有机固废厌氧消化设备的设计及其保温效能验证.pdf

有机固废厌氧消化设备的设计及其保温效能验证 * 周富春 重庆交通大学资源与环境科学系， 重庆 400074 摘要 设计的有机固废厌氧消化设备主要特点有 1 在线式、 全过程监测 T、 pH 及 ORP; 2 发酵罐采用导热油作为热 媒， 具有良好的加热性能; 3 发酵罐具有良好的保温效能， 冬季中温发酵每天减补热量可达 70 ; 4 自动加热、 自动控 温; 5 具有过压及过温保护装置; 6 开发的自动数据采集系统， 界面友好， 适用性强。 关键词 有机固废;厌氧消化设备;保温 DESIGN OF ANAEROBIC DIGESTION EQUIPMENT OF ORGANIC SOLID WASTE AND VERIFICATION OF ITS HEAT- INSULATION Zhou Fuchun Department of Resource and Environmental Science，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China AbstractThe features of the designed anaerobic digestion equipment of organic solid waste are as below1on-line and all- course monitoring of T， pH and ORP; 2digestion tank uses oil as thermal media and has better heating function; 3digestion tank has better heat-insulation funtion，heat lost is only 30 /d in winter;4auto-heating and auto-controlling temperature are realized;5over-persure and over-temperature protection installations are equiped;6data acquisition system has good interface and strong adaptability． Keywordsorganic solid waste;anaerobic digestion equipment;heat-insulation * 重庆市院士基金 20048260 。 与有机废水厌氧处理比较， 有机固废厌氧发酵的 工艺要复杂许多， 主要原因有三点 第一， 固体含量 多， 流动性差， 由此注定了进料、 搅拌、 出料等比较困 难; 第二， 反应器中单位体积的有机物质含量远远多 于有机废水， 也即单位体积中需要降解的物质多， 很 容易使料液的酸性升高， 导致“酸化” ， 又称“酸中 毒” ， 使厌氧反应过程停止; 第三， 反应器内的料液与 微生物充分、 均一接触的难度远远大于废水。由此可 知， 用于有机固体废物厌氧发酵装置的成本高， 设计 难度较大， 发酵工艺相对复杂， 这也是厌氧法未大规 模应用于处理城市有机固体废物的主要原因。 1设计的基本原则 有机固废厌氧消化实验装置 简称为 MADACE 总的设计原则是 自动监测、 自动控制、 自动记录， 实 验具有重复性， 基本按照小试的标准进行设计。另 外， 从防止污染的角度考虑， 整个发酵罐罐体应保证 无渗漏、 积料、 死角。 MADACE 实验系统设计的基本要求如下 1罐体的有效容积大于 250 L， 能承受一定的压 力; 2具备搅拌功能， 能使罐内的料液尽量均一; 3有自动加温及良好的保温功能; 4对罐内 反应 物 的温度 T 、 pH 值、 氧化还原电位 ORP 在线监 测; 5能够保证高度的厌氧状态; 6方便的进料和 出料， 在进出料过程中能够保持厌氧状态; 7能够进 行有效的固、 液、 气三相分离， 以保证反应顺利进行; 8具有自动控制和采集数据的功能; 9设置专门的 集气装置; 10各个部分要形成一个有机整体。 