污泥好氧发酵立式螺旋翻堆机参数的理论研究

盛金良，宫 宁，胡海鹤，朱金龙

（同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804）

污泥好氧发酵是指在污泥中加入一定比例的秸杆、稻草、木屑或生活垃圾等调理剂和膨松剂，形成污泥混料，在有氧的条件下，利用好氧微生物对污泥混料进行氧化分解并使其转化为类腐殖质，从而形成肥料.这是一种成本低，经济附加值高，并且环保的污泥处理方法.可以实现污泥的稳定化、无害化、资源化处理，能够满足土地利用的要求.

污泥好氧发酵多数是在发酵仓中进行的.由于发酵仓具有一定的深度，会使得好氧发酵过程产生如下问题：堆体内容易出现供氧不到位的死区；污泥混料形成较大的黏性块状物料；底层和中层含水率不能有效下降等.解决以上问题的方法就是在好氧发酵的过程中使用立式螺旋翻堆机.在翻堆的过程中，污泥混料原状态的风路被螺旋体破坏，使得通风效果更佳，各点具有所需的氧浓度.通过螺旋体的旋转搅拌，污泥混料颗粒破坏速度加快，发酵变得更加均匀.污泥混料在进行翻堆后，中下层污泥混料被翻到整个堆体上层，干燥速度加快.可见，立式螺旋翻堆机在好氧发酵过程中起着非常重要的作用.

1 立式螺旋翻堆机的工作原理

1.1 翻堆时污泥混料的状态

翻堆机的主要工作部件是翻堆螺杆，在工作时，带有螺旋叶片的转动轴在自转的同时沿着径向进行移动.螺杆工作时会在螺杆周围形成影响区.根据污泥混料运动方向和所处区域的不同，影响区具体分为提升区、带动区和疏松区［1］.

处于螺旋叶片间的污泥混料，在叶片的作用力下向上移动，形成提升区；处于叶片外一定范围内的污泥混料，其与叶片料槽间污泥混料之间存在着摩擦、挤压和碰撞，提升区会带动其外部一定范围内的污泥混料向上运动，从而形成带动区；叶片间的污泥混料向上运动后会在下部形成空隙，周围的污泥混料在自身重力和周围污泥混料的压力下会向下流动填充空隙，形成疏松区.通过对污泥混料的运动分析来研究翻堆机的工作原理和参数影响.

1.2 污泥混料的运动分析

污泥混料的原料配比不固定，其物理性质在不同阶段存在着差异，因此在研究中作出如下假设［2］：

（1）污泥混料是紧密连续的，力学性质均匀并且各向同性.

（2）在整个运动过程中，污泥混料形状保持不变.

（3）污泥混料的剪应力τ和压应力σ成线性关系，表示成τ＝c＋σtanφ，φ为污泥混料间的内摩擦角，c为黏性力.

翻堆机在翻堆的过程中，污泥混料的运动受到旋转螺旋的影响，其运动形式表现为在一空间中沿螺旋的复合运动.当螺旋面的升角α在展开的状态时，螺旋线用一条直线来表示.

下面以距离螺旋轴线r处的污泥混料颗粒A作为研究对象，进行运动分析.

污泥混料颗粒A在螺旋面上所受到的合力为Fsum，Fsum由于污泥混料与叶片的摩擦关系与螺旋面的法线方向偏离了角度β.一般忽略叶片表面粗糙程度对β的影响而近似认为其等于螺旋面的摩擦角ρ，即β＝ρ.Fsum可以分解为法向分力F1和径向分力F2，如图1所示.

当螺杆以角速度ω绕轴旋转时，距离螺旋轴线r处O点的污泥混料颗粒A的运动速度如图2所示［3］.ve是颗粒A的牵连速度，方向为沿O点回转的切线方向；vr是颗粒A相对于螺旋面的相对速度，方向为平行于O点的螺旋线切线方向；若不考虑叶片摩擦，则va是颗粒A的绝对速度，方向为螺旋面上O点的法线方向.由于污泥混料与叶片有摩擦，颗粒A在O点的实际运动速度为vsum，方向与法线偏转摩擦角ρ.对vsum进行分解，则可得到颗粒A在O点的轴向速度v1和圆周速度v2.污泥混料颗粒在螺旋体内做复合运动，即沿着轴向移动，又沿着径向旋转.

图1 污泥混料受力分析图Fig.1 Loading analysis for sludge mixing

图2 污泥混料运动速度图Fig.2 Movement velocity for sludge mixing

根据几何关系得

所以式（1）也可以写成

式中：f为污泥混料与叶片间的摩擦系数，f＝tanρ，ρ为叶片与污泥混料的摩擦角.

2 翻堆机主要参数及其影响

2.1 螺旋叶片直径

由式（2），可得出污泥混料在料槽内轴向移动速度v1和圆周速度v2随r而变化的曲线图（图3）.由图3可见，v1和v2在r范围内是变化的，v1随着r的增加而增加，v2随着r增大先增加后减小.

