由于化石燃料消耗量急剧增加,带来了巨大的环境污染问题,因此,国家制定一系列方针、政策鼓励开发新能源,而生物质能源作为新能源的重要组成部分,利用方式有多种,本文主要研究沼气厌氧发酵。沼气厌氧发酵是指将有机废物、动物粪便等置于无氧环境,经微生物分解消化产生可燃性气体的生化反应过程。沼气厌氧发酵能够实现有机废物的循环利用,产生清洁的可再生能源甲烷,但是该反应过程复杂,影响因素多,近年来受到越来越多的关注。本文采用连续式沼气厌氧发酵与CFD数值模拟相结合的方法,研究机械搅拌强度对生物气产气率、甲烷含量和发酵过程稳定性的影响。本文的主要研究内容和结论如下:1.试验研究了不同机械搅拌强度作用下,发酵罐生物气产气率、甲烷含量和发酵过程稳定性,主要研究结论有:(1)沼气发酵启动阶段,发酵液pH持续降低,采用碱液对发酵体系进行调节,可以阻止pH进一步下降,后经过进出料可以维持发酵液pH稳定。(2)当水力停留时间为30天时,无搅拌试验组生物气产气率为1.56m~3/m~3·d,双层搅拌桨转速为50rpm、100rpm和150rpm时,生物气产气率分别为1.5m~3/m~3·d、1.36m~3/m~3·d和1.33m~3/m~3·d,四个试验组平均甲烷含量均维持在70%左右。由此可见,生物气产气率随着搅拌强度增加而降低。(3)无搅拌条件下,生物气产气率与甲烷含量均不稳定。带有机械搅拌的试验组,生物气产气率、甲烷含量和发酵过程的稳定性均高于无搅拌实验组。当水力停留时间由30天降低至20天时,发酵罐负载由33kg/d升高至50kg/d,发酵罐内压力急剧升高,出现大量浮渣,导致发酵过程无法持续进行。2.采用不同的湍流模型,模拟机械搅拌作用下槽内CMC水溶液流场分布,模拟结果由PIV试验验证,主要结论有:(1)相比standard k-ε模型、RNG k-ε模型、standard k-ω模型和SST k-ω模型,采用realizable k-ε湍流模型的计算结果与PIV试验拟合更好。因此,针对机械搅拌作用下的非牛顿流体,推荐使用realizable k-ε湍流模型进行模拟计算。(2)采用Fluent数值模拟示踪粒子填充位置对混合时间的影响。在稳态流场的基础上进行非定常计算,分别模拟三个不同填充位置所需要的混合时间,由模拟结果可知,混合时间受示踪粒子填充位置的影响。(3)当搅拌桨类型和机械能耗相同时,搅拌槽结构会对流场混合强度产生影响。与平底槽相比,球型底槽内流场平均速度提高了12.8%。3.采用realizable k-ε湍流模型对发酵罐内流场进行数值模拟,研究结论如下:(1)当双层搅拌桨转速为50rpm、100rpm和150rpm时,发酵罐内流场均不存在死区。当搅拌桨转速相同时,随着发酵液固含率的升高,流场平均速度减小,机械搅拌产生的能耗增加。当发酵液固含率一定时,随着机械搅拌强度增大,流场内速度梯度增大。(2)搅拌桨类型与双层搅拌桨之间轴间距也会对发酵液混合产生影响。采用Fluent模拟计算不同固含率发酵液流场完全混合所需要的时间,结果显示,随着发酵液固含率的升高,所需要的混合时间急剧增多。