山羊粪污颗粒床层的空气压降特性

蔡永伟，代黎，项锦欣，全学军

(重庆理工大学化学化工学院，重庆 400054)

山羊粪污颗粒床层的空气压降特性

蔡永伟，代黎，项锦欣，全学军

(重庆理工大学化学化工学院，重庆 400054)

山羊粪污;堆肥;空气压降

堆肥技术是一种受控的生物降解和转化过程［1］，已成为世界范围内资源化处理有机固废物的重要工艺之一。山羊粪便是一种重要的有机固体废弃物。粪便个体呈椭球形颗粒状态，将其自然堆积成颗粒多孔介质床层，空气可自由均匀地通过粪便颗粒床层。因此，山羊粪便普遍使用好氧堆肥技术对其进行无害化降解处理［2］。通风是好氧堆肥过程中最重要的控制参数，有效合理的通风可保持适宜的堆体温度、控制恶臭、提高堆肥效率、降低能耗和保证堆肥质量［3］。通风量过小容易使堆肥处于缺氧状态，堆体局部会出现厌氧发酵，抑制反应的进行;过大则会使堆体内部热量散失过快，从而影响堆体的正常升温和高温期的维持时间［4］。在计算堆体所需的供风风量和风压时，必须首先要估算堆体的阻力压降，最终才能确定堆肥所需的鼓风机的型号。因此研究堆肥过程中空气流动的阻力压降十分关键。

迄今为止，国内外已有许多学者对多孔介质的流动特性进行了实验研究，并拟合出了描述单相流体流动阻力的预测关联式，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匀填充构成多孔骨架结构，并以水为流动介质，但针对在堆肥领域中对山羊粪的压降特性的研究则鲜有文献报道。因此，本文结合好氧堆肥常用的通风条件，研究堆肥后自然晾干羊粪和新鲜羊粪的空气压降特性，以便了解实际堆肥过程中物料干湿状态的变化对供氧过程的影响规律，为系统地开展山羊粪污颗粒好氧堆肥及其工程放大的研究提供技术和理论参考，也为创建颗粒堆肥法提供依据。

1 实验装置和实验方法

整个实验系统主要由鼓风机、空气转子流量计、压差计和有机玻璃筒体等组成，如图1所示。有机玻璃筒的高度H为0.86 m，内径D为0.045 m。筒体侧面沿轴向的上、中、下设置有测量压差的开孔点。实验物系为新鲜或好氧堆肥后自然晾干(简称干羊粪，下同)的羊粪颗粒，山羊粪污取自重庆西南大学山羊养殖实验基地圈舍之下通道中。空气由鼓风机鼓入，通过流量调节阀和旁通阀调节进气流量，再经过转子流量计进入床层筒体的底部，进而通过羊粪颗粒床层柱后排出。通过改变羊粪堆积高度、空气流量，测量不同高度和流量的羊粪颗粒柱压降。为了保证实验的可重复性，选取具有完整颗粒形状的羊粪，并在羊粪颗粒装填的过程中反复在管外敲击，直至床层高度稳定不再变化为止，使床层中的羊粪颗粒装填均匀和致密，尽可能地接近实际堆肥物料的堆积状态。

图1 实验装置及流程

2 实验结果与讨论

2.1 羊粪颗粒物性测量

新鲜羊粪、干羊粪颗粒的密度和床层空隙率的测量结果见表1。床层空隙率采用吸渗法［5］进行测量。

表1 羊粪颗粒和干空气(30℃)的物性数据参数

羊粪颗粒当量直径ds的计算:羊粪颗粒可假定为单轴椭球体，选取6个具有代表性的羊粪颗粒，经测量该椭球体长轴的算术平均值为(0.015 5±0.004 5)m，短轴算术平均值为(0.008 5± 0.002 2)m;根据椭球体的体积和外表面积计算公式［7］计算，得到羊粪颗粒的当量直径为0.019 6 m。经实验测定，新鲜和自然烘干的羊粪颗粒的体积基本不发生变化。

2.2 干羊粪和新鲜羊粪颗粒的压降

图2、3为不同床层高度和不同空气流量下的新鲜羊粪和干羊粪颗粒床层的压降数据图。其中:Q为干空气(30℃)的体积流量;h为羊粪颗粒床层高度。由图2、3可知:在相同的空气流量下，随着床层高度的增加，床层压降显著增大，空气流量越大，压降增大得越显著;在相同的床层高度下，空气流量越大，床层压降越大。

