精品污泥微波处理设备设计毕业论文.docx
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精品污泥微波处理设备设计毕业论文
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摘要
第一章绪论
1.1课题背景及研究目的和意义
1.2微波加热设备国内外的研究现状
1.3微波及杀菌原理
1.4.1微波简介
1.4.2微波的杀菌原理
第二章微波杀菌设备的总体方案设计
2.1微波杀菌设备的主要技术参数要求
2.2微波杀菌设备的总体方案设计
第三章微波杀菌设备的总体结构设计
3.1设备的总体结构及介绍
3.2微波源功率的估算及磁控管的布置
3.3进出口电器密封性及观察窗的设计
3.4物料输送机构的设计
3.5温度控制的实现
第四章总结
4.1设备的特点与不足
4.2改进方法
结束语
参考文献
附录
第一章绪论
1.1毕业设计课题背景及研究目的和意义
我的毕业设计的题目是《污泥微波处理设备设计》，属工程设计类型，来至于教师科研题。
下面就污泥微波处理设备的应用背景及研究的目的和意义大致做一下说明。
1.1.1背景
本世纪头二十年是我国发展的重要战略机遇期，“十一五”即将过去，“十一五”是承前启后的重要时期，做好“十二五”期间的城镇污泥减量与无害化处理设施的规划建设工作，必将对我国环卫行业与人居环境的未来和发展起到至关重要的作用。
城镇自来水厂、给水厂和污水处理厂及其管网系统，在对原水或污水进行处理时，会产生大量沉渣，这种沉渣称为污泥。
污泥中有机物含量高，容易腐化发臭。
污泥颗粒较细，成发泡状，因而密度较小，含水率高，且水分不易去除。
污泥中还含有氮、磷、钾等植物营养素，可以作为肥料。
干燥的污泥具有较高热值，可以燃烧。
由于城市污水中混有医院排水和某些工业废水，污泥中常常含有大量的寄生虫卵、大肠杆菌、细菌等微生物和重金属等有害有毒物质。
一般情况下，1万m3城市污水可产生15-25吨沉淀物（絮凝物），即含水97-99.5%的污泥，经现有的处理方法即浓缩、消化、机械过滤等方法处理后，变成8-10吨湿污泥（湿基含水率约80%）。
该污泥含有有机物、无机化合物、微生物、细菌、重金属等各种有害物质，具有一定的流动性，并有强烈臭味。
污泥不仅含水量高，易腐烂，有强烈臭味，并且含有大量病原菌、寄生虫卵以及铬、汞等重金属和多氯联苯、二恶英等难以降解的有毒有害以及致癌物。
如果未经严格处理随意排放或进行填埋，经过雨水的侵蚀和渗漏作用，极易对地下水、土壤等造成二次污染，直接危害人类的身体健康。
污泥处理的主要目的有三个方面。
（1）是减少污泥的体积与质量，即降低含水率，为后续处理、利用、运输创造条件，并减少污泥最终处置前的容积。
（2）使污泥无害化、稳定化。
污泥中常含有大量的有机物，也可能含有多种病原菌，有时还含其他有毒有害物质，必须消除这些会散发恶臭、导致病害及污染环境的因素。
（3）通过处理改善污泥的成分和某种性质，以利于应用并达到回收能源和资源的目的。
传统的污泥处理方法，一般是采用浓缩、消化与化学调理、干化、焚烧，再进行污泥的综合利用，如生产堆肥、复合肥，建筑材料应用、填埋；或将污泥投海，或能源回收利用（如用污泥生产沼气、通过焚烧回收热量发电、低温热解）等，但从转运、加工到最终处置，均存在不同程度的二次污染问题。
在实际操作运行中，主要是直接卫生填埋，很难杀菌、难以脱除重金属、无法清除强烈臭气，也很难再降低其含水率。
填埋要占用大量土地，耗费巨大的转运费和填埋费，并造成严重的二次污染。
但是以上现有污泥处理的方法及处理后污泥的综合利用，难以满足现实社会发展和科技进步的需要，无法完全达到现有行业或国家标准的要求。
