本科毕设论文-—微波辐射污泥系统设计.doc

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密级公开学号070386毕业设计(论文)微波辐射污泥系统设计 北京石油化工学院学位论文授权使用协议论文《微波辐射污泥系统设计》系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于《北京石油化工学院学位论文全文数据库》。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。注：本协议书对于非公开学位论文在保密期限过后同样适用。院系名称：机械工程学院作者签名：学号：2011年月日 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：　　　　　日　期：　　　　　指导教师签名：　　　　　日　　期：　　　　　使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：　　　　　日　期：　　　　　 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日 北京石油化工学院毕业设计(论文)任务书学院(系)机械工程学院专业环境工程班级环071学生姓名指导教师/职称周翠红/副教授1.毕业设计(论文)题目微波辐射污泥系统设计2.任务起止日期：2011年2月21日至2011年6月19日3.毕业设计(论文)的主要内容与要求(1)课题简介由于污泥产生量大、脱水困难，微波辐射污泥系统作为一种污泥改性脱水较为有效的处理方法被广为使用。适当的微波辐射功率通过高频电磁场作用引起带电污泥颗粒的加速运动、相互碰撞，促使污泥结构脱稳；同时微波辐射引起污泥中产生的温度梯度，破坏了结合水与污泥胞外聚合物之间的结合力，从而改善了污泥的脱水性能。(2)任务与要求本课题以微波辐射处理污泥脱水为重点内容，设计微波辐射污泥系统、通过试验得到高效的数据材料应用实际污泥脱水。综合运用知识，搜集并运用资料，调查研究，外语阅读及翻译，绘图，运算，上机软件操作，技术经济分析。(3)预期培养目标本题目指导思想明确，选题密切跟踪国外行业最新研究动态，能够使学生的文献查阅能力、英文文献翻译能力以及计算机综合应用能力等得到很好的训练及培养。(4)应提交的成果①检索资料：中文文献不少于10篇，英文文献不少于4篇；②开题报告或文献综述；③微波辐射系统的设计计算；④设计图纸；⑤按照校方规定格式的毕业设计(论文)装订本。 4.主要参考文献[1]李延吉,李润东,冯磊,等.基于微波辐射研究城市污水污泥脱水特[J].环境科学研究,2009,22(5):544-548[2]谢敏,施周,刘小波,等.微波辐射对净水厂污泥脱水性能及分形结构的影响[J].环境化学,2009,28(3):418-421[3]范永平.难处理乳化油微波破乳——离心分离技术研究[D]:[博士学位论文].北京科技大学,2006[4]EwaWojciechowska.Applicationofmicrowavesforsewagesludgeconditioning[J].WaterResearch,2005,23(39):4749-4754[5]AndrewJ.Johnson,Boulder，RobertD.Petersen,etal.MicrowaveHeatingApparatusandMethod[P].UnitedStates,4940865,1990.1.105.进度计划及指导安排第1周接受题目，校内文献查阅，着手撰写文献综述；第2周校外文献查阅，翻译与本题目有关的英文资料，撰写文献综述；第3周撰写修改文献综述，按照规定格式上交Word打印版，准备开题报告；第4周确定总体结构(隧道式)、流程设计；第5周确定隧道式微波辐射基本结构和参数设计计算；第6周设计计算物料性质、辐射时间、辐射强度；第7周检验设备结构设计是否符合整体流程设计要求；第8周上机绘图CAD，运算；第9周上机编程及软件操作；第10周撰写论文；第11周绘制图纸流程图；第12周绘制图纸装配图；第13周检查与修改图纸；第14周最终修改论文并提交；第15周整理资料，制作幻灯片；根据指导教师、评阅教师意见修改论文及幻灯片；第16周答辩及相关准备工作；根据答辩小组意见修改并上交毕设资料。任务书审定日期年月日系(教研室)主任(签字)任务书批准日期年月日教学院(系、部)院长(签字)任务书下达日期年月日指导教师(签字)计划完成任务日期年月日学生(签字) 微波辐射污泥系统设计摘要随着城市人口的增长、经济的发展和居民生活水平的不断提高，污泥的处理在城市污水处理领域越来越受到关注。因此，对污泥采取微波辐射的预处理可以实现污泥的改性进而提高了污泥的脱水量及脱水效率，代表着成为今后处理城市污水的发展趋势。本论文为微波辐射污泥系统设计，主要包括：机械处理、微波发生、谐振腔加热、微波提取等。根据流量参数进行系统构筑物的设计及选型，并对主体构筑物进行结构设计及理论计算。其中微波处理主要选用的是隧道式微波加热器和微波提取器，其主要优点有处理污泥量大、可连续性操作、经济性好等。结构设计主要包括隧道式箱体尺寸、防漏部件、磁控管的选型、波导管选型、微波提取罐尺寸及压力校核的设计。机械处理主要设计了卧式离心分离机的尺寸，对离心机的尺寸、功率、效率进行了理论计算。采用微波辐射技术预处理污泥，很好的进行了污泥的改性脱水，达到高经济、高效的处理目标正是要在污泥处理过程中要不断完善和改进的方向。关键词：污泥，微波，隧道式，离心分离66 微波辐射污泥系统设计AbstractWiththeurbanpopulationgrowth,economicdevelopmentandcontinuousimprovementoflivingstandards,theprocessingofsludgeismoreandmoresubjectedtoconcerninwastewatertreatmentrealminthecity.Therefore,adoptpreparingofmicrowaveradiationtothesludgetheprocessingcarryoutthechangingofdirtysludge,dehydrationandheatthesethreevarieties,raisedthedehydrationquantityanddehydrationefficiencyofdirtymire,representedtobecometowillhandlethedevelopmenttrendofsewageinthecityfromnowon.Thissludgesystemdesignforthemicrowaveradiation,including:mechanicaltreatment,microwaveoccurredcavityheating,microwaveextraction.Trafficparametersaccordingtothedesignandselectionofthesystemstructures,andstructuraldesignofthemainstructuresandtheoreticalcalculations.Wherethemainchoicesarethemicrowavetreatmenttunnelmicrowaveheaterandmicrowaveextractor,themainadvantageofdealingwithlargeamountofsludgecanbeacontinuousoperation,andgoodeconomy.Structuralsdesigninclude:tunnelboxsize,leak-proofcomponents,selectionofthemagnetron,waveguideselection,microwaveextractionpressurechecksizeandirrigationdesign.Mechanicaltreatmentmainlyhorizontalcentrifugedesignsize,thecentrifugetime,power,efficiencytheory.Pretreatingsludgebymicrowaveradiationtechnology,goodforthemodificationofsludgedewateringtoachievehigheconomicandefficienttreatmentgoalsiswhatweinthesludgetreatmentprocesstocontinuouslyrefineandimprovethedirection.Keywords：sewagesludge,microwaveradiation,tunnel,centrifuge66 微波辐射污泥系统设计目录第一章前言11.1选题背景11.2研究意义21.3文献综述21.3.1污泥处理手段21.3.2国内微波研究应用现状31.3.3国外微波研究应用现状51.4研究的基本内容，拟解决的主要问题71.4.1研究的基本内容71.4.2拟解决的主要问题8第二章微波辐射的理论基础92.1微波辐射的基本原理92.1.1微波的概述92.1.2微波处理的理论概述102.2微波辐射的特点112.2.1微波的特性112.2.2微波处理的优点122.3微波辐射的结构132.3.1微波辐射系统介绍132.3.2微波辐射系统的结构14第三章污泥前处理系统163.1系统设计参数163.2沉淀池的设计163.2.1沉淀池的设计说明163.2.2主要尺寸的设计计算163.3加药装置183.4设备选型193.4.1泵的选取193.4.2水处理系统管道的选取21第四章微波辐射发生装置234.1磁控管234.1.1磁控管结构234.1.2磁控管选型244.2波导器件264.2.1波导管的设计2666 微波辐射污泥系统设计4.2.2波导的连接294.3微波加热器30第五章微波辐射系统结构设计315.1设计步骤315.2隧道式箱形微波辐射系统设计315.2.1微波辐射的基本关系式315.2.2隧道式箱型微波加热器设计的一般原则335.2.3隧道式微波辐射主要尺寸设计355.2.4漏能抑制器的设计385.3微波提取装置415.3.1微波提取器的设计415.3.2壁厚的计算425.3.3封头的结构设计435.3.4控制系统445.4工艺的设计计算455.4.1停留时间455.4.2微波功率455.4.3加热功率的计算465.5经济效益的计算48第六章污泥后处理系统设计506.1螺旋压榨选型506.2离心分离的设计526.2.1离心机的结构及工作原理526.2.2高干度离心机物理参数的确定53第七章三维模拟567.1三维模拟的概述567.2辐射系统三维模拟57第八章结论与展望598.1结论598.2微波辐射系统的展望59参考文献61致谢63声明6466 微波辐射污泥系统设计第一章前言1.1选题背景随着中国环境治理力度的加大，污泥处理能力的提高，截止到上世纪90年代，中国40个城市有78座污水处理厂；2000年超过400个污水处理厂如雨后春笋般冒出；到2010年，这个数字变成惊人的2389个。