2MADACE 的组成 MADACE 实验系统主要由以下几部分构成 1发酵罐体; 2加热与保温系统; 3搅拌器; 4在线式 T、 pH、 ORP 监测仪; 5集气装置; 6控制 系统 温度自动控制 ; 7pH、 ORP、 罐内温度显示仪 表; 8数据采集系统 计算机软、 硬件 ; 9其他 如 压力表、 温度表、 加料口、 出料口等。 计算机与控制箱在信号不受外界干扰的情况下 231 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 可以连接到 1 000 m 外的办公室， 真正实现远程管 理， 可 以 查 看 实 时 实 验 曲 线， 历 史 曲 线， 分 析 pH、 ORP、 温度实验数据。 MADACE 实验系统的流程见图 1。发酵罐的剖 面图见图 2， 顶视图见图 3。 图 1 MADACE 实验系统流程 图 2发酵罐剖面 图 3发酵罐顶视图 3MADACE 的保温效能 对于厌氧发酵来说， 相对的恒温发酵是理想的状 态， 恒温工作的厌氧反应器必须通过加热系统保持反 应器内的温度恒定。 3. 1加热及保温方式的选择 电加热是一种环保和方便快捷的加热方式， 而且 很容易实现温度自动控制， 是大多数用户选用的方 式。一般选用不锈钢、 钛、 石英或塑料等材料的加热 管。本实验装置采用两根电加热管进行加热， 每根电 加热管功率为1 500 W。热媒主要有蒸汽、 热水、 导热 油等。实验采用导热油加热。其特点是传热优于水 分， 导热油在一般温度下不会沸腾， 油耗损失少， 可以 使用比较长的时间， 此外， 油的保温效能比较好。根 据实验室的条件及上述理由， 设计的实验装置采用 100 L 左右的汽油作为热媒。保温对于厌氧发酵来 说是必要的， 保温层保温效果好就省电。保温层保温 效果的好坏取决于保温层的材料。目前无氟聚胺酯 材料是保温效果最好的材料， 泡沫塑料保温效果就不 太好。另外， 保温效果与保温层的厚度、 密度和保温 层的加工工艺也有关系。保温层越厚， 保温效果就越 好。本实验装置在加热油外专门设置中间层填充无 氟聚胺酯材料。MADACE 的加热与保温层布置示意 图见图 2。 3. 2热量计算的基本原理 发酵罐所需热量由两部分组成 一是把料液加热 到消化温度所需的热量 Q1; 二是弥补发酵罐罐体四 周的热损失而需要的热量 Q2。 3. 2. 1加热料液到消化温度所需的热量 加热料液到消化温度所需的热量根据公式 1 计算。 Q1 cM t1－ t2 1 式中 C 料液的比热， kJ/ kg ℃ ; M 料液的重量， kg/d; t1 消化温度， ℃ ; t2 进料的温度， ℃ 。 3. 2. 2补充发酵罐罐体四周的热损失所需要的热量 补充发酵罐罐体四周的热损失所需要的热量根 据公式 2 计算。 Q2 24 α A Δt 2 式中 α 散热系数， kJ/ m2h ℃ ; A 散热面积， m2; Δt 料液与发酵罐外接触介质的温差， ℃ 。 发酵罐的散热量应根据罐壁及罐内外接触介质 的不同分别进行计算。罐壁考虑的因素主要有 包 括保温层 建筑材料、 构造形式及罐壁厚度等。罐内 接触介质有料液和沼气， 罐外接触介质主要是大气。 331 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 散热系数 α 根据公式 3 计算 ［2］。 1 a 1 y1 Σ xi λi 1 y2 3 式中 y1 罐壁内表面的传热系数， kJ/ m2h ℃ ; y2 罐壁外表面的传热系数， kJ/ m2h ℃ ; xi 罐壁及保温层第 i 层的厚度， m; λi 罐壁及保温层第 i 层的导热系数， kJ/ m 2 h ℃ 。 3. 3MADACE 反应器所需热量的计算 以环境平均温度 15 ℃ ， 发酵温度 35 ℃ 为例进行 计算。 3. 3. 1加热料液到消化温度所需的热量 Q1的计算 料液 的 比 热 C 取 4. 2 kJ/ kg℃ ，质 量 取 250 kg， t1取 35 ℃ ， t2取 15 ℃ 。通过计算， Q1 4. 2 250 35 － 15 21 000 kJ。 3. 3. 2补充发酵罐罐体四周的热损失所需要的热量 Q2的计算 本实验装置的热损失由两部分组成 1 由不锈钢制作的罐盖， 内部主要接触的是沼 气， 外部与空气接触。 