiàn)厭氧干發(fā)酵自攪拌的模擬試驗(yàn)

彭竹 楊世關(guān) 李繼紅 陳夢(mèng)圓

摘要[目的]為解決干發(fā)酵傳質(zhì)限制和攪拌能耗高等問(wèn)題提供新思路。[方法]提出基于“周期聚氣增壓，瞬時(shí)釋氣泄壓”實(shí)現(xiàn)自攪拌。采用空氣為模擬氣源，以盒子分形維數(shù)為攪拌效果定量評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了聚氣壓力、釋壓時(shí)間、聚氣空間分布對(duì)攪拌效果的影響。[結(jié)果]分形維數(shù)隨聚氣壓力的增加而增大，當(dāng)壓力逐步升至0.70 MPa時(shí)，反應(yīng)器縱截面分形維數(shù)相對(duì)攪拌前增加了12.06%，攪拌效果明顯增加；當(dāng)釋壓時(shí)間為0.60～0.80 s，聚氣壓力為0.30～0.40 MPa時(shí)，分形維數(shù)變化率達(dá)最大值0.158 4，攪拌效果最佳。[結(jié)論]聚氣釋壓可實(shí)現(xiàn)干發(fā)酵自攪拌。

關(guān)鍵詞干發(fā)酵；聚氣釋壓；自攪拌；分形維數(shù)；模擬研究

中圖分類號(hào)S210.4；X712文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）05-0214-04

Abstract[Objective] In order to research new approaches for solving mass transfer limitation and high mixing energy consumption in dry anaerobic fermentation process. [Method] A novel technology based on “accumulate pressurized biogas in cycles， release gas instantaneously to depressurizing” was designed as a mixing strategy which could achieve selfstirring. The experiment was carried out with compressed air as pressurized biogas and regarded box fractal dimension as quantitative evaluation index for mixing effect of materials. Effects of gas gathering pressure， pressure releasing time， gas distribution on selfstirring were studied. [Result] The results showed that fractal dimension linearly tended to increase in pace with gas pressure and increased by 12.06% as pressure gradually reached 0.70 MPa and selfmixing effect appeared obvious. The fractal dimension grew with shortening the time and incremental gas pressure and attained positive peak 0.158 4 in condition of 060-0.80 s and 0.30-0.40 MPa. The mixing effect was more conspicuous. [Conclusion] Releasing pressurized biogas can achieve selfmixing in dry anaerobic fermentation.

Key wordsDry fermentation；Releasing pressurized biogas；Selfmixing effect；Fractal dimension；Simulation research

基金項(xiàng)目風(fēng)能太陽(yáng)能利用技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)）開放基金資助項(xiàng)目（201501）。

作者簡(jiǎn)介彭竹（1991—），女，云南尋甸人，碩士研究生，研究方向：生物質(zhì)厭氧發(fā)酵技術(shù)。*通訊作者，副教授，碩士生導(dǎo)師，從事生物質(zhì)厭氧發(fā)酵與工程技術(shù)研究。

收稿日期2016-11-30

隨著農(nóng)業(yè)秸稈、生活垃圾、畜禽糞便等高固含率廢棄物處理需求的增加，干發(fā)酵日益受到青睞。但因傳質(zhì)效果差導(dǎo)致發(fā)酵過(guò)程穩(wěn)定性變差或惡化[1]是制約干發(fā)酵技術(shù)發(fā)展和商業(yè)化應(yīng)用的主要技術(shù)障礙。針對(duì)這一技術(shù)障礙，國(guó)內(nèi)外許多研究者提出了眾多解決方案[2-4]，其中攪拌被認(rèn)為是一種最有效的途徑。適當(dāng)?shù)拈g歇性攪拌可顯著提高產(chǎn)氣量[5]，而過(guò)度的攪拌會(huì)打破厭氧發(fā)酵體系固有的微生物共營(yíng)體，抑制產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的代謝過(guò)程，進(jìn)而影響整個(gè)發(fā)酵體系的產(chǎn)氣效果[6]。干發(fā)酵過(guò)程中，高固含率帶來(lái)的高黏度使發(fā)酵過(guò)程中的傳熱和傳質(zhì)變得較為困難，進(jìn)一步對(duì)攪拌提出了較高要求。厭氧發(fā)酵攪拌方式有機(jī)械攪拌、水力攪拌和氣體攪拌，目前針對(duì)機(jī)械攪拌和水力攪拌的研究和應(yīng)用頗多，但對(duì)氣體攪拌的研究還較少[7-9]。為解決干發(fā)酵能耗問(wèn)題，筆者提出了“周期性聚氣增壓，定期快速釋氣泄壓”實(shí)現(xiàn)厭氧干發(fā)酵自攪拌的思路，即在發(fā)酵過(guò)程中，在一定時(shí)間內(nèi)將所產(chǎn)沼氣聚集在反應(yīng)器內(nèi)，待壓力達(dá)到一定限度后，快速釋放沼氣，利用沼氣釋放所產(chǎn)生的動(dòng)能對(duì)發(fā)酵原料進(jìn)行攪拌。為了研究該思路的可行性，筆者對(duì)聚氣所能產(chǎn)生的攪拌效果開展了模擬試驗(yàn)，以期為促進(jìn)厭氧干發(fā)酵傳質(zhì)限制和攪拌能耗問(wèn)題的解決探索一條新的技術(shù)途徑。