在城市污水和工业废水的处理过程中，现在通行的污水处理技术是通过微生物的代谢作用及物理化学方法，将污水中的污染物大量转移到剩余污泥中，其实质是污染物的相转移，即可溶性的污染物变成不可溶的固体[1]。在水质得到净化的同时，污水中的污染物质作为污泥被分离出来。可以说，污泥就是浓缩的污染物质。城市污泥它实际上是由污水中的悬浮物、微生物、微生物所吸附的有机物以及微生物代谢活动产物所形成的聚集，一般是介于液体和固体之间的浓稠物，可以用泵输送，但难以用沉降方法进行固液分离[2]。中国目前一年的干污泥的产量为900万吨，占总垃圾产量的0.3%，而且每年以10%以上的速度递增，污泥处理不当会造成二次污染。污泥的主要污染[1]在于污泥是一种既含有大量N、P、K等养分资源，又含有重金属、有机污染物和病原物等有害物质的混合物。湿污泥含水量高达80%；而且有机质含量高，同时N、P、K含量高于农用含量不适宜堆肥同时病菌、微生物会导致污泥发臭。含水率过高不能进行堆积，堵塞渗沥影响排水。污泥变质产生的甲烷等温室气体[4]。目前，污泥的主要处置方式有填埋、焚烧、土地利用和综合利用等污泥处置方法中，污泥脱水是最重要的前处理过程，高效脱除污泥中的水分，成为经济、高效处理污泥的瓶颈。污泥脱水特性与污泥本身的理化特性有关[2]，如胞外聚合物(Extracellularpolymericsubstance，EPS)的存在直接影响着污泥的脱水性能，EPS主要由DNA、蛋白质和多聚糖组成，当解体时内部物质会释放，调质处理技术会破坏胞外聚合物结构，可通过测定滤液中胞外蛋白质含量和胞外糖含量、滤液中COD的变化间接说明EPS的结构变化，EPS的形态也会受到调质技术的影响。66 微波辐射污泥系统设计在短时间内破坏污泥稳定结构，明显改善污泥脱水性。微波辐射引起EPS扩散，污泥颗粒脱稳时，污泥脱水性开始有所改善；微波辐射引起污泥EPS进一步扩散及细胞壁开始破坏的初始阶段污泥脱水性最佳；过量微波辐射引起微生物细胞壁结构过度破坏、胞内物质大量溢出，进而破坏污泥脱水性。微波作为一种新型高效无污染能源已在工业、农业、医学以及家庭等领域内获得广泛应用。而微波技术与污泥处理相结合，解决脱水、改性等问题，尚处于研究及试验阶段，但其清洁、高效、无污染的特点，将可能使微波技术在工业脱水干燥领域中获得广泛应用。1.2研究意义我国城市污水处理厂污泥处理起步较晚，全国现有污水处理设施中有污泥稳定处理设施的还不到1/4，处理工艺和配套设备较为完善的还不到1/10。污泥处理部分只是简单的进行浓缩脱水外运，其中存在许多问题。普遍的运用较为成熟的污泥预处理方法：沉降、压榨等方法。随着微波领域的不断延伸，微波处理污泥作为先进的预处理污泥手段，应用到污泥处理过程中。污水污泥的处理在城市污水处理领域越来越受到关注，由于水是吸收微波最好的介质，微波处理技术具有节能高效、均匀加热、常规加热、降解有机物、低温杀菌的特性，特别是低温杀菌提供了一种能够较多保持污泥营养成分的加热杀菌方法，顺应了污泥农用的发展趋势。目前，较为新颖、颇受关注的方法是采用微波辐射技术，这种技术目前已应用工业的干燥脱水等过程，如何更好的设计微波辐射污泥，达到经济、高效的处理目标也是需要考虑到的问题。1.3文献综述1.3.1污泥处理手段污泥中所含水分形态，尽管不同的文献有不同的分类[3]，但一般都认为有4种存在形态如图1-1，即间隙水、毛细结合水、表面吸附水和内部结合水。图1-1污泥中赋存水结构66 微波辐射污泥系统设计不同性质的污泥脱水的难易程度差别很大，应根据其脱水性能，选择合适的方法，才能取得良好的效果。因此，测定污泥的脱水性能，对选择脱水方法具有重要意义(如表1-1)。表1-1污泥中水分及其处理方法列表[3]类别存在位置约占总水分的比例处理方法描述备注游离水或间隙水污泥颗粒之间65%-85%污泥浓缩吸附水和结合水只有通过高温加热或焚烧等方法，才能将这两部分水分离出来毛细水污泥颗粒间的毛细管内15%-20%机械脱水吸附水吸附在污泥颗粒上10%浓缩或机械脱水方法均难以分离结合水污泥颗粒内部10%改变污泥颗粒内部结构污泥调质是污泥浓缩和机械脱水前的处理，包括化学法、加热法、淘洗法、冷冻法和加骨粒法等。新型调质技术主要是超声、微波、热水解、磁场、电渗透、生物絮凝等，但是新型调质技术没有广泛投入工业化使用，更为重要的是调质技术的使用将会对后续的脱水工艺与设备有较大的影响作用，需要掌握好调质技术对污泥性质的影响程度，使其切实对机械脱水起到促进作用。1.3.2国内微波研究应用现状谢敏、施周等对污泥在2450MHz微波作用下的调质效果进行了研究[8]。污泥比阻随着微波功率的增大和辐射时间的增长而下降。超胶体颗粒的数量是影响污泥性能的重要因素，超胶体颗粒所占的比例愈少，脱水性能愈好。田禹等在对污水污泥微波辐射预处理的研究中也发现了类似的现象：带负电的污泥在微波高频率电磁场中，出现颗粒粗大化现象微波辐射处理后污泥的颗粒粒径及间隙明显增大。微波可以减少污水污泥中超胶体颗粒的数量，进而改善污泥的性质。66 微波辐射污泥系统设计微波辐射预处理对污泥沉降、过滤脱水性能的影响，并从粒度分布、污泥胞外聚合物(EPS)组分含量的变化解析相关机理，同时探讨微波辐射微生物EPS组分对污泥脱水性改善作用[7]。邹继兆等[10]在2006年在微波加热原理的基础上，根据具体的实验要求，介绍了一套自行设计的多模谐振腔微波高温加热真空系统如图1-2。图1-2微波加热系统结构框图工业用微波源的工作频率通常为2450MHz、915MHz这两种。波导用来将微波按一定的方式导入微波加热腔内；由于该系统设计要求是在真空或气氛保护条件下的高温加热，在腔体上设有气体导入导出口，出口与真空泵连接；在整个加热过程中，从升温到保温、降温都需要根据工艺来控制，这一过程通过程控系统控制微波功率来实现[4]。图1-3真空微波加热系统的基本结构66 微波辐射污泥系统设计如图1-3该反应器的主体是由金属壁封闭的多模矩形谐振腔[10]；为了能使样品能快速加热，并达到一定的高温，密封谐振腔内设有透波保温层；为使微波腔体中心处场强密度最大，达到中心处加热效果最佳，在谐振腔外设三组正交排列的微波管，微波管前的谐振腔上设有透波密封窗，微波腔上设有抽气口和进气口，抽气口与真空泵连接，进气口与充气系统连接。1.3.3国外微波研究应用现状目前21世纪，众多学者通过实验研究了辐射技术对污泥脱水特性的影响[19]。水是微波加热的良好载体，波兰学者EwaWojciechowska研究了微波改性对污泥脱水性能的促进作用，研究结果表明对于未经消化的污泥效果较好，微波与絮凝剂同时使用的效果优于这两种方法的单独使用，使用微波改性技术后明显增加污泥悬浮液体中的BOD5和COD含量。污泥微波加热技术在实际生产已经有成功应用，另外微波改性技术在原油脱水、降粘方面有着较好的效果，在污泥改性脱水方面的应用潜力较大。早在20世纪70年代，在德国首先安装了用于污泥消毒的辐射装置，微波辐射装置逐渐被用于污泥加热，促进污泥的消化和金属离子的去除等方面。20世纪90年代初，国外学者开始将微波技术引入污泥的处理，其技术优势表现为加热速度快、热效高、热量立体传递、设备体积小等。在1990年的时候AndrewJ.Johnson，Boulder，RobertD.Petersen等人已经申请专利如图1-4所示，研发了微波辐射加热仪器：其中包括一个鼓，一个转盘，一个升降台，透视孔，通风谐振腔，螺旋给料机和供应材料[20]。一个简单谐振腔适合用于加热废料和调整，以便把容器内的材料容易进入系统，并要求从谐振腔清除废气。另一项发明的目的是提供一个微波加热系统，不需要复杂的调节设备。另一个目的是提供一个微波加热系统，并提供了废气谐振腔中停留时间相对较短的灰尘。主要66 微波辐射污泥系统设计对于一个特性的废弃物处理问题，其中最特殊的是有关放射性废弃物的处理。在核工业的生产用水中可能包含放射性超铀同位素。从水中分离这些物质并用水合氢氧化物浓缩他们，使他们析出的过程。由于这个步骤，超铀同位素将从水淤泥中分离，出现在固态氢氧化物或氧化物中。这将是非常可取的诱捕和浓缩淤泥中的废氢氧化物和氧化物，从而进一步减少他们的体积。此外，这个方法另一个可取的地方是将废气的水溶物质转变为干燥的物质。因此，本发明能够提供一个简单合适的共振腔为加热废物变得容易转运，同时也更容易维修系统，能有效的处理废气。图1-4微波加热装置国外应用微波辐射进行预处理如图1-5所示，微波处理应用于钻井的油水土混合物的分离[23]。此图为国际石油工程师协会(SPE)发布的微波预处理钻井废弃物处理装置。设备运行时首先由微波发生器发生微波，经馈能装置输入微波加热器中；物料由传输系统送至加热器中，此时物料中的水分在微波能的作用下升温蒸发，水蒸气通过抽湿系统排除而达到干燥的目的。由于微波是直接作用于物料，所以脱水效果好、干燥温度低、速度快，有效成份的损失很小。图1-5连续处理钻井废物装置概要图66 微波辐射污泥系统设计图1-5工艺运行过程：钻井采出废物经过机械压榨处理，进入传送带进入谐振腔微波处理。微波腔两边反射抗流圈：1.用来反射电磁波防止泄露；2.扩大辐射的区域范围充分覆盖传送带空间。在反射圈和谐振腔内充入氮气，也是预防泄露的一种防范措施。通过谐振腔改性加热处理，会有水蒸气和油气产生通过收集装置汇集冷却，分离含油水。钻井废物处理完成，固体废弃物进行后续处理。