田麗森 趙 金 趙永志 楊 恒 劉少非 王彥芳 王海紅 郭天宇

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

0 前言

厭氧反應(yīng)器是一種高效的廢水處理裝置,主要利用厭氧微生物的自身代謝過程將廢水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為無機(jī)物和少量細(xì)胞產(chǎn)物,從而達(dá)到廢水處理的目的[1]。目前,在垃圾滲濾液、屠宰廢水等高濃度廢水處理領(lǐng)域,通常采用的厭氧反應(yīng)器有升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)、厭氧顆粒污泥膨脹床反應(yīng)器(EGSB)、厭氧內(nèi)循環(huán)反應(yīng)器(IC)等[2-3]。無論哪一種反應(yīng)器,布水器均是它們正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素。具體地,布水器使待處理的廢水進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器的底部,使廢水與污泥充分接觸,通過厭氧微生物的代謝降解作用,使廢水中的大部分有機(jī)污泥物轉(zhuǎn)化為沼氣,小部分轉(zhuǎn)化為污泥、沼氣、水、泥混合物等[4]。

布水器的優(yōu)劣直接影響廢水處理效果。目前應(yīng)用比較廣泛的厭氧反應(yīng)器布水器主要有枝狀、環(huán)狀和網(wǎng)狀三種。因此利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)三種布水器進(jìn)行模擬[5-7],通過改變布水器結(jié)構(gòu)形式及分布器出水角度等主要參數(shù),分析反應(yīng)器內(nèi)部的流動(dòng)狀態(tài),基于充滿度、死角區(qū)面積的對(duì)比,為反應(yīng)器布水方式的選擇提供參考,推動(dòng)自主研發(fā)設(shè)計(jì)高效厭氧反應(yīng)器的應(yīng)用進(jìn)程。

1 構(gòu)型選取及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),選取了枝狀結(jié)構(gòu)、環(huán)狀結(jié)構(gòu)及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等三種不同的布水器進(jìn)行模擬仿真分析,它們分別對(duì)應(yīng)后文的方案1、方案2和方案3,其中方案2環(huán)狀結(jié)構(gòu)又根據(jù)布水支管的角度不同細(xì)分為3個(gè)小方案。通過對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式布水器的布水過程進(jìn)行數(shù)值仿真和分析,確定最佳的布水器結(jié)構(gòu),避免死角,減少污堵結(jié)垢,并進(jìn)一步對(duì)布水器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出改進(jìn)建議,從而提高垃圾滲濾液厭氧反應(yīng)器的生產(chǎn)效率。

厭氧反應(yīng)器內(nèi)布水器主要操作參數(shù)見表1。

布水器數(shù)值仿真中采用的數(shù)學(xué)方法、模型以及相關(guān)參數(shù)的選擇見表2。

表2 布水器數(shù)值仿真數(shù)學(xué)方法和模型確定

1.1 布水器幾何結(jié)構(gòu)

方案1枝狀布水器幾何結(jié)構(gòu)以及各部分尺寸如圖1所示。枝狀布水器共有12根支管,其中6根開8個(gè)孔(兩種直徑的孔,每種4個(gè),孔徑分別為12 mm 和10 mm),另外6根開有12個(gè)孔(三種直徑的孔,每種4個(gè),孔徑分別為12 mm、10 mm和8 mm),兩種支管相間布置,孔的分布如圖2所示。

圖1 方案1枝狀布水器結(jié)構(gòu)

圖2 枝狀布水器支管出孔分布情況

方案2環(huán)狀布水器主管為圓環(huán)形,支管共40根,均勻分布在主管圓環(huán)上,每根支管間的圓心角為9°,支管與圓環(huán)主管軸線夾角有3種,分別為30°、60°和90°,入口管有兩根。方案2環(huán)狀布水器幾何結(jié)構(gòu)如圖3所示。

L-進(jìn)水主管長度; L1-布水支管長度; R-環(huán)狀布水器主管半徑; R1-進(jìn)水主管管徑; R2-布水支管管徑; α-布水支管間夾角; β-布水支管與布水主管夾角圖3 方案2環(huán)狀布水器幾何結(jié)構(gòu)

環(huán)狀布水器共包括3個(gè)小方案,各方案幾何尺寸見表3。

表3 方案2各子方案結(jié)構(gòu)參數(shù)

