（机械制造及其自动化专业论文）有机垃圾处理机尾气除臭技术装备的研究.pdf

摘要 摘要 随着城市的迅速发展、人口的飞猛增加，城市生活垃圾也与同剧增。它们 严重地破坏了生态环境，成为困扰经济发展和环境治理的重大问题。如何处理 这些废弃物已是世界环保领域的重要研究课题。本论文以上海路桥机械有限公 司开发生产的b x l l 0 型有机垃圾处理机为研究对象。针对该机在推广使用过程 中能耗过高的缺点，运用计算机技术和优化方法，对尾气除臭方式进行改进。 尾气的主要成分为氨气，采用高温裂解的方法除氨，是该设备能耗过高的 一个重要原因，很有必要改变除臭方式。本论文根据氨气极易溶于水的特点，考 虑用水来吸收尾气中的氨气，着重分析了气液传质机理，以亨利定律和双膜理 论为指导，得到理想的尾气处理效果，达到国内环保部门生活区污染废气的排放 标准。 设计了小型和高效的除臭吸收设备填料塔。首先运用传统的方法设计 填料塔，对填料塔设计的理论基础和具体结构进行详细的研究和论述。分析了填 料的特点，并对新型填料和传统填料从多方面进行比较，证明新型填料的分离 效率和通量优于散装填料，选取了适合本课题的新型填料。研究了求取填料塔 塔径的各种方法及其影响因素，得到最佳的设计塔径的方法。研究了液体初始 分布对塔效率的影响，证明良好、均匀的液体分布的重要性。分析了各种分布 器的特点，结合i j i f 面所用的填料，选取了适合本课题的分布器。对其他内件也 从理论上和结构上进行了详细的研究。 阐述了优化理论在有机垃圾处理设备中的应用。以填料塔的最低年操作费用 为设计目标，研究了影响填料塔费用的各种因素，得到一个设计变量，以此建 立数学模型，运用黄金分割法对其分析计算，使系统的塔径和填料塔高度在满 足最低年操作费用的前提下得到优化。 关键词：有机垃圾处理设备，传质机理，规整填料，液体分布器，优化设计 a b s t r c a c t a bs t r a c t a l o n g w i t ht h eq u i c kd e v e l o p m e n to ft h ec i t y ，r a p i di n c r e a s eo fp o p u l a t i o no f t h ec i t y ，d a i l yg a r b a g ea l s oi n c r e a s e s i ts e r i o u s l yb r e a k st h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ， b e c o m i n gas e r i o u sp r o b l e mt h a tp e r p l e x e s t h ee c o n o m i c d e v e l o p m e n ta n d e n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n t h o wt oh a n d l et h e s ec a s t o f f sh a sa l r e a d yb e e na n i m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ci nt h er e a l mo fw o r l de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n t h i sp a p e r r e g a r d st h eb x l 1 0a sr e s e a r c ho b j e c t ，t h i sm a c h i n eo f p r o c e s s i n go r g a n i cg a r b a g ei s m a d eb ys h a n g h a ij i a n s h el u q i a om a c h i n e r yc o ，l t d i na c c o r d a n c ew i t ht h e w e a k n e s so fh i l g hc o n s u m p t i o ni nt h ep r o c e s so fa p p l i c a t i o na n dd i s s e m i n a t i o n ，w e m a k eu s eo ft h ec o m p u t e rt e c h n i q u ea n do p t i m a lm e t h o dt oi m p r o v et h ew a yo f d e o d o r i z a t i o n t h em a i nc o m p o s i t i o no ft h ew a s t eg a si st h en h 3 i fa d o p t i n gc r a c k i n go nh i g h t e m p e r a t u r ei tw i l lc o s tm o r ee n e r g y s oi ti sn