实现了预处理效果，提高了油-水-土壤三项分离。微波源通过此磁控管产生多谐振荡波，通过波导进行传输，波导运用空心形状防止微波的衰减。经过放大器提高微波频率增强家人处理效果。国外在传统的工艺上进行改进[22]，如图1-6为多模态的微波加热系统。图1-6微波加热装置示意图(a)基本多模态系统(b)模组的多箱系统多模态的震荡发生器是由一个通过绕在微波信号发生器槽中的金属线圈组成，如在图1-6a中所表示的那样。微波的叠加和反射会导致一个新的驻波图形和方式。在一个已知频率带，如震荡发生器，能够维持一定数量的共振模。此工艺在传统的单模发展到多模态。其特点为腔内设计为4个磁控管均匀分布在腔体壁上，同时装有末态搅拌器进行微波搅拌。加工材料经过运送装置通过腔体，在吸收微波装置的保护下防止微波泄漏。大大提高了处理效率成功改进了传统的工艺技术。66 微波辐射污泥系统设计1.4研究的基本内容，拟解决的主要问题1.4.1研究的基本内容本课题以微波辐射处理污泥脱水为重点内容，设计微波辐射污泥系统在污泥处理的环节中的位置，以隧道式微波辐射污泥脱水为参考进行设计，主要内容如下：(1)比较国内外各种微波辐射装置的结构特点。(2)以隧道式微波辐射为设计要求，设计辐射系统的结构尺寸、磁控管、波导管和谐振腔系统。(3)绘制流程图、装配图以及零件图。(4)使用UGNX软件对主要部件，特别是谐振箱和波导管进行三维实体模拟。1.4.2拟解决的主要问题(1)如何在设计中实现隧道式连续微波辐射的要求。(2)脱水过程中的流量、密封等问题。(3)辐射强度、辐射时间、添加剂投放进行设计计算。66 微波辐射污泥系统设计第二章微波辐射的理论基础2.1微波辐射的基本原理2.1.1微波的概述“微波”也称超高频，通常是指波长为1m到1mm范围内的电磁波，对应的频率范围为300MHz到300GHz，它介于普通无线电波与红外线之间，在使用中为了方便将它分为分米波，厘米波和毫米波。一般用一些更狭窄的具体波段名称，如10cm波段(S波段)，5cm波段(C波段)，3cm波段(X波段)，1.25cm波段(K波段)及8mm波段(Q波段)等[12]。其中Ｘ波段的微波测量系统是一般实验室中所常见的。微波中常用的频率单位为GHz。具体划分如下表2-1所示。表2-1波段列表波段代号频率范围/GHz标称波长/cmL1.0-2.022S2.0-4.010C4.0-8.05X8.0-12.53K18.0-27.01.25Q27.0-40.00.8微波辐射处理时，伴随着电磁波向材料内部的穿透，有一个电磁能自动向内部的传递过程，材料吸收微波能量是内外部与表面同时进行的，可以认为微波加热是一种体加热。微波对物料除了上述的加热作用外，还存在所谓的“非热效应”，反应体系温度在远低于常规加热温度时，与常规加热具有相同的产率或更快的化学反应速度；而且有时还伴有新物质生成；在常规加热条件下不能进行或很难进行的化学反应，在微波作用下变得可行。66 微波辐射污泥系统设计2.1.2微波处理的理论概述众所周知，微波是一种电磁波，简单的说它是以一种电场和磁场直交的方式，交变地向周围传播[13]。这种电磁场状态可用麦克斯韦方程式来描述，用MKS(米千克秒)制量纲表示的一组用矢量表示的方程组(2-1)式中：D——电磁场密度(电位变化)；B——磁通密度；——电荷电量；J——电流；H——磁场强度；E——电场强度；div和rot——用矢量表示的微分。此外被加热物体的物理特性，亦可表示为：(2-2)(2-3)(2-4)式中：——介电常数；——磁导率；——电导率；——初始电流。当在介电体上加微波电场后产生66 微波辐射污泥系统设计(2-5)此时，电位变化D与静电场E成正比，微波频率增高，D相对于E产生滞后相位角，即(2-6)如果只看其实数部分，对于，产生(2-7)如果用Maxwell方程式中的的公式解释，上式第一项可看为传导电流，而第二项则表示由于电磁场密度变化而产生的电位变化电流。微波损耗公式可表示为(2-8)用E与其同相位电流成分相乘即为功率L(w)，可表示为(2-9)再从E和D之比加以考虑，亦即，通过介电系数和相位差的关系这样，微波产生的电耗L即可为(2-10)以上系数均为研究微波处理时的重要参数和设计标准。2.2微波辐射的特点2.2.1微波的特性微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。但若微波作用于非金属的介电体，由介电体特性所决定微波将被吸收、渗透，产生高频电场和磁场。(1)介电发热效应[13]。如图2-1(a)所示的介电体，其中“+”离子和附近的“-”电子成对存在，这些电子对紧密的结合，相互间不起作用，介质的整体对外界来说电场强度为零。但若如图2-1(b)加上很强的电场，则正负电子对立即会重新排列。若改变电场方向则电子对将按图2-1(c)66 微波辐射污泥系统设计反向排列。如果电场是交变且为高频的，则分子内的电子对频繁的转动或振动将会因摩擦产生热量。图2-1在微波电场作用下的分子运动(2)微波的浸透深度。在实际应用中出现一种现象，就是被加热的物料介质有些能加热透彻，有些加热不透彻，其原因是存在一个投射能力和加热深度问题，即穿透能力问题。穿透能力就是指电磁波穿入到介质内部的本领。电磁波从介质的表面进入并在其内部传播时，由于能量不断地被吸收并转化为热能，他所携带的能量就随着深入介质表面的距离，以指数形式衰减。投射深度指的是材料内部功率密度为表面能量密度的1/e或36.8%出算起的深度D。2.2.2微波处理的优点(1)加热速度快常规加热(如火焰、热风、电热、蒸汽等)都是利用热传导、对流、热辐射将热量首先传递给被加热物的表面，再通过热传导逐步使中心温度升高(即常称的外部加热)。它要市中心部位达到所需的温度，需要一定的热传导时间，而对热传导率差的物体所需的时间就更长。微波加热则属于内部加热方式，电磁能直接作用于介质分子并转换成热，且透射使介质内外同时受热不需要热传导，故可在短时间内达到均匀加热。(2)加热均匀用外部加热方式加热时，为提高加热速度，就需升高外部温度，加大温度梯度，但随之会产生外焦内热现象。微波不论形态如何，都能均匀渗透，产生热量，因此加热状况大大改善。66 微波辐射污泥系统设计(3)节能高效不同物料对微波有不同的吸收率。含有水分的物质容易吸收微波能，玻璃、陶瓷、聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等则很少吸收微波，金属反射微波，这些物质都不能被微波加热。微波加热时，被加热物料一般都是放在用金属制成的加热室内，加热室对电磁波来说是个封闭容器，电磁波不会泄露，只能被加热物体吸收。容器内的环境和箱体都不会被加热，故微波加热效率很高。(4)易于控制微波功率的控制由开关、旋钮调节，即开即用，无热惯性，功率连续可调，已与自动化。(5)选择性加热不同性质的物料对微波的吸收损耗不同，而微波具有选择性加热的特点，这对处理过程有利。因为水分子对微波的吸收损耗最大，所以含水率高的部分，吸收微波功率高，达到破坏成分的作用。通过这一特点合理制定微波处理的预处理的加工工艺。(6)安全无害微波不属于放射性射线，又无有害气体排放，是一种十分安全的处理技术。从微波治疗开始，推广应用到食品、皮草、纸张、木材等轻工业产品的加工方面以及农业生产上的烘干、种子处理等方面。在科学研究，特别是污泥处理的研究上也将展现其独特的应用。2.3微波辐射系统结构2.3.1微波辐射系统介绍如图2-2所示将微波技术引入污水污泥的处理，其技术优势表现为加热速度快，热效高，热量立体传递，设备体积小等。进行相关经济分析后指出，微波技术将由于经济上原因受到限制用于污水污泥的预处理。66 微波辐射污泥系统设计图2-2微波预处理流程由于污泥的含水率很高(一般含水率在95%-98%范围之间)，为了更好的进行污泥的后期处理，引入微波技术提高了脱水的效果。图2-2所示的为带有微波预处理的污泥处理系统。从污水处理厂出来的污泥流动性很大，通过粗细隔栅去除大量悬浮物。进入调节池投入添加剂硅藻使污泥絮凝，经过机械螺旋压榨脱水后进行絮凝剂的再次投放。进入到微波谐振腔中进行微波的辐射处理，改变污泥的性质，絮凝污泥脱水升温。进入到后续的一次沉淀、二次沉淀过滤到最后的压榨及输出。2.3.2微波辐射系统的结构典型的工业微波辐射系统如2-3图示。系统基于三个主要的构件。第一个就是提供微波发生的电源装置。第二就是微波发生装置，以及是微波的传输和释放装置。最后第三个主要组成部分是控制电路优化和规范的微波加热器的整体表现。电源供给微波发生器能源制造一定频率的微波，波导用来将微波按一定的方式导入微波加热腔内；由于该系统设计要求是在真空或气氛保护条件下的高温加热，在腔体上设有气体导入导出口，出口与真空泵连接；在整个加热过程中，从升温到保温、降温都需要根据工艺来控制，这一过程通过程控系统控制微波功率来实现。66 微波辐射污泥系统设计图2-3典型微波系统66 微波辐射污泥系统设计第三章污泥前处理系统3.1.系统设计参数系统按运行时间为12h/d，将污泥经过系统脱水后，使得污泥含水率降低到6%左右，干污泥约为15t/h备处理能力为2000m3/d(即83.3m3/h)。依据设计参数，假设温度提升速度为10℃/min，微波辐射时间为2min，得出温度变化，设计处理功率为5kW。3.2沉淀池的设计3.2.1沉淀池的设计说明根据结构及运行方式的不同，沉淀池可分为普通沉淀池和浅层沉淀池(斜板与斜管沉淀池)两大类；按照水灾池内的总体流向，普通沉淀池分为平流式、辐流式、和竖流式三种。本设计采用平流式沉淀池。其池表面呈长方形，污水从池的一端流入，按水平方向在池内流动，澄清的污水从另一端溢出，在进水口处的底部设有贮泥斗。平流式沉淀池的优点有：污水在池内流态特性比较稳定，沉淀效果好；对冲击负荷和温度变化的适应能力较强；施工简单，设备造价低。平流式沉淀池主要适用于地下水位高及地质条件差的地区和大、中、小型水处理厂。3.2.2主要尺寸的设计计算参数表面负荷一般为1.5~3.0m3/(m3·h)；设计水量Qmax=2000m3/d=83.3m3/h=0.02m3/s。(1)池子总面积设计水量Qmax=2000m3/d=83.3m3/h=0.02m3/s则A===55.5㎡(3-1)式中：q——表面负荷，取q=1.5m3/(㎡·h)。66 微波辐射污泥系统设计(2)沉淀部分有效水深沉淀池有效水深一般为2~4m。