随着世界节能减排、环保人居与低碳经济的不断发展，全球出现了城镇污泥总量将超过城镇生活垃圾总量的趋势，发达国家以及发展中国家的许多城镇出现了污泥处理问题正考验世界环保出路的事实。
1.1.2目的
此次设计的“污泥微波处理设备”来至于，污泥处理新工艺的一部分。
用于污泥酸化后的加热杀菌阶段。
属于污泥处理工艺中的关键步骤之一，经过此环节后，最大限度的杀死污泥中所包含的细菌。
使细菌中吸收的水分和重金属彻底的释放出来，为下一步的污泥的干燥和去除重金属做好准备工作，并且能消除污泥所散发的恶臭。
污泥微波杀菌工艺也是也在此污泥处理工艺中具有独创兴。
1.1.3意义
“污泥微波杀菌设备”与旧设备相比能够较彻底的杀死污泥中细菌，使细胞中水分和重金属彻底的释放出来。
很好的解决了污泥的干燥难和伴随恶臭的问题。
且相比之下能耗较低。
这样就能以最低的能耗解决最棘手的问题，而且经过此工艺处理后，能有效实现污泥的资源化处理。
这在我国污泥处理方面，具有重要的意义。
1.2微波设备的国内外研究现状
微波是今年来得到迅速发展与应用的一门新技术。
最早它是随着军事上的需要而出现的，先是应用在通讯方面，如雷达、导航、遥感、多路通讯和电视等。
利用微波的奇妙特性，作为一种新的能源对材料进行加热。
1966年在加拉大设立了国际微波功率学会，标志了微波能实用广阔发展的新阶段。
到70年代初已出现了全新的局面。
我国从1974年开始研究，发展较快，至今也已取得许多重要的成果，小型微波炉目前已进入千家万户。
发展之所以快，其主要原因是由于微波加热技术有明显的节能特点，且为各方面所接受。
现在微波加热技术在许多领域的应用得到了迅速发展。
现在，微波加热在食品工业中应用的最广。
在美国、日本、和西欧等国家，家庭微波灶已得到了很快的普及，利用微波加热已成功の制成膨化干燥体，成为理想的方便食品。
此外，在食品防霉，杀菌，解冻，发酵和烘烤点心等方面也得到广泛的应用。
微波加热在轻纺工业中应用面也较广，如皮革干燥，彩色印刷上光干燥，印花手帕固色等，都取得了理想的效果。
微波化学和微波等离子体，也用来足进某些化学反应，在大规模集成电路生产中已发挥了作用。
微波等离子体还用于光谱分析的应用。
微波生物效应与医疗应用方面，由于微波比红外线穿透能力大得多，因而使微波“热图形”探癌和微波治癌的研究十分活跃。
微波加热在橡胶工业硫化工艺中的应用，以及在铸造工业中用来烘烤泥芯，融模脱蜡；在制药工业中用作药品的干燥、灭菌；在农业、林业种子处理及产品加工等方面也有广泛用处。
因此微波加热是一门前景广阔的新技术，将要进一步迅猛发展。
现在微波加热器的种类主要有箱型微波加热器、隧道式箱型微波加热器、圆柱波导加热器和管道式液料微波加热装置等。
目前国内微波设备生产与国外存在一定的差距，大部分设备需人工按顺序操作，且整个设备功率分布范围不宽，单个磁控管功率还有待提高。
随着单片机、PLC技术和微波发生元器件的发展，未来微波加热设备必向自动控制、智能化方和大功率向前进。
1.3微波及杀菌原理
1.4.1微波简介
微波是一种频率由300MHz至300GHz的电磁波，其对应的波长为mm至dm（10-3-10-1m）的数量级，比光波、红外波的波长长，属于高频段的电磁波。
微波又可细分为如下波段：
分米波，UHF，超高频300-3000MHz
厘米波，SHF，特高频3-30GHz
毫米波，EHF，极高频30-300GHz
亚毫米波，超级高频，300-3000GHz
我国对工业微波加热设备常用的固定专用频率有二种：
915MHz和2450MHz。
其波段名称和中心频率、波长如表1-4-1所示。
频率（MHz）
波段名称
中心波长（m）
915±25
L
0.327
2450±50
S
0.122
5800±75
C
0.052
22125±125
K
0.008
表1-4-1工业微波设备规定使用的频率和波长