e c e s s a r yt oc h a n g et h em e t h o do f d e o d o r i z a t i o n t h ea u t h o ro ft h ep a p e rd e c i d e st oa b s o r bn h 3w i t hw a t e r ，b e c a u s e n h 3d i s s o l v e st h ew a t e rv e r ye a s i l y t h ep a p e rm a i n l ya n a l y s e st h et h e o r yo f g a s - l i q u i dm a s st r a n s f e r ，u n d e rt h eg u i d eo fh e n r y sl a wa n dd o u b l ef i l mt h e o r y ，i tc a n g e tt h ei d e a lr e s u l to fd e o d o r i z a t i o n ，a n dc a nr e a c ht h es t a n d a r do fl e t t i n gw a s t eg a si n t h el i v i n go fd o m e s t i ce n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ns e c t i o n t h ep a p e rd e s i g n ss m a l la n de f f i c i e n td e o d o r i z a t i o ne q u i p m e n t 一一p a c k e dt o w e r a tf i r s tt h ep a p e rm a k e su s eo fat r a d i t i o n a lm e t h o dt od e s i g np a c k e dt o w e r ，g i v e sa d e t a i l e dr e s e a r c ha n de x p o s i t i o nt ob a s i ct h e o r ya n dc o n c r e t es t r u c t u r e ；t h e nt h e p a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a c k i n g ，c o m p a r e st h en e wp a c k i n g w i t ht h e o l di nm a n yw a y s ，p r o v e st h a tt h en e wp a c k i n gi sb e t t e ri ns e p a r a t ee f f i c i e n c ya n d f l u x ，a n ds e l e c t st h en e wp a c k i n gs u i t a b l ef o rt h er e s e a r c h ；b e s i d e st h i s ，t h r o u g h s t u d y i n gv a r i o u sm e t h o d so ft o w e r d i a m e t e ra n di n f l u e n t i a lf a c t o r s ，t h ea u t h o rg e t s t h eb e s tm e t h o do fd e s i g n i n gt o w e r d i a m e t e r ；a f t e rs t u d y i n gh o wt h el i q u i d e a r l y d i s t r i b u t i o na f f e c tt o w e re f f i c i e n c y ，t h ea u t h o rp r o v e st h ei m p o r t a n c eo fg o o da n d e q u a ll i q u i dd i s t r i b u t i o n ；a t l a s t t h r o u g ha n a l y z i n gv a r i o u sc h a r a c t e r i s t i c so f d i s t r i b u t o r ，c o m b i n i n gf r o n tp a c k i n g ，t h ea u t h o rs e l e c t st h ed i s t r i b u t i o nf i t t i n gt h i s i l a b s t r c a c t t a s k t h ea u t h o ra l s og i v e sad e t a i l e ds t u d yo fo t h e ri n n e rp a r t sf r