取h=3m，则h=qt=1.5t(3-2)t=2h式中：t——水力停留时间。(3)沉淀部分有效容积V=Qmaxt=83.3×2=166.6m3(3-3)(4)沉淀池长L=3.6vt=3.6×3.5×2=25.2m(3-4)式中：v——水平流速，小于5mm/s，取v=3.5mm/s。(5)沉淀池总宽B===2.2m(3-5)(6)池子个数设两个沉淀池，则每池宽2.2m。(7)校核长宽比和长深比长宽比==11.4>4符合要求(3-6)长深比==8.4>8在8~12之间，符合要求。(3-7)(8)污泥量的产生W===1248m3/d(3-8)66 微波辐射污泥系统设计式中：C1——进水悬浮物浓度，kg/m3；C2——进水悬浮物浓度，kg/m3；——污泥浓度，1000kg/m3；P0——污泥含水率，P0=97%。计算污泥产量约为50t/h。3.3加药装置加药装置主要用于电厂的给水、炉水、循环水、废水等处理，也可用于石油、化工、环保、供水系统等行业。单元组合式加药装置，主要有溶液箱、计量泵、过滤器、安全阀、止回阀、脉冲阻尼器、水位表、控制柜等组成一体化安装在一个底座上[3]。用户只需将组合式加药装置安放在加药间，将加药管接好接通电源即可启动投入运行，这种工厂化的整套装置，可大大减少设计和现场施工的工作量，对整机的质量、安全和现场投运提供了可靠的保证。加药装置是以计量泵为主要投加设备、将溶药箱、搅拌器、液位计、安全阀、止回阀、压力表、过滤器、缓冲器、管路、阀门、底座、扶梯、自动监视系统、电力控制系统等按工艺流程需要组装在一个公共平台上，形成一个模块，即所谓的撬装式组合式单元。图3-1加药装置66 微波辐射污泥系统设计加药装置，采用的是机电一体化结构形式，从安装上可分为固定式和移动式(推车式)，每种形式的加药装置均配有搅拌系统、加药系统和自动控制系统。几个固定式撬装可组合成一个整体，加上变频控制系统，可实现就地控制、远程自动控制、手动和自动相互转换加药。具有结构紧凑，体积小、噪音低、工作平稳、安装简单、操作使用方便等优点。加药装置通过不同的工艺设计，精确配置各类固体和液体的化学药品的溶液，再用计量泵准确投加，以达到各种设计要求。3.4设备选型3.4.1泵的选取在污水处理过程中后续的污泥处理会涉及到污泥的输送问题。污泥的性质主要包括：含水率、挥发性固体和灰分、相对密度、可消化程度、过滤比阻、毛细吸水时间等。与污泥输送相关的性质主要是污泥流动的水力特性[3]。从力学性质的角度来看，污泥是一种两相流体，在含水率较高(高于99%)的状态下，属于牛顿流体，流动特性接近于水流。随着固体浓度的增加，污泥的流动显示出来非牛顿流体的特性，一般在除砂的情况下，可视为均质非牛顿流体中的伪塑体，其流变特性方程如下：(3-9)式中：——剪切应力，kg/m2；——屈服剪切应力，kg/m2；g——重力加速度，m/s2；——塑性粘度，kg/(ms)；——速度梯度，l/s。表3-1所示污泥特性值列表，和的取值如表所示。66 微波辐射污泥系统设计表3-1污泥的和值列表物料温度/℃浓度/%/kg/m2/kg/(ms)水20000.001初次沉淀生污泥126.74.3860.028消化污泥17101.5300.092消化污泥17142.9580.101消化污泥17186.2220.118活性污泥200.40.01020.006活性污泥200.20.02040.007对于初次沉淀污泥来说剪切应力为：由于污泥属于初次沉淀池生污泥，查表得=4.386和=0.028代入公式(3-9)中计算得(3-10)初次沉淀污泥的水力特性很复杂，当污泥的含固量小于1%时，其流动性能基本上和水一样。对于含固量大于1%的污泥，当在管道内流速较低时(1.0-1.5m/s)，其阻力比污水大；当在管道内的流速大于1.5m/s时，其阻力必污泥小。在层流条件下，由于的存在，污泥流动的阻力很大，因此污泥管道输送常采用较大流速。选用螺旋离心泵进行输送污泥。螺旋离心泵是一种三元螺旋是单片的无堵塞泵，主要由叶轮、吸口、蜗壳、转轴、轴承框架、耐磨内衬等部件组成。由于流量为23.15L/s选择瑞士海斯特股份有限公司型号为H05K-MH的螺旋离心泵。螺旋离心叶轮泵的特点如下：真正的无堵塞性能，柔和输送介质，螺旋离心泵效率高，运行成本低，无过载区域，高固含量介质处理能力；采用可耐磨内衬，当发生磨损之后只需更换一个内衬即可，无需更换整个外壳，既方便又经济。66 微波辐射污泥系统设计3.4.2水处理系统管道的选取管子的选取原则是按照污染治理工艺的要求(如温度、压力、耐腐蚀等)进行，主要选择合适的管材、计算管内径、确定管壁厚、选定标准的常用管子规格，从而满足处理工艺的要求[11]。(1)管材的选取首先管材的选取选用无缝钢管进行管路的主要材料。无缝钢管按制造方法分为热轧管和冷拔(轧)管。冷拔(轧)管的最大公称直径为200mm，热轧管最大公称直径为600mm。在管道工程中，管径超过57mm时，常选用热轧管，管径小于57mm时常用冷拔(轧)管。管道工程常用的无缝钢管有以下几种：①一般无缝钢管一般无缝钢管简称无缝钢管，用普通碳素钢、优质碳素钢、普通低合金钢和合金结构钢制造，用于制作输送液体管道或制作结构、零件用。无缝钢管按外径和壁厚度供货，在同一外径下有多种壁厚，承受的压力范围较大。通常钢管长度，热轧管为3-12.5m，冷拔(轧)管为1.5-9m。②低中压锅炉用无缝钢管低中压锅炉用无缝钢管是用10号、20号优质碳素钢制造。(2)管内径d的计算经过实践经验的总结，认为通常流体介质在管内比较合理的流速范围如表3-2所示。因此只要知道管路中流体通过的最大流量，就可算出管内径d的大小。(3-11)式中：W——流体的质量流量，kg/h；Q——流体的体积流量，m3/h；——流体的密度，kg/m3；——流体的平均流速，m/s。66 微波辐射污泥系统设计表3-2各种常用流体流速范围流体类别常用流速范围(m/s)水及其他粘度较小的液体1.5-3.0工业用水(自来水)1.5黏度较大的液体(如盐类液体)0.5-1.0液体自流速度0.5取流体的流动速度为1.0m/s因为出现误差数据取整得d=175mm。66 微波辐射污泥系统设计第四章微波辐射发生装置4.1磁控管磁控管是微波发生的主要部件，是完成电能转换为微波能作输出微波的器件。工作在微波频率的磁控管有线性束管(O形管)和交叉场型管(M形管)。实质上磁控管是一个置于恒定磁场中的二极管，管内电子在相互垂直的恒定磁场和核定电场的控制下，与高频电磁场发生相互作用[13]。磁控管阴极发射的电子受电场加速而速度升高，并受洛仑兹力的作用运动轨迹弯曲，在阳极交变电压的作用下使得有足够能量到达阳极。此过程获得的全部能量建立高频振荡，向外发射微波。4.1.1磁控管结构磁控管的结构包括：阴极、能量输出器、阳极块、谐振腔孔、谐振腔隙、引线。其结构如图4-1。图4-1磁控管内部结构示意图(1)阴极磁控管的阴极即电子的发射体，又是相互作用空间的一个组成部分。阴极的性能对管子的工作特性和寿命影响极大，被视为整个管子的心脏。66 微波辐射污泥系统设计阴极的种类很多，性能各异。连续波磁控管中常用直热式阴极，它由钨丝或纯钨丝绕成螺旋形状，通电流加热到规定温度后就具有发射电子的能力。这种阴极具有加热时间短和抗电子轰击能力强等优点，在连续波磁控管中得到广泛的应用。此种阴极加热电流大，要求阴极引线要短而粗，连接部分要接触良好。大功率管的阴极引线工作时温度很高，常用强迫风冷散热。磁控管工作时阴极接负高压，因此引线部分应有良好的绝缘性能并能满足真空密封的要求。为防止因电子回轰而使阳极过热，磁控管工作稳定后应按规定降低阴极电流以延长使用寿命。(2)阳极阳极是磁控管的主要组成之一，它与阴极一起构成电子与高频电磁场相互作用的空间。在恒定磁场和恒定电场的作用下，电子在此空间内完成能量转换的任务。磁控管的阳极除与普通的二极管的阳极一样收集电子外，还对高频电磁场的振荡频率起着决定性的作用。阳极由导电良好的金属材料(如无氧铜)制成，并设有多个谐振腔，谐振腔的数目必须是偶数，管子的工作频率越高腔数越多。阳极谐振腔的型式常为孔槽形、扇形和槽扇型，阳极上的每一个小谐振腔相当于一个并联的2C振荡回路。以槽扇型腔为例，可以认为腔的槽部分主要构成振荡回路的电容，而其扇形部分主要构成振荡回路的电感。由微波技术理论可知，谐振腔的谐振频率与腔体的几何尺寸成反比。腔体越大其工作频率越低。于是，我们可以根据腔体的尺寸来估计它的工作频段。磁控管的阳极由许多谐振腔耦合在一起，形成一个复杂的谐振系统。这个系统的谐振腔频率主要决定于每个小谐振腔的谐振频率，我们也可以根据小谐振腔的大小来估计磁控管的工作频段。磁控管的阳极谐振系统除能产生所需要的电磁振荡外，还能产生不同特性的多种电磁振荡。为使磁控管稳定的工作在所需的模式上，常用"隔型带"来隔离干扰模式。隔型带把阳极翼片一个间隔一个地连接起来，以增加工作模式与相邻干扰模式之间的频率间隔。另外，由于经能量交换后的电子还具有一定的能量，这些电子打上阳极使阳极温度升高，阳极收集的电子越多(即电流越大)，或电子的能量越大(能量转换率越低)，阳极温度越高，因此，阳极需有良好的散热能力一般情况下功率管采用强迫风冷，阳极带有散热片。大功率管则多用水冷，阳极上有冷却水套。4.1.2磁控管选型(1)负载要匹配66 微波辐射污泥系统设计无论什么设备都要求磁控管的输出负载尽可能做到匹配，也就是它的电压驻波比应尽可能的小。驻波大不仅反射功率大，使被处理物料实际得到的功率减少，而且会引起磁控管跳模和阴极过热，严重时会损坏管子。跳模时，阳极电流忽然出现跌落。引起跳模的原因除管子本身模式分隔度小外，主要有以下几个方面第一电源内阻太大，空载高而激起非π模式。第二负载严重失配，不利相位的反射减弱了高频场与电子流的相互作用，而不能维持正常的π模振荡。第三灯丝加热不足，引起发射不足，或因管内放气使阴极中毒引起发射不足，不能提供π模振荡所需的管子电流。为避免跳模的发生，要求电源内阻不能过大，负载应匹配。(2)冷却冷却是保证磁控管正常工作的条件之一，大功率磁控管的阳极常用水冷，其阴极灯丝引出部分及输出陶瓷窗同时进行强迫风冷，有些电磁铁也用风冷或水冷。冷却不良将使管子过热而不能正常工作，严重时将烧坏管子。应严禁在冷却不足的条件下工作。(3)合理调整阴极加热功率磁控管起振后，由于不利电子回轰阴极使阴极温度升高而处于过热状态，阴极过热将使材料蒸发加剧，寿命缩短，严重时将烧坏阴极。