好氧堆肥反应器装置和系统的设计与性能检验

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引言

近年来，我国畜禽养殖业迅猛发展，规模日益扩大。目前，我国畜禽粪便年产量已达 30 亿t

左右，是世界上产量最大的国家，并已成为我国农村主要面源污染来源。畜禽粪便含有大量的

有机物及丰富的氮、磷、钾等营养物质。高温好氧堆肥化是有机固体废弃物无害化、减量化、

资源化处理的重要途径。高温好氧堆肥种类主要包括静态堆肥、条垛式堆肥、槽式堆肥、反应

器堆肥等，其中，反应器好氧堆肥方式因其具有堆肥周期短、占地面积小、易实现自动化控制

和二次污染小等优点成为目前研究热点，具有良好的应用前景。

目前，国内外工厂化好氧堆肥反应器装备技术相对较为成熟，但因好氧堆肥过程是物理、化

学、生物学耦合的复杂过程，科学基础研究还有待深入。然而，目前可用于模拟好氧堆肥的反

应器试验系统如 Kumar 等研发的实验室滚筒式堆肥反应器系统和韩鲁佳等研发的实验室小型

好氧堆肥反应器尚存在反应器体积小、实时监测和反馈控制功能单一等问题。

本文设计一种可用于开展有机固体废弃物好氧堆肥试验研究的反应器系统，可满足多种试验需

求，并具有精准的数据实时采集和多模式反馈控制功能。

1 、好氧堆肥反应器装置设计

设计的好氧堆肥反应器装置主要包括物料舱、搅拌系统和布气系统 3 部分，如图 1 所示。

1. 1 物料舱

由文献可知，堆肥装置维持堆体温度的必要条件是

式中 Qin———堆肥物料的产热量，即输入反应器的能量，kJ

本文引用文献有关参数及判断公式对其进行确定。初始堆料的参数为: 有机物质量比为 0. 7 g /

g ，有机质降解率为 35% ，堆料的初始、终了含水率分别为 60%、50% ，堆体的最高温度为

55℃ ，环境温度为 20℃ ，堆料的比热容为 1. 2 kJ/(kg·K) 。

经计算，得出堆料的质量 Mm 与反应器的有效表面积 S 之比需大于 6. 31。

考虑到堆体散热情况、实验室实际要求及规模等情况，该堆肥反应器设计为圆柱体结构。该物

料舱的设计容积为 100 L。根据搅拌堆料的物理形态及堆肥装置维持堆体温度的必要条件，参

考常见搅拌容器常用装料高径比，其内径 D为450 mm ，高度 HL 为600 mm，全部使用不锈钢

材料制作。为有效确保反应器保温性能，其物料舱设计为双层不锈钢结构，夹层内均匀填充厚

度为 30 mm 的聚氨酯保温材料。

1. 2 搅拌系统

搅拌系统在反应器中主要用于物料的翻搅及混匀。考虑到堆料的搅拌效果，并结合文献［8］

可知，桨式搅拌器能满足所有堆肥物料所要求的流动状态，而且可满足多种搅拌需求。根据搅

拌物料的性质以及搅拌均匀性需求，应使搅拌桨叶直径取最大值。根据文献，搅拌桨叶的直径

取标准值Dj=400 mm ，叶片厚度δ = 6 mm ，桨叶宽度B = 35 mm ，桨叶的倾斜角度为 45°，搅

拌轴径d =35 mm。

通常情况下，底层搅拌桨叶与反应器物料舱底面的间距 C 与反应器物料舱内径 Di 的比值一般

在0. 05 ～0. 3 。则底层搅拌桨叶与反应器物料舱底面的距离 C 为20 ～120 m。考虑到实际搅

拌过程中物料舱底部会有30 mm 的垫料，C 值不能太小，而 C值太大搅拌效果不足，结合实

际情况取 C = 75 mm。

对于多层搅拌器，搅拌器层距 Sp 与搅拌容器内径 Di 之比一般在0. 5 ～2. 0 范围内，则搅拌器

层距 Sp 为100 ～400 mm 。为了开展关于堆肥空间梯次性差异等研究，引入了上、中、下3 层

温氧传感器及取样口，考虑到实际反应器物料舱的有效高度及取样口、传感器的合理配置，搅

拌器层距 Sp 取150 mm。

1. 3 布气系统

根据堆肥物料有机物的化学成分和可降解程度，采用化学计量法可估算堆肥反应中微生物的需

