用于城市生活垃圾好氧堆肥的滚筒式生物反应器研制_马蔷

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环境工程
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2013 年 6 月第 31 卷第 3 期
用于城市生活垃圾好氧堆肥的滚筒式生物反应器研制*
马 蔷 王奎升 李秀金 朱保宁
( 北京化工大学,北京 100029)
摘要: 针对城市生活垃圾研制了一种用于好氧发酵的滚筒式生物反应器。滚筒式生物反应器的设计主要包括主体结 构设计,支承装置的设计计算,传动装 置 的 功 率 选 用,进、出 料 装 置 的 功 能 研 究 等。 为 保 证 滚 筒 式 反 应 器 发 挥 最 大 功 用 ,在 滚 筒 内 壁 增 设 抄 板 并 设 计 了 抄 板 的 结 构 形 式 、布 置 情 况 及 安 装 位 置 ,用 以 延 长 生 活 垃 圾 在 滚 筒 内 的 停 留 时 间 ,使 好氧发酵更为充分。 关键词: 滚筒式生物反应器; 生活垃圾好氧堆肥; 结构设计
图 4 支承力学分析
筒 体 倾 斜 的 角 度 使 得 进 料 端 筒 体 较 高 ,出 料 端 筒 体较低,为防止筒 体 在 转 动 过 程 中 向 低 端 窜 动,在 进 料 端 的 托 轮 装 置 上 增 加 挡 轮 ,故 两 组 支 承 装 置 中 只 有 高端支承带有挡轮 装 置,结 构 如 图 5 所 示: 两 个 托 轮 的对称中心与两个挡轮的对称中心布置在相互垂直 的两个平面 内,两 个 托 轮 在 滚 圈 的 正 下 方 支 承 起 筒 体 ,两 个 挡 轮 则 分 布 在 滚 圈 的 两 侧 。
进料结构采用 螺 旋 进 料 装 置,如 图 6 所 示,主 要 由 料 斗 和 螺 带 输 送 装 置 组 成 ,螺 旋 进 料 结 构 的 动 力 装 置是电机带动皮带轮的双减速装置。进料装置由地 面向上倾斜焊接在筒体的进料箱上。料车将生活垃 圾 原 料 加 入 到 进 料 口 内 ,物 料 夹 在 旋 转 的 螺 带 与 箱 体 的 空 隙 中 向 前 推 移 进 入 到 筒 体 中 ,同 时 物 料 随 着 螺 带 旋转移动的过程中也达到了初步混合的目的。出料 结 构 同 样 应 用 螺 旋 装 置 ,将 螺 旋 出 料 结 构 设 置 在 筒 体 末 端 的 箱 体 内 ,筒 体 末 端 的 正 下 方 。 物 料 经 过 好 氧 发 酵 后 经 由 筒 体 末 端 流 入 正 下 方 的 螺 旋 出 料 器 ,最 终 将 废料输送到废料仓进行收集。 1. 3 滚筒式反应器的结构特点
DOI: 10来自百度文库 7617 / j. issn. 1000 - 8942. 2013. 03. 028
DESIGN OF THE ROTARY DRUM BIOLOGICAL REACTOR USED IN MUNICIPAL SOLID WASTE COMPOSTING
Ma Qiang Wang Kuisheng Li Xiujin Zhu Baoning ( Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China)
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而推动物料在进料箱内向前移动进入筒体。物料随 着 筒 体 的 转 动 在 抄 板 的 带 动 下 充 分 混 合 ,并 在 由 筒 体 的进料端到出料端推进的过程中完成好氧发酵的整 个过程。发酵完成后的废料由螺旋出料器收集出料, 成 为 厌 氧 发 酵 的 原 料 ,进 一 步 再 利 用 。
转动中的产生过大的变形。当筒体转动时托轮装置
随之共同转 动,可 大 幅 度 减 小 与 筒 体 之 间 的 直 接 摩
擦 ,延 长 反 应 器 的 使 用 寿 命 。 滚 圈 与 两 托 轮 的 中 心 线
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间的 夹 角 为 定 值 α,托 轮 承 受 筒 体 及 滚 圈 的 重 量 载 荷,给予筒体与垂直 α /2 方向的支承力,如图 4 所示。