防止阴极过热的办法是按规定调整降低阴极加热功率。图4-2磁控管外形工业中常用的两种频率为915MHz和2450MHz，如表4-166 微波辐射污泥系统设计所示两种工作频率的微波比较。表4-1常用频率的基本对比影响因素915MHz2450MHz加工物料的体积及厚度(相同的介质下)穿透深度高加工较厚较大物料穿透深度浅物料的含水量及介质损耗用于含水量较大的物料含水量低提高微波吸收率总生产量及成本单根管获得的功率30kW或60kW，应用于大工作量降低成本。单根管功率只能到5kW，如果用于大功率，需多管并联。设备体积磁控管和波导偏大较915MHz偏小以上作为选型参考，同时根据设计需求微波功率设计为5kW，隧道式连续处理、择体积较小、功率接近设计功率、经济效益这几个方面，2450MHz频率的磁控管最为适宜。4.2波导器件4.2.1波导管的设计波导是微波频段传输电磁波能量的主要元器件[16]。依靠各种截面形状的波导，可完成微波传送，相互连接耦合，以及改变传送方向等传输任务。从能耗的角度，电磁场被限制在波导的空间内，不存在辐射损耗只是在壁上有热损耗。从传输电磁波模式，波导尺寸确定后只有频率高于最低截止频率的模式才能得到传输通过。一般情况，给定的波导可能存在不同频率的几种模式的传播，选择合适的波导尺寸，保持主模的传输。波导为金属材质制成的各种截面的空心金属管件主要形状为矩形波导如图4-3所示。在实际应用中，把波导管多数设计成只能传输单一波型。现在使用的标准矩形波导管中，都只能传播TE10波(或H10波)。考虑一个横截面为ab的矩形波导管(图66 微波辐射污泥系统设计4-3)其管壁为理想导体，则管内沿着Z轴传播的TE10波的各个分量可以写成：如图4-4所示在波导管中TE10电场沿y轴传播在X、Z轴上无电场[13]。磁场在X、Z所在平面内振荡。图4-3矩形波导管由波导电磁波传输理论，波导沿z轴传播其长度方向无长度限制。相位因数值连续，电磁波在z轴上布局谐振性。(4-1)式中：——为波型的截止波长，只有波长的电磁波才能在波导管中传播。波导波长表示为：(4-2)式中：a，b——波导宽边和窄边边长；m，n——波导内半驻波在宽边和窄边上的个数。66 微波辐射污泥系统设计如图4-3分析可以看出“TE10”波的含义。TE10波的“TE”表明电场没有纵向分量，即Ez＝0；TE10波的第一个脚标“1”表明场沿波导的宽边方向有负方向的最大值，或者说有一个半驻波；第二个脚标“0”表明场沿波导窄边方向没有变化。电场矢量垂直于波导宽臂(Ey)，而磁场矢量在平行于波导宽臂的平面内(Hx，Hz)。电磁场在x方向形成一个半驻波，而沿y方向是均匀的。电磁场振幅随x、y的分布如图4-4所示。图4-4TE10波的电磁场结构表4-2所示为用于微波加热适用频带的波导管尺寸和TE10模式的阻断频率。还应注意的是，波导管内的波长与理论波长不完全相同，管内波长为：波导的阻抗Z66 微波辐射污泥系统设计表4-2波导管的规格及阻断频率国标国际标主频率内截面尺寸外截面尺寸型号型号/GHz/GHz宽高/mm宽高/mmWRJ-1WR-9750.74-1.120.60247.65123.83251.72127.92WRJ-1.4WR-6501.12-1.700.91165.1082.55169.1686.61WRJ-2WR-4301.70-2.601.37109.2254.61113.2858.67WRJ-2.6WR-3402.17-3.301.7386.3643.1890.4247.24WRJ-3WR-2842.60-3.952.0872.1034.0076.2038.10通过磁控管选型可知选择型号为国标型号WRJ-26(即国际标型号WR-340)，主频率2450MHz在2.17-3.30(GHz)范围内，可确定阻断频率=1.73(GHz)，内径尺寸86.3643.18mm，外径尺寸90.4247.24mm。4.2.2波导的连接两个相同的波导可如图4-5所示，用法兰盘端盖将其连接，无特殊要求。此时，两个波导管若有稍许位移可能会产生反射波[13]。为此应真确定位用螺钉固紧，若两平面之间有间隙也会泄露微波。对于大功率的微波加热设备可制成右侧法兰盘刻有1/4波长长度的槽，这样即使两边的法兰安装不好，泄露的电波也会由于防漏式法兰盘结构而相互抵消不致向外泄露。图4-5防漏法兰66 微波辐射污泥系统设计波导管的弯头，如图4-6(a)为波管弯头，用于传输微波方向改变的场合。为节约占地也可把弯头做成图4-6(b)(c)所示模样。弯头外形尺寸等设计均应充分考虑内阻抗的不连续性。若设计成图4-6(b)方式可保持电场方向E不变，称为E弯头；图4-6(c)方式可保持磁场方向不变，称为H弯头。图4-6波导管弯头(a)常规模样；(b)、(c)可节约占地的模样4.3微波加热器微波加热器仅是指微波电磁场与被加热物料(介质)相互作用空间的装置，也即物料吸收微波转为热能而得到加热的微波加热工作区域。它不包括微波功率源、功率馈送和控制部分。微波加热器适用加工物料对象形状和要求，选用方式由被加热物料的形状尺寸、介质损耗、物料受热限度以及加工量大小等因素而定。隧道式微波辐射系统：连续作业输送处理的材料进入隧道型辐射箱中，辐射比较均匀[17]。多数情况下微波电源与炉体结合口的方向垂直，电场方向则朝向不同方向以保证均匀辐射。隧道型追逐要考虑的是出入口开口部分的设计。防止大量微波向外部泄露，必须采取防泄漏措施。一般采用两种防漏方法：第一制作开口处阻抗的结构，使泄漏的微波反射回去；第二在开口处设置一条长的导入管，内装电波吸收体，防止微波的泄露。66 微波辐射污泥系统设计第五章微波辐射系统结构设计5.1设计步骤(1)先确定波长和振荡模式，然后计算这种矩形谐振腔尺寸大小。(2)再由矩形谐振腔的尺寸大小，去计算判定谐振腔可能激励出的振荡模式加以修正。(微波频率选择两种915MHz和2450MHz)被加工物料形状、大小和薄厚来选择频率和主要工作模式，依据成本选择最经济设备尺寸，选择可能多的振荡模式来满足场强均匀分布。矩形谐振腔设计步骤：①选择工作频率；②假设符合加工物料要求腔体几何尺寸计算谐振频谱分布；③选择场强较为均匀分布的腔体几何尺寸；④根据主要工作模式确定微波输入耦合位置。5.2隧道式箱形微波辐射系统设计5.2.1微波辐射的基本关系式(1)微波功率微波功率的大小由以下简单方法来进行计算(5-1)式中：――被加热物体的温升，℃；C――物料的比热，kcal/kg℃；W――料的重量，kg；t――微波作用的时间，h；P――微波功率，kW。(2)被加热物质在微波场中吸收的功率由于物质的不同，微波场的频率不同，物质所吸收的功率也随之而改变，其吸收的功率按下式表示66 微波辐射污泥系统设计(5-2)式中：――频率，Hz；E――电场强度w/cm；――介电常数；――介质损耗正切。(3)微波对加热物质的穿透深度所谓穿透深度是当电磁波从物质表面进入物质内部时，能量不断被吸收并转化为热能，场强和功率就不断地衰减，这种电磁波穿透到介质内部的能力称为穿透深度。其定义可由下式表示：(5-3)式中：D――场强的穿透深度，表示场强衰减到表面处的36.8％(即l/e)的距离。表5-1给出各种物质的损耗系数、透射深度和介质损耗正切的关系，在2450MHz下的参数。表5-1透射深度D、和物质名称温度/℃2450MHzD(cm)冰-127803.2910-4水251.376.7160010-4552.370010-4853.956.555010-4玻璃5.110010-4陶瓷5.615010-4纸2.760010-4聚四氟乙烯210-466 微波辐射污泥系统设计5.2.2隧道式箱型微波加热器设计的一般原则(1)箱式加热器的箱体尺寸设计腔体尺寸的设计首先要依据被加热物的体积大小，然后要考虑到如何使加热器内电场分布均匀及其加热效率的提高[18]。一般情况下，加热效率决定箱体的最大尺寸，由被加热物的体积大小和电场分布均匀决定箱体最小尺寸。由于长方体箱体具有一般谐振腔的特点，在某些特定的频率上谐振，这时微波能量可有效地耦合到腔内。设矩形腔的边长分别为a、b、c，腔的谐振频率由下式表示波长为(5-4)式中：c——光速，m/s；a、b、c——别代表空腔三个方向加热器箱体的尺寸；m、n、p——模式标号，即分别表示在三个方向上驻波波长的数目，为正整数，其中一个可为零(0、1、2、3、……)。m、n、p有各种可能的组合，每一种组合分别代表腔内可能存在的电磁场分布结构，也称为一种工作模式。显而易见，这种谐振腔中可能存在多种工作模式，因此也称为“多模谐振腔”腔中的模式数与腔体三维尺寸直接相关，当频率选定时，三维尺寸越大，腔体内分布模式越多，另外与工作频率和频带宽度有关。相同的炉腔体积，工作频率越高，则腔内模式也越多。模式的计算首先可通过谐振波长的公式进行近似计算。箱内可能存在的模式数(5-5)由于在加热时，磁控管输出的频率除由中心频率决定外，还会受到因负载的变动而出现的频率牵引的影响，如此试验中工作于2450MHz的磁控管由于负载牵引的影响会产生±30MHz的影响。因此对应的波长是在12.1~12.4cm范围内变化，在计算时要用这个范围代入。66 微波辐射污泥系统设计以上基本概念和关系是设计矩形谐振腔的主要依据，具体设计遵循如下步骤：①磁控管工作频率和频带宽度，比如2450±50Hz。②依据实际情况初步选定一组谐振腔的三维尺寸a、b、c并计算模式数，然后采用凑试法求出满足关系式的m、n、p的值及对应的谐振频率。③在选定的三维尺寸附近改变尺寸大小并计算模式数，将所有结果进行比较，按模式数最多和带宽内模式谱线分布最均匀两个原则确定矩形腔的三维尺寸。在实际应用中，输入功率相同的情况下，箱体尺寸越大出现的模式越多，加热的均匀性越好。但尺寸过大会使箱体内单位体积中的能量密度降低，在内壁上的能量消耗额增加，加热速度相应减慢。此外，为了保证工作与规定工作频率的箱式加热器同时可能存在的模式数不少于通过计算出来的模式数，则要求a、b、c的尺寸避免是土^的整数倍，以避免有些模式特别容易存在，影响到加热器的加热质量。考虑被处理材料的大小和较好的均匀性，一般取m≥2，n≥2，p≥3，相应a、b、c尺寸取大于3。(2)功率馈口的选择①位置的选择功率馈入口的设计和选择是箱式多模反应腔设计十分关键的部分，它应该确保微波功率以最小的反射，即最佳的传输效率进入箱体，又能以最有利于箱体三维方向建立起多模式的原则来设计和选择输入口的位置。