氧量。堆肥原料的化学需氧量计算公式为

由式(2) 可以得出每氧化 1 kg 的挥发性固体，需要消耗氧气 1. 07 kg。由文献［7］可知，当被

氧化的挥发性质量为 Mv 时，理论通风量Vair 为3. 82Mv。

根据对物料性质的假设，可知

在反应器物料舱装满 51 kg 物料时，根据堆料的实际参数可得实际通风量Vair 为19. 10 m3。由

于布气系统采取间歇通风的模式，经折合计算，可得风机实际通风时间累计为 14 d。计算得该

时段内通气流量为 0. 95 L/min。通风的另一功能是去除多余水分，在计算通风量之前，需首先

计算进气口与出气口的空气比湿度及去除水分质量。根据文献，空气比湿度可表示为

为得到去除水分所需通风量的最大值，取Mm 为51 kg。根据文献可得出堆肥过程中去除水的

质量为 18. 36 kg ，环境空气温度 20℃，相对湿度75% ，出气口空气是饱和状态，温度为 55℃

。由式(1) ～(3) 可得出气口空气比湿度w 为0. 115 3。

同理，在室温下，相对湿度为 75% 时，可求得进气口处的空气比湿度win 为0. 011 3，由此可

以得出除湿所需通入空气量为 146. 26 m3。由于布气系统采取间歇通风的模式，经折合计算，

可得风机实际通风时间累计为 14 d ，则理论通风量为 7. 26 L/min。

综上所述，布气系统的布气量应为生化反应需氧量和去除水分需氧量之和，即理论布气流量应

为Qair= 8. 21 L / min。

2 、基于 ANSYS 的反应器结构强度校核

2. 1 模型计算及网格划分

反应器主罐体三维实体建模由 UG 实体造型完成。鉴于反应器内流场对反应器主罐体的影响较

小，因此对反应器主罐体进行结构强度校核时忽略反应器内流场的影响。反应器内流场网格由

GAMBIT 软件完成，考虑叶片形状的特殊性，采用对复杂边界具有较强适应性的非结构化四面

体网格对计算域进行划分，并对叶片表面进行网格加密。体网格间距为3 ，总网格数为 23 万左

右。反应器主罐体划分网格的方式与反应器搅拌系统相同。

2. 2 边界条件设置

反应器出料口处快装盲板质量最大，其实际质量约为3. 0 kg ，电动机的实际质量约为30 kg。

基于安全设计的要求，对反应器主罐体两侧端面施加竖直向下 50 N 的载荷来模拟两侧快装盲

板的实际重力作用; 对主罐体上端面施加竖直向下 500 N 的载荷来模拟电动机的重力效应对罐

体的影响。反应器底端为固定约束。搅拌系统上端面为固定约束，考虑到搅拌系统的最大设计

转速为50 r/min ，基于安全设计的要求，对搅拌系统施加 60 r/min 的转速来模拟离心力的作

用。

2. 3 计算结果

可见，反应器主罐体上最大等效应力为9. 035 MPa ，搅拌系统最大应力约为1. 467 MPa，反应

器主罐体与搅拌器的许用应力为113 MPa，二者的最大应力值均在设计安全范围以内。由反应

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好氧堆肥反应器装置和系统的设计与性能检验引言近年来，我国畜禽养殖业迅猛发展，规模日益扩大。目前，我国畜禽粪便年产量已达30亿t左右，是世界上产量最大的国家，并已成为我国农村主要面源污染来源。畜禽粪便含有大量的有机物及丰富的氮、磷、钾等营养物质。高温好氧堆肥化是有机固体废弃物无害化、减量化、资源化处理的重要途径。高温好氧堆肥种类主要包括静态堆肥、条垛式堆肥、槽式堆肥、反应器堆肥等，其中，反应器好氧堆肥方式因其具有堆肥周期短、占地面积小、易实现自动化控制和二次污染小等优点成为目前研究热点，具有良好的应用前景。目前，国内外工厂化好氧堆肥反应器装备技术相对较为成熟，但因好氧堆肥过程是物理、化学、生物学...

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