微波輻射污泥系統(tǒng)畢業(yè)設計

1、密 級公開學 號070386畢 業(yè) 設 計(論 文)微波輻射污泥系統(tǒng)設計62 / 72石油化工學院學位論文授權使用協(xié)議論文微波輻射污泥系統(tǒng)設計系本人在石油化工學院學習期間創(chuàng)作完成的作品，并已通過論文答辯。本人系作品的唯一作者，即著作權人。現本人同意將本作品收錄于石油化工學院學位論文全文數據庫。本人承諾：已提交的學位論文電子版與印刷版論文的容一致，如因不同而引起學術聲譽上的損失由本人自負。本人完全同意本作品在校園網上提供論文目錄檢索、文摘瀏覽以與全文部分瀏覽服務。公開級學位論文全文電子版允許讀者在校園網上瀏覽并下載全文。注：本協(xié)議書對于非公開學位論文在期限過后同樣適用。院系名稱：機械工程學院作者

2、簽名：學 號：2011 年 月 日畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導教師簽名： 日期：使用授權說明本人完全了解大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論

3、文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳?。作者簽名： 日 期：學位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機

4、構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大學可以將本學位論文的全部或部分容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日北 京 石 油 化 工 學 院畢 業(yè) 設 計 (論 文) 任 務 書學院(系) 機械工程學院 專業(yè) 環(huán)境工程 班級 環(huán)071 學生指導教師/職稱 周翠紅 / 副教授 1.畢業(yè)設計(論文)題目微波輻射污泥系統(tǒng)設計2.任務起止日期：2011 年 2 月 21 日 至2011 年 6 月 19 日3.畢業(yè)設計(論文)的主要容與要求(1) 課題簡介由于

5、污泥產生量大、脫水困難，微波輻射污泥系統(tǒng)作為一種污泥改性脫水較為有效的處理方法被廣為使用。適當的微波輻射功率通過高頻電磁場作用引起帶電污泥顆粒的加速運動、相互碰撞，促使污泥結構脫穩(wěn)；同時微波輻射引起污泥中產生的溫度梯度，破壞了結合水與污泥胞外聚合物之間的結合力，從而改善了污泥的脫水性能。(2) 任務與要求本課題以微波輻射處理污泥脫水為重點容，設計微波輻射污泥系統(tǒng)、通過試驗得到高效的數據材料應用實際污泥脫水。綜合運用知識，搜集并運用資料，調查研究，外語閱讀與翻譯，繪圖，運算，上機軟件操作，技術經濟分析。(3) 預期培養(yǎng)目標本題目指導思想明確，選題密切跟蹤國外行業(yè)最新研究動態(tài)，能夠使學生的文獻查閱

6、能力、英文文獻翻譯能力以與計算機綜合應用能力等得到很好的訓練與培養(yǎng)。(4) 應提交的成果檢索資料：中文文獻不少于10篇，英文文獻不少于4篇； 開題報告或文獻綜述；微波輻射系統(tǒng)的設計計算； 設計圖紙；按照校方規(guī)定格式的畢業(yè)設計(論文)裝訂本。4.主要參考文獻1, 潤東, 磊, 等. 基于微波輻射研究城市污水污泥脫水特J. 環(huán)境科學研究, 2009, 22(5): 544-5482敏, 施周, 小波, 等. 微波輻射對凈水廠污泥脫水性能與分形結構的影響J.環(huán)境化學, 2009, 28(3): 418-4213 永平. 難處理乳化油微波破乳離心分離技術研究D: 博士學位論文. 科技大學, 20064

7、Ewa Wojciechowska. Application of microwaves for sewage sludge conditioningJ. Water Research, 2005,23(39): 4749-47545Andrew J.Johnson, Boulder，Robert D. Petersen, etal . Microwave Heating Apparatus andMethodP. United States, 4940865, 1990.1.105.進度計劃與指導安排第1周 接受題目，校文獻查閱，著手撰寫文獻綜述；第2周 校外文獻查閱，翻譯與本題目有關的英文

8、資料，撰寫文獻綜述；第3周 撰寫修改文獻綜述，按照規(guī)定格式上交Word打印版，準備開題報告；第4周 確定總體結構(隧道式)、流程設計；第5周 確定隧道式微波輻射基本結構和參數設計計算；第6周 設計計算物料性質、輻射時間、輻射強度；第7周 檢驗設備結構設計是否符合整體流程設計要求；第8周 上機繪圖CAD，運算；第9周 上機編程與軟件操作；第10周 撰寫論文；第11周 繪制圖紙流程圖；第12周 繪制圖紙裝配圖；第13周 檢查與修改圖紙；第14周 最終修改論文并提交；第15周 整理資料，制作幻燈片；根據指導教師、評閱教師意見修改論文與幻燈片；第16周 答辯與相關準備工作；根據答辯小組意見修改并上交畢

