李瑞容， 孔 偉， 曲浩麗， 王鵬軍， 曹 杰， 趙維松， 韓柏和， 陳明江， 朱德文， 陳永生

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014)

車庫(kù)式干發(fā)酵裝置密封性能試驗(yàn)研究

李瑞容， 孔 偉， 曲浩麗， 王鵬軍， 曹 杰， 趙維松， 韓柏和， 陳明江， 朱德文， 陳永生

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014)

為了提高車庫(kù)式干發(fā)酵庫(kù)的密封效果，降低“M”形充氣密封系統(tǒng)的泄漏率，文章在自制的車庫(kù)式干發(fā)酵裝置上采用絕對(duì)壓力衰減法進(jìn)行了“M”形充氣密封系統(tǒng)泄漏率試驗(yàn)。采用響應(yīng)面Box-Behnken模型對(duì)密封系統(tǒng)的工作參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以充氣壓力、密封介質(zhì)壓力、密封間距為影響因素，以泄漏率為考察目標(biāo)，建立了多元數(shù)學(xué)回歸模型。試驗(yàn)結(jié)果表明：泄漏率的影響顯著順序依次為密封間距、充氣壓力、密封介質(zhì)壓力，其中密封間距和充氣壓力為極顯著影響因素；最優(yōu)工作參數(shù)組合為充氣壓力0.22 MPa，密封介質(zhì)壓力1000 Pa，密封間距5.50 mm，此時(shí)泄漏率為20.65 PaL·s-1，驗(yàn)證試驗(yàn)值與模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差約為4.45%。試驗(yàn)結(jié)果為尋求低泄漏率、高穩(wěn)定性的充氣密封系統(tǒng)的工作參數(shù)提供參考。

車庫(kù)式干發(fā)酵； 充氣密封； 泄漏率； 響應(yīng)面分析； 優(yōu)化

我國(guó)每年產(chǎn)生大量的畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈、果蔬殘?jiān)扔袡C(jī)廢棄物，其中主要農(nóng)作物新鮮秸稈的含水率約50%～70%，果蔬殘?jiān)暮始s85%～95%，適用于高濃度的厭氧干發(fā)酵技術(shù)[1-3]。目前，干發(fā)酵工程不斷向規(guī)?；⒋笮突?、自動(dòng)化發(fā)展[4-7]，發(fā)酵裝置的密封系統(tǒng)面臨著密封面積大、泄漏率較高、安裝質(zhì)量差等問(wèn)題，充氣式密封技術(shù)由于其操作簡(jiǎn)便、能耗低等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[8-11]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)干發(fā)酵裝置的充氣式密封技術(shù)開(kāi)展了相關(guān)研究，德國(guó)BEKON[12-13]發(fā)酵門采用鑲嵌式充氣和壓條密封圈組合式密封，液壓驅(qū)動(dòng)；韓捷[14]等采用充氣式夾緊密封方式對(duì)敞口式覆膜槽生物反應(yīng)裝置進(jìn)行密封，密封面較大；趙國(guó)明[15-16]等在地面車庫(kù)型發(fā)酵槽敞口處采用輔助加強(qiáng)膜式封口、雙閉合液漲式密封結(jié)構(gòu)，適合南方地區(qū)；朱德文[17]等研究開(kāi)發(fā)了柔性頂膜車庫(kù)式干發(fā)酵裝置采用復(fù)合“M”形氣漲式機(jī)械壓緊密封系統(tǒng)，并運(yùn)用有限元法分析密封圈內(nèi)接觸應(yīng)力分布規(guī)律；尹福斌[18]研究溫度和相對(duì)濕度對(duì)沼氣貯氣膜氣密性的影響規(guī)律。從國(guó)內(nèi)外的研究和技術(shù)現(xiàn)狀看，國(guó)外的干發(fā)酵密封技術(shù)仍存在投資高、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)要求高等問(wèn)題；國(guó)內(nèi)干發(fā)酵裝置的密封技術(shù)研究鮮見(jiàn)報(bào)道，上述的幾種密封技術(shù)的研究只停留在工程應(yīng)用，缺乏對(duì)密封裝置結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的定量試驗(yàn)與優(yōu)化。因此，筆者采用絕對(duì)壓力衰減法，以泄漏率為響應(yīng)值，利用Box-Behnken模型分析了充氣壓力、密封介質(zhì)壓力和密封間隙等因素對(duì)泄漏率的影響，并對(duì)各因素的交互作用進(jìn)行分析探討，尋求工作參數(shù)優(yōu)化組合，以期為尋求低泄漏率、高穩(wěn)定性的工作參數(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

