针对复杂物料的生活垃圾干式厌氧搅拌系统研究

王小韦， 何 亮， 祝金星， 张晨光

(1. 北京环卫集团环境研究发展有限公司， 北京 100101； 2. 北京市城镇生活固废综合处理与资源化工程技术研究中心， 北京 100101)

针对复杂物料的生活垃圾干式厌氧搅拌系统研究

王小韦1，2， 何 亮1，2， 祝金星1，2， 张晨光1，2

(1. 北京环卫集团环境研究发展有限公司， 北京 100101； 2. 北京市城镇生活固废综合处理与资源化工程技术研究中心， 北京 100101)

搅拌是干式厌氧消化工艺中的关键设备，影响到整个系统成败的关键。文章首先对干式厌氧搅拌设备进行了模拟计算，搅拌轴的机械性能安全系数达到6.35，厌氧罐内的不同位置的流速在0.01 m·s-1～0.6 m·s-1之间，完全满足工程项目设计要求；并以北京沼气工程为例介绍了城市生活垃圾干式厌氧处理示范项目，处理规模50 t·d-1，温度55℃，物料浓度28.6%，单位进罐垃圾的产气量达到93.65 Nm3·t-1，甲烷含量在51.5%～64.3%之间，因此，干式厌氧搅拌设备的开发具有十分重要意义，有力地促进了干式厌氧技术在生活垃圾处理中的应用和发展。

城市生活垃圾； 干式厌氧消化； 沼气

随着经济的发展，城市化进程的突飞猛进，城市生活垃圾产量也与日俱增，成为制约城市健康发展的重要因素。统计资料显示[1]，从2000年到2014年，我国生活垃圾清运量逐年增加，2014年我国城市生活垃圾清运量达到17860万吨，相比2000年，增长了约51%。目前城市生活垃圾主要构成有：餐厨、玻璃、金属、纸类、织物、塑料等。总体来说，灰分量在迅速减少，有机质含量迅速增加，玻璃、塑料含量也呈上升趋势[2-4]。以北京市为例，城市生活垃圾有机质含量在50%～70%之间，易腐败，它的大量存在给城市的环境带来污染，同时也是最具有潜在资源价值的部分。

利用厌氧消化技术对生活垃圾中的有机物进行处理，可以最大限度的减少污染和二氧化碳排放量，占地少，对环境的二次污染相对较小，同时能产生清洁的生物质能源—沼气，已成为生活垃圾处理领域的研究热点，目前垃圾厌氧处理在厦门、哈尔滨、上海等地，已逐渐开始建设工程项目，但远没有形成规模效应。生活垃圾原料来源广泛，物理特性差异很大，这给厌氧搅拌过程带来巨大挑战，尤其是对干式厌氧消化罐搅拌轴的设计，既要保证搅拌轴的机械性能，同时也要达到搅拌均质的目标。

1 干式厌氧搅拌工艺概述

国外干式厌氧技术相对比较成熟，从工艺上可分为连续式和间歇式干发酵两种，欧洲在这两方面都进行了研究和商业化运作。间歇式以德国BIOFERM公司、BEKON公司研究开发的车库式干发酵为代表，系统无搅拌，主要依赖于新旧物料的混合达到接种的目的，在解决大规模快速进出料与反应器厌氧密封状态之间的矛盾、工艺条件的工程调控等方面带来了新的思路，但仍然存在设施装备结构复杂、投资偏高、操作复杂、系统安全运行要求高等问题[5]。

连续式干发酵主要包括Kompogas卧式推流发酵工艺,Dranco竖式推流发酵工艺,Linde-LARAN卧式推流发酵工艺和Valorga竖式沼气搅拌工艺4种[6]。Kompogas工艺采用泵送进料，罐内搅拌通过一根长搅拌轴，搅拌并推动物料进出，出料为搅拌推到出料口；Dranco工艺中的物料采用上进下出的方式，排出的物料和新鲜物料混合，利用液压柱塞泵将混合物料输送至发酵罐的顶部，在重力的作用下排出物料，类似水力循环搅拌；Linde-LARAN工艺采用多段式搅拌，在机械搅拌推力的作用下，依次排出物料；Valorga工艺采用沼气循环方式，沼气从厌氧罐底部射入5个大气压的气流达到混合均质的目的。由于国外的干发酵技术多用于农业领域的能源作物，物料均质单一，所以上述国外成熟的干发酵搅拌工艺并不符合中国垃圾物料特性，我公司在国家科技部和北京市科委的支持下，对厌氧关键搅拌设备进行了技术攻关，并在此基础上建成1座生活垃圾干式厌氧消化示范工程，日处理生活垃圾50吨，目前整体系统运行稳定，有着良好的经济、社会和环境效益。