奇妙的微波以它的独特功能开拓了微波加热新技术。
那么，微波能是怎么产生的呢？
微波能的产生来自微波源。
它是由产生微波能的心脏——微波管和为微波管提供必要工作条件的电源所组成。
微波能是由微波管发射出来的，它随着微波加热技术的发展，微波管也得到了迅速的发展。
微波管器件主要有电真空器件和半导体器件两大类。
由于半导体器件所获得的微波功率要比电真空器件相差三个数量级，除了在微波测量等小功率源方面采用外，用于大功率源时，只能采用电真空器件。
能产生大功率的微波管，有磁控管，多腔调速管，微波三、四极管，正交场器件以及回旋管等许多种。
在微波加热领域中，国内外普遍采用的是连续波磁控管。
国外也已应用了大功率的连续波调速管。
由于国内微波加热中仅应用磁控管，故其它微波管不再予以介绍。
连续波磁控管简介：
在微波加热设备中绝大多数是采用连续波磁控管。
因为这种管子价格较低，电压低，频率高。
有时在失配的情况下还能稳定的工作。
下图1.4.1是磁控管的基本结构。
磁控管在工作时，阳极和阴极间加上几百伏甚至几万伏的直流电压。
图1.4.1磁控管结构
通常磁控管由管芯和磁钢（或电磁铁）组成。
从图1.4.1可以看出它包括三个主要部分：
⑴阴极及其引线；
⑵阳极块；
⑶能量输出器。
阴极是磁控管发射电子的心脏部分，一般采用钍钨或纯钨材料制成。
为了防止回轰引起阴极过热而损坏，通常在磁控管振荡后，采用降低灯丝加热功率来保护阴极，以增加寿命。
阳极块由高导电率的无氧铜制成，有扇形腔和扇槽型腔等。
如图1.4.2所示，每个小腔构成一个谐振回路，由许多谐振回路相互耦合在一起形成一个复杂的谐振回路。
图1.4.2磁控管阳极块
能量输出器的作用是把微波管所产生的高频功率输送到负载去。
大功率管采用轴向能量输出器。
磁控管的工作原理
由于磁控管的阳极块是有很多个谐振腔组成的，每个谐振腔相当于高频发射机中电感线圈与电容器所组成的谐振回路。
当磁控管工作时，相邻谐振腔感应的高频电场的方向就相反，其翼片上两侧电场方向也相反。
从而使两相邻谐振腔之间产生180°的相位差，通常称之为磁控管的π模振荡。
由于腔内存在着交变的高频电磁场，如图1.4.3所示。
图1.4.3振荡腔π模振荡原理图
阴极面上所发射的电子，如果处于正电场的翼片为负的位置，电子就比没有高频场慢，当电子受到磁场的作用而绕反时针方向旋转时，正高频场附近出发的电子将会追赶负高频场附近出发的电子。
相反，负高频场附近出发的电子则由于减速，而似乎在等待追上来的电子。
电子在作用空间进行圆周运动的同时，还会出现“群聚”现象，形成象风扇叶片那样的“电子云”，这种群聚的电子云沿阴极轴心而旋转着。
当“电子云”的旋转达到一定的速度，就可维持高频振荡，这就是要加阳极直流同步高压来使电子获得这一速度。
当电子旋转到处于负高频场的谐振腔翼片处，则对电子呈拒斥而使电子速度降低，电子由于降速而丧失的能量实际上激励了高频场，从而将能量交给了高频场。
好像自由落下的乒乓球弹回空间，然后在落下变成动能一样，电子的能量交换进行着，直到电子把直流场中得到的能量全部交出来变成高频后，才落到阳极上，产生了电流，这就是产生了微波的全过程。
另外，从阴极出发的电子，有两种情况；一种是电子可以和高频电场进行能量交换，这种电子称为有利电子；另一种高电子是不能交换能量的，这叫不利电子，它会返回来轰阴极，使阴极温度升高。
因此磁控管在起振后要适当地降低灯丝电压，以延长管子寿命。
1.4.2微波的杀菌原理
微波加热杀菌原理；
在生物与医学领域已有许多研究表明，微波加热与传统加热不同，它不需要由表及里的热传导，而是通过微波产生的温度场与电磁场，可以直接而有效地在整个物料内部产生热量，促进细菌的分子高速运动，根据物料性质（电导率、磁导率、介电常数）的不同，加热在物料内部的能量耗散来直接加热物料，微波加热加速其细胞膜的挤压而破裂达到杀菌的目的。
