山羊糞污顆粒床層的空氣壓降特性

蔡永偉，代黎，項(xiàng)錦欣，全學(xué)軍

(重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400054)

山羊糞污顆粒床層的空氣壓降特性

蔡永偉，代黎，項(xiàng)錦欣，全學(xué)軍

(重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400054)

山羊糞污;堆肥;空氣壓降

堆肥技術(shù)是一種受控的生物降解和轉(zhuǎn)化過程［1］，已成為世界范圍內(nèi)資源化處理有機(jī)固廢物的重要工藝之一。山羊糞便是一種重要的有機(jī)固體廢棄物。糞便個(gè)體呈橢球形顆粒狀態(tài)，將其自然堆積成顆粒多孔介質(zhì)床層，空氣可自由均勻地通過糞便顆粒床層。因此，山羊糞便普遍使用好氧堆肥技術(shù)對其進(jìn)行無害化降解處理［2］。通風(fēng)是好氧堆肥過程中最重要的控制參數(shù)，有效合理的通風(fēng)可保持適宜的堆體溫度、控制惡臭、提高堆肥效率、降低能耗和保證堆肥質(zhì)量［3］。通風(fēng)量過小容易使堆肥處于缺氧狀態(tài)，堆體局部會出現(xiàn)厭氧發(fā)酵，抑制反應(yīng)的進(jìn)行;過大則會使堆體內(nèi)部熱量散失過快，從而影響堆體的正常升溫和高溫期的維持時(shí)間［4］。在計(jì)算堆體所需的供風(fēng)風(fēng)量和風(fēng)壓時(shí)，必須首先要估算堆體的阻力壓降，最終才能確定堆肥所需的鼓風(fēng)機(jī)的型號。因此研究堆肥過程中空氣流動的阻力壓降十分關(guān)鍵。

迄今為止，國內(nèi)外已有許多學(xué)者對多孔介質(zhì)的流動特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并擬合出了描述單相流體流動阻力的預(yù)測關(guān)聯(lián)式，著名的有Darcy、Ergun和Seguin等［5］。前人研究中常采用光滑玻璃球近似均勻填充構(gòu)成多孔骨架結(jié)構(gòu)，并以水為流動介質(zhì)，但針對在堆肥領(lǐng)域中對山羊糞的壓降特性的研究則鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本文結(jié)合好氧堆肥常用的通風(fēng)條件，研究堆肥后自然晾干羊糞和新鮮羊糞的空氣壓降特性，以便了解實(shí)際堆肥過程中物料干濕狀態(tài)的變化對供氧過程的影響規(guī)律，為系統(tǒng)地開展山羊糞污顆粒好氧堆肥及其工程放大的研究提供技術(shù)和理論參考，也為創(chuàng)建顆粒堆肥法提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由鼓風(fēng)機(jī)、空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)、壓差計(jì)和有機(jī)玻璃筒體等組成，如圖1所示。有機(jī)玻璃筒的高度H為0.86 m，內(nèi)徑D為0.045 m。筒體側(cè)面沿軸向的上、中、下設(shè)置有測量壓差的開孔點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)物系為新鮮或好氧堆肥后自然晾干(簡稱干羊糞，下同)的羊糞顆粒，山羊糞污取自重慶西南大學(xué)山羊養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)基地圈舍之下通道中。空氣由鼓風(fēng)機(jī)鼓入，通過流量調(diào)節(jié)閥和旁通閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量，再經(jīng)過轉(zhuǎn)子流量計(jì)進(jìn)入床層筒體的底部，進(jìn)而通過羊糞顆粒床層柱后排出。通過改變羊糞堆積高度、空氣流量，測量不同高度和流量的羊糞顆粒柱壓降。為了保證實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，選取具有完整顆粒形狀的羊糞，并在羊糞顆粒裝填的過程中反復(fù)在管外敲擊，直至床層高度穩(wěn)定不再變化為止，使床層中的羊糞顆粒裝填均勻和致密，盡可能地接近實(shí)際堆肥物料的堆積狀態(tài)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及流程

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 羊糞顆粒物性測量

新鮮羊糞、干羊糞顆粒的密度和床層空隙率的測量結(jié)果見表1。床層空隙率采用吸滲法［5］進(jìn)行測量。

表1 羊糞顆粒和干空氣(30℃)的物性數(shù)據(jù)參數(shù)

羊糞顆粒當(dāng)量直徑ds的計(jì)算:羊糞顆粒可假定為單軸橢球體，選取6個(gè)具有代表性的羊糞顆粒，經(jīng)測量該橢球體長軸的算術(shù)平均值為(0.015 5±0.004 5)m，短軸算術(shù)平均值為(0.008 5± 0.002 2)m;根據(jù)橢球體的體積和外表面積計(jì)算公式［7］計(jì)算，得到羊糞顆粒的當(dāng)量直徑為0.019 6 m。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，新鮮和自然烘干的羊糞顆粒的體積基本不發(fā)生變化。

2.2 干羊糞和新鮮羊糞顆粒的壓降

圖2、3為不同床層高度和不同空氣流量下的新鮮羊糞和干羊糞顆粒床層的壓降數(shù)據(jù)圖。其中:Q為干空氣(30℃)的體積流量;h為羊糞顆粒床層高度。由圖2、3可知:在相同的空氣流量下，隨著床層高度的增加，床層壓降顯著增大，空氣流量越大，壓降增大得越顯著;在相同的床層高度下，空氣流量越大，床層壓降越大。