图1 三维结构

2 干式厌氧搅拌轴的设计

2.1 机械模拟

根据实际机械机构尺寸，建立三维模型并简化结构，将模型导入ANSYS/workbench之后，如图1所示，模型包括1根方轴与6根叶片。

材料属性：材料选取为结构钢，其具体属性如表1所示。

表1 材料属性

网格划分：由于模型结构比较规则，采用六面体网格划分网格，选取网格相关度为40，网格尺寸设置为20 mm，最终划分网格单元数量为100706，节点数为443921，如图2所示，具体网格划分的控制与设置如表2所示。

边界条件与载荷施加：当叶片处于匀速转动时，即平衡状态，笔者采用电机功率为11 kW，转速5～10 rpm，则每根叶片承受3000 N的力，两侧叶片受力状态呈顺时针。由于转轴两端受轴承约束，因此，模拟在静平衡状态时，将轴承约束处添加圆柱约束，最终边界条件与载荷施加如图3所示。

计算结果：经过前处理之后，进行有限元计算，最终计算得出应力特性如图4所示，最大应力分布在叶片与转轴的连接处，最大应力值为81.845 MPa；图中材料的许用应力为520 MPa，如表1所示，则搅拌轴的安全系数为6.35，完全满足要求。变形特性如图5所示，最大变形在叶片的端部，在最大力的作用下，叶片的最大变形量为9.58 mm，符合设计要求。

图2 网格划分

项 目数据预设值物理属性机械力关联性40标准使用拟合功能关闭关联性下等元素大小20mm初设尺寸来源当前装配值平滑性中等转变快角度中心下等最小边缘长度23．9860mm膨胀自动膨胀无膨胀选项光滑转换率0．272图层最大值5增长率1．2统计节点443921元素100706名称显性模式主尺寸规定全定义

图3 边界条件与载荷施加

图4 应力特性

2.2 流场模拟

特殊设计的T字型搅拌桨叶能够充分混合发酵罐内物料，并有较强的推流作用，搅拌后，物料在搅拌半径内快速充分混合，如图6所示，厌氧罐内的不同位置的流速，最小值0.01 m·s-1，最大值0.6 m·s-1，整个搅拌桨叶前和侧方向无搅拌死角。

图5变形特性

图6 单轴搅拌流场模拟图

3 干式厌氧消化罐

干式厌氧罐采用推流式工艺，如图7和图8所示，该工艺充分考虑了城市生活垃圾成分复杂，固体含量高、易降解组分多、流动性差等特点，经过预处理后的物料首先进入干式厌氧消化罐，残余物料进入脱水装置，固体沼渣部分运往好氧堆肥处理，可生产高品质肥料，脱水沼液进入污水处理系统。

厌氧罐体采用混凝土和钢结构结合的密封结构，横截面底部呈正方形，内部保持轻微的过压状态。此外，顶部还设有沼气贮气装置，包括安全阀、观察和检测仪表等设备。发酵罐长22 m，宽7 m，有效高度6.5 m。干式厌氧消化罐采用螺旋进料，真空出料方式。采用沼渣或沼液回流方式，将熟料和生料混合，可避免整个系统的酸化。厌氧消化罐内有四根缓慢旋转的纵向搅拌装置，搅拌采用分段搅拌工艺，其中第1根主要负责将经过预处理的新鲜物料和来自末端的回流物料在厌氧消化罐内混合接种，物料在厌氧消化罐内呈半流态状态，通过4根搅拌轴及其叶片的缓慢转动进行搅拌和接种，进料时，第1根轴工作，30分钟后，第1根轴停止，启动第2根轴……依此循环往复工作，确保厌氧消化罐内总是有1根轴处于搅拌状态，这样也可以避免酸化和液面结壳的发生。此外，由于发酵物料固含量30%左右，物料呈粘稠状，另外在预处理过程中确保重物质粒径不超过8 mm，因此各种杂质和发酵残余物可通过出料装置混合排出厌氧消化罐外。搅拌器由变频电机控制，从而使发酵罐始终处于最佳工作状态，物料在搅拌和流体作用下自然流向另一端，完成推流工艺循环。发酵温度为55℃，采用沼气锅炉加热方式，固体含量25%～35%(设计浓度30%)，物料停留时间设定为25 d。

图7 工艺流程图

图8 干式厌氧消化罐

4 运行结果分析

生活垃圾干式厌氧消化处理厂以每周为单位进行数据的采集和整理，在调试期后的12周内发酵罐整体系统运行良好，产气量稳定。

4.1 进出料指标

厌氧消化进出料成分如表3所示。

厌氧罐搅拌系统的最大阻力来源于物料顶部的轻质塑料和沉积在罐底部的杂质物料，从表3可以看出，笔者项目的搅拌系统完全克服了杂质物料的干扰(重杂质占总物料湿基的6.3%，轻杂质占总物料湿基的2.6%)，保证了厌氧系统的稳定运行；另一方面，在搅拌系统的作用下，厌氧消化能在酸性进料(pH值5.1～6.0)条件下正常运行，出料沼渣(TS 45.8%)可以满足物料运输和堆肥的要求，沼液可以直接进入渗沥液的膜处理系统，在保证整个厌氧系统稳定运行的同时，简化了后端处理工艺，大大节约了成本，减少了资源浪费。