含有大量水分的污泥分子即微生物及其细胞被“瞬间粉碎”而析出水分。
微波产生的电磁场是细菌致死的主要因素，特别是在较低温度时。
实验给人们一种启示，充分利用变化的电磁场将能获得一种新的、在较低温度下杀菌的手段和技术，开创有效杀菌途径。
电磁场在杀菌过程中表现出来的“非热因素成为细菌致死的主导因素”打破了常规加热杀菌的格局，细菌欲生存而需抗争的对象改为“电磁力”。
脉冲电磁的杀菌机理主要表现在以下两个方面：
电场作用：
分子主要生物学的研究表明，生物体内的大多数分子和原子是具有极性（等效电偶极子）和磁性（分子电流模型）的，因此外加电磁场必然会对生物产生影响或作用。
在外加电磁场的作用下，电偶极子和分子电流会随着电磁场的方向取向。
在静电磁场中，只是建立一个新的终极状态；但在时变电磁场中，电偶极子和分子电流会随着电磁场的变化而振动。
显然，不同强度分布的外加电磁场对不同生物的影响程度是不同的。
医学界在研究中发现细胞体在电磁场中有异常表现，典型的表现是对电磁波的应答现象。
这种生物应答现象发生在远离平衡状态，生物体对满足一定条件的电磁场的影响是非线性的，并表现出频率特异性功能和功率特异性。
效应的能源有时来自生物系统内部，外部电磁场只是起到触发作用。
细胞是最基本的生命单元，在细胞中，细胞膜是研究得最多的部分。
每个细胞膜内外都有一定的电位差，在外加电场的作用下，膜内外的电位差会增大，通透性会增加，细胞发生渗透，继续适度处理，当电磁场达到一定值（E>EO,H>HO）时，细胞膜就发生不可修复的破裂，这种现象称为电穿孔。
同时，由于电磁场是变化的，在极短的时间内，电磁场的频率、强度都会发生极大的变化，在细胞膜上产生振荡效应。
不可逆的电穿孔和激烈的振荡效应能使细胞破裂，这种破裂导致细胞结构紊乱，从而达到杀死细胞的目的，进而杀死细菌。
电离作用:
变化电磁场的介电阻断性对食品的微生物具有抑制作用。
在外加电磁场的作用下，污泥空间中的带电粒子将产生高速运动，撞击污泥分子，使污泥分子分解，产生阴、阳离子，同时，电解质电解出阴、阳离子。
这些阴、阳离子在强电磁场的作用下极为活跃，穿过本来就已提高通透性的细胞膜，与微生物内的生命物质如蛋白质、RNA作用，因而阻断了细胞内正常生化反应和新陈代谢的进行。
另外，电磁场能够使水分子的氢氧键断裂，在水中生成过量的超氧阴离子自由基、过氧化氢及自由质子。
而过氧化氢有强烈的氧化作用，作用于生物分子，会破坏DNA，导致细胞死亡。
液体介质中电离作用产生的臭氧同样有强烈的氧化作用，能与细胞内物质发生一系列反应。
以上两种作用的联合构成了杀死细菌体的主要因素。
第二章微波杀菌设备的总体方案设计
2.1微波杀菌设备的主要技术参数要求
主要技术参数：
（1）微波工作频率：
2450±50MHZ
（2）控制温度0~900C
（3）电源:
三相380V
（4）物料输出温度：
850C
（5）物料输送方式：
连续
（1）（6）物料输送能力：
10t。
输入、输出开口宽810mm、高140mm，出入口由漏能抑制装置。
（2）微波源主要由32只CK-612连续波磁控管及其电源控制部分组成。
工作频率为2450±50MHz，每只管子输出功率10Kw。
（3）漏能抑制器——在加热器的进出口装有梳形抑制器和水负载，能有效防止进出口出微波的泄露。
（4）传输机构——由传输带、电机、变速箱、滚轮、张紧装置等组成。
传输带采用耐高温、低损耗的玻璃纤维胶带可在200℃下连续工作。
炉壁材料的选择：
受到与被加热产品Q值有关的总效率及其他因素，诸如卫生学和耐用性的限制。
对于有载Q值小于100的负载，最好的金属是采用非磁性的不锈钢。
它质地坚硬而且不怕腐蚀。
然而当有载Q值超过200时，壁电流会使不锈钢严重的发热，导致了效率过度降低或温度过分升高。