圖2 不同空氣流量和不同高度的新鮮羊糞顆粒床層壓降

圖3 不同空氣流量和不同高度的干羊糞顆粒床層壓降

圖4為新鮮羊糞和干羊糞顆粒床層的壓降對比。由圖4看出:與新鮮羊糞相比，干羊糞顆粒床層壓降值平均下降了30%～50%。這是因?yàn)檠蚣S經(jīng)晾干后的空隙率為0.50，大于新鮮羊糞的空隙率0.45。

圖4 新鮮羊糞和干羊糞顆粒床層的壓降對比

3 壓降數(shù)據(jù)擬合模型

為了獲得羊糞顆粒床層中的壓降方程，擬參考被廣泛采納的計(jì)算固定床的床層壓降的Ergun方程［8］。固定床中的顆粒床層壓降公式［9］為

若將不同床層高度Lr和不同的空氣流速下的數(shù)據(jù)代入公式(1)，可得到f值。而后將所有f值和實(shí)驗(yàn)條件下的Re值，使用Statisitca 8.0軟件進(jìn)行非線性擬合，可得到A和B值。

3.1 新鮮羊糞和干羊糞顆粒的壓降數(shù)據(jù)擬合

圖5和圖6分別為不同Re值和不同床層高度Lr下的新鮮羊糞和干羊糞顆粒床層的摩擦因數(shù)f值的計(jì)算值和擬合值的對比。由圖5看出，擬合值和計(jì)算值的吻合度較好。當(dāng)Re值較小時(shí)，f值隨Re的下降而急劇增大，這說明空氣流速低時(shí)，黏性阻力占主導(dǎo);當(dāng)Re大于1 000時(shí)，f值隨Re值的變化較小。同時(shí)，在低空氣流量下，不同床層高度的f值變化較大，主要是由低流量下U型壓差計(jì)的壓降的讀數(shù)誤差較大所致。

圖5 新鮮羊糞顆粒床層的摩擦因數(shù)f與Re間的數(shù)據(jù)擬合

圖6 干羊糞顆粒床層的摩擦因數(shù)f與Re間的數(shù)據(jù)擬合

圖7、8分別為新鮮羊糞和干羊糞顆粒床層的壓降數(shù)據(jù)的預(yù)測值的殘差圖。由圖7、8可看出:2種羊糞的各個(gè)床層高度下的擬合值的殘差分布是隨機(jī)分布的，表明擬合值與計(jì)算值吻合度較好。

圖7 新鮮羊糞的壓降擬合值殘差

圖8 干羊糞顆粒床層壓降的擬合值殘差

表2為新鮮羊糞和干羊糞的擬合參數(shù)表。為了對比，將Ergun方程中的參數(shù)值也列入表2中。由表2可知:新鮮羊糞和干羊糞顆粒床層的壓降擬合數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.997 9和0.989 8;新鮮羊糞和干羊糞的A和B值分別約為顆粒催化劑固定床的26倍和1.9倍。由此可得到新鮮羊糞和好氧堆肥后自然晾干的羊糞顆粒的床層摩擦因數(shù)f與空氣雷諾數(shù)Re間的關(guān)系分別為:

其中:式(4)和式(5)的Re值適用范圍分別為210～1 700和190～1 560。

表2 擬合參數(shù)表

3.2 測量值和擬合值壓降對比

圖9、10分別為新鮮羊糞和干羊糞顆粒床層的壓降測量值(msd)和擬合值(fitting)的對比。由兩圖看出:床層壓降的測量值和擬合值的吻合度較好，表明壓降式(4)和(5)均能較準(zhǔn)確地預(yù)測該Re范圍內(nèi)的羊糞顆粒壓降。

圖9 新鮮羊糞顆粒床層的壓降測量值和擬合值對比

圖10 干羊糞顆粒床層壓降的測量值和擬合值比較

4 結(jié)論

1)通過研究新鮮和熟化后自然晾干2種羊糞顆粒在圓柱型床層中的壓降知:在相同的空氣流量下，隨著床層高度的增加，床層壓降顯著增大;在相同的床層高度下，空氣流量越大，床層壓降越大。與新鮮羊糞相比，熟化后自然晾干后的羊糞顆粒床層壓降值平均下降了30%～50%。

2)當(dāng)Re值較小時(shí)，羊糞顆粒床層的摩擦因數(shù)f值隨Re的下降而急劇增大。當(dāng)Re大于1 000時(shí)，f值隨Re值的變化較小。

3)本文在Ergun方程的基礎(chǔ)上，提出了新鮮羊糞和熟化后自然晾干羊糞顆粒在圓柱型床層中的摩擦因數(shù)公式分別為:

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(責(zé)任編輯 劉舸)

Investigation on Air Pressure Drop Through Bed Packed by Goat Dung Particles

CAIYong－wei，DAILi，XIANG Jin－xin，QUAN Xue－jun

(School of Chemistry and Chemical Engineering，
Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China)

goat dung;composting;air pressure drop

Q559

A

1674－8425(2014)01－0049－05

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.01.010

2013－09－30

國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD36B02)

蔡永偉(1978—)，男，河南周口人，博士，講師，主要從事傳熱強(qiáng)化方面研究。

蔡永偉，代黎，項(xiàng)錦欣，等.山羊糞污顆粒床層的空氣壓降特性［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2014 (1):49－53.

format:CAIYong－wei，DAILi，XIANG Jin－xin，et al.Investigation on Air Pressure Drop Through Bed Packed by Goat Dung Particles［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(1):49－53.