孫 勇，王連瑞，張兆國(guó)※，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(jìn)行厭氧發(fā)酵制取沼氣是中國(guó)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(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，玉米秸稈中的一些難分解物質(zhì)會(huì)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(duì)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(duì)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(jì)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(duì)比研究了不同的攪拌器安裝方式對(duì)全混合式厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)的影響，得出雙層攪拌器可以有效破殼并且改善流場(chǎng)狀態(tài)的結(jié)論；畢華飛等研究攪拌槳偏心攪拌對(duì)流場(chǎng)內(nèi)部的影響，發(fā)現(xiàn)攪拌偏心對(duì)漩渦深度影響遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)速及物料。以上研究大多是揭示結(jié)殼產(chǎn)生機(jī)理，并未從抑制打破結(jié)殼的角度進(jìn)行研究，常用的機(jī)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(duì)性的對(duì)浮渣層結(jié)殼進(jìn)行破除。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種抗結(jié)殼厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，通過機(jī)械攪拌方法對(duì)浮渣結(jié)殼層進(jìn)行破除和抑制作用，利用DEM-CFD耦合的方法對(duì)破殼裝置的攪拌葉片進(jìn)行優(yōu)化，并通過與對(duì)照組試驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，罐體及破殼裝置構(gòu)成。傳動(dòng)裝置主要包括減速電機(jī)、DJ機(jī)架、GT型聯(lián)軸器、滾動(dòng)軸承、機(jī)械密封和主軸，通過主軸上的凸緣法蘭將破殼裝置動(dòng)力輸入軸連接；破殼裝置主要由一個(gè)行星齒輪機(jī)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(jìn)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(jī)配套動(dòng)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(jī)結(jié)構(gòu)圖。

在反應(yīng)器工作時(shí)，PLC為變頻器輸入啟停信號(hào)，變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速及啟停，電機(jī)輸入扭矩經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳入到破殼裝置動(dòng)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(gè)圓周的運(yùn)動(dòng)，這樣箱體上的橫向攪拌軸具有一個(gè)“公轉(zhuǎn)”加“自轉(zhuǎn)”的運(yùn)動(dòng)，行星齒輪機(jī)構(gòu)可以將橫向攪拌軸的“公轉(zhuǎn)”運(yùn)動(dòng)速度減速到遠(yuǎn)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(shí)不會(huì)使整個(gè)橫軸帶動(dòng)整個(gè)浮渣結(jié)殼層做圓周運(yùn)動(dòng)，而相對(duì)較快的“自轉(zhuǎn)”運(yùn)動(dòng)會(huì)進(jìn)一步打破浮渣結(jié)殼層，二者較大的相對(duì)速度差才會(huì)對(duì)浮渣層產(chǎn)生有效的攪拌破除作用；同時(shí)，橫向攪拌軸的旋轉(zhuǎn)方向是相互對(duì)稱的，這樣在圓周方向上會(huì)將物料向相反的方向帶動(dòng)并拋散，在垂直攪拌軸上推進(jìn)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(dòng)，在此過程中加快物料與沼液之間的反應(yīng)，促進(jìn)發(fā)酵效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)

2.1 破殼裝置設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)對(duì)浮渣層結(jié)殼的破碎，對(duì)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)于所有齒輪及行星架軸線平行的行星齒輪傳動(dòng)，計(jì)算轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)傳動(dòng)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(gè)整體部件X，故，輸入軸G到輸出軸D的傳動(dòng)比：

輸入軸G到輸入軸E的傳動(dòng)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(jì)算，得傳動(dòng)比i=1.12，i=1.28。

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

2.2 破殼裝置動(dòng)力學(xué)分析

為保證機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，利用ADAMS軟件對(duì)破殼裝置對(duì)簡(jiǎn)化后的破殼裝置模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，如圖3所示。

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

對(duì)機(jī)器運(yùn)行的最大負(fù)載情況下進(jìn)行仿真，在太陽(yáng)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(shí)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?jiǎn)?dòng)階段之后，其他運(yùn)行時(shí)間較為平穩(wěn)，曲線趨勢(shì)呈明顯的周期性，符合齒輪運(yùn)行特點(diǎn)，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(duì)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(duì)誤差為2.8%，仿真結(jié)果與理論值基本一致，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)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(yáng)輪與行星輪間的嚙合力的時(shí)域曲線和頻域曲線。在仿真過程中齒輪傳動(dòng)系中存在著齒側(cè)間隙等非線性因素，嚙合力會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，符合實(shí)際工況。太陽(yáng)輪與行星輪間嚙合力極大值1 200.40 N，平均值42.81 N，計(jì)算嚙合力理論值為41.86 N，相對(duì)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(dòng)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(huì)引起較大振動(dòng)。