这时就需要采用低电阻率的材料，如铝或铜。
Q值的计算公式如下：
（公式3-1-1）
式中
——介电常数
——损耗因子
由《微波加热技术基础》一书可查的25℃时，水的Q值如下：
95℃时，水的Q值如下：
可知水在25℃到90℃时Q值均小于100.因为污泥含水率80%以上，所以与水的性质非常接近，所以选用非磁性不锈钢0Cr18Ni9为炉壁的材料，此材料具有良好的耐腐蚀及耐晶间腐蚀性能，为化学工业用的良好耐蚀材料。
厚t=1mm。
3.2微波源功率的估算及磁控管的布置
3.2.1微波源功率的估算
微波加热设备对处理能力的要求是连续处理，处理量10t）。
另一边窄边，只要能固定在地板上即可。
梳型片直角板间的间距可在10-15mm之间变化，梳型抑制器片的系数越多，抑制漏能的能力愈大，一般可根据进出口大小及漏能的大小来决定。
本设备中，取梳型片直角板间的间距为15mm，高度为29mm，长度取510mm。
窄边宽度取5mm。
2.电阻性抗流器
梳型片状抑制器是一种电抗性的抑制器，它保证对漏出的微波能量产生严重的失配，并使其返回加热器中。
然而，未被电抗性抗流器抑制的辐射可以进一步被安置在电抗性抗流器末端处微波吸收材料所吸收，用于电阻性抗流器中的材料有碳和水等。
本设备采用一个由有机玻璃制成的夹层的矩形箱体，在其中灌满水以吸收微波辐射。
这种装置被称为水负载。
由这两种装置混合就形成了包括有电阻性及电抗性的混合抗流装置，如图3.3.2所示：
图3.3.2电抗性和电阻性混合型抑制器
有机玻璃夹层的外尺寸为60mm×30mm，厚1mm。
3.观察窗的设计
通过观察窗可以察看加热设备的处理过程，及时发现设备运行中的突发状况。
但是对于观察窗的设计有特殊的要求，如果处理不好很容易导致微波能的泄露，危害操作人员的人身健康。
观察窗的一般设计是在一块薄金属板上打很多规则排列的小孔，将观察窗布置在加热器壁面的适当位置或炉门上。
这些孔阵不仅要求满足不同功能要求，还要有良好的微波屏蔽特性，以便使这些部位的微波能泄露控制在允许的安全范围。
观察窗孔一般以60°交叉形和90°正方形的孔阵排列。
下面以60°交叉形孔阵为例介绍观察窗的设计过程。
形式如图3.3.3所示：
图3.3.3观察窗60°交叉形孔阵排列图
对于垂直入射平面电磁波来说，图中的薄壁金属板上排列的小孔阵的作用相当于TEM（横电磁波）摸传输线上的分路感性电纳。
若不计孔阵的电阻损耗，则归一化分路电纳为：
（式3-3-1）
式中α、b——表示X和Y轴向的孔间距；
d——孔径；
——自由空间波长，而d<α和b，并且远小于
。
若将（式3-3-1）推广到电场垂直于入射面的斜射平面波情况，并计入金属板厚度的影响，则多孔阵金属板的传输损耗值T，（单位dB），即屏蔽特性可由下式近似表示：
（式3-3-2）
式中
——入射角;
——材料厚度。
如果定义：
孔度比
孔度电长度
材料厚度孔径比
代入（式3-3-2），则得
（式3-3-3）
由（式3-3-3）知，多元孔阵的金属薄板屏蔽特性与孔阵排列方式无关，只与孔度比、孔径电长度（孔径与波长比）和材料厚度有关，即孔度比、孔径电长度愈小屏蔽性愈好，对同样比材料厚度若孔径d越大，其屏蔽性就越好。
取参数，a=0.8mm，b=0.7mm，d=0.6mm，
=0.2mm工作频率f=2450MHz，取
=
垂直入射的极限情况，估算结果T=54dB。
能够获得理想的屏蔽效果。
所以观察窗参数尺寸取上述所示值。
因为金属板太薄，一般用玻璃板夹住。
3.4物料输送机构设计
由于本设备要实现污泥的连续处理，所以初步选择带式输送机为物料的输送机构。
大概由传送带及其支架、调速电机与传动及其传送速度显示与调节装置所组成。
3.4.1输送线路的初步设计
图3.4.1
根据微波加热杀菌设备的外形确定输送路线如图3.4.1所示。
