厭氧反應(yīng)器三相分離器氣液分離過(guò)程的模擬研究

訾 燦，李向東，陸飛鵬，童勝寶，鄭曉宇

(光大環(huán)境科技(中國(guó))有限公司，江蘇 南京 210007)

隨著城鎮(zhèn)化快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，我國(guó)城鎮(zhèn)生活垃圾清運(yùn)量仍在快速增長(zhǎng)，成為影響城市發(fā)展的重要因素[1]。城市生活垃圾一般采用直接焚燒或衛(wèi)生填埋進(jìn)行處理，在垃圾堆放或填埋過(guò)程中，由于重力壓實(shí)、發(fā)酵等作用產(chǎn)生大量垃圾滲濾液。垃圾滲濾液水質(zhì)成分復(fù)雜，有機(jī)污染物濃度高、氨氮濃度高、含鹽量高[2]。目前垃圾滲率液主要采用厭氧好氧結(jié)合的方式。內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器作為一種高效厭氧處理器，在垃圾滲濾液及其它污水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-5]。內(nèi)循環(huán)厭氧反應(yīng)器依靠提升管和回流管之間的沼氣密度差形成內(nèi)循環(huán)，從而增強(qiáng)液固傳質(zhì)，提升反應(yīng)器處理效率[6-7]。三相分離器作為厭氧反應(yīng)器核心部件，起到氣液固三相分離作用，其沼氣收集轉(zhuǎn)移效率、污泥攔截率決定了反應(yīng)器能否成功運(yùn)行[8-11]。

三相分離器結(jié)構(gòu)及工作原理較為復(fù)雜，主要包括反射板、通氣槽、集氣室及出氣管，氣體由反射板分離后經(jīng)通氣槽轉(zhuǎn)移至集氣室并由出氣管排出。黃健[12]采用實(shí)驗(yàn)的方法探討了回流縫寬度及沉降區(qū)高度對(duì)三相分離效果的影響。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬在厭氧反應(yīng)器研究方面得到廣泛應(yīng)用，研究者建立二維或三維厭氧反應(yīng)器模型并模擬內(nèi)部流場(chǎng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)[13]。在二維模型中，三相分離器簡(jiǎn)化為單反射板并與出氣管直接相連，于興峰[14]等模擬了氣液兩相流場(chǎng)，考察了進(jìn)水流量及反射板夾角對(duì)混合的影響；Sousa[6]等模擬了固含率分布，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了模擬準(zhǔn)確性；涂為媛[15]通過(guò)模擬氣液兩相流場(chǎng)，考察了反射板夾角及其安裝高度對(duì)流場(chǎng)的影響；Pan[5]等模擬了氣液固三相流場(chǎng)，考察了反射板角度對(duì)固相分離的影響；寧春雪[16]等在建立二維模型時(shí)，增加了反射板個(gè)數(shù)，通過(guò)模擬氣液固三相流場(chǎng)探究回流縫寬度及沉淀區(qū)高度對(duì)氣體分離的影響。厭氧反應(yīng)器三維模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研究者在建模時(shí)同樣進(jìn)行簡(jiǎn)化，張敏華[17]等建立了含兩層三相分離器的厭氧反應(yīng)器模型，每層三相分離器含一個(gè)反射板并與出氣管相連，模擬了氣固相軸向高度體積分布；Camila[7]等建立了單反射板三維模型，通過(guò)模擬液相流場(chǎng)速度分布判斷反應(yīng)器死區(qū)范圍，并得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。郝飛麟[18-19]等建立了含多個(gè)反射板的三相分離器，模擬了氣液固三相流場(chǎng)，模擬發(fā)現(xiàn)液體上升流速對(duì)分離效率影響較小，而污泥回流縫寬度決定分離效率。

三相分離器工程運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，三相分離器在氣體轉(zhuǎn)移排出過(guò)程存在不暢，影響三相分離效率?，F(xiàn)有研究所由于未考慮三相分離器通氣槽及集氣室，尚未對(duì)氣體轉(zhuǎn)移排出過(guò)程進(jìn)行剖析。本研究擬采用數(shù)值模擬方法，建立含反射板、通氣槽、集氣室及出氣管的三相分離器三維模型，模擬氣體轉(zhuǎn)移排出過(guò)程，剖析氣體轉(zhuǎn)移排出不暢的原因，進(jìn)而優(yōu)化三相分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 數(shù)值模擬及冷模實(shí)驗(yàn)