圖5 太陽(yáng)輪與行星輪嚙合力時(shí)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(jì)

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(shí)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(duì)象，對(duì)葉片安裝角進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

對(duì)單個(gè)葉片上物料的運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(yùn)動(dòng)過程中受到沼液的浮力F、自身重力、葉片對(duì)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(yùn)動(dòng)過程中的受力分析圖，葉片在旋轉(zhuǎn)過程中受到物料對(duì)葉片的壓力F、沼液對(duì)葉片的壓力F，要克服物料及沼液對(duì)其的作用，葉片夾角要控制在一定合理范圍內(nèi)，過小會(huì)增大葉片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程的阻力，從而增大功率，過大會(huì)減小葉片對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(jìn)行DEM-CFD耦合模擬時(shí)，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(duì)流場(chǎng)的作用，在破殼裝置實(shí)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(duì)破殼裝置兩種葉片下的流場(chǎng)進(jìn)行模擬。在Eulerian模型中加入了體積分?jǐn)?shù)的項(xiàng)，即

式中流體密度，kg/m；時(shí)間，s；流體速度，m/s；流體體積分?jǐn)?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(jì)算顆粒接觸力。液相采用水的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，密度998 kg/m，黏度0.001 03Pa·s?？紤]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(duì)玉米秸稈粉料進(jìn)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(yàn)

運(yùn)用ICEM軟件對(duì)模型進(jìn)行全四面體網(wǎng)格劃分，將模型劃分為6個(gè)區(qū)域，每個(gè)計(jì)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(yùn)動(dòng)，本文采用滑移網(wǎng)格模型來求解。4個(gè)攪拌葉片所在區(qū)域及罐體上部區(qū)域在Fluent計(jì)算中為旋轉(zhuǎn)域，罐體下部區(qū)域?yàn)殪o止域，網(wǎng)格模型如圖7所示。

為了驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)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(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)，在橫向攪拌軸槳葉中心位置增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，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(dá)到1.8×10時(shí)，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(diǎn)數(shù)為3.2×10進(jìn)行計(jì)算。

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

3.3 邊界條件

在Fluent中采用瞬態(tài)計(jì)算，對(duì)于連續(xù)流體，采用-湍流模型，運(yùn)用SIMPLE算法。時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1×10，EDEM中時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1×10，時(shí)間步長(zhǎng)比為100∶1，設(shè)置Fluent計(jì)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(chǎng)的速度云圖?？傮w來講，攪拌葉片附近產(chǎn)生強(qiáng)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(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的速度流場(chǎng)，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(chǎng)狀態(tài)較為復(fù)雜；下層的推進(jìn)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(chǎng)速度矢量圖，在推進(jìn)式攪拌葉片內(nèi)部會(huì)向下吸入大量流體，經(jīng)過底部斜槳葉攪拌葉片對(duì)軸向流的助推，流體在碰撞的罐體底部時(shí)會(huì)沿著壁面向上流動(dòng)，在罐體的中上層又受到推進(jìn)式攪拌葉片的作用，在流場(chǎng)中產(chǎn)生渦流，在渦流的作用下，會(huì)帶動(dòng)上層的秸稈沿著渦流向下運(yùn)動(dòng)。

圖8c為反應(yīng)器的流場(chǎng)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(chǎng)軌跡向壁面推進(jìn)，在反應(yīng)釜上部和下部產(chǎn)生兩種渦流，這時(shí)由于整個(gè)上部流場(chǎng)的橫向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了離心力，在離心力的作用下，使流場(chǎng)形成混合運(yùn)動(dòng)，并撞擊壁面，向豎直的兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，向下的流體會(huì)與下部流體渦流匯聚，向上的流體會(huì)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(dòng)過程中，使流場(chǎng)產(chǎn)生了較大范圍的橫向流動(dòng)，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(huì)在液面處形成顆粒的橫向移動(dòng)，這樣的運(yùn)動(dòng)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(dòng)。