柔性頂膜車庫(kù)式干發(fā)酵裝置主要由發(fā)酵庫(kù)體、庫(kù)門密封系統(tǒng)、內(nèi)部循環(huán)噴淋系統(tǒng)、增溫系統(tǒng)、沼氣凈化存儲(chǔ)系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其中，單個(gè)庫(kù)體采用鋼筋混凝土一體澆筑而成，有效容積73.8 m3(內(nèi)部尺寸長(zhǎng)×寬×高為8.2 m×3 m×3 m)，其頂部覆蓋柔性膜、保溫被和溫室大棚，庫(kù)體外部采用苯板和彩鋼板覆蓋聯(lián)合保溫，底部設(shè)有滲濾液池用于內(nèi)部循環(huán)噴淋，可根據(jù)廢棄物處理量和工藝需求設(shè)定庫(kù)體數(shù)量。

1.保溫系統(tǒng)； 2.鎖緊機(jī)構(gòu)； 3.含保溫被的溫棚； 4.庫(kù)門密封系統(tǒng)； 5.內(nèi)部循環(huán)噴淋系統(tǒng)； 6.沼氣穩(wěn)壓罐； 7.智能監(jiān)控系統(tǒng)； 8.沼氣脫水罐； 9.沼氣脫硫罐； 10.儲(chǔ)氣罐； 11.沼氣鍋爐； 12.軟水裝置； 13.太陽(yáng)能增溫系統(tǒng)； 14.儲(chǔ)熱水箱； 15.增壓風(fēng)機(jī)； 16.熱水盤管圖1 車庫(kù)式干發(fā)酵系統(tǒng)工藝流程圖

圖2 干發(fā)酵庫(kù)密封庫(kù)門結(jié)構(gòu)示意圖

在發(fā)酵庫(kù)的前端設(shè)置發(fā)酵庫(kù)門密封系統(tǒng)，用于發(fā)酵原料的批式進(jìn)出料，結(jié)構(gòu)如圖2所示。該發(fā)酵庫(kù)門的密封系統(tǒng)主要由庫(kù)門、組合式門框、“M”形充氣密封圈、緊固部件、充氣管路、調(diào)壓閥、壓力表、空壓機(jī)、導(dǎo)軌、鉸鏈、鎖緊機(jī)構(gòu)等組成，空壓機(jī)可多個(gè)庫(kù)體共同使用。其中，發(fā)酵庫(kù)門采用302#不銹鋼制造，長(zhǎng)×寬為2.9 m×2.8 m，厚度為0.15 m，內(nèi)側(cè)表面覆蓋玻璃鋼防腐，外層表面覆蓋苯板和彩鋼板保溫。組合式門框由4根槽鋼和4個(gè)圓角通過(guò)螺栓鎖緊組成，門框與鋼混庫(kù)體中間的空隙采用硅膠墊片、中性硅酮結(jié)構(gòu)膠密封，采用螺栓緊固?！癕”形充氣密封圈的材料選用進(jìn)口硅橡膠，硬度為HA55，其結(jié)構(gòu)尺寸：寬度為25 mm，高度為20 mm，壁厚度為3 mm，倒角半徑0.5 mm，壓縮率50%。“M”形充氣密封圈安裝在大門的階梯狀側(cè)方四周，其安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，密封面寬度為0.025 m，周長(zhǎng)為12.14 m。

1.發(fā)酵庫(kù)； 2.中性硅酮結(jié)構(gòu)膠； 3.硅膠墊片； 4.限位板； 5.矩形門框； 6.緊固件-座； 7.六角螺栓； 8.螺母； 9.墊片； 10.緊固件-銷； 11.門體； 12.密封圈墊片； 13.充氣密封圈I ； 14.緊固圈部件； 15.螺栓； 16.墊圈； 17.螺母； 18.充氣密封圈II ； 19.密封圈卡箍 圖3 復(fù)合M型充氣密封圈結(jié)構(gòu)示意圖

