用于农业废弃物中氮回收的创新型塔内件开发

《ACS Omega》：On the Development of Innovative Column Internals for Nitrogen Recovery from Agricultural Waste

　　

将农业废弃物用作肥料会导致地下水污染，进而引发环境与公共健康风险。在将废弃物施用于农田之前，有必要对氨（NH₃）进行部分脱除，这可通过气提（air stripping）工艺实现。然而，由于液态废弃物具有较高的固体负荷，常规气提塔内件易于发生堵塞。这促使研究人员开发了基于倾斜板（inclined plates）结构的新型分离器内构件。在前期工作中，研究人员已建立数值模型和实验装置并对板件进行了研究。在本研究中，研究人员首先对初始填料概念进行了评价，获得了令人满意的结果；随后结合实验与基于仿真的方法对填料进行了优化，以增加气–液界面面积。优化后的塔内件能够防止堵塞，从而支持塔器的可持续连续运行，使气提法成为从液态农业废弃物中脱除氨的更可行方案。

源自沼气厂的液态农业废弃物（主要成分为畜禽粪液）被广泛用作肥料，但其中含有的氨（NH₃）等氮化合物可导致土壤与地下水污染，引发水体富营养化等环境风险，并与硝酸盐污染饮用水对人体健康的潜在致癌风险相关。为降低此类环境与公共健康风险，在施用前以简单、经济的方式从液态废弃物中脱除氨成为必要的缓解策略。气提法（air stripping）是实现该目标的可行工艺，但传统填料塔内件因农业废弃物固含量高而容易沉积堵塞，难以实现长期连续运行。基于此，研究人员在前期工作基础上提出并开发了一种基于倾斜板（inclined plates）的新型分离器内构件，旨在提高塔器运行的可靠性与可持续性。该研究为农业废弃物气提脱氨提供了防堵塞的塔内件解决方案，具有重要的环境与工程应用价值，论文发表于《ACS Omega》。

主要研究方法：研究材料为德国博尔肯（Borken）与韦塞尔（Wesel）沼气厂的发酵残余物，经螺旋压榨机（screw press separator）预处理使固含率降至5–6%（质量分数）；实验装置由储液槽、叶轮泵、旁路及液体分布器组成，测试了倾斜平板以及30°与10°锥–漏斗（CAF）半结构原型；采用高速摄影结合图像分析测定液流边缘位置；基于Ansys Fluent 2021 R2建立基于流体体积法（VoF）的三维多相流CFD模型，以幂律模型描述非牛顿流体行为，并考察接触角、表面张力与黏度对流动行为的影响。

研究结果：

3.1 实验研究

3.1.1 30° CAF构型
研究人员首先对30°锥–漏斗（CAF）构型进行了湿态测试。结果表明，即使在最低体积流量3 L/min下，锥体表面也能实现完全润湿；但液体从锥体下缘以近似垂直方式滴落，难以润湿下方的漏斗，导致整个CAF系统无法形成连续液膜。

3.1.2 新型锥–漏斗系统
基于上述结果，研究人员提出增大锥体与漏斗宽度并将表面倾角由30°减小至10°的改进方案。该改进增大了叠合区域与总体表面积，在相同柱高下可堆叠更多组件，使总表面积达到30°构型的3.5倍以上。10° CAF在经预润湿后可在低流量下实现完全润湿；而高流量下液体从漏斗外缘溢出，通过在外缘加装垂直壁（wall wiper）有效抑制了溢流，改善了整体润湿性能。

3.1.3 实验室板式系统
为评估沉积影响，研究人员在一块倾斜平板上进行了五次重复实验，并在实验间隙对残留物干燥以模拟热气体作用下的沉积累积。结果显示，随着残留物厚度增加，倾斜平板上的流动行为未受显著影响，液流从板下缘分离的水平距离x保持稳定，体现出该设计对固体沉积具有较高鲁棒性；与传统乱堆填料相比，新型倾斜板式内构件留有足够的开放空间，可有效避免柱状堵塞。

3.2 计算研究

3.2.1 接触角
CFD模拟显示，前期工作中采用的35°后退接触角未能准确反映农业废弃物较差的脱湿特性。将后退接触角设为0°后，模拟结果与实验中观察到的稳定液膜更为一致，液流水平距离x的计算值与实测值偏差减小。静态接触角与前进接触角的改变对板面润湿及液流分离行为影响不大，表明农业废弃物接触角的天然波动对整体工艺影响有限。

3.2.2 表面张力
模拟考察了表面张力在基础值附近的±20%变化对流动的影响。在9 L/min流量下，降低表面张力可使液膜进入自由落体状态并分裂为更多液流，从而增大气–液界面面积；但该效应在其他流量下并不一致，难以作为通用的工艺优化手段。

3.2.3 黏度
研究发现降低液态农业废弃物黏度可显著增大液流水平距离x，从而增加下层结构的润湿面积；尤其在9 L/min流量下，最低黏度对应的x值显著高于最高黏度。因此，通过适当预处理降低黏度有利于提高塔内件润湿面积和传质效率。

研究结论：

该研究聚焦于通过创新塔内件防止农业废弃物气提脱氨过程中的堵塞问题。研究人员结合实验与CFD方法，评估并优化了基于倾斜板的锥–漏斗（CAF）内构件。初始30° CAF可实现锥体完全润湿但下游漏斗润湿不足；优化后的10° CAF通过增大宽度、减小倾角及设置壁面刮液结构，显著改善了润湿性能。倾斜板式内构件对固体沉积具有良好鲁棒性，可避免传统填料塔的堵塞问题。流体性质研究表明，后退接触角应取0°以准确描述废弃物脱湿行为；表面张力变化仅在特定流量下影响界面面积；降低黏度有利于扩大润湿面积。总体而言，优化后的倾斜板式塔内件为液态农业废弃物的连续气提脱氨提供了可行方案。未来研究需进一步考察逆向气流影响，并将在高10 m、有效高度5 m的示范装置中验证分离效率。