o mt h e o r ya n d s t r u c t u r e t h ep a p e re l a b o r a t e st h ea p p l i c a t i o no fo p t i m i z e dt h e o r yi nt h ee q u i p m e n t so f p r o c e s s i n go r g a n i cg a r b a g e i n v e s t i g a t i n gi n f l u e n t i a lf a c t o r so ft h ec o s t ，g e t t i n ga v a r i a b l eq u a n t i t y ，t h e ne s t a b l i s h i n gm a t h e m a t i c sm o d e l ，u t i l i z i n gt h em e t h o do f g o l d e ns e c t i o nt oc a l c u l a t ea n da n a l y z e ，t h er e s e a r c hc a no p t i m i z et h es y s t e mo n p r e m i s et h a tt o w e rh e i g h ta n dd i a m e t e rs a t i s f yl o w e s ty e a r l yc o s t k e yw o r d s ：m a c h i n eo fp r o c e s s i n go r g a n i cg a r b a g e ，t h e o r yo fm a s st r a n s f e r ， s t r u c t u r e dp a c k i n g ，l i q u i dd i s t r i b u t o r ，o p t i m i z e dd e s i g n i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子 版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检 索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有 关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在 不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 学位论文作者签名：可押霞 2 伽缸6 月蹦 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签 名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：可躬岔 渺锌6 月 第1 章有机垃圾处理设备简介和节能研究的意义 第1 章有机垃圾处理设备简介和节能研究的意义 1 1 引言 随着经济的发展和人口的增加，我国城市的数量及规模也迅速增加和扩大， 伴随而来的城市生活垃圾也与日剧增。城市生活垃圾主要指在城市同常生活中 或者为城市同常生活提供服务的活动中产生的固体废弃物，其中大部分来自居 民的生活与消费、市政建设和维护、商业活动、市区的园林绿化及市郊的耕种 生产、医疗和旅游娱乐场所，包括一般性垃圾、人畜粪便、厨房弃物、污泥、 垃圾残渣和灰尘等固体物质，见表1 1 。与同俱增的生活垃圾严重地破坏了生 态环境，已成为困扰经济发展和环境治理的重大问题。因此，如何减少垃圾排 放量，将其变害为利，实现垃圾的资源化循环利用，是我国现代化城市管理中的 一个重要课题。 表1 1 城市生活垃圾的来源和主要组成物 来源主要组成物 纸屑、布料、木料、金属、玻璃、塑料陶瓷、燃料灰渣、碎砖瓦、 居民生活食物垃圾 废器具、粪便、杂品 管道等碎物体、沥青及其他建筑材料、废汽车、废电器、废器具、 商业机关 含有易爆、易燃、放射性的废物以及居民生活所排除的各种废物 市政维护、管理部门碎砖瓦、树叶、死畜禽、金属、锅炉灰渣、污泥、脏土 1 1 1 城市生活垃圾产量、成分分析 ( 1 ) 城市生活垃圾产量逐年递增 改革开放以来，我国的城市化进程逐年加快，城市数量大幅增加，城市规 模不断扩大，城市非农业人口迅速增长。见表1 2 。根据联合国人口统计资料预 测：2 0 世纪末世界人口将有7 0 - 8 0 聚集到城市。 第1 章有机垃圾处理设备简介和节能研究的意义 图1 1 列出了我国城市垃圾产生量和城市非农业人口的相互关系，从图中 可看出，城市垃圾产生量随城市人口的增加呈直线增长趋势，可以说城市人口 的增加是影响城市生活垃圾产量的最主要因素。 