严寒地区沼气池温度场优化模拟及增温方式研究.doc

严寒地区沼气池温度场优化模拟及增温方式研究随着矿石能源开采的枯竭与日益严重的环境问题逼近,新型清洁能源的开发利用成为目前我国经济发展的一项重要课题。沼气作为清洁能源中的一种,其特点是热值较高、生产方便,最重要的方面是能将污染废弃物生态化处理并产生经济效益,沼气发酵工艺与沼气工程技术在近几年内发展十分迅速。在沼气厌氧发酵工艺中,影响沼气产出的因素包括很多方面:如发酵原料的选择、发酵温度的控制、发酵装置的搅拌设计等。其中影响最大的条件是关于沼液发酵温度的控制,它直接制约着厌氧发酵菌的活性。在东北严寒地区,由于冬季时间长、外界温度低,只有保障发酵罐内适当的发酵温度才能最大化的提高沼气产量。以往的沼气装置增温设计多参考其他发酵工艺装置设计,并没有硬性的标准要求,本研究基于为严寒地区沼气工程的长期可持续运行的要求,对沼气加热盘管及搅拌装置布置进行对比性研究且选择最合适的增温方案以完善工程整体性。Fluent作为一款流场及温度场数值模拟技术软件,深受各大行业工程的专家学者喜爱且广泛应用于实际工程分析中,本研究即采用Fluent软件对试验工程运行工况进行模拟分析。考虑到沼气发酵原料的组成复杂,但经过研究表明在流变特性和密度方面沼液属于假塑性流体,浓度可近似看作牛顿流体。故为简化计算本文将沼液设计为单相流体系,固体浓度为12%,粘度设置为179.54mPa·s,密度ρ=1.23/cm~3。本文采用试验与数值模拟结合的方式对沼气发酵装置温度场进行研究对比,试验通过每次搅拌时加热测得不同高度层的温度数据,分析当前时刻下的沼气发酵装置的运行情况;应用Fluent数值模拟软件模拟出搅拌过程中流场及温度场分布情况,通过选用二阶迎风格式湍流模型对料液的湍流特性进行阐述,运用多重参考系方法将发酵罐内计算域划分为动、静两个区域,并利用流体传热传质特性进行三维温度场、流场数值模拟。下一步将得到的模拟结果与试验数据相对比,保证Fluent软件模拟技术在沼气发酵装置温度场研究中的可行性;随后对原模型中的搅拌装置进行偏心式优化改造,从不同搅拌装置离底高度及加温盘管敷设位置进行模拟分析研究,最后运用TRNSYS软件和数值分析理论模拟并分析出最经济节能的增温方式。本文的主要研究结果如下:(1)本研究以长春市某养猪场沼气工程为试验对象,分析得到试验温度监测结果与数值模拟温度场、流场分布效果具有一致性。结果说明应用Fluent软件在模拟沼气发酵过程中温度场与流场的具有可行性,为下一步优化搅拌结构的数值模拟具有指导作用。(2)本研究基于试验数据与模拟分析的基础上对发酵搅拌装置进行偏心优化,之后进一步对偏心式安装方案B进行深层数值优化,改变搅拌装置距底高度及加温盘管的敷设位置,组合出三种新型的沼气搅拌器及盘管布置方案并运用CFD软件进行数值模拟,分析三种工况下罐内料液温度场分布情况。结果表明三种情况均对料液上部4.5m处热量传递产生影响,其中方案E关于料液热量传递及温度场均匀分布效果最佳。(3)运用系统化TRNSYS软件模拟在不同热源下沼气工程运行情况,对比沼气发电余热回收方式与太阳能加热方式、地源热泵加热方式的经济性与能耗性。结果显示发电余热回收加热方式更适合于严寒地区的沼气工程。