該庫(kù)主要以秸稈、畜禽糞便、垃圾、淤泥等為原料進(jìn)行干發(fā)酵產(chǎn)沼氣，采用輪式裝載機(jī)從庫(kù)體前方庫(kù)門處進(jìn)出料。發(fā)酵物料進(jìn)料后，關(guān)閉庫(kù)門，開(kāi)啟空氣壓縮機(jī)，通過(guò)調(diào)壓閥控制管路中壓力，根據(jù)發(fā)酵工藝要求，進(jìn)行滲濾液的回流噴淋，一般工作水位在0.5 m～1 m。初始密封狀態(tài)時(shí)，充氣密封圈膨脹發(fā)生彈性變形，與剛體門框相擠壓，堵塞界面泄漏的通道[19]；工作密封狀態(tài)時(shí)，即發(fā)酵產(chǎn)沼氣使庫(kù)內(nèi)壓力水位提升時(shí)，當(dāng)充氣圈受到壓力作用時(shí)，密封面被迫發(fā)生部分分離，此時(shí)充氣圈釋放出足夠的彈性應(yīng)變能彌補(bǔ)分離量[20-21]。當(dāng)發(fā)酵周期結(jié)束時(shí)，將充氣圈內(nèi)壓力卸載，使其脫離門框恢復(fù)初始“M”形狀?？紤]到發(fā)酵周期長(zhǎng)、材料的應(yīng)力松弛、工作磨損、氣壓不穩(wěn)定等影響因素，設(shè)計(jì)了復(fù)合式結(jié)構(gòu)，保證發(fā)酵庫(kù)氣密性和運(yùn)行穩(wěn)定性。

1.2 目標(biāo)函數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)

影響充氣圈泄漏率的因素主要有充氣密封圈的結(jié)構(gòu)、材料回彈性能、充氣壓力、密封介質(zhì)壓力、密封間隙大小以及接觸表面粗糙度等[22]。當(dāng)充氣密封圈的結(jié)構(gòu)和材料一定時(shí)，充氣壓力、密封介質(zhì)壓力、密封間距對(duì)密封系統(tǒng)的泄漏率影響較大，因此選取這3個(gè)因素作為試驗(yàn)變量，將泄漏率作為目標(biāo)函數(shù)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

筆者采用3因素3水平二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，依據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)原理，以泄漏率Y作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)充氣壓力X1，密封介質(zhì)壓力X2，密封間距X3等因素開(kāi)展響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平

1.4 試驗(yàn)方法

采用“絕對(duì)壓力衰減”法測(cè)定密封性，測(cè)量車庫(kù)式干發(fā)酵庫(kù)內(nèi)干空氣壓力變化，利用平均溫度和相對(duì)濕度的變化來(lái)修正壓力變化[23]。試驗(yàn)儀器設(shè)備由AR2000-L壓力調(diào)節(jié)閥，空氣壓縮機(jī)，空氣干燥器，空氣過(guò)濾器，SLDYB-801高精度數(shù)字壓力表，BF-3000超聲波氣體流量計(jì)，干球溫度傳感器，露點(diǎn)濕度傳感器等組成。

試驗(yàn)分為3個(gè)階段： 1)準(zhǔn)備階段，關(guān)閉頂部保溫系統(tǒng)并鎖緊庫(kù)門，將調(diào)壓閥調(diào)節(jié)到設(shè)定的充氣壓力，開(kāi)啟空氣壓縮機(jī)，充氣密封圈膨脹與門框相擠壓，將間隙密封； 2)升壓階段，開(kāi)啟空氣壓縮機(jī)，經(jīng)過(guò)空氣干燥和過(guò)濾后，將庫(kù)內(nèi)空氣加壓到設(shè)定的介質(zhì)壓力值，保持壓力恒定，直到傳感器溫度顯示保持在±0.25℃范圍內(nèi)，穩(wěn)定10分鐘后，斷開(kāi)氣源，維持24小時(shí)，期間每隔1小時(shí)記錄一組數(shù)值； 3)降壓階段，降低發(fā)酵庫(kù)內(nèi)壓力并恢復(fù)至大氣壓力，排空充氣圈，打開(kāi)庫(kù)門。

將庫(kù)內(nèi)空氣假設(shè)為理想氣體，忽略庫(kù)內(nèi)空氣體積微小變化，根據(jù)理想氣體定律，庫(kù)內(nèi)干空氣質(zhì)量變化可由公式(1)表示為：

(1)