表i 2 我国的人口变化情况 年度总人口( 万人)人口数( 万人) 比例( ) 1 9 8 61 0 7 5 0 72 7 1 7 42 5 3 2 1 9 8 81 1 1 0 2 62 8 1 6 l2 5 8 1 1 9 8 91 1 2 7 0 42 9 5 4 02 6 2 1 1 9 9 01 1 4 3 3 33 0 1 9 12 6 4 1 1 9 9 l1 1 5 8 2 33 0 5 4 32 6 3 7 1 9 9 21 1 7 1 7 l3 2 3 7 22 7 6 3 1 9 9 31 1 8 5 1 73 3 3 5 l2 8 1 4 1 9 9 41 1 9 8 5 03 4 3 0 12 8 6 2 1 9 9 51 2 1 1 2 l3 5 7 7 42 9 0 4 1 9 9 61 2 2 3 8 9 3 5 9 5 0 2 9 3 7 i 9 9 71 2 3 6 2 13 9 9 8 92 9 9 0 一曲 - _ _ 一 ， _ 一一一r - 一 詹。一曩，9 7 一，l l 8 0 0 0i g 0 0 01 2 o 1 4 0 0 0 i l 簟o 伽2 0 0 0 0 2 2 0 0 0 城市人口( 万人) 图1 1 垃圾产生量与城市人口的关系 2 o o o o o o o o o o o口伽脚o o o o 口d o o 簟：9 0 4 2 ll kv删州钆疆捌 第1 章有机垃圾处理设备简介和节能研究的意义 据1 9 9 9 年的统计数字，我国城市居民每天产生垃圾1 2 k g 以上，每人一年即可 产生4 4 0 k g 垃圾。1 9 9 8 年我国6 6 8 座城市的生活垃圾清运总量为1 1 3 亿吨，目前 全国每年产生的生活垃圾已达1 3 亿吨，全世界每年产生4 9 亿吨，我国占全世界 垃圾总量的2 7 。，而且我国城市生活垃圾每年增长率为8 1 1 5 ，超过了 欧美6 - - 一1 0 的增长速度，预计到2 0 1 0 年我国城市垃圾产生总量将达到3 1x 1 0 8 吨。长此以往，如不加大垃圾处理力度，数年之后我们将生活在垃圾包围之中。 ( 2 ) 城市生活垃圾成分同益变化 城市生活垃圾成分受各种自然、人文因素( 特别是经济) 的影响，通过对美国、 同本、法国、德国等发达国家和对中国、印度、巴西等发展中国家历年垃圾资 源经济成分动态变化的比较中发现，这种变化有规律可循，如表1 3 。和表1 4 4 1 所示。 表1 3 垃圾成分的年际变化分析 爻 有机垃圾( )无机垃圾( ) 厨房陶瓷 废i f l 废纸术材织物塑料橡胶小计 金属 灰分 玻璃小计 垃圾电器 1 9 6 53 2 1 59 6 67 6 51 0 6 65 8 67 9 97 3 9 78 4 l4 8 58 6 82 6 61 4 02 6 0 3 1 9 7 03 2 9 49 4 27 3 71 1 1 56 7 6 7 9 97 5 6 3 8 0 34 1 l8 1 2 2 5 41 5 72 4 3 7 1 9 7 53 3 6 69 5 27 1 41 1 9 66 0 57 7 47 6 0 77 8 84 0 07 7 32 22 1 22 3 9 3 1 9 8 03 5 7 59 0 76 8 51 2 8 35 7 67 6 l7 7 8 77 1 53 4 36 8 72 1 52 5 32 2 1 3 1 9 8 53 6 7 49 5 66 9 31 3 7 65 9 97 3 78 1 3 56 1 7 2 9 65 3 41 3 72 5 l1 8 6 5 1 9 9 03 8 3 69 1 2 7 6 31 5 1 36 1 27 0 78 3 4 l5 0 02 7 14 7 51 5 62 9 11 6 5 9 2 0 0 04 3 1 57 6 67 0 51 6 1 45 4 55 5 98 5 0 44 7 32 3 63 9 91 0 32 8 51 4 9 6 由上面两表不难看出，城市垃圾中无机物的含量将会逐渐减少，垃圾中的 可回收废品及有机物含量将增加。另外还可以看出，我国有机垃圾来源广、产 量大、成分复杂，既包括秸秆树叶、果壳木屑、人畜粪便等农林和养殖废物， 又包括厨余、食品废渣、下水污泥等生产和生活垃圾。这些污染物如果处理不 3 第1 章有机垃圾处理设备简介和：肖能研究的意义 当，会对大气、土壤、水体造成严重污染，不仅破坏城市生态环境，而且严重 危害人民群众的身体健康，因此必须采取措施，进行合理地处理，而能够有效 地处理这些垃圾，同样也是一项保护环境、利国利民、造福后代的工作，其社 会效益将是十分显著的。 表1 4 不同城市( 燃气区) 垃圾成分含量 地区南方城市北方城市 城市南宁南京上海重庆太原吉林天津沈阳哈尔滨 有机组( ) 4 6 0 16 4 7 78 0 3 06 9 9 18 3 2 26 2 0 47 8 9 88 6 9 46 3 9 2 无机组( )4 5 7 61 8 3 37 5 41 9 9 l 4 1 2 2 7 2 65 8 89 3 42 0 2 2 1 1 2 目前城市垃圾处理方法 从前面分析可以看出，城市生活垃圾已经成为城市环境的主要污染源之一， 垃圾处理成了世界关注的难题。城市垃圾处理的实质就是改变原垃圾的物理、化 学性质及减少垃圾数量的过程，其最终目标是实现城市垃圾无害化、减量化、资 源化，既消除垃圾的污染危害，又为社会创造财富，在环境、社会、经济三方面 效益兼而得之，达到化害为利的目的。