其理论计算较复杂，实际上通过经验来确定。一般都是以输入波导口垂直于箱体某一平面(多从箱体右侧和顶面)，波导宽边或窄边轴线与箱体某一平面的方式引入为最佳。对于大容积、高功率箱式多模反应器，除了按上述原则设计和选择功率输入口外，还可考虑多端口馈能，各端口相隔适当距离，使微波功率以不同相位进入腔内，经各路多次反射后在箱体内形成最多模式分布以获得更好的场均匀性，还能以这种功率合成的方式在箱体内达到足够的功率密度。设计多端口馈能时，应尽量减小各端口相互间的功率耦合，为此，一般采用两路波导口电场方向呈90度的正交极化方式馈能，可以达到上述目的。②馈源口计算由于每个分支有三个馈口，要求每个馈源口馈送微波功率相同，所以第一馈源口耦合度为33%[21]。第二馈源口耦合度为50%，如图所示。66 微波辐射污泥系统设计图5-1馈源口的位置分布如图5-1经计算，第一馈源口尺寸为l1×w1=270mm×40mm，第二馈源口尺寸为l2×w2=310mm×100mm，第三馈源口要求把剩下微波能馈送加热器，采用标准波导口尺寸l3×w3=635mm×115mm根据前面讨论当磁控管工作频率为2450MHz，馈源口之间的距离应选择在容易激励工作主模的位置，可选Dl=D2=/2，D3=。5.2.3隧道式微波辐射主要尺寸设计隧道式微波腔体基本结构如图5-2所示图5-2微波腔体基本结构(1)箱体尺寸设计选取5kW，2450MHz的磁控管为加热元件。设计破乳器最大宽度不超过35cm，考虑到穿透深度的影响及破乳器预设计尺寸的限制。66 微波辐射污泥系统设计由公式(5-3)可得穿透深度D(5-6)选取的介质管最大管径为100mm。设箱体尺寸为ML=2400mm，MW=800mm，MH=800mm；2450±30MHz的对应波长为12.1~12.4cm，则谐振波长大于12.1cm的可能模式数N1为：(5-7)则谐振波长大于12.4cm的可能模式数N2为：(5-8)在2450±30MHz频率范围内，该箱体的可能模式数△N为：(5-9)带入到公式中求解：将在2450±30MHz频率范围内，以代入，得以代入，得：由此，谐振频率在2420MHz~2480MHz范围内得m、n、P值满足：(5-10)66 微波辐射污泥系统设计可用试算法求出满足式这个关系的m、n、P值，见表5-2。表5-2模式试算表9m236n2P2912=93612=3612=1922=363622=11422=4932=813632=32432=9942=14442=16952=22552=2562=3672=49从表5-2可看出，m、n、P的最大可能值分别为5、2、7。然后对m、n、P的不同组合，分别求出的值，能满足式的模式。从表5-2求解，见表5-3。表5-3符合模式谐振频率表m、n、p(MHz)1、3、738224432、3、538524535、2、73882462(2)介质管的材质选择介质管材质的选择要考虑到其对微波的吸收和透过能力、对热的稳定性、对水和油的粘附性等因素。聚四氟乙烯(F4，PTFE)具有介质损耗小，对于微波的透过性好，吸收少的特点，而且具有优异的耐高低温性，对温度的影响变化不大。聚四氟乙烯(F4，PTFE)具有一系列优良的使用性能：66 微波辐射污泥系统设计耐高温—长期使用温度200~260度，耐低温—在-100度时仍柔软；耐腐蚀—能耐王水和一切有机溶剂；耐气候—塑料中最佳的老化寿命；高润滑—具有塑料中最小的磨擦系数(0.04)；不粘性—具有固体材料中最小的表面张力而不粘附任何物质；无毒害—具有生理惰性；优异的电气性能，是理想的C级绝缘材料。由于他的耐辐照性能和较低的渗透性，选取它为输送污泥的介质管材料。(3)介质管位置的确定微波辐射设备在横向、纵向位置上场强的分布是不均匀的[18]。从整体上看，在设备正中央的位置上场强最强，随着离正中央的距离的增加，场强是逐渐减小的，当其达到一点位置(偏离正中央的距离约为0.12L)时场强减弱到最低点，之后场强又会随着离正中央的距离继续增加，在与正中央的距离达到0.24L到0.28L时又会再次达到峰值，过了这两个峰值点后，场强又会随着与正中央距离的增加直线下降。因此，在横向位置的选取中，选择场强最强、吸热功率最高的正中央(距离左侧内壁0.5L、距离下底内壁0.5H处)的位置。5.2.4漏能抑制器的设计在微波技术应用日益广泛的同时，应该注意对微波辐射的防护[16]。有资料表明，微波泄露会给人体造成伤害。因此，各国均制定了微波防泄漏的安全标准，对最高允许泄漏功率密度进行限定：我国为38W/cm(每日8h)；美国为10mW/cm(0．1h的平均值)，俄罗斯为10W/cm(整日)。对于隧道式箱形微波加热器而言，其主要泄漏部位为炉门及物料的出入口。一般微波设备出入口处大多采用截止波导式漏能抑制器、1/4波长波导槽抑制器和群岛式漏能抑制器来防止微波的泄漏。这些方法的缺点在于：或者只对几个主要高次模进行抑制，防泄漏能力较差；或者体积庞大，均需改进。因此，本文在出入口处采用了混合型漏能抑制器，并对其主要结构部分进行了优化，减小了体积，提高了防泄漏能力。抑制器采用混合型漏能控制器，在端口采用1/2波导波长终端短路波导并接，对几个主要高次模分别进行抑制，中段采用梳状型抑制片组成衰减器，其结构尺寸通过计算机进行优化，末端加吸收材料，构成一个混合结构的微波泄漏抑制器，其结构简如图5-2。66 微波辐射污泥系统设计图5-2微波漏能抑制器(1)端口部分的尺寸设计该段对几个主要高次模分别进行抑制，即抑制H10、E10故截止波长为：(m=1、n=0)(5-11)(m=3、n=0)(5-12)式中：n为出口的宽度，b为出口高度。本机频率为2450MHz，=12.25cm，则波导波长为：(5-13)(5-14)由此可见，只有d≥18．4cm时候，这种结构才有其实际意义这里取a=38cm，所以确定：=10.4cm，=10.5cm。(2)中段结构尺寸l1、l2尺寸的确定66 微波辐射污泥系统设计中段有30片梳状片组成的阻带衰减器，可认为其由主波导(a·b)E面双边串的n个长为的短路波导组成Z0表示短路波导感抗，l1表示各自短路波导间的距离，因梳状片厚度与微波工作波长相比小得多，故梳状片厚度可忽略不计由梳状片组成阻带衰减器等效电路如图5-3。图5-3衰减器等效电路为了使等效电路计算简化，图5-3可看作一个相同的电路连接，其单个等效电路的A矩阵可写为：式中，化简上式可得参数为：式中：——波导波长；——主波导特性阻抗；——短波波导特性阻抗；——长度为的短路波导特性电抗。66 微波辐射污泥系统设计梳状片引起的衰减为：(5-15)经过计算优化得出：=160mm、=280mm5.3微波提取装置5.3.1微波提取器的设计(1)罐体的设计均为圆柱形结构，易满足压力容器的设计要求。电场分布更均匀，比较适合物料的快速升温要求。本设计罐体材料为不锈钢，钢板厚度视承受压力及结构而定。罐体直径D≤罐体高度H=λ/2×n(λ为微波波长，n为大于2的正整数)H为4500mm，h=1550mm，D=2000mm。容积可为10~30m3。(2)辐射结构的设计在不锈钢罐体的同一高度层面上，接入多根不锈钢矩形波导管，在圆周上对称布置并焊接密封。罐体内的矩形波导管上、下方向开挖有矩形馈口，馈口用聚四氟乙烯密封，馈口的位置及数量以满足罐体内微波能在这一层面均匀分布。罐体外的矩形波导管上方安装磁控管及磁控管屏蔽罩，下方焊接防漏截止波导管。加装多层矩形波导管，实现分层辐射微波萃取。根据实际结构尺寸，主选两种矩形波导管型号BJ-9和BJ-12，截面尺寸(mm)分别为250mm×125mm和109mm×54.5mm，材料选用不锈钢。(3)防漏结构的设计接入罐体内矩形波导管上的馈口，一旦密封失效，将渗入波导管内，这不但影响微波能的传输，还将威胁磁控管的安全运行[22]。在微波萃取罐外的波导管下部正中心处，开一窄长孔，焊接一根圆形防漏截止波导管。窄长孔和防漏截止波导管可以将萃取液排出，对微波是防漏的。当液体漏出，漏液传感器将及时报警，以保证安全。66 微波辐射污泥系统设计图5-4微波提取装置5.3.2壁厚的计算厚度附加量C=2mm。(1)圆筒壁厚根据《国家标准(GB150-1998)-钢制压力容器》中壁厚的计算公式：(5-16)式中：——筒体内径，mm；——设计压力，MPa；——16MnR许用应力，；——焊缝系数(单面焊局部无损探伤，取0.8)。①计算壁厚计算壁厚是按照公式(5-16)得到的厚度；②设计壁厚设计壁厚是计算壁厚与厚度附加量之和。；③名义壁厚66 微波辐射污泥系统设计名义壁厚是将设计厚度向上圆整至钢材标准规格的厚度，即是图样上标注的厚度。本设计的名义壁厚：；④有效壁厚有效壁厚是指名义厚度减去厚度附加量，本设计的有效壁厚为：。(2)封头壁厚根据《国家标准(GB150-1998)-钢制压力容器》中壁厚的计算公式：(5-17)式中：——筒体内径，mm；——设计压力，MPa；——16MnR许用应力；——焊缝系数(单面焊局部无损探伤，取0.8)。①设计壁厚由(5-17)计算②设计壁厚；③名义壁厚；④有效壁厚。5.3.3封头的结构设计根据筒体的内径和封头壁厚的计算，选择椭圆形封头(摘自JB/T4746-2002)如图5-5。图5-5椭圆形封头66 微波辐射污泥系统设计表5-4椭圆形封头(摘自JB/T4746-2002)以内径为公称直径的封头公称直径DN曲面高度h1直边高度h2厚度内表面积F容积V质量Gmmmmmmmmm2m3kg2000275255-91.65520.2545207.84010-185020-24封头的名义壁厚为16mm，所以DN=2000mm，h1=670mm，h2=215mm。5.3.4控制系统将冷却水流量及微波功率作为控制变量，采用多变量控制系统，实现微波工作下的温度在线监控。温度调节器为PID负反馈调节，液位调节器为位式调节。当提取罐液位到规定位置时，液位调节器打开，则微波调节和冷却水调节形成分程控制系统共同控温。当液位未达规定位置时，位式调节关闭，只有微波调节控温，属简单控制系统[14]。其控制系统的方框图如图5-6所示。图5-6控制系统方框图66 微波辐射污泥系统设计5.4工艺的设计计算5.4.1停留时间停留时间对污泥改性的影响：流量一定时，停留时间对离心油相含水率的影响实际上就是温升速率对离心油相含水率的影响。这可以从下式可以看出。