基于聚气释压实现厌氧干发酵自搅拌的模拟试验

彭竹 杨世关 李继红 陈梦圆

摘要[目的]为解决干发酵传质限制和搅拌能耗高等问题提供新思路。[方法]提出基于“周期聚气增压，瞬时释气泄压”实现自搅拌。采用空气为模拟气源，以盒子分形维数为搅拌效果定量评价指标，研究了聚气压力、释压时间、聚气空间分布对搅拌效果的影响。[结果]分形维数随聚气压力的增加而增大，当压力逐步升至0.70 MPa时，反应器纵截面分形维数相对搅拌前增加了12.06%，搅拌效果明显增加；当释压时间为0.60～0.80 s，聚气压力为0.30～0.40 MPa时，分形维数变化率达最大值0.158 4，搅拌效果最佳。[结论]聚气释压可实现干发酵自搅拌。

关键词干发酵；聚气释压；自搅拌；分形维数；模拟研究

中图分类号S210.4；X712文献标识码A文章编号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

基金项目风能太阳能利用技术省部共建教育部重点实验室（内蒙古工业大学）开放基金资助项目（201501）。

作者简介彭竹（1991—），女，云南寻甸人，硕士研究生，研究方向：生物质厌氧发酵技术。*通讯作者，副教授，硕士生导师，从事生物质厌氧发酵与工程技术研究。

收稿日期2016-11-30

随着农业秸秆、生活垃圾、畜禽粪便等高固含率废弃物处理需求的增加，干发酵日益受到青睐。但因传质效果差导致发酵过程稳定性变差或恶化[1]是制约干发酵技术发展和商业化应用的主要技术障碍。针对这一技术障碍，国内外许多研究者提出了众多解决方案[2-4]，其中攪拌被认为是一种最有效的途径。适当的间歇性搅拌可显著提高产气量[5]，而过度的搅拌会打破厌氧发酵体系固有的微生物共营体，抑制产酸菌和产甲烷菌的代谢过程，进而影响整个发酵体系的产气效果[6]。干发酵过程中，高固含率带来的高黏度使发酵过程中的传热和传质变得较为困难，进一步对搅拌提出了较高要求。厌氧发酵搅拌方式有机械搅拌、水力搅拌和气体搅拌，目前针对机械搅拌和水力搅拌的研究和应用颇多，但对气体搅拌的研究还较少[7-9]。为解决干发酵能耗问题，笔者提出了“周期性聚气增压，定期快速释气泄压”实现厌氧干发酵自搅拌的思路，即在发酵过程中，在一定时间内将所产沼气聚集在反应器内，待压力达到一定限度后，快速释放沼气，利用沼气释放所产生的动能对发酵原料进行搅拌。为了研究该思路的可行性，笔者对聚气所能产生的搅拌效果开展了模拟试验，以期为促进厌氧干发酵传质限制和搅拌能耗问题的解决探索一条新的技术途径。

1材料与方法

1.1材料

将自然风干的玉米秸秆剪切为2.0、1.0和0.5 cm 3种不同的粒径，用来模拟发酵原料。用蓝色和黄色彩纸作为表征搅拌效果的标志物，并将其剪切成以上3种粒径。试验过程中将秸秆和不同颜色的彩纸分别按1〖DK〗∶1的比例（质量比）混合均匀，再分层填装，构成规则的颜色明显的层状，按紧压实，占反应器总容积的20%～40%。混合原料无流动水，测得含水率为4.59%。用压缩空气模拟高压沼气。

1.2试验装置

聚气释压试验在自制的装置上开展，试验装置如图1所示。该装置内径为16 cm，高285 cm，总容积5 L，最大承压0.80 MPa。

调压阀安装于空气入口处，向外连接空气压缩机。为方便取放料和观察混合效果，在压力容器内放置底部带有气孔的圆柱形透明塑料容器，底部开孔率>80%，其内径12 cm，高30 cm。另外，压力容器底部设有可移动支架，用于托起透明容器。为防止快速释压时物料飞出压力容器，在压力容器距顶端2 cm处安装多孔板，多孔板的孔径为2 mm，孔呈环形排列，环间距≤1 mm，开孔率>95%。装置上设有3個不同规格的释压阀，用以调节不同的释压时间，详见表1。