9、設資料。任務書審定日期年月日 系(教研室)主任(簽字)任務書批準日期年月日 教學院(系、部)院長(簽字)任務書下達日期年月日 指導教師(簽字)計劃完成任務日期 年月日 學生(簽字)摘 要隨著城市人口的增長、經濟的發(fā)展和居民生活水平的不斷提高，污泥的處理在城市污水處理領域越來越受到關注。因此，對污泥采取微波輻射的預處理可以實現污泥的改性進而提高了污泥的脫水量與脫水效率，代表著成為今后處理城市污水的發(fā)展趨勢。本論文為微波輻射污泥系統(tǒng)設計，主要包括：機械處理、微波發(fā)生、諧振腔加熱、微波提取等。根據流量參數進行系統(tǒng)構筑物的設計與選型，并對主體構筑物進行結構設計與理論計算。其中微波處理主要選用的是隧道式

10、微波加熱器和微波提取器，其主要優(yōu)點有處理污泥量大、可連續(xù)性操作、經濟性好等。結構設計主要包括隧道式箱體尺寸、防漏部件、磁控管的選型、波導管選型、微波提取罐尺寸與壓力校核的設計。機械處理主要設計了臥式離心分離機的尺寸，對離心機的尺寸、功率、效率進行了理論計算。采用微波輻射技術預處理污泥，很好的進行了污泥的改性脫水，達到高經濟、高效的處理目標正是要在污泥處理過程中要不斷完善和改進的方向。關鍵詞：污泥，微波，隧道式，離心分離AbstractWith the urban population growth, economic development and continuous improvement

11、 of living standards, the processing of sludge is more and more subjected to concern in wastewater treatment realm in the city. Therefore, adopt preparing of microwave radiation to the sludge the processingcarry out the changing of dirty sludge , dehydration and heat these three varieties,raised the

12、 dehydration quantity and dehydration efficiency of dirty mire, represented to become to will handle the development trend of sewage in the city from now on.This sludge system design for the microwave radiation, including: mechanical treatment, microwave occurred cavity heating, microwave extraction

13、. Traffic parameters according to the design and selection of the system structures, and structural design of the main structures and theoretical calculations. Where the main choices are the microwave treatment tunnel microwave heater and microwave extractor, the main advantage of dealing with large

14、 amount of sludge can be a continuous operation, and good economy. Structurals design include: tunnel box size, leak-proof components, selection of the magnetron, wave guide selection, microwave extraction pressure check size and irrigation design. Mechanical treatment mainly horizontal centrifuge d

15、esign size, the centrifuge time, power, efficiency theory.Pretreatingsludge by microwave radiation technology, good for the modification of sludge dewatering to achieve high economic and efficient treatment goals is what we in the sludge treatment process to continuously refine and improve the direc

16、tion.Key words：sewage sludge, microwave radiation, tunnel, centrifuge目 錄第一章 前言11.1選題背景11.2研究意義21.3文獻綜述21.3.1污泥處理手段21.3.2國微波研究應用現狀31.3.3國外微波研究應用現狀51.4研究的基本容，擬解決的主要問題71.4.1研究的基本容71.4.2擬解決的主要問題8第二章 微波輻射的理論基礎92.1微波輻射的基本原理92.1.1微波的概述92.1.2微波處理的理論概述102.2微波輻射的特點112.2.1微波的特性112.2.2微波處理的優(yōu)點122.3微波輻射的結構132.3.1

17、微波輻射系統(tǒng)介紹132.3.2微波輻射系統(tǒng)的結構14第三章 污泥前處理系統(tǒng)163.1系統(tǒng)設計參數163.2沉淀池的設計163.2.1沉淀池的設計說明163.2.2主要尺寸的設計計算163.3加藥裝置183.4設備選型193.4.1泵的選取193.4.2水處理系統(tǒng)管道的選取21第四章 微波輻射發(fā)生裝置234.1磁控管234.1.1磁控管結構234.1.2磁控管選型244.2波導器件264.2.1波導管的設計264.2.2波導的連接294.3微波加熱器30第五章 微波輻射系統(tǒng)結構設計315.1設計步驟315.2隧道式箱形微波輻射系統(tǒng)設計315.2.1微波輻射的基本關系式315.2.2隧道式箱型微波

18、加熱器設計的一般原則335.2.3隧道式微波輻射主要尺寸設計355.2.4漏能抑制器的設計385.3微波提取裝置415.3.1微波提取器的設計415.3.2壁厚的計算425.3.3封頭的結構設計435.3.4控制系統(tǒng)445.4工藝的設計計算455.4.1停留時間455.4.2微波功率455.4.3加熱功率的計算465.5經濟效益的計算48第六章 污泥后處理系統(tǒng)設計506.1螺旋壓榨選型506.2離心分離的設計526.2.1離心機的結構與工作原理526.2.2高干度離心機物理參數的確定53第七章 三維模擬567.1三維模擬的概述567.2輻射系統(tǒng)三維模擬57第八章 結論與展望598.1結論598

19、.2微波輻射系統(tǒng)的展望59參 考 文 獻61致 63聲 明64第一章 前言1.1選題背景隨著中國環(huán)境治理力度的加大，污泥處理能力的提高，截止到上世紀90年代，中國40個城市有78座污水處理廠；2000年超過400個污水處理廠如雨后春筍般冒出；到2010年，這個數字變成驚人的2389個。在城市污水和工業(yè)廢水的處理過程中，現在通行的污水處理技術是通過微生物的代作用與物理化學方法，將污水中的污染物大量轉移到剩余污泥中，其實質是污染物的相轉移，即可溶性的污染物變成不可溶的固體1。在水質得到凈化的同時，污水中的污染物質作為污泥被分離出來?？梢哉f，污泥就是濃縮的污染物質。城市污泥它實際上是由污水中的懸浮物

