立式有机废物发酵系统搅拌器的阻力分析

陈作炳，项勤，吕银雷，邹远志，印世杰



立式有机废物发酵系统搅拌器的阻力分析

陈作炳，项勤，吕银雷，邹远志，印世杰

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070)

研究开发了一种立式有机废弃物发酵系统，系统由主轴搅拌器、上料装置、通风系统、传动机构、卸料装置组成。系统通过上料装置进料并接入适量菌种，由主轴搅拌器搅拌混合，通风系统提供足量新鲜空气，传动机构为系统提供动力，待发酵完成由卸料装置完成卸料。针对系统在固定工况条件下主轴搅拌器发酵搅拌过程中的阻力展开研究，运用现代化离散元模型(EDEM)模拟和分析物料在筒体内的运动和搅拌器受力情况，并建立搅拌器数学模型，对搅拌阻力进行理论计算。结果表明：EDEM数值模拟计算得到搅拌器转矩平均值为84 927.6 N∙m，理论计算得到搅拌器理论转矩计算值为86 549 N∙m，比模拟值略大，与数值模拟计算结果具有一致性。

有机废物发酵系统；搅拌器；阻力分析

目前，有机废弃物处理方式主要有卫生填埋法和焚烧法和传统堆肥法[1]。卫生填埋法容易引起环境污染，打破环境平衡，恶化土质；焚烧法产生烟气剧毒物质，焚烧厂选址困难[2–4]；传统堆肥法存在堆肥反应时间长、成本高、堆肥效果不理想等问题[5]。笔者根据有机废弃物处理需遵循的资源化、无害化、减量化原则[6–7]，开发设计出一种立式有机废弃物发酵系统，系统5~7 d可快速完成发酵，成本较低。笔者针对系统关键结构主轴搅拌器搅拌过程中的阻力进行分析，运用离散元模型(EDEM)模拟和分析物料的运动情况，现将结果报道如下。

1　发酵系统总体结构

系统由主轴搅拌器、上料装置、通风系统、传动机构以及卸料装置5部分组成，如图1所示。上料装置进料并接入适量菌种后，由主轴搅拌器搅拌混合，通风系统通入足量新鲜空气，传动机构为系统提供动力，待发酵完成由后卸料装置完成卸料。

图1　立式有机废物发酵系统的结构

发酵系统筒体内径2.7 m，筒体高4.6 m，总高8.2 m。主轴搅拌器为中空不锈钢管，可通过主轴通入新鲜空气，主轴搅拌器转速设定为4 r/h。转速可以根据有机废弃物材料特性和外部环境的需要进行调节，调节范围2~8 r/h。

2　搅拌器的力学分析

主轴搅拌器是系统的关键部件，针对主轴搅拌器发酵搅拌过程中的阻力展开研究。将有机废弃物料视为一系列独立运动的离散单元[8]，通过离散元模型模拟物料运动情况和受力分析。

2.1　几何模型的建立

通过CREO建立发酵系统筒体简化模型，如图2所示。对简化模型进行网格划分，如图3所示。

图2　系统简化模型

图3　网格划分模型

2.2　计算模型的选取

有机废弃物料发酵过程中，用Hertz– Mindlin (no–slip)接触模型[9–10]模拟其内部的运动过程。

2.3　材料特性参数确定

在进行有机废弃物料EDEM仿真计算时，经过相似理论转换后的模型需要满足计算机的解算条件限制。实际物理模型和转换后的EDEM模型参数基本保持一致，同时需要对有机废弃物料参数进行确定。通过查阅相关文献资料、材料手册和参考类似物料性质[11–14]，将有机废弃物料和发酵菌种的特征参数确定如表1所示。

表1　有机废弃物料和发酵菌种的特性参数

实际生产中，发酵菌种需要量很小，约为0.1%，但在进行EDEM数值模拟的时候，考虑到模型的代表性和典型性，物料含量过小会导致模拟难以正常进行，分析结果也会不准确，因此在EDEM数值模拟过程中将发酵菌种与有机废弃物料颗粒数调整为1∶8，以保证数值模拟过程的顺利进行。