由停留时间t内污泥吸收的微波功率为：首先计算停留时间(5-18)式中：t——停留在微波辐射器中停留时间，s；R——所用聚四氟乙烯管半径，dm；B——微波加热器的宽度，取4dm；V——液体的流量，L/h。min(5-19)取整数得停留时间t=2min。5.4.2微波功率停留时间t内吸收的微波功率为：(5-20)式中：P——污泥吸收的微波功率；C——污泥的比热，J/kgk；——污泥密度；V——介质管容积；T——停留时间。66 微波辐射污泥系统设计在设计或选用微波加热设备时，先要估算一下设备的功率容量。首先要取得几个必要的数据：(1)加工物料的比热。水的比热为1千卡/公斤/℃左右；(2)每小时要加工的物料重量W；(3)每小时要求蒸发的液体重量W；(4)蒸发液体的汽化潜热Q，水的汽化热为540千卡/公斤；(5)加工物料的介电常数ε。一般物料的介电常数为1~5。水的介电常数为80，玻璃及陶瓷根据不同的材料为2~2000甚至更大；(6)加工物料的介质损耗tgδ。一般在0.05~0.3之间，玻璃及陶瓷0.01~0.5。物料加热所耗用的微波功率：由式(5-1)可得由式(5-2)可得所得的效率根据以上二式所算出的功率P为理想情况下所需要的微波功率，实际上在微波加热器内，微波功率不可能全部为物料所吸收，将有一部分给加热器本身消耗，一部分损耗在馈送微波的波导内。使用行波型加热器时，未被物料吸收完的功率在终端被水负载所吸收，因此选择微波设备时，微波吸收效率，一般在50%~80%左右。5.4.3加热功率的计算由于电场强度在实际上难以测量得到，只能大略折算[13]。例如，在矩形波导中，由于其阻抗为377欧姆，如微波功率为P(瓦)，波导窄面尺寸为b(厘米)则(5-21)66 微波辐射污泥系统设计(1)物料温升计算：式中：f——微波频率，Hz；E——电场强度，v/cm；——介质损耗系数；——物料的介电常数；d——物料的密度，g/cm3；c——比热，cal/g℃。取f=2450Hz，E=343V/cm，=1.5，=80，d=1.0g/cm3，c=1cal/g℃升高温度取整。微波产生的电耗L即可为以上一般的计算方法，在实际推广应用中，通过物料对微波吸收的情况，根据经验一般按1千瓦微波功率每小时去水0.8~1.2公斤估算实际所需的微波功率大小。(2)烘干的计算含水分物体质量为Mi=M0+W0式中：M0————干物质质量；W0————所含水份。(5-22)通过图5-7以温度升高为核心，考察所需加热功率和处理时间(kg/h)该图是以=1为基准求出P0故实际值P1应修正为66 微波辐射污泥系统设计图5-7微波加热升温计算图简化公式：1kg的水分被蒸发所需能量为(设=0.7)，升高温度计算得出烘干所消耗的功率为：5.5经济效益的计算(1)费用最小化原则在满足功能目标(特定需要)的前提下，追求所支出的全生命(服务)期费用最小。特别是像污水处理厂这类以环境保护、提高环境质量、维护生态效益、提高人民生活质量、维持经济和社会的可持续性发展为基本任务的工程项目，往往是以满足上述功能目标为前提的，这样的项目应以追求生命(服务)期费用最小为原则。项目的服务期费用包含了与项目有关的一切费用，如项目的前期费用、建设期费用(含制造、购买、建设、安装、试运行等)、生产期运营费用以及工程寿命期结束时的拆除费用。66 微波辐射污泥系统设计(2)经济效益最大化原则效益最大化就是指工程全服务期的效益是最大化的。当一项工程或一个技术方案的经济效益比较容易定量地进行计算时，效益最大化应是项目经济评价所追求的目标。通过前期的机械脱水将含水率为95%的污泥含水率降低到76%，此时微波处理的成本大幅降低。如表5-4所示，当含水率在75%左右时其时耗电量为0.4kWh/kg，同时含水率降低约15%左右达到很好的脱水节能的作用。表5-4微波处理耗电量序号污泥含水率/%耗电量(kWh/kg)辐射前辐射后193.691.50.31281.578.60.20380.375.20.23476.260.60.40575.865.30.32污泥的含水率为60%，处理量为5t/d耗电量为/d66 微波辐射污泥系统设计第六章污泥后处理系统设计6.1螺旋压榨选型原始污泥的含水率很高(在95%-97%之间)，体积很大需要对其进行脱水处理[3]。机械污泥脱水主要是通过将污泥颗粒间的毛细水和颗粒表面的地吸附水分离出来，将污泥的含固率增加到20%-40%，其体积也大幅减少有利于后面的，微波辐射的预处理。很多污水处理污泥脱水都用到了加药混凝技术。混凝法与机械污泥脱水配合使用，增大脱水效率。化学混凝机理主要有压缩双电层、吸附电中和、吸附架桥、沉淀物网捕等四方面的作用，而将这四种作用产生的微粒凝结现象——凝聚和絮凝总称为混凝，起到凝聚与絮凝作用的药剂统称为混凝剂。混凝剂主要主要分为无机盐类(硫酸铝、聚合氯化铝、三氧化铁、硫酸亚铁、聚合硫酸铁、活化硅酸)、有机高分子类、微生物类。通过改善污泥脱水性能，提高机械脱水效果与处理能力，需要通过调改变污泥的理化机理，投放有机或无机化学药剂进行絮凝调质。机械脱水方法主要有真空过滤法、压滤法、离心法、螺旋压榨法等。本系统中采用螺旋压榨脱水机进行污泥的机械脱水环节。螺旋压榨脱水机主要是利用有轴螺旋输送器在输送污泥过程中的剪切挤压作用来达到脱水的目的。脱水机由楔型圆筒形不锈钢滤网、内部有自清洗功能且梯度合理变化的变螺距压榨螺杆组成，25度角倾斜设计和安装，顶部出料，固体滤渣直接排入卸料。含固率大于0.5%的稀污泥与絮凝剂经管道混合器，再被送到絮凝反应器中。在絮凝反应器中装有垂直的楔形滤网，因此在静态水压力作用下，可达到较高与哦水效果。如图6-1所示流程66 微波辐射污泥系统设计图6-1螺压脱水机污泥处理工艺流程示意图表6-1典型压榨脱水的性能数据，进行全面的展示。表6-1螺旋压榨式脱水机的典型工作性能数据污泥名称浓度/%有机聚合体药剂含量/%泥饼含水率/%过滤速度/[kg/h]浮渣9-10阳离子0.34560-75污水厂4.5-5.5阳离子0.77475-90工业废水3-3.5阳离子2.5345-55纸浆污泥8-11阳离子0.25255-60凝结污泥6-9阳离子0.46630-40无机絮凝污泥13-17阳离子0.270140-160下水道污泥2.5-3.0阳离子0.77645-60使用螺压脱水对于固含量大于3%的污泥，实行一次脱水，干泥含量达20%-30%，回收率在80%左右，絮凝剂用量在1.5-4g/kg干泥；对于脱水性最高可达40%以上，原泥液体积最多可减少93%。选择RoS3型螺压脱水机作为机械脱水设备。处理过程中絮凝剂用量为2.5g/kg，处理后干污泥含量为28%，污泥脱水20%66 微波辐射污泥系统设计左右，源也体积减少90%。工艺计算：因为设计流量为Q=2000m3/d(83.3m3/h)，含水率为95%的污泥密度为1.04103kg/m3投加絮凝剂的质量为：此时含水率为76%，流量为Q=8.3m3/h。6.2离心分离的设计6.2.1离心机的结构及工作原理离心机是依靠固液两相的密度差，在离心力的作用下，加快固相颗粒的沉降速度来实现固液分离的。离心机的基本结构包括：进料管、输料螺旋、转股、轴承座、差速器、机座和机壳等，如图6-2所示。图6-2离心机结构转鼓前方设计有一个锥段，根据物料性质的不同，按照设定的速度高速旋转，物料在转鼓内壁以设计速度旋转，沿着转鼓壳体形成一同心液层，称为液环层。物料内所含的固体在离心力的作用下沉积到转鼓壁上，再通过螺旋的运转将干物料推出转鼓。转鼓的运转速度直接决定分离因数，而螺旋的速差则直接影响被输送到转鼓外的固体含水率，对处理量、停留时间和固体排出都有直接影响。66 微波辐射污泥系统设计6.2.2高干度离心机物理参数的确定(1)物理参数的计算①离心力是影响离心机运作的最主要参数。离心机内部的最大离心加速度是其半径和角速度的函数。常用的术语G-力或G-值常被用来代替加速。G-力的定义是离心机离心力是重力加速度的倍数。一个转鼓边缘位置的G-力近似计算公式为：G=(6-1)式中：G————重力；n————转鼓转速(rpm)；DB————转鼓内直径(m)。G==2073.6N②有效当量直径：(6-2)式中：——当量螺旋直径，m；——泥砂综合特性系数，取=0.07；——填充系数，取=0.5；——倾角系数，取1；γ——污泥表观密度，t/m3；Q——排泥沙量，t/h。D0=0.07×2.5=0.431m=431mm无中间悬挂轴承，螺旋轴直径与螺旋直径一般为，当螺旋轴跨度短或螺旋直径小时取小值，当螺旋轴跨度大时取大值。取=0.6。66 微波辐射污泥系统设计②螺旋轴径d及螺旋直径D(6-3)所以计算出D=0.44m，d=0.264m；考虑螺旋轴刚度和材料型号，取无缝钢管，查[金属及合金材料手册]，确定外径为273mm，厚度为10mm，每米重64.86kg。取标准:D=450mm，d=273mm。即：转股内直径为450mm，堰直径为300mm，排放固体口直径为300mm。(2)功率的计算①螺旋轴所需功率(6-4)式中：Q——污泥量，t/h；k0，k1——与填充系数有关的系数，k0=1.2，k1=0.8；——物料对料槽的摩擦系数，0.5；——螺旋效率；=；：螺旋面的升角，为20°；：物料与螺旋面的摩擦角，为10°，=0.63。=11.2kW②转股所需功率(6-5)式中：N2——转股轴所需功率，kW；K——功率备用系数，1.3；W——泥砂阻力系数，4；66 微波辐射污泥系统设计Lh——转股工作长度的水平投影长度，m。=76.5kW表6-2HTS高干度离心机规格和性能列表类型Z4E-3Z4E-4Z5E-4Z6E-4Z73-4Z92-4尺寸/mm298035004200480048155740100010001600170523502780120012001150150015001730总质量/kg26003000620092301100016200转股功率/kW15~2222~3745~8075~11090~132160~250螺旋功率/kW4~7.57.57.5~1515~2222~3030~45进料量/(m3/h)5~1815~3025~5040~7050~11080~150根据进料量以及功率的要求选择HTS型高干度离心机规格的Z5E-4。66 微波辐射污泥系统设计第七章三维模拟7.1三维模拟的概述在机械行业，三维机械设计软件的应用日益受到重视，特别是在新产品开发创新设计中显现出明显的优势，我在实际应用中深有体会。