2 罐壁及罐底， 内部接触的是料液， 至外第一层 是导热油， 第二层是填充无氟聚胺酯材料的保温层， 外部与空气接触， 层之间由不锈钢材料分隔。因此， Q2又由 Q21 罐盖 及 Q22 罐壁及罐底 组成。 部分参数的选取见表 1［2］。 表 1部分参数的选取值 传热系数 / kJ m － 2h－ 1℃－ 1 热导系数 / kJ m － 1h－ 1℃－ 1 罐盖内表面31. 4不锈钢209. 30 罐壁、 罐底内表面12. 56导热油0. 50 罐盖、 罐壁及罐底外表面12. 60保温层0. 084 另外， 罐盖部分的面积为 0. 9 m2; 罐壁及罐底的 面积为 4 . 1 m2。 通过计算， 罐盖部分的散热系数 α1 8. 969; 罐 壁及罐底的散热系数 α2 1. 199; Q21 24 8. 969 0. 9 20 3874. 608; Q22 24 1. 199 4. 1 20 2359. 632; Q2 Q21 Q22 6234. 240 kJ 3. 3. 3无保温层每天需补充的热量 Q3的计算 无保温层时， 整个发酵罐 包括罐盖、 罐壁及罐 底 的散热系数均取 8. 969， Q3计算为 21525. 6 kJ。 3. 3. 4结果分析 假如环境温度为 15 ℃ ， 发酵温度为 35 ℃ ， 把 250 kg 的料液加热到消化温度所需的热量为 21 000 kJ; 发酵罐每天需要补充的热量为 6 234. 240 kJ; 假如 发酵罐无保温层， 则每天需要补充的热量为 21 525. 6 kJ， 即在上述条件下， 该发酵罐设保温层而减少的热 量补充为 1 5291. 36 kJ， 减补热量的比例为 71 。 因此， 设计的反应器具有良好的保温效果。 3. 4MADACE 反应器保温效能的验证 为了验证反应器保温效能， 从 2006 年 1 月 30 日 11 时 0 分开始对发酵罐逐渐加热 为了不破坏罐内 的微生物， 加温逐渐进行 ， 至 2006 年 2 月 7 日 14 时 30 分， 温度达到 32 ℃ ， 然后停止加热。罐内温度与 环境温度的变化情况见表 2， 第一组 序号为 1 温度 的记录时间为 2006 年 2 月 7 日 14 时 30 分， 以后是 每隔 5 h 的温度值， 记录到 2006 年 2 月 15 日 19 时 30 分罐内温度达到自然情况下为止。 表 2MADACE 反应器保温效能验证数据 ℃ 序号罐内温度环境温度序号罐内温度环境温度 13217. 1211514. 1 23117. 1221414. 1 32916. 1231414. 1 42716. 1241414. 1 52616. 1251414. 1 62518. 1261414. 1 72417. 1271314. 1 82317. 1281314. 1 92116. 1291314. 1 102116. 1301315. 1 112016. 1311315. 1 121915. 1321315. 1 131815. 1331314. 1 141714. 1341214. 1 151715. 1351214. 1 161715. 1361214. 1 171615. 1371214. 1 181615. 1381214. 1 191514. 1391215. 1 201514. 1401215. 1 下面对不设保温层的情况进行讨论 为了简化讨论， 将表 2 中的环境温度分为两个区 间， 序号 1 到 11 作为第一个区间， 即从 2006 年 2 月 7 日 14 时 30 分到 2006 年 2 月 9 日 21 时 30 分， 时间长 度为 55 h， 平均环境温度为 16. 6 ℃ ; 序号 12 到 40 作 为第二个区间， 即从 2006 年 2 月 9 日 21 时 30 分到 2006 年 2 月 15 日 19 时 30 分， 时间长度为 145 h， 平 均环境温度为 14. 4 ℃ 。 第一个区间， 即料液的温度从 32 ℃ 下降到 20 ℃ 所需要的时间计算 1料液的温度从 32 ℃ 下降到 20 ℃ 将释放热量 431 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期 4. 