从图3中可以看出，物料的轴向移动速度v1与圆周速度v2随着距螺旋线的距离r变化而变化.由于物料在螺旋叶片上移动，所以距螺旋线的距离r与螺旋叶片直径D有着密切的关系.螺旋叶片直径D应该提供足够的距离使得物料达到所需的速度.图中可以看出靠近螺旋轴的污泥混料的v2大于v1.而靠近螺旋外侧的污泥混料的v1大于v2.可以看出内层污泥混料较容易随螺旋轴转动，外层污泥混料容易沿着轴向移动，所以在设计螺旋叶片的直径时不能过小，要保证物料有足够的轴向移动速度.

图3 r与速度的关系Fig.3 Relationship between blade radius and velocity

2.2 螺旋轴螺距

由上述分析与公式可知，螺距决定着螺旋升角α和污泥混料在料槽内轴向移动速度v1和圆周速度v2.所以应该根据螺旋面与污泥混料之间的受力关系和速度各分量之间的分布关系来确定合理的螺距.

图4 螺距与速度的关系Fig.4 Relationship between screw pitch and velocity

式中：D为螺旋叶片直径，mm.

所以螺距应该同时满足式（3）及式（4）的条件.

2.3 螺旋轴直径

根据螺旋升角的公式可以看出螺旋轴直径与螺距共同决定螺杆的螺旋升角.所以螺旋轴直径在一定程度上也影响着污泥混料的滑移方向和速度分布.

根据以上分析可知，要使物料沿轴向移动，需要满足

另外还应该满足的一个条件是在满足尽可能大的轴向速度的同时，保证污泥混料各点的轴向速度大于圆周速度，即v1≥v2.

所以螺距应该同时满足式（6）及式（7）的条件.

2.4 螺旋轴转速

翻堆机螺杆在污泥混料中进行旋转，螺杆的转速对污泥混料的翻堆有着直接的影响.当转速过小时，螺杆对污泥混料的力不足以使污泥混料产生向上运动，当转速超过某一临界值后，污泥混料才会产生相对向上的运动，从而起到翻堆作用，这一转速的临界值称为临界转速.由此可见，螺杆转速为关键技术参数，需要通过计算得出满足要求的最小转速，超过临界转速污泥混料才会上升.

在不同文献中有多种垂直螺旋体临界转速的计算方案，本文根据对污泥混料的运动分析和实际应用工况确定了临界转速为［5］

式中：n′为临界转速，r·min－1；g为重力加速度，g＝9.8 m·s－2；r1为螺旋当量半径，mm.

在实际应用中取实际设计转速为n＝（1.5～2）n′.

在设计时要保证螺杆的旋转速度大于临界转速，这样才能保证污泥混料能够进行正常的翻堆.但是转速也不宜过大，因为当超过一定的转速时，离心力过大会使得污泥混料产生垂直于螺旋轴的翻滚，起搅拌而不起轴向的推进作用.这不仅会增大螺旋功率的消耗，同时也会导致物料填充系数下降，使污泥混料的输送效率降低，并且加速螺杆的磨损.因此，为了避免产生这种现象，螺旋的转速应该设定在一定的合适范围内，既要超过临界转速但又不能过高.

3 结语

本文针对污泥好氧发酵立式螺旋翻堆机，研究了其工作原理，并根据实际工况进行了运动分析.从理论上阐述了立式螺旋翻堆机设计的主要参数：螺旋叶片直径，螺旋轴螺距，螺旋轴直径，螺旋轴转速对翻堆机的影响以及参数选择原则.

［1］蒋琼珠.连续运输机［M］.北京：人民交通出版社，1986.

JIANG Zhujiong.Continuous conveyer［M］.Beijing：China Communications Press，1986.

［2］梁庚煌.运输机械手册：第二册 ［M］.北京：化学工业出版社，1983.

LIANG Genghuang.Mechanical transportation manual：Vol 2［M］.Beijing：Chemical Industry Press，1983.

［3］郝丽君，马殿旗，邢家乐，等.基于ADAMS分析多因子对翻堆机动力性能响应 ［J］.机电产品开发与创新，2011，24（2）：135－137.

HAO Lijun，MA Dianqi，XING Jiale，et al.ADAMS-based multi-factor analysis of dynamic performance of the response of pileturning machine［J］.Development ＆Innovation of Machinery ＆ Electrical Products，2011，24（2）：135－137.

［4］姚文冠.立式螺旋输送机的工作原理［J］.粮食流通技术，1998（4）：27－30.

YAO Wenguan.Working principle of vertical screw conveyor［J］.Grain Distribution Technology，1998（4）：27－30.

［5］韩正铜.垂直螺旋输送机临界转速的设计［J］.起重运输机械，1996（3）：3－5.

HAN Zhengtong.Design of critical rotational speed of vertical screw conveyor［J］.Hoisting and Conveying Machinery，1996（3）：3－5.