由上面的公式可以推出：

(2)

式中：M為庫(kù)內(nèi)干空氣質(zhì)量，kg；P為庫(kù)內(nèi)總壓力，MPa；Pv為庫(kù)內(nèi)水蒸汽平均分壓力，MPa；V為庫(kù)內(nèi)有效容積，m3；R為理想氣體常數(shù)，取287.14 J·kg-1K-1；T為庫(kù)內(nèi)干空氣溫度，℃；t表示測(cè)量的第t次數(shù)據(jù)。

其中，發(fā)酵庫(kù)內(nèi)水蒸氣平均分壓通過(guò)測(cè)定局部濕度經(jīng)加權(quán)計(jì)算得出：

平均溫度可通過(guò)對(duì)部分容積測(cè)定足夠數(shù)量的局部溫度經(jīng)加權(quán)計(jì)算得到:

下標(biāo)i表示測(cè)量期間的第i個(gè)采樣周期[24]。

1.5 數(shù)據(jù)分析處理

采用 Design-Expert 8.0.6軟件(Stat-Ease Inc.，USA)進(jìn)行充氣密封系統(tǒng)泄漏率的二次多項(xiàng)式回歸分析，并利用響應(yīng)面分析法對(duì)各因素相關(guān)性和交互效應(yīng)的影響規(guī)律進(jìn)行分析研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)是通過(guò)對(duì)回歸方程的分析來(lái)尋求最優(yōu)工藝參數(shù)的方法。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示，共17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。

2.2 響應(yīng)面Box-Behnken模型的選取及建立

根據(jù)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本，利用Design-Expert 8.0.6 軟件進(jìn)行多元回歸擬合分析，建立密封系統(tǒng)泄漏率Y對(duì)充氣壓力X1，密封介質(zhì)壓力X2，密封間距X3等3個(gè)自變量的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，如公式(3)所示，并對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案和結(jié)果

(3)

式中：Y為泄漏率，PaL·s-1；X1為充氣壓力，MPa；X2為密封介質(zhì)壓力，Pa和X3為密封間距，mm。

表3 Box-Behnken 試驗(yàn)方差分析結(jié)果

從表3中分析可知，該密封系統(tǒng)泄漏率的響應(yīng)面模型的P<0.0001，表明該回歸模型高度顯著(P<0.01)；失真項(xiàng)P值為0.0851(P>0.05)，表明該回歸方程擬合度高；其決定系數(shù)R2=0.9972，數(shù)值接近1，說(shuō)明試驗(yàn)范圍內(nèi)的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值擬合很好；該模型的變異系數(shù)CV為1.99%，表明不同水平處理組之間的重復(fù)性較好[25]。綜上可見(jiàn)，該模型可用于優(yōu)化“M”形充氣密封系統(tǒng)的工作參數(shù)。

各個(gè)工作參數(shù)的P值大小可以反映其對(duì)響應(yīng)值的影響作用，從表3可以看出，在模型中A，B，C，AC，A2，C2這 6個(gè)因素是影響充氣密封系統(tǒng)泄漏率的顯著因素(P<0.05)，AB，B2這 2 個(gè)因素為不顯著因素(P>0.1)。對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，剔除回歸方程中的不顯著因素，以泄漏率為響應(yīng)值的回歸方程可寫(xiě)為：

(4)

經(jīng)優(yōu)化后的回歸模型的P<0.0001，失真項(xiàng)P值為0.0515(P>0.05)，故該模型回歸顯著，因此可用該回歸方程對(duì)“M”形充氣密封圈密封效果的工藝條件進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。

2.3 各單因素對(duì)泄漏率的影響規(guī)律分析

各單因素對(duì)回歸模型泄漏率Y的重要性可通過(guò)貢獻(xiàn)率K值進(jìn)行比較[26]，貢獻(xiàn)率K值計(jì)算如公式(5)～(6)所示，經(jīng)計(jì)算可得充氣壓力X1，密封介質(zhì)壓力X2，密封間距X3的貢獻(xiàn)率分別為2.81，2.29，2.85，各因素對(duì)泄漏率的貢獻(xiàn)率大小順序?yàn)椋好芊忾g距X3>充氣壓力X1>密封介質(zhì)壓力X2。

(5)

(6)