2 250 32 － 20 12 600 kJ; 2该区间料液温度的中间值为 26 ℃ ， 根据公式 2可 以 计 算 出 在 该 区 间 内 每 小 时 平 均 散 热 为 1 8. 969 5 26 － 16. 6 421. 543 kJ; 3料液的温度从 32 ℃ 下降到 20 ℃ 的时间为 12 600 /421. 543 29. 89≈30 h。 同理， 可以计算出第二个区间， 即料液的温度从 20 ℃ 下降到 12 ℃ 所需要的时间为 133 h。 因此， 在上述实验条件下， 若没有保温措施， 料液 从 32 ℃ 下降到 20 ℃ 只需 30 h， 比有保温措施的情况 55 h 少 25 h， 从 20 ℃ 下降到 12 ℃ 所需要的时间为 133 h， 比有保温措施 145 h 的情况少 12 h。所以， 温度越高， 保温越明显。 4结语 在城市， 用厌氧法处理有机固体废物未大规模使 用， 主要原因是现有的多数厌氧消化效率不高， 设计 难度较大， 发酵工艺相对复杂。在吸收已有成果的基 础上， 设计出一套有机固废厌氧消化设备， 通过两年 实验， 其效果较好。 参考文献 ［1］周富春， 鲜学福， 徐龙君． 厌氧法处理有机垃圾研究与应用现状 ［J］． 煤炭学报， 2004 8 439- 442． ［2］杨兆金， 李学新． 导热油为热介质的转子式刨花干燥机的热量 计算［J］． 林业机械与木工设备， 2002 12 20- 22． 作者通信处周富春400074重庆市南岸区七公里学府大道 66 号 重庆交通大学资环系 传真 023 62650053 E- mailfuchunzh yahoo． com． cn 2012 － 06 － 06 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 131 页 列车通过时环境噪声超过了国家标准规定的限值， 由 此导致铁路周边居民生活品质将受到一定的影响。 2通过对比 3 种结构声屏障的隔声量可知 3 种结构声屏障隔声量均较小， 且有机玻璃强于带玻璃 棉钢板， 带玻璃棉钢板强于纯钢板的声屏障。声屏障 结构不同， 隔声效果也明显不同。通过合理设计、 匹 配声屏障材料、 结构尺寸等， 可以有效增强其隔声 效果。 3高速列车通过噪声主要集中在中高频 400 Hz 以上 ; 3 种结构声屏障对高频 4 000 Hz 以上 隔 声效果非常明显， 而对于中低频 主要集中在 400 ～ 800 Hz 则相对较差。同时表明， 声屏障结构改进需 要增强中低频噪声的隔声效果。 参考文献 ［1］杨震宇． 铁路影响城市住宅区的分析和防治［J］． 噪声与振动 控制， 2008 6 117- 119， 126． ［2］马心坦， 辛明林， 杨绍普． 铁路声屏障与轨边矮墙优化设计研究 ［J］． 北京交通大学学报， 2006， 30 1 91- 95． ［3］王德利． 利用声屏障降低铁路噪声对居民环境的影响［J］． 沈 阳师范法学学报． 自然科学版， 2007， 25 3 381- 383． ［4］GB /T 3222. 12006 /ISO 19961 2003 声学环境噪声描述、 测 量与评价［S］． ［5］GBZ/T 189. 82007 工作场所物理因素测量． 第八部分 噪声 ［S］． ［6］GB 30962008． 声环境质量标准［S］． ［7］李文， 吴小萍， 李洪旺． 声屏障环境影响及其评价探讨［J］． 环 境工程， 2009， 27 1 115- 117． ［8］崔丽丽． 铁路噪声声屏障结构的设置研究［D］． 北京 北京交通 大学， 2008． ［9］高红武． 声控制工程［M］． 武汉 武汉理工大学出版社， 2003． ［ 10］张邦俊， 翟国庆． 环境噪声学［M］． 杭州 浙江大学出版社， 2001. 作者通信处杨明亮610031四川省成都市二环路北一段 111 号 西南交通大学机械工程学院汽车工程研究所 电话 028 87634571 E- mailyml swjtu． edu． com 2012 － 03 － 22 收稿 531 环境工程 2012 年 12 月第 30 卷第 6 期