生活垃圾高温好氧生物干化通风系统计算方法

陈　峰，胡勇有，陈　丹

（1.华南理工大学环保与能源学院，广东　广州　510640；2.泓天（大连）环境科技发展有限公司，辽宁　大连　116023）

生活垃圾高温好氧生物干化通风系统计算方法

陈峰1，胡勇有1，陈丹2

（1.华南理工大学环保与能源学院，广东广州510640；2.泓天（大连）环境科技发展有限公司，辽宁大连116023）

通风系统在生活垃圾高温好氧生物干化过程中起到供氧和除湿的作用，适宜的机械通风量对高温好氧干化过程非常重要。阐述了垃圾好氧生物干化通风系统风量计算的理论方法，以及通风系统风阻计算的注意事项。结合工程试验应用实例，验证计算方法的可行性与合理性。

生活垃圾；高温好氧生物干化；通风系统；需氧量法；除湿量法

好氧堆肥是好氧微生物在有氧条件下将堆肥原料中的有机物进行分解再利用的过程，通风量是决定发酵效果最主要的因素之一［1］。在高温好氧生物干化过程中，通风系统起着供氧和除湿作用。一方面足够的风量为微生物正常生长繁殖提供充足氧气，若氧气浓度过低，将导致好氧菌受到抑制的同时厌氧菌大量繁殖，产生恶臭［2］；另一方面，若风量过大，则热量流失也会增加。所以，在高温好氧生物干化过程中，要保证适宜的通风量。

1　高温好氧生物干化通风系统风量的计算

1.1机械进风风量的计算

1.1.1需氧量法

采用需氧量法计算进风风量，主要依据为微生物好氧反应过程所释放热量与耗氧量之间的热平衡和质量平衡关系。

高温好氧生物干化过程机理如公式（1）所示。

具体计算方法（以下“高温好氧生物干化”简称为“生物干化”）有：

1）高温好氧生物干化去除水分的计算。

式中：W为生物干化去除的水分（kg）；G为生物干化的垃圾质量（t）；Ø为生物干化前垃圾的含水率（%）；Ø'为生物干化后垃圾的含水率（%）；δ为1 mol葡萄糖与6 mol水的摩尔质量比，δ=0.6。

计算生物干化去除的水分，还应考虑垃圾在生物干化过程中的生成水，因为这部分水同样需要吸热汽化。

2）生物干化需氧量的计算。

式中：M为生物干化需氧量（kg）；Mr为氧的摩尔质量，Mr=32 g/mol；q为1 mol葡萄糖氧化过程中所释放的热量，q=2 804 kJ/mol；Q1为垃圾温度升高所需要的热量（kJ）；Q2为生物干化去除水的汽化潜热（kJ）；Q3为进风在干化仓内温升所吸收的热量（kJ）。

Q1=GØc水（tp-t0）Kq×103（4）

式中：G为生物干化的垃圾质量（t）；Ø为垃圾生物干化前含水率（%）；c水为水的比热容，c水= 4.187 kJ/（kg·℃）；t0为垃圾的初始温度（采用各地通风室外计算温度）（℃）；tp为干化仓内平均温度，tp=50～65℃（在工程试验的基础上测试得到，下同）；Kq为垃圾堆体吸收热量的修正系数，Kq= 1.5～1.8。

由于垃圾成分的复杂性和测试手段的局限性，垃圾的比热容还没有统一的计算方法和取值范围，根据工程试验结果，引入修正系数Kq计算垃圾（包括其含有的水分）在生物干化过程中所吸收的热量。

Q2=W（γ0-2.35 tp）（5）

式中：W为生物干化去除的水（kg）；γ0为水蒸气的汽化潜热 （t=0℃时），γ0=2 500 kJ/kg；tp为干化仓内平均温度，tp=50～65℃。

式中：W为生物干化去除的水（kg）；d0为进风含湿量（为计算方便，采用各地通风室外计算温度下饱和空气含湿量）（g/kg），见表（1）；dp为干化仓内平均温度下的饱和空气含湿量（g/kg），见表1；C为水的比热容，C=1.01kJ/（kg·℃）。

表1　湿空气的饱和含湿量、密度及各温度下空气运动黏度

3）机械进风风量的计算。

式中：G1为生物干化进风风量（kg/h）；M为生物干化（kg）；η为进风中氧气在生物干化过程中的利用率，η=8%～12%；ψ为空气中氧气的体积分数，ψ=21%；T为生物干化过程进风的天数（d）；ρ0为空气密度（采用各地通风室外计算温度下的密度）（kg/m3）；ρ0'为氧气密度（采用各地通风室外计算温度下氧气的密度）（kg/m3）。

1.1.2除湿量法

采用除湿量法计算进风风量，主要依据为垃圾干化前后含水量差值与干化仓环境湿负荷之间的湿平衡关系。

通风系统将室外空气送入干化仓后，发生热量交换和质交换，吸收干化仓内的反应热和水蒸气，其低温低湿的进风状态转变为高温高湿状态后排出。一定温湿度状态下的进风风量一方面要满足去除仓内余湿（垃圾干化前后含水量差值）的要求，同时还应尽量保持仓内的高温环境，避免由于风量过大造成热量损失，影响水分蒸发。

