山羊糞污顆粒床層的空氣壓降特性

蔡永偉，代黎，項錦欣，全學軍

(重慶理工大學化學化工學院，重慶 400054)

山羊糞污顆粒床層的空氣壓降特性

蔡永偉，代黎，項錦欣，全學軍

(重慶理工大學化學化工學院，重慶 400054)

山羊糞污;堆肥;空氣壓降

堆肥技術是一種受控的生物降解和轉化過程［1］，已成為世界范圍內資源化處理有機固廢物的重要工藝之一。山羊糞便是一種重要的有機固體廢棄物。糞便個體呈橢球形顆粒狀態(tài)，將其自然堆積成顆粒多孔介質床層，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對其進行無害化降解處理［2］。通風是好氧堆肥過程中最重要的控制參數(shù)，有效合理的通風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量［3］。通風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，抑制反應的進行;過大則會使堆體內部熱量散失過快，從而影響堆體的正常升溫和高溫期的維持時間［4］。在計算堆體所需的供風風量和風壓時，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機的型號。因此研究堆肥過程中空氣流動的阻力壓降十分關鍵。

迄今為止，國內外已有許多學者對多孔介質的流動特性進行了實驗研究，并擬合出了描述單相流體流動阻力的預測關聯(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成多孔骨架結構，并以水為流動介質，但針對在堆肥領域中對山羊糞的壓降特性的研究則鮮有文獻報道。因此，本文結合好氧堆肥常用的通風條件，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和理論參考，也為創(chuàng)建顆粒堆肥法提供依據。

1 實驗裝置和實驗方法

整個實驗系統(tǒng)主要由鼓風機、空氣轉子流量計、壓差計和有機玻璃筒體等組成，如圖1所示。有機玻璃筒的高度H為0.86 m，內徑D為0.045 m。筒體側面沿軸向的上、中、下設置有測量壓差的開孔點。實驗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山羊養(yǎng)殖實驗基地圈舍之下通道中。空氣由鼓風機鼓入，通過流量調節(jié)閥和旁通閥調節(jié)進氣流量，再經過轉子流量計進入床層筒體的底部，進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。為了保證實驗的可重復性，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，盡可能地接近實際堆肥物料的堆積狀態(tài)。

圖1 實驗裝置及流程

2 實驗結果與討論

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果見表1。床層空隙率采用吸滲法［5］進行測量。

表1 羊糞顆粒和干空氣(30℃)的物性數(shù)據參數(shù)

羊糞顆粒當量直徑ds的計算:羊糞顆粒可假定為單軸橢球體，選取6個具有代表性的羊糞顆粒，經測量該橢球體長軸的算術平均值為(0.015 5±0.004 5)m，短軸算術平均值為(0.008 5± 0.002 2)m;根據橢球體的體積和外表面積計算公式［7］計算，得到羊糞顆粒的當量直徑為0.019 6 m。經實驗測定，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%。這是因為羊糞經晾干后的空隙率為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)據代入公式(1)，可得到f值。而后將所有f值和實驗條件下的Re值，使用Statisitca 8.0軟件進行非線性擬合，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值的計算值和擬合值的對比。由圖5看出，擬合值和計算值的吻合度較好。當Re值較小時，f值隨Re的下降而急劇增大，這說明空氣流速低時，黏性阻力占主導;當Re大于1 000時，f值隨Re值的變化較小。同時，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)據的預測值的殘差圖。由圖7、8可看出:2種羊糞的各個床層高度下的擬合值的殘差分布是隨機分布的，表明擬合值與計算值吻合度較好。

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)據的相關系數(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)均能較準確地預測該Re范圍內的羊糞顆粒壓降。

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Re值較小時，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Re大于1 000時，f值隨Re值的變化較小。

3)本文在Ergun方程的基礎上，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”科技支撐計劃項目(2011BAD36B02)

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

蔡永偉，代黎，項錦欣，等.山羊糞污顆粒床層的空氣壓降特性［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，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.