目前城市垃圾的基本处理方法有： ( 1 ) 填埋法 填埋是最原始最常见的城市垃圾处理技术，一般有露天堆放、自然填沟和 填坑等方式。它技术工艺简单，成本较低，能处理多种类型废物，因此，目前在大 多数国家均己广泛使用。韩国有9 3 的垃圾使用此法处置，英国有9 0 的垃圾也 以填埋法为主，即使是在土地缺乏的日本填埋量也占2 1 6 ( 1 9 8 2 年) h 1 。我国 许多地区也采用填埋法处理城市生活垃圾。但填埋法也存在许多问题，它是一 种不卫生的做法，是病虫、病菌的繁殖之地，危害人体健康，并且污染空气、 水源和影响市容。虽然卫生填埋相比较而言好些，它是将垃圾在选定的合适场 所，填埋到一定高度后，加上覆盖材料，( 以免鼠、虫鸟等前来吃垃圾，传播 病菌) 让其经过长期的物理、化学和生物作用达到稳定状态。但此法使用时间 有限，且侵占了宝贵的土地资源、浪费了垃圾中宝贵的可回收资源，地下水系 统受到了污染的威胁。 ( 2 ) 堆肥法 4 第1 章有机垃圾处理设备简介和节能研究的意义 垃圾堆肥法是将有机垃圾送入机械消化机中，利用微生物在合适的条件下 对城市生活垃圾中的有机物进行降解，使之变成稳定的腐殖土，将其中的有机 可腐物转化为土壤可接受且迫切需要的有机营养物，为农业提供适当的腐殖土， 解决土壤板结问题，并维持了自然界物质的良好循环，基本实现垃圾的无害化、 资源化，变废为宝，具有很好的前景。但垃圾堆肥并不是能处理全部的垃圾，它 只是针对垃圾中易腐的，可被微生物降解的有机物质，所以堆肥处理是垃圾中有 机成份的处理技术，而不是全部垃圾的最终处理技术。堆肥时，垃圾中的石块、 狄渣、金属、玻璃、塑料等废弃物不能被微生物分解，必须进行分选，另行处理。 国家规定高温堆肥过程要保证堆体内物料温度在5 5 以上保持5 7 天，所以垃 圾堆肥处理一般周期较长，处理量小，单纯的堆肥处理不能满足日益增多的生活 垃圾， ( 3 ) 焚烧法刚 焚烧是发达国家普遍采用的一种垃圾处理方法，焚烧处理是指在高温( 1 2 0 0 ) 条件下，垃圾中的可燃成分与空气中的氧进行剧烈的化学反应，放出热量， 转化成高温的燃烧气和量少而稳定的固体残渣，同时杀灭病毒细菌的方法。优 点是能显著地减容、节省填埋场空间，可以进行余热回收利用或发电。但焚烧 技术也有自身的局限性，其一是焚烧处理成本较高。由于我国焚烧技术发展较 晚，需要从国外引进焚烧炉或焚烧技术，而从国外引进焚烧炉使得焚烧设备一 次性投资较高，从国外引进技术在国内生产制造的焚烧炉，由于炉排和焚烧炉自 控系统必须使用国外产品，价格居高不下，同处理每吨垃圾投资在4 0 - - 7 0 万元之 间，差不多是其它处理方法的5 1 0 倍，是我国目前大多数城市承受不起的。其 二是二次污染问题。焚烧垃圾的过程中会产生大量的烟气和粉尘，不仅会带走近 3 0 的热量，而且控制不好，还会产生二次污染，尤其是产生的急性剧毒物质二恶 英有毒气体最受关注( 二恶英是一类急性剧毒物质，其毒性是氰化钾的1 0 0 0 倍 以上，即使在很微量的情况下长期摄取也可引起癌变、畸形等顽症) 。垃圾中 的氮和硫在高温焚烧过程中，将形成n o 和s 0 2 ，特别当垃圾中含有氯元素时，燃烧 过程中产生硫化物和氯化物，这些有害气体将随烟气排入大气，污染环境。 5 第1 章有机垃圾处理设备简介和节能研究的意义 1 2 城市有机垃圾最佳处理方案探讨把有机垃圾消灭在源头 1 2 1 提出城市有机垃圾最佳处理方案 本人导师邱惠清教授在分析上述垃圾处理方法优缺点以后，提出了城市有 机垃圾处理最佳方案的看法：采用微生物菌种消化法，开发小型有机垃圾生物 减量化处理设备，把垃圾消灭在源头。 这种处理方案于前述三种处理方案比较，其优点显著： 目前我国城市居民每人每年产生的生活垃圾量为4 3 5 4 4 0 k g ，且每年增长 8 - - - 1 0 。和一般垃圾相比，有机垃圾具有热值小、水分大、易腐烂、有机质 含量高、以及n 、p 、k 和其它微量元素含量丰富等特点，因此常规的填埋和焚 烧技术不仅无法有效地对其进行处理和处置，而且浪费了其中可利用的资源； 传统的大型堆肥装置、强制通风静态垛和条垛堆肥等系统不仅占地大、堆制周 期长、成本高、恶臭污染严重，而且堆肥成品肥效低，在市场上缺乏竞争力。 鉴于资源能源日益匮乏、环境不断恶化而有机垃圾产量却以8 1 0 的速 递增的现状，根据其产生特点和资源利用要求，国内外专家正寻求新的解决方 案。而本人导师在此基础上提出开发小型有机垃圾生物减量化处理设备，该产 品将生活中的有机垃圾投放入本机内，经过特殊菌床培育的多种微生物发酵分 解8 1 0 小时，分解成水蒸汽、二氧化碳和氨气等气体，再经特别除臭器吸收， 垃圾减量率对有机垃圾可达9 6 9 9 ，残余物很少( 一般3 4 个月清理一次) ， 且是一种优良的有机肥料，用于城市绿化及养化种植，因此在针对处理有机垃 圾的多种方案中，微生物发酵处理法作为最佳方案崭露头脚。 一个大型垃圾处理厂、场，投资数千万，甚至数亿。