图2 不同空气流量和不同高度的新鲜羊粪颗粒床层压降

图3 不同空气流量和不同高度的干羊粪颗粒床层压降

图4为新鲜羊粪和干羊粪颗粒床层的压降对比。由图4看出:与新鲜羊粪相比，干羊粪颗粒床层压降值平均下降了30%～50%。这是因为羊粪经晾干后的空隙率为0.50，大于新鲜羊粪的空隙率0.45。

图4 新鲜羊粪和干羊粪颗粒床层的压降对比

3 压降数据拟合模型

为了获得羊粪颗粒床层中的压降方程，拟参考被广泛采纳的计算固定床的床层压降的Ergun方程［8］。固定床中的颗粒床层压降公式［9］为

若将不同床层高度Lr和不同的空气流速下的数据代入公式(1)，可得到f值。而后将所有f值和实验条件下的Re值，使用Statisitca 8.0软件进行非线性拟合，可得到A和B值。

3.1 新鲜羊粪和干羊粪颗粒的压降数据拟合

图5和图6分别为不同Re值和不同床层高度Lr下的新鲜羊粪和干羊粪颗粒床层的摩擦因数f值的计算值和拟合值的对比。由图5看出，拟合值和计算值的吻合度较好。当Re值较小时，f值随Re的下降而急剧增大，这说明空气流速低时，黏性阻力占主导;当Re大于1 000时，f值随Re值的变化较小。同时，在低空气流量下，不同床层高度的f值变化较大，主要是由低流量下U型压差计的压降的读数误差较大所致。

图5 新鲜羊粪颗粒床层的摩擦因数f与Re间的数据拟合

图6 干羊粪颗粒床层的摩擦因数f与Re间的数据拟合

图7、8分别为新鲜羊粪和干羊粪颗粒床层的压降数据的预测值的残差图。由图7、8可看出:2种羊粪的各个床层高度下的拟合值的残差分布是随机分布的，表明拟合值与计算值吻合度较好。

图7 新鲜羊粪的压降拟合值残差

图8 干羊粪颗粒床层压降的拟合值残差

表2为新鲜羊粪和干羊粪的拟合参数表。为了对比，将Ergun方程中的参数值也列入表2中。由表2可知:新鲜羊粪和干羊粪颗粒床层的压降拟合数据的相关系数R2分别为0.997 9和0.989 8;新鲜羊粪和干羊粪的A和B值分别约为颗粒催化剂固定床的26倍和1.9倍。由此可得到新鲜羊粪和好氧堆肥后自然晾干的羊粪颗粒的床层摩擦因数f与空气雷诺数Re间的关系分别为:

其中:式(4)和式(5)的Re值适用范围分别为210～1 700和190～1 560。

表2 拟合参数表

3.2 测量值和拟合值压降对比

图9、10分别为新鲜羊粪和干羊粪颗粒床层的压降测量值(msd)和拟合值(fitting)的对比。由两图看出:床层压降的测量值和拟合值的吻合度较好，表明压降式(4)和(5)均能较准确地预测该Re范围内的羊粪颗粒压降。

图9 新鲜羊粪颗粒床层的压降测量值和拟合值对比

图10 干羊粪颗粒床层压降的测量值和拟合值比较

4 结论

1)通过研究新鲜和熟化后自然晾干2种羊粪颗粒在圆柱型床层中的压降知:在相同的空气流量下，随着床层高度的增加，床层压降显著增大;在相同的床层高度下，空气流量越大，床层压降越大。与新鲜羊粪相比，熟化后自然晾干后的羊粪颗粒床层压降值平均下降了30%～50%。

2)当Re值较小时，羊粪颗粒床层的摩擦因数f值随Re的下降而急剧增大。当Re大于1 000时，f值随Re值的变化较小。

3)本文在Ergun方程的基础上，提出了新鲜羊粪和熟化后自然晾干羊粪颗粒在圆柱型床层中的摩擦因数公式分别为:

［1］Gray K R，Sheman K，Biddlestone A J.A review of composting.Part I.microbiology and biochemistry［J］. Process Biochemistry，1971，6:32－36.

［2］康军.杨凌城市污泥高效好氧堆肥研究［D］.杨凌:西北农林科技大学，2012.

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［4］文昊深，彭绪亚.重庆城市生活垃圾高温好氧堆肥试验研究［J］.四川建筑，2004，24(5):84－86.

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(责任编辑 刘舸)

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

国家“十二五”科技支撑计划项目(2011BAD36B02)

蔡永伟(1978—)，男，河南周口人，博士，讲师，主要从事传热强化方面研究。

蔡永伟，代黎，项锦欣，等.山羊粪污颗粒床层的空气压降特性［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，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.