生活垃圾高溫好氧生物干化通風系統計算方法

陳　峰，胡勇有，陳　丹

（1.華南理工大學環保與能源學院，廣東　廣州　510640；2.泓天（大連）環境科技發展有限公司，遼寧　大連　116023）

生活垃圾高溫好氧生物干化通風系統計算方法

陳峰1，胡勇有1，陳丹2

（1.華南理工大學環保與能源學院，廣東廣州510640；2.泓天（大連）環境科技發展有限公司，遼寧大連116023）

通風系統在生活垃圾高溫好氧生物干化過程中起到供氧和除濕的作用，適宜的機械通風量對高溫好氧干化過程非常重要。闡述了垃圾好氧生物干化通風系統風量計算的理論方法，以及通風系統風阻計算的注意事項。結合工程試驗應用實例，驗證計算方法的可行性與合理性。

生活垃圾；高溫好氧生物干化；通風系統；需氧量法；除濕量法

好氧堆肥是好氧微生物在有氧條件下將堆肥原料中的有機物進行分解再利用的過程，通風量是決定發酵效果最主要的因素之一［1］。在高溫好氧生物干化過程中，通風系統起著供氧和除濕作用。一方面足夠的風量為微生物正常生長繁殖提供充足氧氣，若氧氣濃度過低，將導致好氧菌受到抑制的同時厭氧菌大量繁殖，產生惡臭［2］；另一方面，若風量過大，則熱量流失也會增加。所以，在高溫好氧生物干化過程中，要保證適宜的通風量。

1　高溫好氧生物干化通風系統風量的計算

1.1機械進風風量的計算

1.1.1需氧量法

采用需氧量法計算進風風量，主要依據為微生物好氧反應過程所釋放熱量與耗氧量之間的熱平衡和質量平衡關系。

高溫好氧生物干化過程機理如公式（1）所示。

具體計算方法（以下“高溫好氧生物干化”簡稱為“生物干化”）有：

1）高溫好氧生物干化去除水分的計算。

式中：W為生物干化去除的水分（kg）；G為生物干化的垃圾質量（t）；?為生物干化前垃圾的含水率（%）；?'為生物干化后垃圾的含水率（%）；δ為1 mol葡萄糖與6 mol水的摩爾質量比，δ=0.6。

計算生物干化去除的水分，還應考慮垃圾在生物干化過程中的生成水，因為這部分水同樣需要吸熱汽化。

2）生物干化需氧量的計算。

式中：M為生物干化需氧量（kg）；Mr為氧的摩爾質量，Mr=32 g/mol；q為1 mol葡萄糖氧化過程中所釋放的熱量，q=2 804 kJ/mol；Q1為垃圾溫度升高所需要的熱量（kJ）；Q2為生物干化去除水的汽化潛熱（kJ）；Q3為進風在干化倉內溫升所吸收的熱量（kJ）。

Q1=G?c水（tp-t0）Kq×103（4）

式中：G為生物干化的垃圾質量（t）；?為垃圾生物干化前含水率（%）；c水為水的比熱容，c水= 4.187 kJ/（kg·℃）；t0為垃圾的初始溫度（采用各地通風室外計算溫度）（℃）；tp為干化倉內平均溫度，tp=50～65℃（在工程試驗的基礎上測試得到，下同）；Kq為垃圾堆體吸收熱量的修正系數，Kq= 1.5～1.8。

由于垃圾成分的復雜性和測試手段的局限性，垃圾的比熱容還沒有統一的計算方法和取值范圍，根據工程試驗結果，引入修正系數Kq計算垃圾（包括其含有的水分）在生物干化過程中所吸收的熱量。

Q2=W（γ0-2.35 tp）（5）

式中：W為生物干化去除的水（kg）；γ0為水蒸氣的汽化潛熱 （t=0℃時），γ0=2 500 kJ/kg；tp為干化倉內平均溫度，tp=50～65℃。

式中：W為生物干化去除的水（kg）；d0為進風含濕量（為計算方便，采用各地通風室外計算溫度下飽和空氣含濕量）（g/kg），見表（1）；dp為干化倉內平均溫度下的飽和空氣含濕量（g/kg），見表1；C為水的比熱容，C=1.01kJ/（kg·℃）。