20、、微生物、微生物所吸附的有機物以與微生物代活動產物所形成的聚集，一般是介于液體和固體之間的濃稠物，可以用泵輸送，但難以用沉降方法進行固液分離2。中國目前一年的干污泥的產量為900萬噸，占總垃圾產量的0.3%，而且每年以10%以上的速度遞增，污泥處理不當會造成二次污染。污泥的主要污染1在于污泥是一種既含有大量N、P、K等養(yǎng)分資源，又含有重金屬、有機污染物和病原物等有害物質的混合物。濕污泥含水量高達80%；而且有機質含量高，同時N、P、K含量高于農用含量不適宜堆肥同時病菌、微生物會導致污泥發(fā)臭。含水率過高不能進行堆積，堵塞滲瀝影響排水。污泥變質產生的甲烷等溫室氣體4。目前，污泥的主要處置方式有填埋

21、、焚燒、土地利用和綜合利用等污泥處置方法中，污泥脫水是最重要的前處理過程，高效脫除污泥中的水分，成為經濟、高效處理污泥的瓶頸。污泥脫水特性與污泥本身的理化特性有關2，如胞外聚合物(Extracellular polymeric substance，EPS)的存在直接影響著污泥的脫水性能，EPS主要由DNA、蛋白質和多聚糖組成，當解體時部物質會釋放，調質處理技術會破壞胞外聚合物結構，可通過測定濾液中胞外蛋白質含量和胞外糖含量、濾液中COD的變化間接說明EPS的結構變化，EPS的形態(tài)也會受到調質技術的影響。在短時間破壞污泥穩(wěn)定結構，明顯改善污泥脫水性。微波輻射引起EPS擴散，污泥顆粒脫穩(wěn)時，污泥脫

22、水性開始有所改善；微波輻射引起污泥EPS進一步擴散與細胞壁開始破壞的初始階段污泥脫水性最佳；過量微波輻射引起微生物細胞壁結構過度破壞、胞物質大量溢出，進而破壞污泥脫水性。微波作為一種新型高效無污染能源已在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學以與家庭等領域獲得廣泛應用。而微波技術與污泥處理相結合，解決脫水、改性等問題，尚處于研究與試驗階段，但其清潔、高效、無污染的特點，將可能使微波技術在工業(yè)脫水干燥領域中獲得廣泛應用。1.2研究意義我國城市污水處理廠污泥處理起步較晚，全國現有污水處理設施中有污泥穩(wěn)定處理設施的還不到1/4，處理工藝和配套設備較為完善的還不到1/10。污泥處理部分只是簡單的進行濃縮脫水外運，其中存在許

23、多問題。普遍的運用較為成熟的污泥預處理方法：沉降、壓榨等方法。隨著微波領域的不斷延伸，微波處理污泥作為先進的預處理污泥手段，應用到污泥處理過程中。污水污泥的處理在城市污水處理領域越來越受到關注，由于水是吸收微波最好的介質，微波處理技術具有節(jié)能高效、均勻加熱、常規(guī)加熱、降解有機物、低溫殺菌的特性，特別是低溫殺菌提供了一種能夠較多保持污泥營養(yǎng)成分的加熱殺菌方法，順應了污泥農用的發(fā)展趨勢。目前，較為新穎、頗受關注的方法是采用微波輻射技術，這種技術目前已應用工業(yè)的干燥脫水等過程，如何更好的設計微波輻射污泥，達到經濟、高效的處理目標也是需要考慮到的問題。1.3文獻綜述1.3.1 污泥處理手段污泥中所含水

24、分形態(tài)，盡管不同的文獻有不同的分類3，但一般都認為有4種存在形態(tài)如圖1-1，即間隙水、毛細結合水、表面吸附水和部結合水。圖1-1 污泥中賦存水結構不同性質的污泥脫水的難易程度差別很大，應根據其脫水性能，選擇合適的方法，才能取得良好的效果。因此，測定污泥的脫水性能，對選擇脫水方法具有重要意義(如表1-1)。表1-1 污泥中水分與其處理方法列表3類別存在位置約占總水分的比例處理方法描述備注游離水或間隙水污泥顆粒之間65%-85%污泥濃縮吸附水和結合水只有通過高溫加熱或焚燒等方法，才能將這兩部分水分離出來毛細水污泥顆粒間的毛細管15%-20%機械脫水吸附水吸附在污泥顆粒上10%濃縮或機械脫水方法均難