用不同规格的释压阀来控制释压时间。每组试验充气后保压10 min，保证充入的带压气体均匀稳定地分布于压力容器特定的聚气空间。

1.3试验设计与分析方法

1.3.1试验设计。

该研究共设计了3组试验，分别研究聚气压力、压力释放时间及反应器内气体聚集空间对搅拌效果的影响。其中聚气压力和压力释放时间影响试验条件如下：物料粒径为2.0 cm；聚气空间设于压力容器底部，体积约为1.2 L；设定7个压力水平，从0.10到0.70 MPa，每增大0.10 MPa作为一个压力水平；分别采用3个不同规格的释压阀释放压力。其中，聚气压力试验组研究了7个压力水平下的累积搅拌效果，进行了3个平行试验；压力释放试验组研究了7个压力水平下的单次搅拌效果及聚气压力和释压时间双因素对搅拌效果的影响，进行了21个分组试验。

该试验简化采用隔板和支架设定3种不同聚气空间，见图2。反应器内气体聚集空间对搅拌效果影响试验组聚气压力设定为0.70 MPa。

除去设定的聚气空间，透明容器与压力容器间的空隙均用石英棉填充。

1.3.2数据处理及分析方法。

每个分组试验开始前对容器以上5个面拍照作为参照，试验结束后，取出透明容器，对其4个侧面（Ⅰ～Ⅳ）和俯视面拍照。每次拍取照片均连拍5张，照片用于分析搅拌效果。

首先用Photoshop提取RGB彩色照片的蓝色图层，再使用MATLAB2014a编程处理[10]。

使用局部灰度盒子法计算图像的分形维数[11]，用来定量评价搅拌效果。

式中，D是盒子分形维数；Nr是能够覆盖图像边缘的边长为r的网格数目。

透明容器装料后按压至紧，上方并未完全填满。可量取试验前后原料堆体的高度，计算其膨胀系数（γ），膨胀系数为试验前后物料堆体的高度比。

式中，h0为试验前物料的高度，h1为释压后物料高度。

2结果与分析

2.1聚气压力对搅拌效果的影响

不同聚气压力水平下的累积搅拌效果见图3。如图3（a）所示，随聚气压力增大，物料膨胀程度增大，当聚气压力达0.30 MPa时，物料呈现出明显的搅拌效果，随着聚气压力和释压次数增加，物料的混合效果越来越明显。压力从0.10到0.70 MPa，每增加010 MPa压力水平，物料膨胀系数γ分别为1.20、1.36、1.48、150、1.51、1.51、1.51，压力达0.50 MPa后，膨胀系数基本保持不变，说明物料间的支撑空间在释压5次后达最大。

物料的分形维数随聚气压力的变化如图3（b）所示，随聚气压力增大和释压次数增多，分形维数呈增加趋势。当聚气压力逐步增加到0.70 MPa时，用释压阀1快速释压后4个纵截面的平均分形维数随压力增大呈线性增加，相对试验前增加了12.06%，用释压阀2和3释压时，平均分形维数相对试验前分别增加了4.51%和2.52%；物料表面的分形维数分别增加了34.49%、15.95%和15.53%。此外，不同释压阀释压时，分形维数增幅有明显差异，聚气压力逐渐增至0.40 MPa过程中，每增大0.10 MPa，用释压阀1释压时的分形维数平均增幅为3.10%，而用释压阀2和3释压时分形维数平均增幅仅为0.36%和0.30%。由此说明，随聚气压力的增加，累积搅拌效果呈增大趋势，应结合实际发酵工程选择合适的聚气压力参数值。

聚气压力从0.10增大到0.70 MPa，物料4个纵面（Ⅰ～Ⅳ）分形维数离散度逐渐增大，释压阀1释压时，分形维数标准偏差从0.001 92增至0.009 98，释压阀2和3释压时也有相似增长变化，说明聚气压力越大造成搅拌不均匀的现象越严重，并不是聚气压力越大越好。需进一步结合实际沼气发酵和布气系统来研究。

沼气发酵过程中，通过聚气自产高压是可实现的，Lindeboom[12]针对湿发酵研究发现，经180 h自产沼气压力可达900 MPa，且自产高压过程并未对发酵微生物群造成明显抑制。但厌氧发酵实际过程并非压力越高越好，Lemmer A等[13]对两相自产高压湿发酵的研究结果表明，0.90 MPa的压力易使发酵体系pH下降导致发酵不稳定，而且发酵工程的实施需考虑投资成本及安全等诸多因素，合理选择压力水平是必要的。

实际厌氧干发酵工程需考虑发酵周期、高压对发酵设备要求严苛等因素，具体应用过程中应通过厌氧发酵试验确定合理的聚气压力。

2.2释压时间对搅拌效果的影响

不同释压时间对搅拌效果的影响结果见图4。如图4（a）所示，释压时间越短物料的混合效果越明显，且纵截面物料高度的增量越大，原料堆体的膨胀系数也随释压时间缩短而增加，当释压时间由1.02 s缩短到0.40 s时，原料堆体膨胀系数由1.00增加到1.45。可将快速释气泄压过程看作是气体绝热膨胀，释压时间看作膨胀时间，那么快速释放高压沼气对固体颗粒的有效膨胀功率Pe可表示为以释压时间为度量的反比例变量，因此释压时间越短，气体有效膨胀功越大，物料堆体的膨胀系数越大，搅拌效果越明显。