从表1 5 中可以看出， 无论是哪一种处理方法，其投资都很大，而一台1 1 0 立升的有机垃圾生物减量 化处理设备，加上垃圾房改建装修，也仅2 0 万左右，按人口累加，两者投资总 额相当。但后者不需要垃圾中转、运输，将节省大量的人力、物力、财力，同 时避免了二次污染。由于需清洗的运输车辆多，有机拉机又湿、脏、臭，清洗 水往往直接排入水体，将对水体造成污染。把有机垃圾消灭在源头，可避免建 大型垃圾处理厂、场所必须的配套中转点、运输线造成的有机垃圾对环境的二 次污染。 6 第1 章有机垃圾处理设备简介和1 ，能研究的意义 表15 国内城市垃圾处理费用估算 投资费万元运行费万元 处理方式 每吨每日每吨每日 填埋3 6 堆肥 3 53 03 5 焚烧 所以大力推广有机垃圾微生物减量化处理技术，把有机垃墩消灭在源头， 在城市构建以有机垃圾减量化处理设各为主的有机垃圾消化网络，避免或减少 建大型垃圾处理、场，应该是环保部门管理层的明智之举。 1 2 2 有机垃圾生物减量化处理设备简介 1 9 9 9 年，邱惠清教授和上海建设路桥机械有限公司合作开发的“有机垃圾 减量化处理机”正式投产，同年该产品被评为“1 9 9 9 年度国家级新产品”，电 视台、报纸多次报道，媒介称之为“国内第 一台吃垃圾的机器”。i ；i l = 处理设备的外观如 图1 2 所示。该机采用全不锈钢结构，外观 漂亮，如同厨具；内胆防腐，使用寿命长。 该机具有搅拌、开停、j 下反转、加温、保温、。 通风、除臭、连锁、报警全部采用计算机控一l 制，垃圾、菌种投入后即可自动运行，操作 一 方便，使用安全，减量化率可以达到9 5 ， 而剩下5 的残余物是一种优良无土基质， 可用于居民和家庭小区的绿化a 以1 个2 幢 图12 有机垃圾减精化处理设备 高层、6 幢多层的千人居民小区为例，只需 要1 台浚处理机有机垃圾即可以不出小区。 该设备的结构图虫u 图1 3 所示。其工作原理为：它将投入的垃圾与菌种、 菌床充分拌和，通过酶的作用，将有机废弃物中的碳水化合物、脂肪、蛋白质 等分解成低分子物质，然后由微生物食耿这些低分子物质，把它们转化为二氧 第1 章有机垃圾处理设备简介和h 能研究的意义 化碳、氨、水蒸气等。这些气体通过高温触媒脱臭装置，把臭味分解成无色、 无味、无污染的气体蒸发，从机器上部排掉，达到垃圾减量化的目的。 谪 、 图13 有机垃圾碱量化处理设备结构图 该技术如果得到大力推广，将会把有机废弃物消灭在源头，不仅可以大大 减轻运输和交通压力避免垃圾对城市环境的污染，而且对普及垃圾分类，提 高垃圾的再利用率有着积极的推进作用。 1 3 问题的提出 该机在推广的过程中( 在上海市普陀区曹阳5 村等) ，发现该机运行成本 较高，根据统计资料表明处理设各的折旧、操作工人的工资、垃城房的建设 和维护、加热保温所需要的电费以及处理垃圾时的菌种消耗等平均每公斤垃 圾的处理费用是15 元左右。运行成本较高已经阻碍了该技术和产品的推广。 在对该设备进行充分调查以后发现，该设备运行成本较高的主要原因就是 电耗太高，以1 0 0 立升的垃圾处理设备为例，其功率为6 k w ，每小时耗电6 度。 其中电耗的主要原因是： ( 1 ) 处理腔体的加热与保温 由于菌种在分解有机垃城时需要在一定的温度环境( 5 0 5 5 度) 才能存活 因此必须有合适的加热温度和保温装置。本处理设备采用3 个加热点( 2 0 0 w 加 第1 章有机垃圾处理设备简介和：肖能研究的意义 热电阻丝) 对处理槽体底部进行加热、采用一个加热点对处理槽体顶部的空气 进行加热的方法来保证处理槽体内部菌种分解有机垃圾所需要的温度环境。 ( 2 ) 尾气的高温裂解除臭 有机垃圾在酶的作用下被菌种分解 成为二氧化碳、氨气、水蒸气和分解残余 物，其中氨气会对环境造成污染。由于把 氨气加热到5 0 0 以上，该设备采用高温 触酶脱臭装置，在排气小烟囱上环向布置 六根电热棒( 单根功率为5 0 0 w ) ，见图 1 4 所示 ， 荔 、 ( 3 ) 控制效果差 图1 4 除臭装置 有机垃圾在处理的过程中，存在三个阶段，初期反应、中期反应和后期反 应，在有机垃圾生化反应的中后期会产生大量热量，原设备中没有充分利用这 种热。对各加热点的控制没有实现智能控制。从而也造成了电能的消耗。引风 道结构不合理，造成空气不能和有机垃圾充分接触，致使有机垃圾的处理效率 下降，运行成本偏高。 1 4 解决问题的基本思路 针对上述问题，本人在邱惠清教授的指导下，查阅了大量的资料，重点针 对第二个问题提出了解决的思路，同时也对其它问题提出了自己的看法。 1 4 1 改变除臭方式 1 采用吸收净化法除臭 由前面分析可知，高温裂解除臭会消耗大量的电能，运行成本高。通过研 究和分析氨气的性质发现，氨气浓度很低时在水中的溶解度很大，而处理设备 本身处理的气体流量又很小，所以考虑用水来吸收尾气中的氨气，这就需要设 计高效和小型的除臭吸收设备。工业废气吸收治理设备的类型有好多种，常用 的有填料塔、板式塔、各种喷雾塔、降膜吸收塔、喷射文丘里塔等。其中填料 9 第1 章有机垃圾处理设备简介和节能研究的意义 塔具有结构简单，阻力小，便于用非金属耐腐蚀材料制造，适用于小直径塔等 优点，所以本论文决定采用填料塔吸收尾气中的氨气。 