25、以分離結合水污泥顆粒部10%改變污泥顆粒部結構污泥調質是污泥濃縮和機械脫水前的處理，包括化學法、加熱法、淘洗法、冷凍法和加骨粒法等。新型調質技術主要是超聲、微波、熱水解、磁場、電滲透、生物絮凝等，但是新型調質技術沒有廣泛投入工業(yè)化使用，更為重要的是調質技術的使用將會對后續(xù)的脫水工藝與設備有較大的影響作用，需要掌握好調質技術對污泥性質的影響程度，使其切實對機械脫水起到促進作用。1.3.2 國微波研究應用現狀敏、施周等對污泥在2450MHz微波作用下的調質效果進行了研究8。污泥比阻隨著微波功率的增大和輻射時間的增長而下降。超膠體顆粒的數量是影響污泥性能的重要因素，超膠體顆粒所占的比例愈少，脫水性能

26、愈好。田禹等在對污水污泥微波輻射預處理的研究中也發(fā)現了類似的現象：帶負電的污泥在微波高頻率電磁場中，出現顆粒粗大化現象微波輻射處理后污泥的顆粒粒徑與間隙明顯增大。微波可以減少污水污泥中超膠體顆粒的數量，進而改善污泥的性質。微波輻射預處理對污泥沉降、過濾脫水性能的影響，并從粒度分布、污泥胞外聚合物(EPS)組分含量的變化解析相關機理，同時探討微波輻射微生物EPS組分對污泥脫水性改善作用7。鄒繼兆等10在2006年在微波加熱原理的基礎上，根據具體的實驗要求，介紹了一套自行設計的多模諧振腔微波高溫加熱真空系統(tǒng)如圖1-2。圖1-2 微波加熱系統(tǒng)結構框圖工業(yè)用微波源的工作頻率通常為2450MHz、915

27、MHz這兩種。波導用來將微波按一定的方式導入微波加熱腔；由于該系統(tǒng)設計要在真空或氣氛保護條件下的高溫加熱，在腔體上設有氣體導入導出口，出口與真空泵連接；在整個加熱過程中，從升溫到保溫、降溫都需要根據工藝來控制，這一過程通過程控系統(tǒng)控制微波功率來實現4。圖1-3 真空微波加熱系統(tǒng)的基本結構如圖1-3該反應器的主體是由金屬壁封閉的多模矩形諧振腔10；為了能使樣品能快速加熱，并達到一定的高溫，密封諧振腔設有透波保溫層；為使微波腔體中心處場強密度最大，達到中心處加熱效果最佳，在諧振腔外設三組正交排列的微波管，微波管前的諧振腔上設有透波密封窗，微波腔上設有抽氣口和進氣口，抽氣口與真空泵連接，進氣口與充氣

28、系統(tǒng)連接。1.3.3 國外微波研究應用現狀目前21世紀，眾多學者通過實驗研究了輻射技術對污泥脫水特性的影響19。水是微波加熱的良好載體，波蘭學者Ewa Wojciechowska研究了微波改性對污泥脫水性能的促進作用，研究結果表明對于未經消化的污泥效果較好，微波與絮凝劑同時使用的效果優(yōu)于這兩種方法的單獨使用，使用微波改性技術后明顯增加污泥懸浮液體中的BOD5和COD含量。污泥微波加熱技術在實際生產已經有成功應用，另外微波改性技術在原油脫水、降粘方面有著較好的效果，在污泥改性脫水方面的應用潛力較大。早在20世紀70年代，在德國首先安裝了用于污泥消毒的輻射裝置，微波輻射裝置逐漸被用于污泥加熱，促進

29、污泥的消化和金屬離子的去除等方面。20世紀90年代初，國外學者開始將微波技術引入污泥的處理，其技術優(yōu)勢表現為加熱速度快、熱效高、熱量立體傳遞、設備體積小等。在1990年的時候Andrew J.Johnson， Boulder，Robert D.Petersen等人已經申請專利如圖1-4所示，研發(fā)了微波輻射加熱儀器：其中包括一個鼓，一個轉盤，一個升降臺，透視孔，通風諧振腔，螺旋給料機和供應材料20。一個簡單諧振腔適合用于加熱廢料和調整，以便把容器的材料容易進入系統(tǒng)，并要求從諧振腔清除廢氣。另一項發(fā)明的目的是提供一個微波加熱系統(tǒng)，不需要復雜的調節(jié)設備。另一個目的是提供一個微波加熱系統(tǒng)，并提供了廢氣

30、諧振腔中停留時間相對較短的灰塵。主要對于一個特性的廢棄物處理問題，其中最特殊的是有關放射性廢棄物的處理。在核工業(yè)的生產用水中可能包含放射性超鈾同位素。從水中分離這些物質并用水合氫氧化物濃縮他們，使他們析出的過程。由于這個步驟，超鈾同位素將從水淤泥中分離，出現在固態(tài)氫氧化物或氧化物中。這將是非?？扇〉恼T捕和濃縮淤泥中的廢氫氧化物和氧化物，從而進一步減少他們的體積。此外，這個方法另一個可取的地方是將廢氣的水溶物質轉變?yōu)楦稍锏奈镔|。因此，本發(fā)明能夠提供一個簡單合適的共振腔為加熱廢物變得容易轉運，同時也更容易維修系統(tǒng)，能有效的處理廢氣。圖1-4 微波加熱裝置國外應用微波輻射進行預處理如圖1-5所示，微