方案3網(wǎng)狀布水器幾何結(jié)構(gòu)如圖4所示。入口管以及各支管直徑均為32 mm,共有64個(gè)出口。按圖4所示給各出口編號(hào),以方便分析模擬結(jié)果,并將方案3所示布水器中的分流結(jié)構(gòu)分為如圖4所示的三級(jí)。入流主管先分為兩根一級(jí)入流支管,每根一級(jí)入流支管對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)為一級(jí)分流結(jié)構(gòu);一級(jí)入流支管再一分為二,得到兩根二級(jí)入流支管,二級(jí)入流支管對(duì)應(yīng)的為二級(jí)分流結(jié)構(gòu)。方案3共有一級(jí)分流結(jié)構(gòu)2個(gè),二級(jí)分流結(jié)構(gòu)4個(gè),三級(jí)分流結(jié)構(gòu)16個(gè)。

圖4 方案3網(wǎng)狀布水器幾何結(jié)構(gòu)

1.2 布水器計(jì)算網(wǎng)格

方案1計(jì)算域離散為如圖5所示的四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格質(zhì)量見表4。

圖5 方案1枝狀布水器計(jì)算網(wǎng)格

由表4可知,網(wǎng)格劃分合理,網(wǎng)格質(zhì)量好。

方案2中3個(gè)小方案計(jì)算域離散為如圖6所示的四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格質(zhì)量分別見表5。

圖6 方案2環(huán)狀布水器計(jì)算網(wǎng)格

表5 方案2網(wǎng)格質(zhì)量

由表5可知,網(wǎng)格劃分合理,網(wǎng)格質(zhì)量好。

方案3計(jì)算域離散為如圖7所示的四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格質(zhì)量分別見表6。

圖7 方案3網(wǎng)狀布水器計(jì)算網(wǎng)格

表6 方案3網(wǎng)格質(zhì)量

由表6可知,網(wǎng)格劃分合理,網(wǎng)格質(zhì)量好。

2 數(shù)值仿真結(jié)果分析

2.1 方案1枝狀布水器數(shù)值仿真

為方便分析模擬結(jié)果,將各支管以及支管上的出孔進(jìn)行編號(hào),如圖8所示。圖9為XY平面上速度大小分布云圖。

圖8 各支管及出孔編號(hào)情況

圖9 XY平面上速度分布云圖

如圖9所示,枝狀布水器支管中的速度分布呈很好的中心對(duì)稱性;越靠近中心,支管中的速度越大;隨著徑向位置增大,出水孔數(shù)量逐漸減少,流量減小,支管內(nèi)的流速也逐漸減小。

入口壓力為235 440 Pa和392 400 Pa時(shí)各出口流量分別如圖10(a)和10(b)所示。由圖10可知,兩種孔數(shù)管相應(yīng)位置的出口流量相差很小;同一支管上,孔徑相同的出口流量基本相同;孔數(shù)量為8的支管所有出口總流量的平均值為8.304 kg/s,孔數(shù)量為12的支管所有出口總流量的平均值為10.41 kg/s,這是因?yàn)橛捎陂_孔數(shù)量增多,流體阻力減小,導(dǎo)致多孔支管的流量增大,即孔徑大的出口流量并沒有因離中心管遠(yuǎn)而降低。

圖10 方案1枝狀布水器各出口流量

將布水器按圖2所示分為6個(gè)相同的小單元,并將該小單元按分為O、P和Q三個(gè)區(qū)域。根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果,P區(qū)域的單位面積流量比O區(qū)域高56.6%,比Q區(qū)域高40.2%。

支管12上的出口1、5和9的速度矢量分布如圖11所示。

圖11 支管12上出口1、5和9速度矢量分布

由圖11可知,位于支管12末端的1出口速度矢量分布無明顯規(guī)律,比較雜亂,支管軸線一側(cè)的速度明顯大于另一側(cè)的速度;出口5的位置約位于支管中間,速度矢量分布也不均勻,靠近來流方向區(qū)域的速度矢量略顯雜亂,不與出口面垂直,且速度大小明顯偏小;出口9比較靠近布水器主管,速度矢量基本都與出口平面正交,但仍呈現(xiàn)越靠近來流方向速度越小的特點(diǎn)。

2.2 方案2環(huán)狀布水器數(shù)值仿真分析

2.2.1 支管與主管軸線夾角為30°

以兩入口夾角平分線以及兩根入口管延長線將布水器圓環(huán)主管分成如圖12所示的A、B、C和D四部分。當(dāng)入口壓力為235 440 Pa時(shí),由入口1和入口2進(jìn)入的流體在各出口的分布情況如圖12所示。由圖12可知,由入口1進(jìn)入的流體主要從A和B兩段圓弧上的出口流出;而由入口2進(jìn)入的流體則主要由C和D兩段圓弧上的出口流出。