表1　濕空氣的飽和含濕量、密度及各溫度下空氣運動黏度

3）機械進風風量的計算。

式中：G1為生物干化進風風量（kg/h）；M為生物干化（kg）；η為進風中氧氣在生物干化過程中的利用率，η=8%～12%；ψ為空氣中氧氣的體積分數，ψ=21%；T為生物干化過程進風的天數（d）；ρ0為空氣密度（采用各地通風室外計算溫度下的密度）（kg/m3）；ρ0'為氧氣密度（采用各地通風室外計算溫度下氧氣的密度）（kg/m3）。

1.1.2除濕量法

采用除濕量法計算進風風量，主要依據為垃圾干化前后含水量差值與干化倉環境濕負荷之間的濕平衡關系。

通風系統將室外空氣送入干化倉后，發生熱量交換和質交換，吸收干化倉內的反應熱和水蒸氣，其低溫低濕的進風狀態轉變為高溫高濕狀態后排出。一定溫濕度狀態下的進風風量一方面要滿足去除倉內余濕（垃圾干化前后含水量差值）的要求，同時還應盡量保持倉內的高溫環境，避免由于風量過大造成熱量損失，影響水分蒸發。

濕平衡方程式：

式中：G2為去除環境濕負荷的進風風量（kg/h）；W為生物干化去除的水（kg）；d0為進風含濕量（為計算方便，采用各地通風室外計算溫度下飽和空氣含濕量）（g/kg）；dp為干化倉內平均溫度下的飽和空氣含濕量（g/kg）；T為生物干化過程進風的天數d。

1.1.3機械進風風量的確定

2種機械進風風量計算方法：生物干化的進風風量應同時滿足氧氣和除濕的要求，因此以2種計算結果中的最大值作為進風風量的取值。即：

G進=Max（G1，G）2（9）

式中：G進為進風風量（kg/h）；G1為生物干化所需進風風量（kg/h）；G2為去除環境濕負荷計算所需進風風量（kg/h）。

1.2排風風量的計算

考慮垃圾中的有機質參與生物干化過程，參與反應的氧氣的物質的量和反應生成的二氧化碳的物質的量相等，假設系統漏風率在允許范圍內，理論上可以認為干化倉的進風和排風的質量流量是不變的。即：

G排+G自排=G進+G自進（10）

式中：G排為排風風量（kg/h）；G進為進風風量（kg/h）；G自排為自然排放風量（kg/h）；G自進為自然進風風量（kg/h）。

2　高溫好氧生物干化通風系統中風阻的計算

高溫好氧生物干化通風系統的風阻包括進風系統和排風系統。二者計算方法基本一致，只是進風系統中需要計算垃圾堆體的阻力。

高溫好氧生物干化通風系統主要包括沿程阻力和局部阻力。生物干化過程中會產生水蒸氣，排風系統排出的是高溫高濕的飽和空氣，二者均會影響空氣的物理性質。通過《全國通用通風管道計算表》［3］直接或者利用插分法得到單位長度摩擦阻力Rmo，為了后期設備選購更加精準，應根據實際情況對單位長度摩擦阻力Rmo進行修正，有關修正的詳細計算可參考工業通風［4］有關章節的介紹。