(1)应用三维软件，零件设计更加方便快捷使用三维系统，可以在装配环境中设计新零件，既方便又快捷，避免了单独设计零件导致装配的误差。还可以把零件造型的过程通过动画演示出来，使人一目了然。(2)在新产品开发创新设计中三维优势更加明显运用传统设计方法进行机械产品的创新设计是件十分困难的事情，而三维技术在方案设计阶段，充分利用专家系统，建立多种机构进行构型对比，立体感强、效果逼真，使创新设计有了科学的工具，更能激发设计人员的新颖构思。(3)应用三维软件可以直观验证设计的合理性在设计过程中，资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系，若装配不正确即予以显示，另外，零件还可以隐藏，在隐藏了外部零件的时候，可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示，对于有一定运动行程要求的，可检验行程是否达到要求，及时对设计进行更改，避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。(4)应用三维软件缩短了机械设计周期采用三维技术能够大幅度地提高设计效率。比如对产品进行改型或更改设计，部分零部件改动相关尺寸链上的大部分零部件都会自动改动相关尺寸，使设计的效率提高了3~5倍。(5)应用三维软件可以提高机械产品的设计技术和质量三维使机械设计更加科学和先进，如有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动仿真和优化设计等同时也保证了产品的设计质量，使设计更加合理和少出差错。(6)应用三维技术有利于设计团队成员之间的便捷沟通，集思广益工程设计人员都知道，一个大中型产品的设计不是一个人或是少数几个人能够完成的，三维技术使得设计人员之间的研讨交流更加直观和容易，有利于集思广益，充分发挥团队的力量，集体的智慧。66 微波辐射污泥系统设计三维设计软件是当今最先进的软件，计算机技术在设计中的应用已从以往的绘图发展到当今的三维建模、虚拟制造、智能设计及集成阶段。在发达国家与工程设计有关的各个领域得到了广泛应用。三维软件是工程师进行机械设计的现代化工具和科学方法，大大缩短了机械产品设计周期，提高效率、降低成本，提高设计质量。三维技术从根本上改变了机械设计的方法和质量，引进了现代设计理念对传统机械设计进行了创新式变革，意义重大而深远。7.2辐射系统三维模拟(1)磁控管的三维模拟截图图7-1磁控管的三维模拟图7-2谐振系统三维模拟66 微波辐射污泥系统设计(2)隧道式微波加热器模拟图7-3隧道式微波加热器(a)图7-4隧道式微波加热器(b)66 微波辐射污泥系统设计第八章结论与展望8.1结论本论文主要是按任务书的要求进行设计，了解污泥处理系统流程，以微波辐射处理为重点研究及设计。所设计的微波辐射系统主要包括：沉淀池的设计、泵和加药装置的选型、隧道式微波辐射设计、微波提取装置及离心分离机的设计。其中防微波泄漏为重要的设计要点，箱内结构设计馈能口；微波提取装置尺寸设计，压力校核。离心分离机的结构设计和理论设计。通过微波辐射污泥系统的处理，使污泥的含水率降低到60%左右，大大提高了污泥的脱水效果。并应用计算机绘制辐射系统总体结构图和微波发生装置零件图，手工绘制总体结构图。利用UGNX三维模拟等等。8.2微波辐射系统的展望对于环境领域中，目前污泥处理在我国污水处理占的比重很小，但是随着工艺的发展和处理的需要，污泥的处理的地位会不断地上升。目前主流的污泥处理方法都属于机械式，脱水的效率很有限，对于脱水效率和经济效益是未来所追求的目标。微波辐射仅仅应用于预处理，不久将来随着技术的不断革新，微波这种高效的改性脱水将普及和应用于工业及加工产业领域成为未来的主要处理工艺。对于本设计由于时间和能力的限制，还存在许多不足之处，有待于今后做更深一步的研究：(1)尝试设计出可变化功率的微波辐射系统，达到多频段的处理。(2)设计可适用于多种处理量的系统，即节能又节约成本。(3)希望通过模型实验数据，更客观的去改善处理系统中的偏差和各种情况的实际处理。66 微波辐射污泥系统设计参考文献[1]申荣艳,骆永明,滕应,等.城市污泥的污染现状及其土地利用评价土壤[J].2006,38(5):517-524[2]田禹,方琳,黄君礼.微波辐射预处理对污泥结构及脱水性能的影响[J].中国环境科学,2006,26(4):459-463[3]陈家庆.环保设备原理与设计[M].第二版.北京:中国石化出版社,2010.379-380[4]张永林.微波加热系统的组件功能与结构[J].武汉食品工业学院学报,1999,(2):40-43[5]李延吉,李润东,冯磊,等.基于微波辐射研究城市污水污泥脱水特[J].环境科学研究,2009,22(5):544-548[6]倪丙杰,徐得潜,刘绍根.污泥性质的重要影响物质—胞外聚合物(EPS)[J].环境科学与技术,2006,29(3):108-110[7]尹小延,曾科,司琼磊.微波能对化学污泥脱水性能的影响[J].CHEMICALENGINEERINGDESIGN,2009,19(6):42-46[8]谢敏,施周,刘小波,等.微波辐射对净水厂污泥脱水性能及分形结构的影响[J].环境化学,2009,28(3):418-421[9]张鑫,矫健,董平.微波干燥脱水污泥性质变化及分析[J].JournalofShandongUniversityofScienceandTechnologyNaturalScience,2010,29(3):58-63.[10]邹继兆,曾燮榕,熊信柏,等.微波高温加热真空系统的研制[J].微波学报,2006,22(6):66-70[11]吕斌,王弘宇,杨小俊.污泥脱水性能调理技术研究进展[J].山西建筑,2009,35(9):180-182[12]王鹏.环境微波化学[M].北京,化学工业出版社,1994.55-70[13]冯垛生,张亚婉,等.微波技术在工业生产和医疗中的应用[M].北京,中国电力出版社,2009.1-41[14]邹宗柏,博大放,张璐.用微波辐射消除磺基水扬酸污染物[J].环境污染于防治,1999,21(1):22~24[15]杨秋华.微波介电效应在化学合成中的应用[J].化学工业与工程,1994,1:17~26[16]徐勇,陈克巧.国内微波化学应用研究现状及进展[J].上海化工,1995,23(2):56—59[17]周秀琴.微波加热在食品加工中的应用[J].今日科技,1994,(9):48—49[18]范永平.难处理乳化油微波破乳—离心分离技术研究[D]:[博士学位论文].66 微波辐射污泥系统设计北京科技大学:北京科技大学,2006[19]EwaWojciechowska.Applicationofmicrowavesforsewagesludgeconditioning[J].WaterResearch,2005,23(39):4749-4754.[20]AndrewJ.Johnson,Boulder,RobertD.Petersen,andsoon.MicrowaveHeatingApparatusandMethod[P].UnitedStates,4940865，1990.1.10[21]JohnRobinson,SamKingman,ColinSnape,andsoon.MicrowaveTreatmentofOil-ContaminatedDrillCuttingsatPilotScale[J].SPEDrilling&Completion,2009,30(25):431-435[22]JanuaryB.Bien,EdwardS.Kempa,JurandD.Bien.Influenceofultrasonicfieldonstructureandparametersofsewagesludgefordewateringprocess[J].ScienceandTechnology,1997,36(4):287-291[23]LORENSON,C.:Thewhy’sandhow’sofmathematicalmodellingformicrowaveheating[J],MicrowaveWorld,1990,2(1):14-2266 微波辐射污泥系统设计致谢本文的研究工作是在导师周翠红教授的悉心指导下完成的。从论文的选题到研究过程中，无不倾注了大量的心血。老师严谨的治学态度、渊博的知识、活跃的学术思想、诲人不倦的师德让我终生受益。我所取得的每一点进步都浸透着老师的心血和智慧，在此毕业之际，我特向导师表示衷心的感谢和诚挚的敬意。在课题的研究过程中，自始自终得到了导师的指点和热心帮助，在此表示衷心的谢意。感谢环境系所有老师对我学习和生活上的关心及帮助，让我感受到了无比的温暖。感谢学校图书馆提供相关书籍借阅以及电子图书的查阅。感谢天工网、环卫科技网、筑龙网等网站中的相关专业知识资料和应用软件。感谢和我一期走过四年风风雨雨的同学们，是你们让我拥有了如此美好的大学生活！66 微波辐射污泥系统设计声明本人郑重声明：所呈交的学位论文(毕业设计说明书)，是本人在导师指导下，独立进行研究(设计)工作的总结。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。签名：日期：年月日66 微波辐射污泥系统设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：　　　　　日　期：　　　　　指导教师签名：　　　　　日　　期：　　　　　使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：　　　　　日　期：　　　　　66 微波辐射污泥系统设计学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日66 微波辐射污泥系统设计致谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。致谢四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后，我要特别感谢我的导师刘望蜀老师、和研究生助教吴子仪老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。66