圖12 布水器內(nèi)流線分布

圖13為XY平面上環(huán)形布水器內(nèi)部速度場(chǎng)分布。由圖13可知,離兩個(gè)入口越近,流體發(fā)分布器主管截面的速度越大、流量越大。

圖13 布水器內(nèi)XY平面速度分布

圖14為出口7和出口27的速度矢量。對(duì)于出口27,越靠近來流方向,速度越小;對(duì)于出口7,越靠近來流方向,速度越大。

圖14 出口7和27速度矢量分布

方案2_1流體分布器各出口流量如圖15(a)所示。按圖12所示將布水器主環(huán)管分為A、B、C和D四段。A段對(duì)應(yīng)的出口編號(hào)為31～35,B段圓弧對(duì)應(yīng)的出口編號(hào)為16～30,C段對(duì)應(yīng)的出口編號(hào)為1～15,D段對(duì)應(yīng)的出口編號(hào)則為36～40。

圖15 方案二不同結(jié)構(gòu)和入口壓力下各出口流量分布圖

1)雖然A、B段與C、D段在幾何上完全對(duì)稱,但各對(duì)稱位置上出口流量并不相等。

2)C段和D段對(duì)應(yīng)的出口流量之和明顯大于A和B段對(duì)應(yīng)的出口流量之和,前者超出后者約8%,所有支管流量的標(biāo)準(zhǔn)差為0.17 kg/s。

3)流體由入口管1進(jìn)入到B段后,要想從B段上的支管流出,其速度方向要發(fā)生很大改變,因而流體從該段支管流出阻力加大。

4)流體由入口管1進(jìn)入A段后,某時(shí)刻的速度方向與支管夾角較小,流體易于從支管中流出,A段各支管流量均值明顯大于B段各支管流量均值。

5)從入口管2進(jìn)入的流體在各出口的分布情況與入口管1類似。

改變兩個(gè)入口壓力為392 400 Pa,對(duì)布水器內(nèi)流場(chǎng)重新進(jìn)行模擬,得到各支管流量如圖15(d)所示。與圖15(a)對(duì)比可知,改變?nèi)肟趬毫?各出口流量幾乎沒發(fā)生變化。

2.2.2 支管與主管軸線夾角為60°

將支管與環(huán)形主管軸線夾角由30°變?yōu)?0°,入口壓力為235 440 Pa時(shí),各支管流量如圖15(b)所示。A段+B段支管流量之和與C段+D段支管流量之和差異仍比較明顯,后者比前者超出約6%,各支管流量標(biāo)準(zhǔn)差為0.136 kg/s。與支管和環(huán)形主管軸線夾角為30°時(shí)相比,兩者差異明顯減小。

圖16為出口7和出口27的速度矢量。由圖16可知,對(duì)于出口27,越靠近來流方向,速度越小;對(duì)于出口7,越靠近來流方向,速度越大。

圖16 出口7和27速度矢量分布

同理,改變?nèi)肟趬毫?92 400 Pa,得到各支管流量如圖15(e)所示。對(duì)比圖15(b)可知,兩種入口壓力下,各支管流量幾乎沒有變化,再次證明了入口壓力不是影響各支管流量的主導(dǎo)因素。

2.2.3 支管與主管軸線夾角為90°

將支管與環(huán)形主管軸線夾角由30°改為90°,入口壓力為235 440 Pa時(shí),得到各支管流量如圖15(c)所示。

與以上幾個(gè)方案相比,該方案A段+B段支管流量之和與C段+D段支管流量之和差異繼續(xù)減小,前者超出后者約5.5%。

圖17為出口7和出口27速度矢量分布情況。由圖17可知,出口7圓環(huán)內(nèi)側(cè)速度小,而出口27情況相反。

圖17 出口7和出口27速度矢量分布規(guī)律

2.2.4 三維螺旋環(huán)流的形成

以方案2支管與環(huán)形主管夾角等于60°的情況為例,模擬支管與環(huán)形主管不垂直時(shí)布水器射出的流體在反應(yīng)器內(nèi)的分布狀態(tài)。將反應(yīng)器計(jì)算域幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,其幾何結(jié)構(gòu)和計(jì)算網(wǎng)格如圖18所示。

圖18 布水器和簡(jiǎn)化的反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)和計(jì)算網(wǎng)格