31、波處理應用于鉆井的油水土混合物的分離23。此圖為國際石油工程師協(xié)會(SPE)發(fā)布的微波預處理鉆井廢棄物處理裝置。設備運行時首先由微波發(fā)生器發(fā)生微波，經饋能裝置輸入微波加熱器中；物料由傳輸系統(tǒng)送至加熱器中，此時物料中的水分在微波能的作用下升溫蒸發(fā)，水蒸氣通過抽濕系統(tǒng)排除而達到干燥的目的。由于微波是直接作用于物料，所以脫水效果好、干燥溫度低、速度快，有效成份的損失很小。圖1-5 連續(xù)處理鉆井廢物裝置概要圖圖1-5工藝運行過程：鉆井采出廢物經過機械壓榨處理，進入傳送帶進入諧振腔微波處理。微波腔兩邊反射抗流圈：1.用來反射電磁波防止泄露；2.擴大輻射的區(qū)域圍充分覆蓋傳送帶空間。在反射圈和諧振腔充入氮氣

32、，也是預防泄露的一種防措施。通過諧振腔改性加熱處理，會有水蒸氣和油氣產生通過收集裝置匯集冷卻，分離含油水。鉆井廢物處理完成，固體廢棄物進行后續(xù)處理。實現了預處理效果，提高了油-水-土壤三項分離。微波源通過此磁控管產生多諧振蕩波，通過波導進行傳輸，波導運用空心形狀防止微波的衰減。經過放大器提高微波頻率增強家人處理效果。國外在傳統(tǒng)的工藝上進行改進22，如圖1-6為多模態(tài)的微波加熱系統(tǒng)。圖1-6 微波加熱裝置示意圖(a)基本多模態(tài)系統(tǒng)(b)模組的多箱系統(tǒng)多模態(tài)的震蕩發(fā)生器是由一個通過繞在微波信號發(fā)生器槽中的金屬線圈組成，如在圖1-6a中所表示的那樣。微波的疊加和反射會導致一個新的駐波圖形和方式。在一

33、個已知頻率帶，如震蕩發(fā)生器，能夠維持一定數量的共振模。此工藝在傳統(tǒng)的單模發(fā)展到多模態(tài)。其特點為腔設計為4個磁控管均勻分布在腔體壁上，同時裝有末態(tài)攪拌器進行微波攪拌。加工材料經過運送裝置通過腔體，在吸收微波裝置的保護下防止微波泄漏。大大提高了處理效率成功改進了傳統(tǒng)的工藝技術。1.4研究的基本容，擬解決的主要問題1.4.1 研究的基本容本課題以微波輻射處理污泥脫水為重點容，設計微波輻射污泥系統(tǒng)在污泥處理的環(huán)節(jié)中的位置，以隧道式微波輻射污泥脫水為參考進行設計，主要容如下：(1)比較國外各種微波輻射裝置的結構特點。(2)以隧道式微波輻射為設計要求，設計輻射系統(tǒng)的結構尺寸、磁控管、波導管和諧振腔系統(tǒng)。(

34、3)繪制流程圖、裝配圖以與零件圖。(4)使用UG NX軟件對主要部件，特別是諧振箱和波導管進行三維實體模擬。1.4.2 擬解決的主要問題(1)如何在設計中實現隧道式連續(xù)微波輻射的要求。(2)脫水過程中的流量、密封等問題。(3)輻射強度、輻射時間、添加劑投放進行設計計算。第二章 微波輻射的理論基礎2.1微波輻射的基本原理2.1.1 微波的概述“微波”也稱超高頻，通常是指波長為1m到1mm圍的電磁波，對應的頻率圍為300MHz到300GHz，它介于普通無線電波與紅外線之間，在使用中為了方便將它分為分米波，厘米波和毫米波。一般用一些更狹窄的具體波段名稱，如10cm波段 (S波段)，5cm波段 (C波

35、段)，3cm波段 (X波段)，1.25cm波段(K波段)與8mm波段 (Q波段)等12。其中波段的微波測量系統(tǒng)是一般實驗室中所常見的。微波中常用的頻率單位為GHz。具體劃分如下表2-1所示。表2-1 波段列表波段代號頻率圍/GHz標稱波長/cmL1.0-2.022S2.0-4.010C4.0-8.05X8.0-12.53K18.0-27.01.25Q27.0-40.00.8微波輻射處理時，伴隨著電磁波向材料部的穿透，有一個電磁能自動向部的傳遞過程，材料吸收微波能量是外部與表面同時進行的，可以認為微波加熱是一種體加熱。微波對物料除了上述的加熱作用外，還存在所謂的“非熱效應”，反應體系溫度在遠低于

36、常規(guī)加熱溫度時，與常規(guī)加熱具有一樣的產率或更快的化學反應速度；而且有時還伴有新物質生成；在常規(guī)加熱條件下不能進行或很難進行的化學反應，在微波作用下變得可行。2.1.2 微波處理的理論概述眾所周知，微波是一種電磁波，簡單的說它是以一種電場和磁場直交的方式，交變地向周圍傳播13。這種電磁場狀態(tài)可用麥克斯韋方程式來描述，用MKS(米千克秒)制量綱表示的一組用矢量表示的方程組 (2-1)式中：D電磁場密度(電位變化)；B磁通密度；電荷電量；J電流；H磁場強度；E電場強度；div和rot用矢量表示的微分。此外被加熱物體的物理特性，亦可表示為： (2-2) (2-3) (2-4)式中：介電常數；磁導率；電