1.1 模擬對(duì)象

模擬對(duì)象為圖1～圖3所示直徑4.5 m、整體高度7 m的厭氧反應(yīng)區(qū)域，該區(qū)域包含三相分離器。三相分離器A向側(cè)視圖如圖2所示，三相分離器B向側(cè)視圖如圖3所示。三相分離器包含三層反射板,1個(gè)集氣室以及2根出氣管。三層反射板交替重疊三相分離器高度2.0 m，反射板寬度為200 mm。集氣室寬度500 mm，集氣室頂部距上層反射板200 mm。兩根沼氣出氣管直徑均為100 mm。

圖1 相分離器模型

圖2 三相分離器A向側(cè)視圖

圖3 三相分離器B向側(cè)視圖

1.2 模擬過(guò)程

模擬過(guò)程假設(shè)氣液相為不可壓縮且相間沒(méi)有傳質(zhì)過(guò)程。厭氧實(shí)際過(guò)程涉及到氣液固三相，固相為厭氧污泥，其密度一般為1050 kg·m-3與水的密度極為接近，因此研究者往往通過(guò)修正液相的密度與粘度考慮厭氧污泥對(duì)液相粘度密度的影響，進(jìn)而將氣液固三相系統(tǒng)合理簡(jiǎn)化為氣液兩相系統(tǒng)[7]。模擬過(guò)程中假設(shè)廢水為連續(xù)相，空氣為離散相，采用歐拉雙流體模型描述氣液兩相運(yùn)動(dòng)，廢水和沼氣是相互滲透的擬流體。氣相密度1.1 kg·m-3，粘度1.4×10-5Pas，氣泡直徑設(shè)置為1 mm[7]；廢水密度為1020 kg·m-3，粘度為0.1 Pas，氣液相溫度為35℃。

模擬過(guò)程中多相流控制方程如下[20]：

氣液相質(zhì)量守恒方程：

(1)

(2)

式中：ε為體積分?jǐn)?shù)；ρ為密度，kg·m-3；v為流體速度，m·s-1；g為氣相；s為液相。

氣液相動(dòng)量守恒方程：

(3)

(4)

式中：τ為有壓力應(yīng)變張量；P為壓力；βgl為氣液相間曳力系數(shù)，本次模擬過(guò)程中選用Schiller-Naumann模型[14]。

1.3 模擬參數(shù)的設(shè)置與確定

邊界條件：三相分離器下邊界為速度入口，氣液相速度均為0.0011 m·s-1，氣相體積分?jǐn)?shù)為0.2，氣液相上升流速基于工業(yè)厭氧裝置運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)；上邊界為壓力出口；反射板、集氣室、提升管及筒體均設(shè)為壁面，采用無(wú)滑移壁面條件。初始條件：水相為主相，空氣為次要相。

求解設(shè)置：采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，計(jì)算模型為非耦合求解，殘差設(shè)置為0.0001。離散方法均采用二階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合方法采用SIMPLE[18]。模擬過(guò)程中監(jiān)測(cè)進(jìn)出口氣相質(zhì)量流量以及集氣室提升管出口氣相體積分?jǐn)?shù)。

1.4 冷模實(shí)驗(yàn)裝置

圖4為冷模實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包括進(jìn)水系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、反應(yīng)器系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)。進(jìn)水系統(tǒng)包括：進(jìn)水箱、進(jìn)水泵、進(jìn)水流量計(jì)，進(jìn)水泵額定流量為6.3 m3·h-1，通過(guò)進(jìn)水流量計(jì)調(diào)節(jié)進(jìn)水量，模擬厭氧反應(yīng)器進(jìn)水。進(jìn)氣系統(tǒng)包括：進(jìn)氣流量計(jì)、減壓閥，壓縮空氣經(jīng)減壓閥減壓后維持進(jìn)氣壓力穩(wěn)定，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量計(jì)，氣體經(jīng)三個(gè)曝氣盤進(jìn)入反應(yīng)器，曝氣盤產(chǎn)生的氣泡直徑小于2 mm。反應(yīng)器系統(tǒng)包括：反應(yīng)器筒體、曝氣盤、三相分離器。反應(yīng)器內(nèi)上升的氣液經(jīng)三相分離器分離，三相分離器收集的氣體將攜帶水進(jìn)入提升管，并由提升管進(jìn)入后續(xù)的檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)包括：濾袋、出水水箱，濾袋過(guò)濾孔徑為200目，出水水箱體積為0.5 m3。提升管內(nèi)混合流體先經(jīng)濾袋將固體顆粒攔截，然后氣體所攜帶的水進(jìn)入出水水箱，通過(guò)檢測(cè)出水水箱液位的變化反映氣相帶水量。