湿平衡方程式：

式中：G2为去除环境湿负荷的进风风量（kg/h）；W为生物干化去除的水（kg）；d0为进风含湿量（为计算方便，采用各地通风室外计算温度下饱和空气含湿量）（g/kg）；dp为干化仓内平均温度下的饱和空气含湿量（g/kg）；T为生物干化过程进风的天数d。

1.1.3机械进风风量的确定

2种机械进风风量计算方法：生物干化的进风风量应同时满足氧气和除湿的要求，因此以2种计算结果中的最大值作为进风风量的取值。即：

G进=Max（G1，G）2（9）

式中：G进为进风风量（kg/h）；G1为生物干化所需进风风量（kg/h）；G2为去除环境湿负荷计算所需进风风量（kg/h）。

1.2排风风量的计算

考虑垃圾中的有机质参与生物干化过程，参与反应的氧气的物质的量和反应生成的二氧化碳的物质的量相等，假设系统漏风率在允许范围内，理论上可以认为干化仓的进风和排风的质量流量是不变的。即：

G排+G自排=G进+G自进（10）

式中：G排为排风风量（kg/h）；G进为进风风量（kg/h）；G自排为自然排放风量（kg/h）；G自进为自然进风风量（kg/h）。

2　高温好氧生物干化通风系统中风阻的计算

高温好氧生物干化通风系统的风阻包括进风系统和排风系统。二者计算方法基本一致，只是进风系统中需要计算垃圾堆体的阻力。

高温好氧生物干化通风系统主要包括沿程阻力和局部阻力。生物干化过程中会产生水蒸气，排风系统排出的是高温高湿的饱和空气，二者均会影响空气的物理性质。通过《全国通用通风管道计算表》［3］直接或者利用插分法得到单位长度摩擦阻力Rmo，为了后期设备选购更加精准，应根据实际情况对单位长度摩擦阻力Rmo进行修正，有关修正的详细计算可参考工业通风［4］有关章节的介绍。

3　工程试验应用实例

3.1工程试验条件

某生物干化工程试验，干化仓设计直径为2 m，高度为3 m，采用外围进中间排通风方式，其处理规模约为5 t。

试验垃圾均采用的是山东省平原县生活垃圾，经山东省污泥工程技术研究中心测试，其物理性质见表2。

表2　试验垃圾物理性质

试验已知条件及设定条件见表3。

表3　试验已知条件及设定条件

3.2进风风量理论计算

3.2.1需氧量法计算结果

需氧量法计算过程及结果见表4。3.2.2除湿量法计算结果

表4　需氧量法计算垃圾生物干化所需进风风量　（G1）

需氧量法计算结果见表5。

表5　除湿量法计算去除环境湿负荷的进风风量　（G2）

3.2.3理论进风风量的确定

G1＞G2，确定该干化仓所需进风风量G进=G1= 345 kg/h。

3.2.4理论排风风量的确定

该干化仓理论所需排风风量G排=345 kg/h。

3.3风阻计算

经试验测试，垃圾堆体的局部阻力为600～700 Pa/m。

4　分析与讨论

4.1风量的工程测试值

工程试验采用毕托管和压力表测试管道全压与静压。经计算，进风风量测试平均值是320 m3/h（20℃质量流量G测进=380 kg/h），排风风量测试平均值是375 m3/h（55℃质量流量G测排=380 kg/h）。

4.2风量的工程验证值

垃圾生物干化工程试验中通风系统排风温湿度随时间变化情况如图3所示，垃圾干化高温期（≥50℃） 持续近100 h，垃圾无害化处理时间充分；垃圾生物干化工程试验中通风系统排风中含湿量随时间变化情况如图4所示，垃圾在120 h内的生物干化期内，排风的含湿量最大值出现在近45 h，dmax=156g/kg干空气，排风的含湿量最小值是近120h达到的dmin=23 g/kg，排风的含湿量平均值为Δd= 90 g/kg，干化后验证垃圾含水率Ø'测=18.75%，则工程试验过程中去除水分的工程验证值W验及送风风量的工程验证值G验分别计算如下：

图3　通风系统排风温湿度变化

图4　通风系统排风含湿量平均值变化

由表6可知，G测＞G验＞G理。说明工程试验过程中，实际风量满足理论计算要求。

表6 各类风量比较

5　结论

针对高温好氧生物干化通风系统尚未健全风量、风阻计算的问题，综合生物好氧降解和通风除湿等学科的理论知识，提出了在高温好氧生物干化过程中的通风系统应同时满足高温好氧生物干化氧气用量所需的空气量和干化仓内去除环境湿负荷所需的空气量；阐述了高温好氧生物干化通风系统风量和风阻计算的理论方法；结合工程试验应用实例验证计算方法的可行性与合理性，为垃圾高温好氧生物干化工程的通风系统设计提供参考，为该技术的推广和完善奠定了理论基础。

［1］ 万小春，张玉华，高新星，等.农村有机生活垃圾和秸秆快速好氧发酵技术参数研究［J］.农业工程学报，2008，24（4）：214-217.

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

［3］ 北京市设备安装工程公司等.全国通用通风管道计算表［M］.北京：中国建筑工业出版社，1977.

［4］ 孙一坚，沈恒根.工业通风［M］.4版.北京：中国建筑工业出版社，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

陈峰（1968—），工程技术应用研究员，主要从事垃圾处理、污水处理等领域的相关研究和工程设计。