1材料與方法

1.1材料

將自然風(fēng)干的玉米秸稈剪切為2.0、1.0和0.5 cm 3種不同的粒徑，用來(lái)模擬發(fā)酵原料。用藍(lán)色和黃色彩紙作為表征攪拌效果的標(biāo)志物，并將其剪切成以上3種粒徑。試驗(yàn)過(guò)程中將秸稈和不同顏色的彩紙分別按1〖DK〗∶1的比例（質(zhì)量比）混合均勻，再分層填裝，構(gòu)成規(guī)則的顏色明顯的層狀，按緊壓實(shí)，占反應(yīng)器總?cè)莘e的20%～40%?；旌显蠠o(wú)流動(dòng)水，測(cè)得含水率為4.59%。用壓縮空氣模擬高壓沼氣。

1.2試驗(yàn)裝置

聚氣釋壓試驗(yàn)在自制的裝置上開展，試驗(yàn)裝置如圖1所示。該裝置內(nèi)徑為16 cm，高285 cm，總?cè)莘e5 L，最大承壓0.80 MPa。

調(diào)壓閥安裝于空氣入口處，向外連接空氣壓縮機(jī)。為方便取放料和觀察混合效果，在壓力容器內(nèi)放置底部帶有氣孔的圓柱形透明塑料容器，底部開孔率>80%，其內(nèi)徑12 cm，高30 cm。另外，壓力容器底部設(shè)有可移動(dòng)支架，用于托起透明容器。為防止快速釋壓時(shí)物料飛出壓力容器，在壓力容器距頂端2 cm處安裝多孔板，多孔板的孔徑為2 mm，孔呈環(huán)形排列，環(huán)間距≤1 mm，開孔率>95%。裝置上設(shè)有3個(gè)不同規(guī)格的釋壓閥，用以調(diào)節(jié)不同的釋壓時(shí)間，詳見表1。

用不同規(guī)格的釋壓閥來(lái)控制釋壓時(shí)間。每組試驗(yàn)充氣后保壓10 min，保證充入的帶壓氣體均勻穩(wěn)定地分布于壓力容器特定的聚氣空間。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析方法

1.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

該研究共設(shè)計(jì)了3組試驗(yàn)，分別研究聚氣壓力、壓力釋放時(shí)間及反應(yīng)器內(nèi)氣體聚集空間對(duì)攪拌效果的影響。其中聚氣壓力和壓力釋放時(shí)間影響試驗(yàn)條件如下：物料粒徑為2.0 cm；聚氣空間設(shè)于壓力容器底部，體積約為1.2 L；設(shè)定7個(gè)壓力水平，從0.10到0.70 MPa，每增大0.10 MPa作為一個(gè)壓力水平；分別采用3個(gè)不同規(guī)格的釋壓閥釋放壓力。其中，聚氣壓力試驗(yàn)組研究了7個(gè)壓力水平下的累積攪拌效果，進(jìn)行了3個(gè)平行試驗(yàn)；壓力釋放試驗(yàn)組研究了7個(gè)壓力水平下的單次攪拌效果及聚氣壓力和釋壓時(shí)間雙因素對(duì)攪拌效果的影響，進(jìn)行了21個(gè)分組試驗(yàn)。