释压时间和聚气压力双因素变动对物料分形维数的影响如图4（b）和（c）所示，加权平均线性插值结果表明，同一聚气压力条件下，分形维数随释压时间缩短而增大；聚气压力越大，释压时间越短，物料纵截面的分形维数越大，说明随压力的增大和释压时间的缩短，搅拌效果增加，这与以上研究结果和分析相符。此外，Renka Cline非线性插值结果显时，快速释压前后分形维数变化量达正向极大值0.158 4；当释压时间>0.80 s和聚气压力<0.60 MPa时，分形维数增量极小，说明聚气压力越小释压时间越长，对物料的搅拌效果不会产生显著影响。这是由于释压时间过长，物料间气体强制对流速率下降，有效膨胀功减弱，从而導致搅拌效果不佳。该试验中，表面物料的分形维数变化呈现出与纵截面相似的规律。付小果[14]在研究压力脉动周期对固态发酵的影响时，也发现气体内循环速率会影响压力脉冲对底物料层的疏松作用。

实际厌氧发酵过程中，搅拌强度、时间和频率是影响产气的重要参数，“周期聚气增压，瞬时释气泄压”搅拌方式可将聚气释压体积功、释压时间、聚气增压周期分别看作以上3个参数，那么聚气压力越大，释压时间越短，搅拌强度越大。目前，普遍研究认为，厌氧发酵工程间歇性适度搅拌可以提高产气率和产气量[15]。

2.3聚气空间对搅拌效果的影响

由图5可见，A、B、C 3种不同聚气空间分布方式下，除方式B条件下的上层物料有一定的搅拌效果，其余2种方式的搅拌效果并不明显。聚气空间位于反应器底部条件下，用释压阀1快速释压后，物料的膨胀系数为1.24，而其他2种空间分布条件下均为1，表明聚气空间设置在反应器底部时更有利于快速释气泄压对物料进行搅拌。

聚气空间完全分布于反应器底部时，任意物料粒度的纵截面的分形维数变化量均高于其余2种分布方式。其中物料粒径为2.0 cm时，方式B条件下快速释压前后物料纵截面分形维数的变化量为0.098 9，约为方式C条件下的4.20倍，方式A条件下的2.30倍，说明聚气空间设于反应器底部时，可以显著提高快速释压对物料的搅拌效果。该试验中，物料粒径为2.0 cm的搅拌效果明显优于1.0和0.5 cm，这是由于相同质量不同粒度的物料按压至紧后堆积密度不同，分别为72.52、89.84、126.57 g/L，粒径大的物料内部桥架空间中存留的带压气体多，在快速释压过程中起到更多的辅助搅拌作用。对于实际厌氧干发酵，发酵底物粒度是影响产气量的重要因素，所以应结合发酵试验确定合理的粒度参数。

该试验中，可将整个圆柱形反应器看作是快速释气过程的气流导管，则位于反应器上层的物料同时受到底部聚气空间和物料自身支撑空间气体的膨胀作用，所以上层物料释压前后纵截面分形维数的变化量明显高于下层，上层物料的表面分形维数同样高于下层物料。快速释压对物料的搅拌不一致。

综上可得，聚气空间分布方式和布气系统是影响快速释气泄压自搅拌的关键因素，聚气空间设于反应器底部能有效提升释压搅拌效果。需要对原料堆放方式、原料堆体物理特性、布气方式等开展系统深入的研究，以便找到合理的设计来克服气拌不均匀这一劣势。

3结论

“周期性聚气增压，定时快速释气泄压”可实现厌氧干发酵自搅拌。周期聚气释压时，累积搅拌效果随聚气压力增大和释压次数增多而增加，该试验条件下，压力从0.10逐步增至0.70 MPa，物料纵截面分形维数比空白组增加了252%～12.06%，表面分形维数增加了15.53%～34.49%。

释压时间越短，快速释压膨胀功越大，对固体颗粒的扰动作用越明显。聚气压力和释压时间协同影响“快速释气泄压”对物料的搅拌过程，压力越大，释压时间越短，搅拌效果越明显。该试验条件下，释压时间为0.60～0.80 s时，物料分形维数增幅最大，搅拌效果有显著提升。

“周期性聚气增压，定时快速释气泄压”可作为一种干发酵搅拌方式，可结合具体干发酵厌氧发酵进行深入探讨。

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