1.進(jìn)水箱; 2.進(jìn)水泵; 3.進(jìn)水流量計(jì); 4.反應(yīng)器; 5.曝氣盤; 6.三相分離器; 7.進(jìn)氣流量計(jì); 8.氣體減壓閥; 9.濾袋; 10.出水水箱

反應(yīng)器整體高度為2.1 m,直徑為1 m，三相分離器安裝高度距反應(yīng)器底部1.28 m。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，厭氧反應(yīng)器由進(jìn)水及進(jìn)氣系統(tǒng)分別調(diào)節(jié)進(jìn)水量及進(jìn)氣量，模擬厭氧反應(yīng)器上升的水及沼氣，流量調(diào)節(jié)范圍均為0.4～4 m3·h-1，進(jìn)水量、進(jìn)氣量調(diào)節(jié)范圍均參照工業(yè)厭氧罐上升流速及沼氣產(chǎn)生量進(jìn)行設(shè)定。水的密度為1000 kg·m-3，粘度為0.9 m Pas，空氣密度為1.2 kg·m-3，粘度為1.8×10-5Pas，實(shí)驗(yàn)條件下溫度為25℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 三相分離器氣相分離過(guò)程模擬

利用穩(wěn)態(tài)計(jì)算中監(jiān)測(cè)的進(jìn)出口氣相質(zhì)量流量計(jì)算氣相收集效率，得到圖5所示結(jié)果。由圖5可知，氣相收集效率在迭代3000次以后趨于穩(wěn)定，即模擬結(jié)果達(dá)到穩(wěn)定。模擬結(jié)果可用于后續(xù)分析。

圖5 氣相收集效率隨迭代次數(shù)的變化

提取模擬得到的氣相濃度分布、氣相矢量分布，如圖6，圖7所示。圖6反映了氣相在反射板內(nèi)的分離收集過(guò)程，上升氣體首先被最下層反射板分離收集，未被收集部分由反射板兩側(cè)上行，并由上一層反射板進(jìn)一步分離收集，經(jīng)3層反射板分離收集后仍有少量氣體逃逸至上層沉淀區(qū)。圖7反映了氣體在反射板與集氣室之間的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，由圖7可知底層反射板收集的氣體能較為順暢的進(jìn)入集氣室，而上層反射板收集的氣體難以向集氣室轉(zhuǎn)移，且出現(xiàn)氣體由集氣室向上層反射板轉(zhuǎn)移的倒灌現(xiàn)象。

圖6 X-Y截面氣相體積分?jǐn)?shù)及氣相矢量分布

圖7 Y-Z截面氣相體積分?jǐn)?shù)及氣相矢量分布

圖8為在進(jìn)水、進(jìn)氣量均為3 m3·h-1條件下反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相運(yùn)動(dòng)。氣體在三相分離器內(nèi)過(guò)程如圖9、圖10、圖11所示，即氣體首先被反射板分離收集，然后進(jìn)入集氣室，最后攜帶一定量的液體由集氣室頂部提升管排出。圖9表明氣泡首先經(jīng)最下層反射板分離收集，大部分氣泡被最下層反射板分離收集；未收集部分由反射板兩側(cè)翻至中層反射板并被分離收集，仍有部分未被及時(shí)分離收集的氣泡逃逸。圖10為集氣室向提升管氣體轉(zhuǎn)移的過(guò)程，集氣室收集的氣體在上部匯集，并在提升管內(nèi)形成向上的兩相流。圖11為反射板與集氣室間氣體轉(zhuǎn)移。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最下層及中間層反射板氣體轉(zhuǎn)移過(guò)程較順暢，但最上層反射板氣體向集氣室轉(zhuǎn)移困難，并出現(xiàn)集氣室氣體向最上層反射板倒灌的現(xiàn)象。

圖8 反應(yīng)器內(nèi)氣泡上升過(guò)程(進(jìn)水、進(jìn)氣量均為3 m3·h-1)

圖9 三相分離器反射板內(nèi)氣泡分離收集過(guò)程

圖10 三相分離器氣體提升管內(nèi)氣泡運(yùn)動(dòng)