該試驗(yàn)簡(jiǎn)化采用隔板和支架設(shè)定3種不同聚氣空間，見圖2。反應(yīng)器內(nèi)氣體聚集空間對(duì)攪拌效果影響試驗(yàn)組聚氣壓力設(shè)定為0.70 MPa。

除去設(shè)定的聚氣空間，透明容器與壓力容器間的空隙均用石英棉填充。

1.3.2數(shù)據(jù)處理及分析方法。

每個(gè)分組試驗(yàn)開始前對(duì)容器以上5個(gè)面拍照作為參照，試驗(yàn)結(jié)束后，取出透明容器，對(duì)其4個(gè)側(cè)面（Ⅰ～Ⅳ）和俯視面拍照。每次拍取照片均連拍5張，照片用于分析攪拌效果。

首先用Photoshop提取RGB彩色照片的藍(lán)色圖層，再使用MATLAB2014a編程處理[10]。

使用局部灰度盒子法計(jì)算圖像的分形維數(shù)[11]，用來(lái)定量評(píng)價(jià)攪拌效果。

式中，D是盒子分形維數(shù)；Nr是能夠覆蓋圖像邊緣的邊長(zhǎng)為r的網(wǎng)格數(shù)目。

透明容器裝料后按壓至緊，上方并未完全填滿?？闪咳≡囼?yàn)前后原料堆體的高度，計(jì)算其膨脹系數(shù)（γ），膨脹系數(shù)為試驗(yàn)前后物料堆體的高度比。

式中，h0為試驗(yàn)前物料的高度，h1為釋壓后物料高度。

2結(jié)果與分析

2.1聚氣壓力對(duì)攪拌效果的影響

不同聚氣壓力水平下的累積攪拌效果見圖3。如圖3（a）所示，隨聚氣壓力增大，物料膨脹程度增大，當(dāng)聚氣壓力達(dá)0.30 MPa時(shí)，物料呈現(xiàn)出明顯的攪拌效果，隨著聚氣壓力和釋壓次數(shù)增加，物料的混合效果越來(lái)越明顯。壓力從0.10到0.70 MPa，每增加010 MPa壓力水平，物料膨脹系數(shù)γ分別為1.20、1.36、1.48、150、1.51、1.51、1.51，壓力達(dá)0.50 MPa后，膨脹系數(shù)基本保持不變，說(shuō)明物料間的支撐空間在釋壓5次后達(dá)最大。

物料的分形維數(shù)隨聚氣壓力的變化如圖3（b）所示，隨聚氣壓力增大和釋壓次數(shù)增多，分形維數(shù)呈增加趨勢(shì)。當(dāng)聚氣壓力逐步增加到0.70 MPa時(shí)，用釋壓閥1快速釋壓后4個(gè)縱截面的平均分形維數(shù)隨壓力增大呈線性增加，相對(duì)試驗(yàn)前增加了12.06%，用釋壓閥2和3釋壓時(shí)，平均分形維數(shù)相對(duì)試驗(yàn)前分別增加了4.51%和2.52%；物料表面的分形維數(shù)分別增加了34.49%、15.95%和15.53%。此外，不同釋壓閥釋壓時(shí)，分形維數(shù)增幅有明顯差異，聚氣壓力逐漸增至0.40 MPa過(guò)程中，每增大0.10 MPa，用釋壓閥1釋壓時(shí)的分形維數(shù)平均增幅為3.10%，而用釋壓閥2和3釋壓時(shí)分形維數(shù)平均增幅僅為0.36%和0.30%。由此說(shuō)明，隨聚氣壓力的增加，累積攪拌效果呈增大趨勢(shì)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際發(fā)酵工程選擇合適的聚氣壓力參數(shù)值。

聚氣壓力從0.10增大到0.70 MPa，物料4個(gè)縱面（Ⅰ～Ⅳ）分形維數(shù)離散度逐漸增大，釋壓閥1釋壓時(shí)，分形維數(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差從0.001 92增至0.009 98，釋壓閥2和3釋壓時(shí)也有相似增長(zhǎng)變化，說(shuō)明聚氣壓力越大造成攪拌不均勻的現(xiàn)象越嚴(yán)重，并不是聚氣壓力越大越好。需進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際沼氣發(fā)酵和布?xì)庀到y(tǒng)來(lái)研究。