式中：F為回歸方程中各回歸項(xiàng)的F值；δ為回歸項(xiàng)對(duì)F值的考核值；K為各回歸項(xiàng)貢獻(xiàn)率值。

2.4 交互因素對(duì)泄漏率的影響規(guī)律分析

根據(jù)響應(yīng)面回歸方程，利用 Design-Expert8.05軟件繪制響應(yīng)曲面圖，如下圖所示。

圖5為密封間距X3為6 mm時(shí)，充氣壓力X1和密封介質(zhì)壓力X2對(duì)泄漏率Y交互作用的響應(yīng)面圖，可見(jiàn)，泄漏率隨充氣壓力變化的曲面變化明顯，而隨密封介質(zhì)壓力的曲面變化比較平緩。分析可知當(dāng)密封介質(zhì)壓力為定值時(shí)，泄漏率隨著充氣壓力的增加而迅速增大，達(dá)到最大值后趨于平穩(wěn)；當(dāng)充氣壓力為定值時(shí)，泄漏率隨著密封介質(zhì)壓力的增大而小幅度的增大，變化不明顯。

圖5 X3為6 mm時(shí)X1和X2對(duì)泄漏率Y交互作用響應(yīng)面圖

圖6為密封介質(zhì)壓力X2為1500 Pa時(shí)，充氣壓力X1和密封間距X3對(duì)泄漏率Y交互作用的響應(yīng)面圖，圖中的二維等高曲線呈橢圓形，說(shuō)明密封間距和充氣壓力之間存在一定的交互作用；且滲漏率隨密封間距和充氣壓力變化的曲面均比較明顯，說(shuō)明響應(yīng)值對(duì)這兩個(gè)參數(shù)的比較敏感。分析可知當(dāng)密封間距為定值時(shí)，泄漏率隨充氣壓力的增大而減小，達(dá)到最大值后略有下降；當(dāng)充氣壓力為定值時(shí)，泄漏率隨密封間距的增大而增大。

圖6 X2為1500 Pa時(shí)X1和X3對(duì)泄漏率Y交互作用響應(yīng)面圖

圖7為充氣壓力X1為0.20 MPa時(shí)，密封介質(zhì)壓力X2和密封間距X3對(duì)泄漏率Y交互作用的響應(yīng)面圖，可見(jiàn)，泄漏率隨密封間距變化的曲面變化明顯，而隨密封介質(zhì)壓力的曲面變化比較平緩。分析可知當(dāng)密封介質(zhì)壓力為定值時(shí)，泄漏率隨著密封間距的增加而迅速增大，達(dá)到最大值后趨于平穩(wěn)；當(dāng)密封間距為定值時(shí)，泄漏率隨著密封介質(zhì)壓力的增大而小幅度的增大，變化不明顯。

圖7 X1為0.20 MPa時(shí)X2和X3對(duì)泄漏率Y交互作用響應(yīng)面圖注：響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表1，響應(yīng)值見(jiàn)表2。

2.5 工藝參數(shù)優(yōu)化及其驗(yàn)證

為了獲得最佳密封效果，保證車庫(kù)式干發(fā)酵裝置的泄漏率滿足沼氣工程技術(shù)要求，根據(jù)上述的交互因素對(duì)泄漏率的影響效應(yīng)分析可知：要獲得較小的泄漏率，就要求充氣壓力較大、密封間距較小、密封介質(zhì)壓力較小。采用 Design-Expert 軟件對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到各因素最優(yōu)工作參數(shù)，當(dāng)充氣壓力為0.22 MPa，密封介質(zhì)壓力為1000 Pa，密封間距為5.50 mm時(shí)，此時(shí)泄漏率為20.65 PaL·s-1。

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)測(cè)值的可靠性，采用上述優(yōu)化后的工藝參數(shù)進(jìn)行3次重復(fù)的驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果分別為21.44 PaL·s-1，21.65 PaL·s-1，21.57 PaL·s-1，與模型預(yù)測(cè)值相比，相對(duì)誤差約為4.45%，表明該模型擬合度較高、模型可靠。泄漏率的試驗(yàn)結(jié)果也滿足農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NYT 1220.3-2006 沼氣工程技術(shù)規(guī)范 第3部分 施工及驗(yàn)收》和《NYT 2373-2013 秸稈沼氣工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》中對(duì)發(fā)酵裝置的氣密性試驗(yàn)要求。

2.6 運(yùn)行試驗(yàn)