37、導率；初始電流。當在介電體上加微波電場后產生 (2-5)此時，電位變化D與靜電場E成正比，微波頻率增高，D相對于E產生滯后相位角，即 (2-6)如果只看其實數部分，對于，產生 (2-7)如果用Maxwell方程式中的的公式解釋，上式第一項可看為傳導電流，而第二項則表示由于電磁場密度變化而產生的電位變化電流。微波損耗公式可表示為 (2-8)用E與其同相位電流成分相乘即為功率L(w)，可表示為 (2-9)再從E和D之比加以考慮，亦即，通過介電系數和相位差的關系這樣，微波產生的電耗L即可為 (2-10)以上系數均為研究微波處理時的重要參數和設計標準。2.2微波輻射的特點2.2.1 微波的特性微波的基

38、本性質通常呈現為穿透、反射、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波。但若微波作用于非金屬的介電體，由介電體特性所決定微波將被吸收、滲透，產生高頻電場和磁場。(1) 介電發(fā)熱效應13。如圖2-1(a)所示的介電體，其中“+”離子和附近的“-”電子成對存在，這些電子對緊密的結合，相互間不起作用，介質的整體對外界來說電場強度為零。但若如圖2-1(b)加上很強的電場，則正負電子對立即會重新排列。若改變電場方向則電子對將按圖2-1(c)反向排列。如果電場是交變且為高頻的，則分子的電子對頻繁的轉動或振動將會因摩擦產

39、生熱量。圖2-1 在微波電場作用下的分子運動(2) 微波的浸透深度。在實際應用中出現一種現象，就是被加熱的物料介質有些能加熱透徹，有些加熱不透徹，其原因是存在一個投射能力和加熱深度問題，即穿透能力問題。穿透能力就是指電磁波穿入到介質部的本領。電磁波從介質的表面進入并在其部傳播時，由于能量不斷地被吸收并轉化為熱能，他所攜帶的能量就隨著深入介質表面的距離，以指數形式衰減。投射深度指的是材料部功率密度為表面能量密度的1/e或36.8%出算起的深度D。2.2.2 微波處理的優(yōu)點(1) 加熱速度快常規(guī)加熱(如火焰、熱風、電熱、蒸汽等)都是利用熱傳導、對流、熱輻射將熱量首先傳遞給被加熱物的表面，再通過熱傳

40、導逐步使中心溫度升高(即常稱的外部加熱)。它要市中心部位達到所需的溫度，需要一定的熱傳導時間，而對熱傳導率差的物體所需的時間就更長。微波加熱則屬于部加熱方式，電磁能直接作用于介質分子并轉換成熱，且透射使介質外同時受熱不需要熱傳導，故可在短時間達到均勻加熱。(2) 加熱均勻用外部加熱方式加熱時，為提高加熱速度，就需升高外部溫度，加大溫度梯度，但隨之會產生外焦熱現象。微波不論形態(tài)如何，都能均勻滲透，產生熱量，因此加熱狀況大大改善。(3) 節(jié)能高效不同物料對微波有不同的吸收率。含有水分的物質容易吸收微波能，玻璃、瓷、聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等則很少吸收微波，金屬反射微波，這些物質都不能被微波加熱。微波

41、加熱時，被加熱物料一般都是放在用金屬制成的加熱室，加熱室對電磁波來說是個封閉容器，電磁波不會泄露，只能被加熱物體吸收。容器的環(huán)境和箱體都不會被加熱，故微波加熱效率很高。(4) 易于控制微波功率的控制由開關、旋鈕調節(jié)，即開即用，無熱慣性，功率連續(xù)可調，已與自動化。(5) 選擇性加熱不同性質的物料對微波的吸收損耗不同，而微波具有選擇性加熱的特點，這對處理過程有利。因為水分子對微波的吸收損耗最大，所以含水率高的部分，吸收微波功率高，達到破壞成分的作用。通過這一特點合理制定微波處理的預處理的加工工藝。(6) 安全無害微波不屬于放射性射線，又無有害氣體排放，是一種十分安全的處理技術。從微波治療開始，推廣

42、應用到食品、皮草、紙、木材等輕工業(yè)產品的加工方面以與農業(yè)生產上的烘干、種子處理等方面。在科學研究，特別是污泥處理的研究上也將展現其獨特的應用。2.3微波輻射系統(tǒng)結構2.3.1 微波輻射系統(tǒng)介紹如圖2-2所示將微波技術引入污水污泥的處理，其技術優(yōu)勢表現為加熱速度快，熱效高，熱量立體傳遞，設備體積小等。進行相關經濟分析后指出，微波技術將由于經濟上原因受到限制用于污水污泥的預處理。圖2-2 微波預處理流程由于污泥的含水率很高(一般含水率在95%-98%圍之間)，為了更好的進行污泥的后期處理，引入微波技術提高了脫水的效果。圖2-2所示的為帶有微波預處理的污泥處理系統(tǒng)。從污水處理廠出來的污泥流動性很大，