沼氣發(fā)酵過(guò)程中，通過(guò)聚氣自產(chǎn)高壓是可實(shí)現(xiàn)的，Lindeboom[12]針對(duì)濕發(fā)酵研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)180 h自產(chǎn)沼氣壓力可達(dá)900 MPa，且自產(chǎn)高壓過(guò)程并未對(duì)發(fā)酵微生物群造成明顯抑制。但厭氧發(fā)酵實(shí)際過(guò)程并非壓力越高越好，Lemmer A等[13]對(duì)兩相自產(chǎn)高壓濕發(fā)酵的研究結(jié)果表明，0.90 MPa的壓力易使發(fā)酵體系pH下降導(dǎo)致發(fā)酵不穩(wěn)定，而且發(fā)酵工程的實(shí)施需考慮投資成本及安全等諸多因素，合理選擇壓力水平是必要的。

實(shí)際厭氧干發(fā)酵工程需考慮發(fā)酵周期、高壓對(duì)發(fā)酵設(shè)備要求嚴(yán)苛等因素，具體應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)通過(guò)厭氧發(fā)酵試驗(yàn)確定合理的聚氣壓力。

2.2釋壓時(shí)間對(duì)攪拌效果的影響

不同釋壓時(shí)間對(duì)攪拌效果的影響結(jié)果見圖4。如圖4（a）所示，釋壓時(shí)間越短物料的混合效果越明顯，且縱截面物料高度的增量越大，原料堆體的膨脹系數(shù)也隨釋壓時(shí)間縮短而增加，當(dāng)釋壓時(shí)間由1.02 s縮短到0.40 s時(shí)，原料堆體膨脹系數(shù)由1.00增加到1.45?？蓪⒖焖籴寶庑箟哼^(guò)程看作是氣體絕熱膨脹，釋壓時(shí)間看作膨脹時(shí)間，那么快速釋放高壓沼氣對(duì)固體顆粒的有效膨脹功率Pe可表示為以釋壓時(shí)間為度量的反比例變量，因此釋壓時(shí)間越短，氣體有效膨脹功越大，物料堆體的膨脹系數(shù)越大，攪拌效果越明顯。

釋壓時(shí)間和聚氣壓力雙因素變動(dòng)對(duì)物料分形維數(shù)的影響如圖4（b）和（c）所示，加權(quán)平均線性插值結(jié)果表明，同一聚氣壓力條件下，分形維數(shù)隨釋壓時(shí)間縮短而增大；聚氣壓力越大，釋壓時(shí)間越短，物料縱截面的分形維數(shù)越大，說(shuō)明隨壓力的增大和釋壓時(shí)間的縮短，攪拌效果增加，這與以上研究結(jié)果和分析相符。此外，Renka Cline非線性插值結(jié)果顯時(shí)，快速釋壓前后分形維數(shù)變化量達(dá)正向極大值0.158 4；當(dāng)釋壓時(shí)間>0.80 s和聚氣壓力<0.60 MPa時(shí)，分形維數(shù)增量極小，說(shuō)明聚氣壓力越小釋壓時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)物料的攪拌效果不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。這是由于釋壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，物料間氣體強(qiáng)制對(duì)流速率下降，有效膨脹功減弱，從而導(dǎo)致攪拌效果不佳。該試驗(yàn)中，表面物料的分形維數(shù)變化呈現(xiàn)出與縱截面相似的規(guī)律。付小果[14]在研究壓力脈動(dòng)周期對(duì)固態(tài)發(fā)酵的影響時(shí)，也發(fā)現(xiàn)氣體內(nèi)循環(huán)速率會(huì)影響壓力脈沖對(duì)底物料層的疏松作用。

實(shí)際厭氧發(fā)酵過(guò)程中，攪拌強(qiáng)度、時(shí)間和頻率是影響產(chǎn)氣的重要參數(shù)，“周期聚氣增壓，瞬時(shí)釋氣泄壓”攪拌方式可將聚氣釋壓體積功、釋壓時(shí)間、聚氣增壓周期分別看作以上3個(gè)參數(shù)，那么聚氣壓力越大，釋壓時(shí)間越短，攪拌強(qiáng)度越大。目前，普遍研究認(rèn)為，厭氧發(fā)酵工程間歇性適度攪拌可以提高產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣量[15]。