數(shù)值模擬得到布水器以及反應(yīng)器內(nèi)流線分布形態(tài)如圖19～21所示,布水器射流以環(huán)形旋轉(zhuǎn)輻射的形式進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi),在反應(yīng)器壁面作用下向上運(yùn)動(dòng)。

圖19 流體進(jìn)入布水器后運(yùn)動(dòng)軌跡

圖20 Z=-0.25 m的XY平面上流線分布

圖21 環(huán)狀反應(yīng)器內(nèi)部流線分布

環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流帶動(dòng)反應(yīng)器內(nèi)原有流體運(yùn)動(dòng)。在布水器送入的流體帶動(dòng)下,反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生改變,反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)除發(fā)生水平方向的旋轉(zhuǎn)流外,還會(huì)發(fā)生二次環(huán)流:以布水器出口圍成的圓為界,圓內(nèi)部流體向下、向外運(yùn)動(dòng);圓外部流體向上、向外流動(dòng),容器中心處缺失的流體則由上部中心處的液體補(bǔ)充,形成三維旋轉(zhuǎn)環(huán)流,從而改善了布水器的分布均勻性,彌補(bǔ)了布水器出口分布不均的缺陷。

2.3 方案3網(wǎng)狀布水器數(shù)值仿真

當(dāng)入口壓力為235 440 Pa時(shí),方案3網(wǎng)狀布水器數(shù)值模擬得到的各出口流量如圖22所示。

圖22 方案3入口壓力235 440 Pa時(shí)各出口流量(kg/s)

距進(jìn)水主管較遠(yuǎn)的一級(jí)分流結(jié)構(gòu)內(nèi)各出口的流量較距進(jìn)水主管較近的一級(jí)分流結(jié)構(gòu)內(nèi)各出口流量明顯偏低,前者各出口流量均值為0.012 kg/s,后者為0.03 kg/s,減少約60.66%;但較遠(yuǎn)一級(jí)分流結(jié)構(gòu)各出口的流量相差較小,其標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.001 3 kg/s,而較近的一級(jí)分流結(jié)構(gòu)各出口流量標(biāo)準(zhǔn)差則為0.002 1 kg/s。

由以上分析可以看出,入口壓力235 440 Pa下方案3網(wǎng)狀布水器中各出口流量分布極不均勻,前后位置流量相差很大。

改變?nèi)肟趬毫?92 400 Pa,其他條件不變,對(duì)方案3網(wǎng)狀布水器流場(chǎng)進(jìn)行模擬,得到各出口流量與入口壓力為235 400 Pa時(shí)的幾乎一樣。

圖23為方案3布水器Z=0 m速度分布情況,可見距進(jìn)水主管較遠(yuǎn)的一級(jí)分流結(jié)構(gòu)內(nèi)各出口的流量較距入流主管較近的一級(jí)分流結(jié)構(gòu)內(nèi)各出口流量顯著降低。

圖23 Z=0 m平面速度分布

由以上分析可以看出,方案3的前后兩個(gè)一級(jí)分流結(jié)構(gòu)的流量相差很大,改變?nèi)肟趬毫Σ⒉荒苁狗桨?中各出口流量發(fā)生明顯變化。

3 結(jié)論

對(duì)比三個(gè)方案的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),從各出口流量或單位面積流量來說,各方案都不能使流體均勻分布。方案1枝狀布水器中P區(qū)域的單位面積流量高出O區(qū)域56.6%;方案2環(huán)狀布水器流量相差最大的為B段和C段,當(dāng)支管與環(huán)形主管夾角為30°時(shí),C段超出B段約20.05%;方案3網(wǎng)狀布水器中兩個(gè)一級(jí)分流結(jié)構(gòu)間的流量差很大,其中距入口較近的一級(jí)分流結(jié)構(gòu)各出口平均流量超過較遠(yuǎn)的一級(jí)分流結(jié)構(gòu)各出口平均流量約60.66%,分布極不均勻。

對(duì)比三個(gè)方案來看,方案2中各出口流量分布最為均勻,且當(dāng)支管與環(huán)形主管間的夾角增大時(shí),各出口流量進(jìn)一步變得均勻。當(dāng)支管與主管軸線夾角為60°時(shí)布水均勻性最好。此外,根據(jù)仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)方案2中的支管與主管軸線夾角不垂直時(shí),由方案2出口呈一角度射出的流體會(huì)使容器內(nèi)產(chǎn)生三維螺旋二次環(huán)流,使不同區(qū)域的流體發(fā)生混合,改善了布水器布水不均的問題。因此,方案2比其余兩個(gè)方案能獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果。