3.4.2输送带的结构及特殊要求
输送带的结构是由橡胶制成的覆盖胶，包裹在带芯骨架的上下两面，用隔离层粘接物，将覆盖胶与带芯粘合在一起。
1.覆盖胶的选择
由于用本设备处理的污泥前期经过酸化处理，所以污泥有一定得腐蚀作用，所以使用耐酸碱的氯丁胶或丁基橡胶，且耐高温。
2.带芯的选择
由于采用微波加热，所以应采用低能损耗且能耐高温的玻璃纤维织物或聚四氟乙烯质地的带芯。
它们的特点：
强度高，伸长率低，不吸湿，耐热性好，耐腐蚀，电绝缘和隔热性好。
3.输送带宽的确定
由于本设备用于污泥的加热杀菌处理，所以输送带宽应根据加热器谐振腔的尺寸，及处理量来确定，此处取输送带的宽度B=500mm。
输送带规格：
B-P（3.0+1.5）L
B—带宽，mm；
P—层数；
3.0—上覆盖胶厚度，mm；
1.5—下覆盖胶厚度，mm；
L—制造长度，m。
初步确定输送带的规格为：
500-3（3.0+1.5）18
纵向全厚度抗拉强度δ=300Nmm，输送带质量qB=6kgm。
3.4.3托辊的选择
托辊是用来支承输送带和输送带上的物料，减少输送带的运行阻力，保证输送带的垂度不超过技术规定，使输送带沿预定的方向平稳地运行。
托辊的类型及其作用
托辊按其用途的不同主要分为承载托辊（又称上托辊）、回程托辊（又称下托辊）、缓冲托辊与调心托辊。
托辊的结构与具体布置形式主要决定于输送机的类型与所运物料的性质。
承载托辊的选取
由于污泥的流动性大，所以承载托辊选用槽形托辊，槽形托辊一般由3个或3个以上托辊组成。
目前普通槽形托辊的成槽角均为35°。
由机械设计手册，根据带宽，选择35°槽形托辊用于上托辊。
其结构图如图3.4.2所示：
图3.4.2槽形上托辊结构图
其基本参数如表3-4-1所示：
单位：
mm
带宽
Bmm
托辊
A
E
C
H
H1
H3
P
Q
d
质量kg
图号
D
L
图号
轴承
500
89
200
G320
6204C4
740
800
559
220
135.5
300
170
130
M12
15.8
50C314
表3-4-135°上托辊尺寸参数
回程托辊的选取
回程托辊安装在空载分支上，以支撑输送带。
通常采用平行托辊。
由机械设计手册，根据带宽，选择平行下托辊结构如图3.4.3所示：
图3.4.3平行下托辊
其基本参数如表3-4-3所示：
单位：
mm
带宽
B
托辊
E
A
H
P
Q
d
质量kg
图号
D
L
图号
轴承
500
89
600
G309
6204C4
792
740
100
145
90
M12
10
50C360
表3-4-2平行下托辊参数
槽形前倾托辊的选取
前倾托辊的能调节输送带的偏移，其一般与槽形托辊组合使用。
输送机中使用最多的是35°槽形托辊和35°槽形前倾托辊组合，每5组上托辊中设置1组前倾托辊。
此处选择35°前倾托辊。
其结构如图3.4.4所示：
图3.4.435°槽形前倾托辊结构图
其基本参数如表3-4-3所示：
单位：
mm
带宽mm
托辊
A
E
C
H
H1
H3
ε
P
Q
d
质量kg
图号
D
L
图号
轴承
500
89
200
G302
6204C4
740
800
559
220
135.5
298
1°30′
170
130
M12
15.8
50C324
表3-4-335°槽形前倾托辊参数
5.托辊间距的选择
托辊间距的选择应考虑物料性质、输送带的重度及运行阻力等条件的影响。
上托辊间距可由表3-4-4选取：
单位：
mm
物料密度（tm³）
带宽Bmm
500
650
800
1000
1200
1400
≦1.6
1200
1200
1200
>1.6
1200
1100
1100
表3-4-4
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