2.3聚氣空間對(duì)攪拌效果的影響

由圖5可見，A、B、C 3種不同聚氣空間分布方式下，除方式B條件下的上層物料有一定的攪拌效果，其余2種方式的攪拌效果并不明顯。聚氣空間位于反應(yīng)器底部條件下，用釋壓閥1快速釋壓后，物料的膨脹系數(shù)為1.24，而其他2種空間分布條件下均為1，表明聚氣空間設(shè)置在反應(yīng)器底部時(shí)更有利于快速釋氣泄壓對(duì)物料進(jìn)行攪拌。

聚氣空間完全分布于反應(yīng)器底部時(shí)，任意物料粒度的縱截面的分形維數(shù)變化量均高于其余2種分布方式。其中物料粒徑為2.0 cm時(shí)，方式B條件下快速釋壓前后物料縱截面分形維數(shù)的變化量為0.098 9，約為方式C條件下的4.20倍，方式A條件下的2.30倍，說(shuō)明聚氣空間設(shè)于反應(yīng)器底部時(shí)，可以顯著提高快速釋壓對(duì)物料的攪拌效果。該試驗(yàn)中，物料粒徑為2.0 cm的攪拌效果明顯優(yōu)于1.0和0.5 cm，這是由于相同質(zhì)量不同粒度的物料按壓至緊后堆積密度不同，分別為72.52、89.84、126.57 g/L，粒徑大的物料內(nèi)部橋架空間中存留的帶壓氣體多，在快速釋壓過(guò)程中起到更多的輔助攪拌作用。對(duì)于實(shí)際厭氧干發(fā)酵，發(fā)酵底物粒度是影響產(chǎn)氣量的重要因素，所以應(yīng)結(jié)合發(fā)酵試驗(yàn)確定合理的粒度參數(shù)。

該試驗(yàn)中，可將整個(gè)圓柱形反應(yīng)器看作是快速釋氣過(guò)程的氣流導(dǎo)管，則位于反應(yīng)器上層的物料同時(shí)受到底部聚氣空間和物料自身支撐空間氣體的膨脹作用，所以上層物料釋壓前后縱截面分形維數(shù)的變化量明顯高于下層，上層物料的表面分形維數(shù)同樣高于下層物料。快速釋壓對(duì)物料的攪拌不一致。

綜上可得，聚氣空間分布方式和布?xì)庀到y(tǒng)是影響快速釋氣泄壓自攪拌的關(guān)鍵因素，聚氣空間設(shè)于反應(yīng)器底部能有效提升釋壓攪拌效果。需要對(duì)原料堆放方式、原料堆體物理特性、布?xì)夥绞降乳_展系統(tǒng)深入的研究，以便找到合理的設(shè)計(jì)來(lái)克服氣拌不均勻這一劣勢(shì)。

3結(jié)論

“周期性聚氣增壓，定時(shí)快速釋氣泄壓”可實(shí)現(xiàn)厭氧干發(fā)酵自攪拌。周期聚氣釋壓時(shí)，累積攪拌效果隨聚氣壓力增大和釋壓次數(shù)增多而增加，該試驗(yàn)條件下，壓力從0.10逐步增至0.70 MPa，物料縱截面分形維數(shù)比空白組增加了252%～12.06%，表面分形維數(shù)增加了15.53%～34.49%。

釋壓時(shí)間越短，快速釋壓膨脹功越大，對(duì)固體顆粒的擾動(dòng)作用越明顯。聚氣壓力和釋壓時(shí)間協(xié)同影響“快速釋氣泄壓”對(duì)物料的攪拌過(guò)程，壓力越大，釋壓時(shí)間越短，攪拌效果越明顯。該試驗(yàn)條件下，釋壓時(shí)間為0.60～0.80 s時(shí)，物料分形維數(shù)增幅最大，攪拌效果有顯著提升。

“周期性聚氣增壓，定時(shí)快速釋氣泄壓”可作為一種干發(fā)酵攪拌方式，可結(jié)合具體干發(fā)酵厭氧發(fā)酵進(jìn)行深入探討。

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