3　工程試驗應用實例

3.1工程試驗條件

某生物干化工程試驗，干化倉設計直徑為2 m，高度為3 m，采用外圍進中間排通風方式，其處理規模約為5 t。

試驗垃圾均采用的是山東省平原縣生活垃圾，經山東省污泥工程技術研究中心測試，其物理性質見表2。

表2　試驗垃圾物理性質

試驗已知條件及設定條件見表3。

表3　試驗已知條件及設定條件

3.2進風風量理論計算

3.2.1需氧量法計算結果

需氧量法計算過程及結果見表4。3.2.2除濕量法計算結果

表4　需氧量法計算垃圾生物干化所需進風風量　（G1）

需氧量法計算結果見表5。

表5　除濕量法計算去除環境濕負荷的進風風量　（G2）

3.2.3理論進風風量的確定

G1＞G2，確定該干化倉所需進風風量G進=G1= 345 kg/h。

3.2.4理論排風風量的確定

該干化倉理論所需排風風量G排=345 kg/h。

3.3風阻計算

經試驗測試，垃圾堆體的局部阻力為600～700 Pa/m。

4　分析與討論

4.1風量的工程測試值

工程試驗采用畢托管和壓力表測試管道全壓與靜壓。經計算，進風風量測試平均值是320 m3/h（20℃質量流量G測進=380 kg/h），排風風量測試平均值是375 m3/h（55℃質量流量G測排=380 kg/h）。

4.2風量的工程驗證值

垃圾生物干化工程試驗中通風系統排風溫濕度隨時間變化情況如圖3所示，垃圾干化高溫期（≥50℃） 持續近100 h，垃圾無害化處理時間充分；垃圾生物干化工程試驗中通風系統排風中含濕量隨時間變化情況如圖4所示，垃圾在120 h內的生物干化期內，排風的含濕量最大值出現在近45 h，dmax=156g/kg干空氣，排風的含濕量最小值是近120h達到的dmin=23 g/kg，排風的含濕量平均值為Δd= 90 g/kg，干化后驗證垃圾含水率?'測=18.75%，則工程試驗過程中去除水分的工程驗證值W驗及送風風量的工程驗證值G驗分別計算如下：

圖3　通風系統排風溫濕度變化

圖4　通風系統排風含濕量平均值變化

由表6可知，G測＞G驗＞G理。說明工程試驗過程中，實際風量滿足理論計算要求。

表6 各類風量比較

5　結論

針對高溫好氧生物干化通風系統尚未健全風量、風阻計算的問題，綜合生物好氧降解和通風除濕等學科的理論知識，提出了在高溫好氧生物干化過程中的通風系統應同時滿足高溫好氧生物干化氧氣用量所需的空氣量和干化倉內去除環境濕負荷所需的空氣量；闡述了高溫好氧生物干化通風系統風量和風阻計算的理論方法；結合工程試驗應用實例驗證計算方法的可行性與合理性，為垃圾高溫好氧生物干化工程的通風系統設計提供參考，為該技術的推廣和完善奠定了理論基礎。

［1］ 萬小春，張玉華，高新星，等.農村有機生活垃圾和秸稈快速好氧發酵技術參數研究［J］.農業工程學報，2008，24（4）：214-217.

［2］Haug R T.The practical handbook of compost engineering［M］. New York：Lewis Publishers，1993.

［3］ 北京市設備安裝工程公司等.全國通用通風管道計算表［M］.北京：中國建筑工業出版社，1977.

［4］ 孫一堅，沈恒根.工業通風［M］.4版.北京：中國建筑工業出版社，2010.

Calculation Method of Ventilation System for the Domestic Refuse Thermophilic Aerobic Biological Drying

Chen Feng1，Hu Yongyou1，Chen Dan2
（1.South China University of Technology，Environmental Protection and Energy College，GuangzhouGuangdong 510640；2.Skyline（Dalian） Environmental Technology Co.Ltd.，DalianLiaoning116023）

The ventilation system played the role of providing oxygen and removing water（dehumidification）in the process of domestic refuse thermophilic aerobic biological drying.The appropriate amount of mechanical ventilation was very important.We expounded the theoretical method of air volume calculation for the domestic refuse aerobic biological drying ventilation system，and the notice for the wind resistance calculation of ventilation system.Combining with engineering test application examples，the calculation method wasverified the feasibility and rationality.

domestic refuse；thermophilic aerobic biological drying；ventilation system；oxygen demand method；dehumidification method

X799.3；TH43

A

1005-8206（2016）04-0010-04

陳峰（1968—），工程技術應用研究員，主要從事垃圾處理、污水處理等領域的相關研究和工程設計。