2 采用复合微生物菌群抑制腐败菌的繁殖 采用细菌消灭垃圾，复旦大学已取得突破性进展。在大自然里，一切有机 物的新陈代谢最终都是由微生物所影响决定，微生物作用主要可分为腐败和再 生两大不同的方向，如果导致腐败的细菌占了优势，系统就会溃烂腐败，如果 是促进再生的细菌占了上风，则系统会趋向再生。复旦大学研究的微生物是经 过精心筛选的品种，对大自然无害，在自然环境中容易强势生长，以改变系统 环境中细菌群落的平衡，压抑腐败菌的繁殖，促进系统向再生方向发展，最终 抑制有害微生物包括各类原病菌的生长。该技术就是将这些微生物以独特工艺 混合，培养出多种多样微生物菌群。各种微生物在生长过程中产生的有用物质 及分泌物质，成为各菌种互利的生长基质和原料。通过这种相互之间的共生繁 殖关系，形成了复杂而稳定的微生态系统，发挥多种功能抑制腐败细菌的生长， 改善有机物的分解途径，减少氨和硫化氢的释放及氨类物质的产生( 平均减少 量为8 0 ) ，从源头上抑制臭气的产生，进一步减少了能量的消耗，对附近居 民的生活影响减少。有益微生物作用时会消耗水分，从而减少了污水产生的数 量( 平均减少量为3 0 左右) 。产生的渗滤液c o d 等指标可降低8 0 左右， 臭味基本消失。有益微生物可抑制病原性微生物的繁殖，防止病害的产生，保 障垃圾场职工和附近居民的健康。 1 4 2 处理腔体的部分机构改进 从前面分析可知，处理腔体内部加热点多也是能耗高的一个原因。通过对 搅拌腔体、菌床进行温度场的分析研究，对处理槽体运用有限元方法进行温度 场的计算和模拟，得到槽体的温度分布情况，然后计算减少加热点后处理槽体 的分布情况，并在此基础上优化加热点的加热温度，同时对搅拌叶片进行改进， 使得有机垃圾在产生径向和周向位移的同时，产生轴向的流动，提高处理槽体 内部温度分布的均匀性；改进通风条件，提高有机垃圾处理设备的处理效率。 以达到节能的目的。改进后的设备外观如图1 6 所示。 1 0 第1 章有机垃圾处理设备简介和节能研究的意义 1 2 34 5 图1 6 改进后的有机垃圾处理设备 1 一填料塔；2 一除尘器；3 一木架；4 一处理设备主机；5 一预热器 由图1 6 可以看出，在改进后的设备中增加了几个装置：预热器和除尘器。 下面简单介绍一下它们的设计思路。由于改进后的装置烟囱结构简单，内部没 有加热棒，而烟囱只成为尾气的一个通道，所以就存在新鲜空气的预热问题。 因为有机垃圾在菌种的作用下发酵，而要使菌种能够正常的存活是有一定条件 的，即要求腔中的温度控制在5 0 - - - 5 5 之间，否则菌种就要死亡。原处理设 备是采用图1 7 ( a ) 进行除臭的，进入的新鲜空气是迅速围绕烟囱的内外侧夹层 一圈后，借助风机抽尾气时产生的空气流动而进入腔体的。由于改进后设备的 排气装置中没有加热棒，如果新鲜空气还是以同样的方式进入腔体，显然腔体 中的温度就不能控制在5 0 - 一5 5 之间，所以在改进后的装置上方增加如图 1 7 ( b ) 所示的预热器，使新鲜空气预热后再进入腔体。虽然预热器中的加热 棒的功率远小于原加热棒，但空气经过预热器的速度也远小于原空气的流速， 故而可以达到预热的目的。 图1 6 装置中2 为除尘器，增加该设备的主要原因是有机垃圾在分解过程中 会产生微小的颗粒，这些颗粒由于抽风机的作用随着废气一起排出，如果不加 除尘就会随尾气进入填料塔，就会导致填料塔中的填料堵塞，影响填料塔的除 第1 章有机垃圾处理设备简介和节能研究的意义 臭效果。目前常用的除尘设备主要有以下几种：( 1 ) 机械式除尘，它又分为a 重力沉降式；b 旋风除尘器；c 惯性除尘器；( 2 ) 过滤式除尘器；( 3 ) 电除尘器。 重力沉降和惯性除尘器的结构简单易于设计、便于加工和操作、电耗较少，但 是它们所占用的空间体积较大、除尘效果不是很理想，只能用于初步除尘来除 去大或重的粉尘；旋风除尘器虽然除尘效果比重力沉降和惯性除尘器好，但它 的结构复杂，而且内部气流和粉尘的运动情况复杂，准确性难以测定，所以在 理论研究方面不够完善，不宜采用。过滤式除尘器的工作原理简单，效率也比 较高，但结构和设计都比较复杂，同时操作也麻烦，不便于清灰；电除尘器可 以说是这几种里最好的一种，但是它的结构更为复杂，还要消耗大量的电能。 褥蕊 憋渺 a 图1 7 预热器 b 综合比较，再结合实际情况( 尾气中的粉尘基本上为颗粒较大的灰尘和较 粗的纤维丝) 及相关资料的查阅，可以将除尘器设计为惯性除尘器和过滤除尘 器相结合的简易除尘器形式。过滤器由一块上面打有很多小孔的板构成。这样， 一方面保证了结构设计的简单性和低耗能性；另一方面又保证了较高的除尘效 率。 1 4 3 控制方案及算法的改进 1 集中控制计算机的飞速发展，极大的促进了自动控制在工业方面的应用。 改进的控制方案如图1 8 所示。 改进的控制方案采用t p 3 0 1 一b 单板计算机集中控制，热电偶测量茵床不同 位置的温度，处理后送给计算机，与标定值比较后控制可控硅的导通角。根据 1 2 第1 章有机垃圾处理设备简介和节能研究的意义 各个测点单位时间内温度的变化率控制搅拌电机的搅拌速度和通风机的速度和 空气温度，充分利用有机垃圾中后期生化反应的温度，实现多维参数的集中自 动控制。 