43、通過粗細隔柵去除大量懸浮物。進入調節(jié)池投入添加劑硅藻使污泥絮凝，經過機械螺旋壓榨脫水后進行絮凝劑的再次投放。進入到微波諧振腔中進行微波的輻射處理，改變污泥的性質，絮凝污泥脫水升溫。進入到后續(xù)的一次沉淀、二次沉淀過濾到最后的壓榨與輸出。2.3.2微波輻射系統(tǒng)的結構典型的工業(yè)微波輻射系統(tǒng)如2-3圖示。系統(tǒng)基于三個主要的構件。第一個就是提供微波發(fā)生的電源裝置。第二就是微波發(fā)生裝置，以與是微波的傳輸和釋放裝置。最后第三個主要組成部分是控制電路優(yōu)化和規(guī)的微波加熱器的整體表現。電源供給微波發(fā)生器能源制造一定頻率的微波，波導用來將微波按一定的方式導入微波加熱腔；由于該系統(tǒng)設計要在真空或氣氛保護條件下的高溫加

44、熱，在腔體上設有氣體導入導出口，出口與真空泵連接；在整個加熱過程中，從升溫到保溫、降溫都需要根據工藝來控制，這一過程通過程控系統(tǒng)控制微波功率來實現。圖2-3 典型微波系統(tǒng)第三章 污泥前處理系統(tǒng)3.1.系統(tǒng)設計參數系統(tǒng)按運行時間為12h/d，將污泥經過系統(tǒng)脫水后，使得污泥含水率降低到6%左右，干污泥約為15t/h備處理能力為2000m3/d(即83.3m3/h)。依據設計參數，假設溫度提升速度為10/min，微波輻射時間為2min，得出溫度變化，設計處理功率為5kW。3.2 沉淀池的設計3.2.1沉淀池的設計說明根據結構與運行方式的不同，沉淀池可分為普通沉淀池和淺層沉淀池(斜板與斜管沉淀池)兩大

45、類；按照水災池的總體流向，普通沉淀池分為平流式、輻流式、和豎流式三種。本設計采用平流式沉淀池。其池表面呈長方形，污水從池的一端流入，按水平方向在池流動，澄清的污水從另一端溢出，在進水口處的底部設有貯泥斗。平流式沉淀池的優(yōu)點有：污水在池流態(tài)特性比較穩(wěn)定，沉淀效果好；對沖擊負荷和溫度變化的適應能力較強；施工簡單，設備造價低。平流式沉淀池主要適用于地下水位高與地質條件差的地區(qū)和大、中、小型水處理廠。3.2.2 主要尺寸的設計計算參數表面負荷一般為1.53.0 m3/(m3·h)；設計水量Qmax=2000m3/d=83.3m3/h=0.02 m3/s。(1) 池子總面積設計水量Qmax=2

46、000 m3/d=83.3 m3/h=0.02 m3/s則A =55.5 (3-1)式中：q表面負荷，取q=1.5 m3/(·h)。(2)沉淀部分有效水深沉淀池有效水深一般為24m。取h =3m，則h=qt=1.5t (3-2)t=2h式中：t水力停留時間。(3)沉淀部分有效容積V=Qmax t=83.3×2=166.6 m3(3-3)(4)沉淀池長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)沉淀池總寬B= 2.2m (3-5)(6)池子個數設兩個沉淀池，則每池寬2.2m。(7)

47、校核長寬比和長深比長寬比=11.4>4符合要求 (3-6)長深比=8.4>8在812之間，符合要求。 (3-7)(8)污泥量的產生W=1248 m3/d (3-8)式中：C1進水懸浮物濃度，kg/ m3；C2進水懸浮物濃度，kg/ m3；污泥濃度，1000 kg/ m3；P0污泥含水率，P0 = 97%。計算污泥產量約為50t/h。3.3加藥裝置加藥裝置主要用于電廠的給水、爐水、循環(huán)水、廢水等處理，也可用于石油、化工、環(huán)保、供水系統(tǒng)等行業(yè)。單元組合式加藥裝置，主要有溶液箱、計量泵、過濾器、安全閥、止回閥、脈沖阻尼器、水位表、控制柜等組成一體化安裝在一個底座上3。用戶只需將組合式加藥

48、裝置安放在加藥間，將加藥管接好接通電源即可啟動投入運行，這種工廠化的整套裝置，可大大減少設計和現場施工的工作量，對整機的質量、安全和現場投運提供了可靠的保證。加藥裝置是以計量泵為主要投加設備、將溶藥箱、攪拌器、液位計、安全閥、止回閥、壓力表、過濾器、緩沖器、管路、閥門、底座、扶梯、自動監(jiān)視系統(tǒng)、電力控制系統(tǒng)等按工藝流程需要組裝在一個公共平臺上，形成一個模塊，即所謂的撬裝式組合式單元。圖3-1 加藥裝置加藥裝置，采用的是機電一體化結構形式，從安裝上可分為固定式和移動式(推車式)，每種形式的加藥裝置均配有攪拌系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)。幾個固定式撬裝可組合成一個整體，加上變頻控制系統(tǒng)，可實現就地