對(duì)比圖6～圖11可知，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，模擬能夠反映氣相在三相分離器內(nèi)分離收集以及氣體在反射板與集氣室間的轉(zhuǎn)移，尤其是能夠捕捉上層反射板的氣體倒灌現(xiàn)象，進(jìn)一步證明模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖11 三相分離器反射板與集氣室間氣泡轉(zhuǎn)移過(guò)程

由于氣體運(yùn)動(dòng)受壓力分布主導(dǎo)，提取如圖12和圖13所示的壓力分布。由圖可知各層反射板內(nèi)壓力存在差異，集氣室內(nèi)存在上高下低的壓力分布。進(jìn)一步提取圖13中標(biāo)注的P1～P4四個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的壓力，分別為P1=160 Pa，P2=20 Pa，P3=140 Pa，P4=70 Pa。模擬過(guò)程中設(shè)置三相分離器底面為壓力值為零的參考點(diǎn)。對(duì)比圖12和圖13及提取的壓力值可知，集氣室上部壓力(P1)較上層反射板通氣槽處壓力(P2)大，導(dǎo)致氣體由集氣室向上層反射板倒灌。下層反射板通氣槽處壓力(P3)較連接處集氣室壓力(P4)高，因此下層反射板分離收集得到的氣體能更順暢地進(jìn)入集氣室。

圖12 X-Y截面壓力及氣相矢量分布

圖13 Y-Z截面壓力及氣相矢量分布

對(duì)于集氣室而言，集氣室內(nèi)氣體集中在頂部，造成集氣室內(nèi)上部壓力高下部壓力低的分布。同樣，反射板內(nèi)壓力分布與緩存氣體量有關(guān)，經(jīng)過(guò)兩層反射板的分離收集，僅有少量氣體進(jìn)入上層反射板。上層反射板緩存氣量少，不易產(chǎn)生穩(wěn)定的高壓區(qū)以克服與之相鄰的集氣室壓力，而且上層反射板通氣槽面積相對(duì)較大，少量緩存的沼氣無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣封，最終導(dǎo)致上層反射板氣體倒灌現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.2 通氣槽結(jié)構(gòu)對(duì)氣相收集的影響

小結(jié)2.1中通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了三相分離器上層反射板氣體倒灌現(xiàn)象，并對(duì)這一現(xiàn)象產(chǎn)生原因進(jìn)行了解釋。氣體倒灌影響了三相分離氣體分離收集效率，為解決這一問(wèn)題，對(duì)三相分離器通氣槽開(kāi)孔分布進(jìn)行優(yōu)化。圖14和圖15為通氣槽開(kāi)孔前后對(duì)比，圖14為原有通氣槽開(kāi)孔方式，三層反射板的通氣槽開(kāi)孔大小一致；圖15為改進(jìn)后通氣槽開(kāi)孔方式，通氣槽開(kāi)孔面積隨著反射板高度增加而減小，以匹配各層反射板沼氣分離收集量的變化。

圖14 原通氣槽開(kāi)孔方式

圖15 通氣槽改進(jìn)開(kāi)孔方式

圖16和圖17為改進(jìn)模型模擬的氣相濃度、壓力分布及對(duì)氣相矢量分布圖。由圖所示的氣相矢量分布圖可知，此時(shí)上層折流板氣相倒灌現(xiàn)象基本消失。上層折流板通氣槽變小，反射板內(nèi)分離收集的少量沼氣能夠集聚形成穩(wěn)定的氣層，推動(dòng)上層折流板內(nèi)氣體進(jìn)入集氣室，阻礙氣體倒灌。與此同時(shí)，下層反射板分離收集的氣體量最大，優(yōu)化后下層反射板通氣槽開(kāi)孔面積最大，有助于氣體更順暢地進(jìn)入集氣室。通過(guò)檢測(cè)模擬數(shù)據(jù)對(duì)比改進(jìn)前后三相分離器模型的沼氣收集效率，改進(jìn)后模型沼氣收集效率較原有模型提高10%。由此可知圖17中所示的改進(jìn)能夠有效消除上層折流板氣體倒灌現(xiàn)象，并增加沼氣分離收集效率。

圖16 改進(jìn)模型Y-Z截面氣相濃度及對(duì)應(yīng)氣相矢量分布圖

2.3 集氣室高度對(duì)氣相收集的影響

根據(jù)2.2中模擬結(jié)果可知，集氣室頂部壓力大，上層反射板距離集氣室頂部較近，容易出現(xiàn)氣體由集氣室向上層反射板倒灌的現(xiàn)象。本小結(jié)進(jìn)一步研究集氣室高度對(duì)氣體收集效率的影響，探究增加集氣室高度能否減弱氣體倒灌現(xiàn)象。圖18～圖20為不同高度集氣室模型。