1—螺旋进料装置; 2—进料箱; 3—筒体; 4—带挡轮支承装置; 5—传动装置; 6—无挡轮支承装置; 7—螺旋出料装置; 8—出料箱
图 1 滚筒式生物反应器示意
1. 2 反应器主要零部件设计计算 滚筒式生物反应器的结构可视作一个带有两个
支座的简支梁模型。对简支梁模型作以下 3 个基本 假设:
将 筒 体 视 为 圆 截 面 水 平 连 续 梁 ,不 计 倾 角 对 其 的 影响,也不 计 筒 体 截 面 变 形 后 对 筒 体 截 面 模 数 的 影 响 。 不 计 物 料 重 心 对 筒 体 轴 线 的 影 响 ,不 计 筒 体 所 受 的扭矩。按照静载荷进行计算。
截面模数,m3 。
经 计 算 ,其 强 度 符 合 要 求 。
1. 2. 1 筒体
筒体总长 18 m,外径 1. 3 m,由厚 10 mm 的 钢 板
卷 制 成 圆 筒 并 通 过 螺 栓 法 兰 结 构 连 接 而 成 ,筒 体 转 速
在 1 ~ 9 r / min 变化。反应器内的物料则通过筒体的
转动完成混合过程并向前移动。筒体由进料端向出
料端倾斜一定的角度来保证物料的移动方向。筒体
外表面装有箱型滚圈,由 支 承 装 置 托 轮 支 承,采 用 10
个轴向均布的垫板将滚圈连接在筒体上并随筒体一
起转动,考虑到筒 体 内 反 应 过 程 中 的 温 度 变 化,滚 圈
与垫板间的安装间隙设置为一定值。
图 2 简支梁模型力学分析
图 3 梁弯矩图
由弯矩图中可得 到 两 支 座 处 的 弯 矩 峰 值 M1 ,以
及危险截面处的最大弯矩 M2 。采用第三强度理论 ( 式( 1) ) 对筒体进行弯曲强度校核:
σ1
=
Kw
M1 × Kt
×W

[ σb] ;
σ2
=
Kw
M2 × Kt
×W

[ σb]
( 1)
式中: Kw 为焊缝强度系数; Kt 为温度系数; W 为筒体
及其他载荷的重要结构装置。简支梁模型中支座即
代表支承 装 置,根 据 相 关 标 准[6] 对 筒 体 的 长 径 比 要
求来设计支承装置的档数。支承装置包括的主要部
件 有 托 轮 、托 轮 轴 、轴 承 、轴 承 支 座 等 。 托 轮 除 起 支 承
作用外,同时担负 辅 助 筒 体 转 动 的 作 用,避 免 筒 体 在
基 于 等 弯 矩 原 则 进 行 设 计 ,梁 上 的 载 荷 除 两 支 座 给 予 的 支 反 力 外 还 包 括 筒 体 上 齿 圈 的 重 量 载 荷 ,单 位 长度上筒体 自 重、筒 内 物 料 以 及 筒 内 抄 板 等 均 布 载 荷。对 简 支 梁 模 型 进 行 受 力 分 析,结 果 如 图 2 所 示。 通 过 此 力 学 模 型 计 算 支 反 力 及 梁 的 弯 矩 ,通 过 剪 力 方 程和弯矩方程绘制弯矩图如图 3 所示。
根 据 城 市 生 活 垃 圾 好 氧 堆 肥 的 工 艺 特 点 ,确 定 滚 筒式生物反应器结构方案如图 1 所示。主要由反应 器筒 体、两 档 支 承 装 置、传 动 装 置、螺 旋 进 出 料 装 置、 箱体等组成。生活垃圾由螺旋进料装置上的进料口 进入进料箱,螺旋 进 料 装 置 的 短 轴 带 动 螺 带 旋 转,进
经分析,滚 圈 上 的 最 大 弯 矩 出 现 在 滚 圈 与 托 轮 接 触
处,依据式( 3) 对滚圈的弯曲应力强度进行校核:
σw
=
M max Wr

[
σw ]
( 3)
式中: Mmax 为滚圈上最大弯矩,N·m; Wr 为 滚 圈 截 面 模数,m3 。
1. 2. 2 支承装置
支 承 装 置 是 滚 筒 反 应 器 支 承 筒 体 重 量 、物 料 重 量
图 6 螺旋进料装置
差等特性,使得发 酵 过 程 中 物 料 不 能 充 分 混 合,影 响 发酵降解效率。本设计通过在滚筒式生物反应器的 筒体内壁增设抄板进行改进,详见图 7。
图 5 带挡轮支承结构
1. 2. 3 传动装置 本设计滚筒 式 反 应 器 采 用 单 传 动 ,传 动 装 置 结 构
简 单 、维 护 方 便 。 依 靠 调 速 电 机 保 证 足 够 的 调 速 范 围 , 通过小齿轮带 动 焊 接 在 筒 体 上 的 齿 圈 转 动 ,通 过 大 小 齿轮间的传动进行减速使筒体在较低转速范围转动。 1. 2. 4 进、出料结构