圖8 仿真模型流場(chǎng)速度云圖、矢量圖及流場(chǎng)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(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)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(jìn)行玉米秸稈厭氧發(fā)酵試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用東農(nóng)甜3號(hào)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(yàn)田，將收獲好的玉米秸稈進(jìn)行自然風(fēng)干處理，用四達(dá)9FQ-36B錘片式粉碎機(jī)進(jìn)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(yùn)行秸稈沼氣工程的發(fā)酵活性污泥，試驗(yàn)原料特性見表3，試驗(yàn)地點(diǎn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院。試驗(yàn)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(shí)間間隔、單次攪拌時(shí)間下進(jìn)行13組試驗(yàn)，單次發(fā)酵5d后結(jié)束試驗(yàn)。查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，浮渣層厚度會(huì)在發(fā)酵啟動(dòng)5d后趨于平穩(wěn)的狀態(tài)，測(cè)量發(fā)酵啟動(dòng)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(jìn)行破殼試驗(yàn)。

圖10 反應(yīng)器破殼試驗(yàn)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(yàn)方案

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

表4 試驗(yàn)因素編碼值Table 4 Factors and levels of test

表5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 5 Design and results of test

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用Design-Expert10.0軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)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(shí)間的值小于0.01，對(duì)浮渣層厚度影響極顯著；攪拌時(shí)間間隔＜0.05，對(duì)浮渣層厚度影響顯著；失擬項(xiàng)=0.072 1，證明不存在其他因素影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要要素。試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著二次項(xiàng)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到轉(zhuǎn)速、攪拌間隔、攪拌時(shí)間之間的交互作用對(duì)浮渣層厚度的響應(yīng)曲面，如圖11所示。

圖11 交互作用對(duì)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(shí)間一定時(shí)，浮渣層厚度隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小；當(dāng)轉(zhuǎn)速時(shí)，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(yàn)因素。如圖11b，當(dāng)攪拌時(shí)間一定時(shí)，浮渣層厚度隨著轉(zhuǎn)速的增加而減??；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，浮渣層厚度隨著攪拌時(shí)間的增加而減小，最優(yōu)的攪拌時(shí)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(yàn)因素。如圖11c，當(dāng)攪拌時(shí)間一定時(shí)，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(shì)，最優(yōu)的攪拌間隔范圍是3～5 h/次；當(dāng)攪拌間隔一定時(shí)，浮渣層厚度隨著攪拌時(shí)間的增加而減小的，最優(yōu)的攪拌時(shí)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(yàn)證試驗(yàn)

利用Design-Expert10.0軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)浮渣厚度最小值進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)解：轉(zhuǎn)速為120 r/min，攪拌間隔時(shí)間為3 h，攪拌時(shí)間為30 min。進(jìn)行3組重復(fù)獨(dú)立試驗(yàn)，將3次試驗(yàn)結(jié)果的浮渣結(jié)殼層厚度平均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。進(jìn)行3組不做任何攪拌作用的對(duì)照組試驗(yàn)，取3次試驗(yàn)結(jié)果的浮渣層厚度平均值，將兩組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如圖12a為反應(yīng)器進(jìn)行發(fā)酵試驗(yàn)后的效果圖，測(cè)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(duì)照組試驗(yàn)的浮渣層效果圖，測(cè)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(yàn)浮渣結(jié)殼層對(duì)比Fig.12 Scum crusts in anaerobic fermentation experiment of maize straw

5 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種抗結(jié)殼厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了破殼裝置，利用破殼裝置自身的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)對(duì)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(shí)現(xiàn)了抑制與打破作用。

2）通過EDEM軟件與Fluent耦合法對(duì)厭氧發(fā)酵反應(yīng)器的工作過程進(jìn)行仿真，將兩種攪拌葉片形式產(chǎn)生的流場(chǎng)分布與顆粒分散情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，斜槳式葉片產(chǎn)生的橫向流動(dòng)產(chǎn)生會(huì)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(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速為120 r/min，攪拌間隔時(shí)間為3 h，攪拌時(shí)間為30 min時(shí)，浮渣層厚度為16.1 cm，相比對(duì)照組浮渣層厚度25.2 cm，浮渣層厚度減小了36.1%。