圖18 集氣室頂部距上層反射板200 mm模型

圖19 集氣室頂部距上層反射板400 mm模型

圖20 集氣室頂部距上層反射板600 mm模型

模擬得到圖21所示氣相收集效率與出氣管氣相體積分?jǐn)?shù)隨集氣室高度的變化。由圖可知，隨著集氣室高度的增加，氣相收集效率以及出氣管氣相體積分?jǐn)?shù)均緩慢增加。為進(jìn)一步解釋集氣室高度變化所產(chǎn)生的影響，提取了不同集氣室高度下相同截面位置處壓力分布、氣相濃度分布以及對(duì)應(yīng)的氣相矢量分布圖，分別如圖22～圖24所示。由圖22～圖24可知，隨著集氣室高度的增加，集氣室頂部的壓力不斷增大，上層反射板與集氣室連接處的壓力變化不明顯。因此，通過(guò)增加集氣室高度無(wú)法明顯減弱集氣室上部高壓區(qū)域?qū)ι蠈臃瓷浒逵绊憽?duì)比圖22～圖27可知，隨著集氣室高度的增加，集氣室上部的氣體集聚量不斷增大，由此造成集氣室上部壓力增大。

圖21 氣相收集效率與出氣管氣相體積分?jǐn)?shù)隨集氣室高度的變化

圖22 集氣室高度200 mmY-Z截面壓力分布、氣相矢量分布

圖23 集氣室高度400 mmY-Z截面壓力分布、氣相矢量分布

圖24 集氣室高度600 mmY-Z截面壓力分布、氣相矢量分布

進(jìn)一步分析圖22～圖27中氣相矢量發(fā)現(xiàn)，隨著集氣室高度的增加，上下層反射板進(jìn)入集氣室的氣相運(yùn)動(dòng)速度均不斷增大，下層反射板的增加更為明顯，由此使得氣相收集效率隨集氣室高度增加而增大。下層反射板進(jìn)入集氣室氣相速度增加的原因，可能是由于集氣室軸向空間隨集氣室高度增加而加大，氣液相流場(chǎng)在軸向上能夠上升的距離加長(zhǎng)，使得運(yùn)動(dòng)速度加快。

圖27 集氣室高度600 mm Y-Z截面氣相濃度、氣相矢量分布

3 總結(jié)

本文建立了含反射板、通氣槽、集氣室及出氣管的三相分離器三維模型，采用歐拉模型對(duì)其內(nèi)部氣液流場(chǎng)進(jìn)行模擬，剖析了氣體分離收集轉(zhuǎn)移的過(guò)程。模擬表明三相分離器上層反射板存在氣體倒灌現(xiàn)象，并得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。進(jìn)一步提取集氣室及反射板內(nèi)部氣相濃度及壓力分布，發(fā)現(xiàn)集氣室由于內(nèi)部氣體濃度分布呈現(xiàn)上大下小的壓力分布；上層反射板收集氣量少且通氣槽面積大，無(wú)法在內(nèi)部形成穩(wěn)定的高壓區(qū)以克服相鄰集氣室的壓力，進(jìn)而導(dǎo)致氣體倒灌。在氣體倒灌得以剖析的基礎(chǔ)上，提出了梯度分布通氣槽開(kāi)孔，減小上層反射板通氣槽面積的同時(shí)增加下層反射板通氣槽面積，使通氣槽面積與各層反射板氣體收集量匹配。模擬表明優(yōu)化后通氣槽能夠保證上層反射板內(nèi)部形成穩(wěn)定的高壓以消除上層反射板氣體倒灌，并有助于下層反射板所收集氣體的轉(zhuǎn)移，最終提升三相分離器分離效率。研究進(jìn)一步考察了集氣室高度對(duì)氣體倒灌現(xiàn)象的影響，結(jié)果表明隨著集氣室高度的增加集氣室頂部壓力不斷增加，無(wú)法減弱氣體倒灌現(xiàn)象。

圖25 集氣室高度200 mm Y-Z截面氣相濃度、氣相矢量分布

圖26 集氣室高度400 mm Y-Z截面氣相濃度、氣相矢量分布