表3 厌氧系统进出料成分指标检测

4.2 产气量分析

笔者以周为单位对干湿联合厌氧罐产气量连续监测，如图8所示，平均周产气量共计32778 Nm3，厌氧系统的日进料量50 t·d-1计，则单位垃圾的产气量93.65 Nm3·t-1，可以预计，示范工程每年可产沼气170.9 Nm3，可发电256.4万kWh。在系统运行过程中，甲烷含量在51.5%～64.3%之间，说明发酵罐都处于正常工作水平。

图8 干湿联合厌氧产气量变化

5 结论

搅拌装置是厌氧消化工艺中的核心设备，影响到物料的传质、酸碱平衡、降解效率等等，是厌氧系统成败的关键。通过我们对干式厌氧搅拌系统的计算机模拟，并不断工艺技术改进，董村城市生活垃圾干式厌氧消化在处理规模50 t·d-1，发酵温度55℃，固体含量25%～35%，物料总停留时间25 d的运行情况下，搅拌系统经受住了高浓度、高杂质物料的挑战，整体系统运行状况良好。单位进罐垃圾的产气量93.65 Nm3·t-1，甲烷含量在51.5%～64.3%之间，示范工程每年可产沼气170.9万Nm3，可发电256.4万kWh。

厌氧消化工艺在生活垃圾处理中还应用得较少，尤其是干式厌氧消化的工程案例更少，究其原因一方面国内基础工业相对还不完善，比如在机械搅拌的环节费用较高，性能不稳定；另一方面生活垃圾的混合收集，给预处理工艺增加了难度，所以技术和设备上的改进是推广应用厌氧消化的关键环节，笔者希望通过董村环卫产业科技孵化园区内的干式厌氧项目，能起到一个良好的示范作用，引起社会对垃圾厌氧处理的广泛关注，同时期待政府在政策上给

予支持，共同促进垃圾厌氧处理规模化的产业推广。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 中国城市建设统计年鉴[M]. 北京：中国统计出版社, 2015：587.

[2] 齐 鲁．北京市城市垃圾处理现状分析[J]．中国资源综合利用，2014，33(4)：38-41．

[3] 刘 毅，李 欣．北京城市生活垃圾资源化分析[J]．管理观察，2014，32：12-14．

[4] 刘克锋，刘悦秋．北京市城市生活垃圾成分调查及农用性分析[J]．北京农学院学报，2001，4(16)：25-30．

[5] 李 超，卢向阳，田 云，等，城市有机垃圾车库式干发酵技术[J]. 可再生能源，2012，30(1)：113-119.

[6] 梁 芳，包先斌，王海洋，等，国内外干式厌氧发酵技术与工程现状[J]. 中国沼气，2013，31(3)：44-49.

Stirring System in Dry Anaerobic Fermentation of Municipal Solid Waste /

WANG Xiao-wei1，2, HE Liang1，2, ZHU Jin-xing1，2, ZHANG Chen-guang1，2/

(1. BESG Environment Engineering Co Ltd, Beijing 100101，China; 2. Engineering Technology Research Center of Beijing MSW Comprehensive Treatment and Utilization，Beijing 100101，China)

Stirring equipment is the key equipment of anaerobic fermentation process, especially in dry anaerobic fermentation. This paper firstly made a simulated calculation for the dry anaerobic stirring equipment, and showed that the mechanical safety factor of the agitator shaft reached 6.35, flowing velocity of all space in the dry anaerobic tank were in the range of 0.01 m·s-1～0.6 m·s-1, meeting the design requirements for the project. And an anaerobic dry fermentation plant in Beijing treating municipal solid waste and adopting a stirring system was demonstrated with a fermentation concentration of 28.6% and treatment capacity of 50 t·d-1. Its operation temperature was 55℃, the biogas production reached 93.65 Nm3·t-1, and methane content was 51.5 %～ 64.3%.Therefore, the stirring system could effectively promote the application of dry anaerobic fermentation of domestic garbage.

municipal solid waste; dry anaerobic digestion; biogas

2016-04-22

2016-05-31

王小韦(1980-)，男，汉族，河南安阳人，高级工程师，主要研究方向为城市生物质废物资源化技术研究和设计，E-mail：wangxiaowei@besgrd.com

S216.4

A

1000-1166(2017)03-0066-05