發(fā)酵原料來(lái)自江蘇田娘農(nóng)業(yè)科技有限公司提供的打捆水稻秸稈(長(zhǎng)60 cm×寬32 cm×高 32 cm)，其總固體含量(Total solid，TS)為89.77% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，揮發(fā)性固體含量(Volatile solid，VS)為79.45% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，碳氮比為55.05。新鮮牛糞的TS為13.18% ，VS為 11.09%，碳氮比為29.78。接種沼液的TS為5.81%，VS為2.43%，化學(xué)需氧量 ( Chemical oxygen demand，COD) 2019 mg · L-1，pH值7.56。采用輪式裝載機(jī)將打捆秸稈和牛糞逐層交替鋪放的形式進(jìn)料，其中水稻秸稈：牛糞的干物質(zhì)比為4:1，在進(jìn)料過(guò)程中每層物料上噴灑沼液和菌劑，將發(fā)酵含水率、碳氮比和pH值調(diào)整到適宜的范圍后，進(jìn)行5～7 d 的好氧預(yù)處理。預(yù)處理完畢后，關(guān)閉庫(kù)門并開(kāi)啟密封系統(tǒng)，采用頂部噴淋系統(tǒng)進(jìn)行沼液接種，啟動(dòng)生物質(zhì)鍋爐對(duì)庫(kù)內(nèi)物料進(jìn)行增溫，庫(kù)內(nèi)水位范圍控制在50 cm～80 cm。密封系統(tǒng)工作參數(shù)采用 Design-Expert 軟件求解得到的各因素最優(yōu)工作參數(shù)，充氣壓力為0.22 MPa，密封介質(zhì)壓力為1000 Pa、密封間距為5.50 mm。在兩個(gè)干發(fā)酵庫(kù)中進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，在發(fā)酵整個(gè)周期內(nèi)記錄累積產(chǎn)氣量并監(jiān)測(cè)工程的運(yùn)行穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。

圖8 厭氧干發(fā)酵中平均日產(chǎn)氣量及累積產(chǎn)氣量的變化

關(guān)閉庫(kù)門并開(kāi)啟密封系統(tǒng)后，開(kāi)始進(jìn)行厭氧干發(fā)酵，試驗(yàn)中日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量的變化情況如圖8所示。由圖可見(jiàn)，該發(fā)酵庫(kù)的日產(chǎn)氣量先逐步增加，在第14天增至最大值33.408 m3，然后緩慢降低趨于平穩(wěn)至周期結(jié)束。此次的試驗(yàn)發(fā)酵周期設(shè)定為28 d，發(fā)酵庫(kù)的平均容積產(chǎn)氣率為0.37 m3·m-3d-1，甲烷體積分?jǐn)?shù)為51.18%；發(fā)酵完成后，采用分層多點(diǎn)采集混合物料樣品，沼渣中的平均揮發(fā)性有機(jī)物含量(VS)約為42%?？梢?jiàn)，該發(fā)酵庫(kù)密封系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠，保證發(fā)酵庫(kù)較高的產(chǎn)氣效率和甲烷濃度。

3 討論

根據(jù)上述分析可得，“M”形充氣密封系統(tǒng)的影響趨勢(shì)為充氣壓力越大、密封介質(zhì)壓力越小、密封間距較小，則泄漏率越小。這主要是由于隨著充氣壓力的增大，充氣密封圈內(nèi)的法向接觸應(yīng)力不斷增大，接觸面積也隨之增大，充氣圈的密封性能不斷增強(qiáng)。當(dāng)充氣密封圈受到庫(kù)內(nèi)沼氣和沼液的雙重壓力作用下，密封面內(nèi)側(cè)被迫發(fā)生分離，此時(shí)就要求密封圈能釋放出足夠的彈性應(yīng)變能，能夠彌補(bǔ)這個(gè)分離量，并留有保持密封所需要的接觸應(yīng)力[27]。所以在保持較高的充氣壓力的情況下，需要選擇適當(dāng)?shù)某錃鈮毫兔芊饨橘|(zhì)壓力的比值，不僅使得泄漏率較低而且能防止應(yīng)力過(guò)大帶來(lái)的材料老化問(wèn)題。由于該車庫(kù)式干發(fā)酵裝置的工作壓力在1000 Pa左右，則合適的充氣壓力在0.20 MPa～0.25 MPa。