2 控制算法的改进 图1 8 控制系统 图1 9 神经p i d 控制系统 1 3 第1 章有机垃圾处理设备简介和节能研究的意义 近年来，神经网络在现代工业控制中得到了越来越多的应用，这是因为所 研究的对象越来越复杂，往往具有复杂的非线性特性，难以建立精确的数学模 型，要求越来越高，要求实现多目标控制，以及不确定因素越来越多，常规p i d 控制往往难以实现控制结果，而神经p i d 控制由于具有能够以任意精度逼近任 意非线性连续函数的能力，因而能达到很好的控制效果。 采用神经p i d 菌床温度控制系统的模型如图1 9 所示。( 图中r 为参考输入； e 为y 与r 之差的偏差信号，u 为控制输入信号；y 为系统的输出； y 为在线辨 识器的输出；e 为y 与y 之差的偏差信号，e ，为y 与r 之差的偏差信号，其中有 两个神经网络：系统在线辨识器( n n i ) 和神经p i d 控制器( n n c ) 。n n i 对被 控对象进行在线辨识，建立被控对象的数学模型，自此基础上，对n n c 的权值 进行实时调整，使系统具有自适应性，从而达到好的控制效果。 1 4 第2 章有机垃圾处理设备尾气处理技术的改进 第2 章有机垃圾处理设备尾气处理技术的改进 有机垃圾处理设备在分解有机垃圾的时候，会不断产生具有刺激性气味的 氨气，如果不加处理直接排放到空气中，会对环境造成污染，所以必须采取一 定的方式进行处理。 2 1 氨气简介 氨是一种无色而具有强烈刺激性臭味的气体，比空气轻( 比重为0 5 ) ，可 感觉最低浓度为5 3 p p m 。氨的分子式为n h 。，分子量为1 7 0 3 0 ，熔点为- - 7 7 7 ，沸点为- - 3 3 5 c ，易被固化成雪状的固体。氨是溶解度最大的气体，在1 个 大气压和2 0 时，l 体积水约能溶解7 0 0 体积氨气，溶于水后形成氢氧化氨， 俗称氨水。氨水是一种重要的肥料，而氨是现代化工业上最重要的产品之一， 可用来制造硝酸、炸药等，也可用来制造药品。 由于氨气的溶解度极高，所以常被吸附在皮肤粘膜和眼结膜上，从而产生 刺激和炎症。氨气可麻痹呼吸道纤毛和损害粘膜上皮组织，使病原微生物易于 侵入，减弱人体对疾病的抵抗力。氨被吸入肺后容易通过肺泡进入血液，与血 红蛋白结合，破坏运氧功能。短期内吸入大量氨气后可出现流泪、咽痛、声音 嘶哑、咳嗽、痰，可带血丝、胸闷、呼吸困难，可伴有头晕、头痛、恶心、呕 吐、乏力等，严重者可发生肺水肿、成人呼吸窘迫综合症，同时可能发生呼吸 道刺激症状。大气中高浓度的氨对植物、牲畜也会有严重危害。1 9 7 1 年，美国 阿肯色州发生液氨管线破裂事件，泄出8 0 吨氨，使0 1 2 k m 2 森林全部枯萎，并 毒害了牲畜和鱼类。 国家发布的工业企业设计卫生标准( t j 3 6 7 9 ) 规定了居住区大气中氨 气的允许排放浓度为：每立方米空气中氨气的控制浓度为不超过0 2 毫克，即 一次最高0 2 m g m 3 ，日平均不能超过0 0 0 7 m g m 3 。 1 5 第2 章有机垃圾处理设备尾气处理技术的改进 2 2 氨气处理方法 大气中的氨气必须进行有效的控制和治理。目前，国际环保领域对氨气的 处理主要采用以下几种方法，这些方法在使用时针对于不同的氨气浓度和不同 的场合各有利弊，现分别加以介绍。 2 2 1 高温裂解法 高温裂解法是在一定的高温下，借助于酶或催化剂将氨气分解成其他物质， 从而除去氨气的一种方法。根据加热的方式不同，可分为电热高温裂解法和燃 烧高温裂解法。 ( 1 ) 电热高温裂解 该法采用高温触酶脱臭装置，在排气小烟囱上环向布置六根电热棒( 单根 功率为5 0 0 w ) ，对氨气进行加热，如图1 4 所示。高温氨气在酶的作用下，将 会发生如下化学反应： 4 n h s + 3 0 z 高温脱酶2 n z + 6 h z 0 = = = = = = = = = = = = = = = 产物为无色无臭的氮气和水蒸气。这两种气体可以直接排放到大气中而不 会造成环境污染。此方法能够有效的分解氨气，并且不会造成二次污染，但需 要高温环境( 一般为5 0 0 摄氏度) ，消耗太多的电能，使处理有机垃圾的成本 明显增高，从经济的角度考虑得不偿失。 ( 2 ) 燃烧高温裂解。 该法是在催化剂作用下，使氨气在2 0 0 4 0 0 温度下氧化成一氧化氮和水 蒸气，反应方程为： 4 n h 。+ 5 0 z 催化剂4 n o + 6 h z 0 反应同时放出燃烧热，如图2 1 所示。用到的催化剂有铂、钯贵金属及非贵 金属锰、铜、铬和铬的氧化物等。一般要先将废气预热，预热的能源可用煤气、 煤油等。 燃烧高温裂解法能耗少，操作简便，净化效率高，但必须严格控制燃烧温 度和燃烧时间，不然废物会碳化成颗粒，以粉尘形式随烟气外排造成二次污染。 另外必须考虑热量的回收利用问题。 1 6 第2 章有机垃圾处理设备尾气处理技术的改进 螺饶嚣和混合嚣 图2 1 催化燃烧系统 2 2 2 水溶吸收法 排气 = o g 量 u 。i n 9 9 8 4 1 1 “ 实际操作空塔气速为：u = 磊而2 1