Abstract: A rotary drum biological reactor used in municipal solid waste composing was designed. The design of the rotary drum reactor including the principal part of the reactor structure,the calculation and analysis of the supporting device force and the transmission device power. In order to guarantee the maximum performance of the reactor,multiple planks were installed on the inwall of the rotary reactor. The planks structure form,the arrangement and the installation position were discussed, which would extend the residence time of the solid waste and make the composting more sufficient. Keywords: rotary drum biological reactor; municipal solid waste composting; structure design
0 引言 城市生 活垃 圾 中 可 降 解 有 机 质 组 分 含 量 多 于
56% ,这些有机质可被分离出来并通过好氧堆肥等方 法将其转化为富 含 甲 烷 的 天 然 气[1]。 好 氧 堆 肥 的 特 点是 分 解 速 度 快、堆 肥 周 期 短 并 且 降 解 彻 底。 自 1925 年印度的 爱 德 华 提 出 班 加 罗 法 以 来,历 经 多 年 研究,现今 比 较 成 熟 的 堆 肥 方 法 有 DANO 式 堆 肥 装 置、立式发酵仓( 厄 普 - 托 马 斯 法 及 改 进 后 的 弗 兰 泽 法) 、动态堆肥设备 滚 筒 式 生 物 反 应 器。 我 国 从 二 十 世 纪 八 十 年 代 开 始 发 展 本 领 域 研 究 ,在 工 业 应 用 上 取 得 了 一 定 的 效 果[2] 。
于 我 国 城 市 生 活 垃 圾 中 含 水 率 较 低 的 特 点 ,能 够 有 效 地 实 现 有 机 质 的 快 速 高 效 分 离 ,并 保 证 其 厌 氧 发 酵 产 气 潜 力 。 本 研 究 开 发 了 滚 筒 式 生 物 反 应 器 ,将 其 用 作 城市生活垃圾好氧 堆 肥,进 而 使 生 物 资 源 再 利 用[4]。 滚筒式反应器因 其 具 有 搅 拌 强 度 大、结 构 简 单、运 行 成本低、故障率小 等 特 点,在 快 速 好 氧 堆 肥 等 方 面 将 有 广 泛 的 应 用 前 景 。 但 在 物 料 横 向 分 离 、纵 向 混 合 方 面 还 需 要 进 行 改 进 ,因 此 开 展 滚 筒 式 反 应 器 的 研 制 具 有 重 要 的 意 义 和 工 程 应 用 价 值[5] 。 1 滚筒式生物反应器的设计方案 1. 1 滚筒式反应器的结构方案及工作原理
滚圈的接触应力强度与滚圈所承受的载荷和滚
圈、托轮的尺 寸 相 关,依 据 式 ( 2 ) 对 滚 圈 的 接 触 应 力
强度进行校核:
槡 σc = 0. 0132
qE( Rr + Rt) Rr × Rt
≤ [ σc]
( 2)
式中: q 为支承载荷与滚圈总重量的均布载荷。
滚圈的弯曲应力强度与滚圈上的最大弯矩相关,
滚筒式生物反应器适宜处理高有机质含量的生 活垃圾,通过在生 活 垃 圾 中 添 加 粪 便、脱 水 污 泥 等 物 料 ,调 节 碳 氮 比 、含 水 率 和 营 养 平 衡 ,进 行 快 速 好 氧 生 物发酵[3]。快速好氧—滚筒 生 物 发 酵 设 备 特 别 适 合
* 中央基础研究基金资助项目。
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