當(dāng)密封間距較大時(shí)，充氣密封圈的膨脹效應(yīng)使得圈內(nèi)的接觸應(yīng)力也較大，不僅會(huì)降低材料的使用壽命，耗能大，而且應(yīng)力松弛會(huì)降低密封的可靠性，還會(huì)使得充氣密封圈的膨脹程度不一，造成密封面處的空谷。而當(dāng)密封間距較小時(shí)，一方面安裝的精確度很難保證，另一方面會(huì)引起充氣密封圈非密封面的過(guò)度膨脹，降低密封面上的接觸應(yīng)力[28-30]。所以，在現(xiàn)有的設(shè)備制造和工程安裝質(zhì)量不高的水平下[31]，需要選擇合適的密封間距，該充氣密封系統(tǒng)合適的密封間距為5 mm～6 mm。

4 結(jié) 論

(1)采用響應(yīng)面法對(duì)充氣壓力、密封介質(zhì)壓力、密封間距對(duì)“M”形充氣密封系統(tǒng)泄漏率的影響效應(yīng)進(jìn)行分析并建立相應(yīng)的優(yōu)化模型，通過(guò)3次重復(fù)的驗(yàn)證試驗(yàn)，平均相對(duì)誤差為4.45%，表明該模型準(zhǔn)確可靠。

(2) “M”形充氣密封系統(tǒng)的各因素對(duì)泄漏率的影響顯著順序?yàn)槊芊忾g距、充氣壓力、密封介質(zhì)壓力，其中密封間距和充氣壓力為極顯著影響因素。

(3) “M”形充氣密封系統(tǒng)的最優(yōu)工作參數(shù)組合為氣壓力0.22 MPa，密封介質(zhì)壓力1000 Pa，密封間距5.50 mm，此時(shí)泄漏率為20.65 PaL·s-1。

(4)該試驗(yàn)分析是針對(duì)車庫(kù)式干發(fā)酵的“M”形充氣密封系統(tǒng)工作參數(shù)開(kāi)展的多因素分析，僅考慮充氣密封圈的充氣壓力、密封間距、密封介質(zhì)壓力等參數(shù)，對(duì)充氣圈的“M”形結(jié)構(gòu)、材料特性、密封面寬度、環(huán)境溫度等因素未開(kāi)展相應(yīng)試驗(yàn)，因此需要在考慮上述因素的基礎(chǔ)上對(duì)密封技術(shù)應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行探討。

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ExperimentandOptimizationofLeakageRateforInflatableSealsofGarage-typeDryFermentationTank

LIRui-rong,KONGWei,QUHao-li,WANGPeng-jun,CAOJie,ZHAOWei-song,HANBai-he,CHENGMing-jiang,ZHUDe-wen,CHENYong-sheng

(NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanization,MinistryofAgriculture,Nanjing210014,China)

With the development of dry fermentation project towards large-scale and mechanization, the sealing system become more and more complicated and exacting.In order to improve the sealing effect of fermentation system, a garage-type dry fermentation system was designed with an M-shaped inflatable sealing system.The method of absolute pressure attenuation adopted to test the leakage rate of the M-shaped inflatable sealing system.And the working parameters of the sealing system were studied by the Box-behnken model of response surface method.The loading pressure, sealing medium pressure and sealing gap were taken as the influencing factors, the leakage rate of the M-shaped inflatable seals were used as responsive variables, and a multivariate mathematical regression model was established.The result showed that the significant of influence factors on leakage rate was in the order of sealing gap, loading pressure, sealing medium pressure, among which the sealing gap and loading pressure were significant influence factors.The optimal working parameter combination was 0.22 MPa for the loading pressure, 1000 Pa for the sealing medium pressure, and 5.50 mm for the sealing gap, under which condition, the leakage rate was 20.65 PaL·s-1.The relative error between the test value and the model prediction was about 4.45%.

garage-type dry fermentator; inflatable seals; leakage rate; response surface method; optimization

2016-12-02

2017-02-13

項(xiàng)目來(lái)源： 農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201403019)； 江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目( BK20151073)

李瑞容(1984-)，女，江蘇南京人，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物處理與資源開(kāi)發(fā)技術(shù)和裝備研究等工作， E-mail: lrr006@ 163.com

陳永生，E-mail: cys003@ sina.com

S216.4; S233.9

A

1000-1166(2017)06-0043-07