49、控制、遠程自動控制、手動和自動相互轉換加藥。具有結構緊湊，體積小、噪音低、工作平穩(wěn)、安裝簡單、操作使用方便等優(yōu)點。加藥裝置通過不同的工藝設計，精確配置各類固體和液體的化學藥品的溶液，再用計量泵準確投加，以達到各種設計要求。3.4設備選型3.4.1 泵的選取在污水處理過程中后續(xù)的污泥處理會涉與到污泥的輸送問題。污泥的性質主要包括：含水率、揮發(fā)性固體和灰分、相對密度、可消化程度、過濾比阻、毛細吸水時間等。與污泥輸送相關的性質主要是污泥流動的水力特性3。從力學性質的角度來看，污泥是一種兩相流體，在含水率較高(高于99%)的狀態(tài)下，屬于牛頓流體，流動特性接近于水流。隨著固體濃度的增加，污泥的流動顯示出

50、來非牛頓流體的特性，一般在除砂的情況下，可視為均質非牛頓流體中的偽塑體，其流變特性方程如下： (3-9)式中：剪切應力，kg/m2；屈服剪切應力，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。表3-1 污泥的和值列表物料溫度/濃度/%/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對于

51、初次沉淀污泥來說剪切應力為：由于污泥屬于初次沉淀池生污泥，查表得=4.386和=0.028代入公式(3-9)中計算得 (3-10)初次沉淀污泥的水力特性很復雜，當污泥的含固量小于1%時，其流動性能基本上和水一樣。對于含固量大于1%的污泥，當在管道流速較低時(1.0-1.5m/s)，其阻力比污水大；當在管道的流速大于1.5m/s時，其阻力必污泥小。在層流條件下，由于的存在，污泥流動的阻力很大，因此污泥管道輸送常采用較大流速。選用螺旋離心泵進行輸送污泥。螺旋離心泵是一種三元螺旋是單片的無堵塞泵，主要由葉輪、吸口、蝸殼、轉軸、軸承框架、耐磨襯等部件組成。由于流量為23.15L/s選擇瑞士海斯特股份型

52、號為H05K-MH的螺旋離心泵。螺旋離心葉輪泵的特點如下：真正的無堵塞性能，柔和輸送介質，螺旋離心泵效率高，運行成本低，無過載區(qū)域，高固含量介質處理能力；采用可耐磨襯，當發(fā)生磨損之后只需更換一個襯即可，無需更換整個外殼，既方便又經濟。3.4.2 水處理系統(tǒng)管道的選取管子的選取原則是按照污染治理工藝的要求(如溫度、壓力、耐腐蝕等)進行，主要選擇合適的管材、計算管徑、確定管壁厚、選定標準的常用管子規(guī)格，從而滿足處理工藝的要求11。(1) 管材的選取首先管材的選取選用無縫鋼管進行管路的主要材料。無縫鋼管按制造方法分為熱軋管和冷拔(軋)管。冷拔(軋)管的最大公稱直徑為200mm，熱軋管最大公稱直徑為6

53、00mm。在管道工程中，管徑超過57mm時，常選用熱軋管，管徑小于57mm時常用冷拔(軋)管。管道工程常用的無縫鋼管有以下幾種：一般無縫鋼管一般無縫鋼管簡稱無縫鋼管，用普通碳素鋼、優(yōu)質碳素鋼、普通低合金鋼和合金結構鋼制造，用于制作輸送液體管道或制作結構、零件用。 無縫鋼管按外徑和壁厚度供貨，在同一外徑下有多種壁厚，承受的壓力圍較大。通常鋼管長度，熱軋管為3-12.5m，冷拔(軋)管為1.5-9m。低中壓鍋爐用無縫鋼管低中壓鍋爐用無縫鋼管是用10號、20號優(yōu)質碳素鋼制造。(2) 管徑d的計算經過實踐經驗的總結，認為通常流體介質在管比較合理的流速圍如表3-2所示。因此只要知道管路中流體通過的最大流

54、量，就可算出管徑d的大小。 (3-11)式中：W流體的質量流量，kg/h；Q流體的體積流量，m3/h；流體的密度，kg/m3；流體的平均流速，m/s。表3-2 各種常用流體流速圍流體類別常用流速圍(m/s)水與其他粘度較小的液體1.5-3.0工業(yè)用水(自來水)1.5黏度較大的液體(如鹽類液體)0.5-1.0液體自流速度0.5取流體的流動速度為1.0m/s因為出現誤差數據取整得d=175mm。第四章 微波輻射發(fā)生裝置4.1磁控管磁控管是微波發(fā)生的主要部件，是完成電能轉換為微波能作輸出微波的器件。工作在微波頻率的磁控管有線性束管(O形管)和交叉場型管(M形管)。實質上磁控管是一個置于恒定磁場中的二極管，管電子在相互垂直的恒定磁場和核定電場的控制下，與高頻電磁場發(fā)生相互作用13。磁控管陰極發(fā)射的電子受電場加速而速度升高，并受洛侖茲力的作用運動軌跡彎曲，在陽極交變電壓的作用下使得有足夠能量到達陽極。此過程獲得的