2.4　结果与分析

经过EDEM数值模拟计算，发酵系统搅拌效果如图4所示。开始搅拌前，物料分批次进料，发酵菌种和有机废弃物料均匀散落在每一层表面。图4–a中，绿色代表有机废弃物料，红色代表发酵菌种。筒体内2种物料总共分为4层，界限明显；搅拌完成后，发酵菌种均匀分布在整个筒体，达到了有机废物与发酵菌种搅拌均匀的效果，如图4–b所示。

a　搅拌前 b　搅拌后

图5为搅拌主轴各部位受力图，是由Hertz– Mindlin(no–slip)接触模型中的法向力和切向力经过数值模拟计算得到的结果。图5–a为搅拌轴受力云图，由于物料主要集中在下部区域，因此底层搅拌叶片既需要推动物料作旋转运动，又需要承受来自上部物料的压力作剪切运动，受力较大；随着有机废物高度的上升，搅拌叶片受力逐渐减小，因此需要对底部叶片设置加强筋板来保证搅拌叶片强度。图5–b为搅拌轴受力处理云图，由图可知，主要受力集中部位在搅拌叶片顶端，这是由于搅拌叶片离主轴越远，旋转半径越大，需要带动的物料也越多，因此受力越大；受力面主要为与物料直接接触的剪切面，因而需要考虑搅拌叶片主切割板的材质，减轻剪切面磨损。

a搅拌轴受力图

b搅拌轴受力处理图

图5搅拌轴受力

Fig.5Force diagram of agitator’s shaft

3　搅拌器阻力的理论计算

发酵系统容积为27 m3，可装入21 t左右有机废弃物原料，搅拌装置对物料进行搅拌混合过程，主轴所受扭矩较大。通过对搅拌装置建立工作的数学模型，可计算出整机所需要的扭矩，以便对传动系统中关键部件进行力学分析和优化设计。

3.1　搅拌机构数学模型

搅拌主轴叶片对有机废弃物料和发酵菌种进行搅拌、混合[15]，是主要的受力构件，叶片在运动时受力情况如图6所示。叶片在沿中心线回转作搅拌运动时，主要承受上部物料施加给叶片的重力、叶片带动运动方向物料的挤压力和叶片附近物料对叶片的摩擦力F，搅拌主轴上呈螺旋90°均匀布置8层叶片，为使搅拌效果更好，叶片轴向分布为下部紧密，上部稀疏，因此每层叶片受力不同，同一叶片沿径向方向各点对主轴产生的转矩也不相同。

图6　运动时搅拌主轴叶片的受力

搅拌轴由底部传动系统驱动，主轴转动时，物料对叶片产生作用力，叶片对主轴产生转矩，转矩的大小对于传动系统选型、动力设计有重要指导意义。以筒体内所有物料为研究对象，搅拌装置推动物料在筒体内运动，搅拌装置简化后的机构运动简图，如图7所示。

图7　搅拌器

3.2　搅拌主轴扭矩的理论计算

筒体内部物料对主轴产生的扭矩可分为2部分：一是叶片向前推动物料进行搅拌混合时对主轴产生的扭矩；二是叶片运动过程中与物料之间摩擦阻力所产生的扭矩。

3.2.1推动物料运动产生的扭矩

分析搅拌装置在筒体内的运动时，为了分析方便，假设物料是不可压缩的，采用瞬时稳态假定方法，将筒体内物料均匀划分为个微单元，取筒体内任意一微元物料作为研究对象，如图8所示。微元距离筒体中心线为，微元长为d，高为d，宽为dα。由于筒体内叶片沿轴线方向按层分布，叶片在筒体内运动时，只能带动部分物料运动，主要作用在叶片上下附近的物料，2层叶片之间部分物料没有运动，记1为物料的运动系数，即筒体内叶片推动的物料体积与总物料体积之比。

图8　积分单元

式中：1为叶片可拨动筒体内物料的高度(m)；1为筒体内物料的高度(m)；1为搅拌叶片所能带动物料的高度(m)；2为刮料叶片所能带动物料的高度(m)；为搅拌叶片层数。

由于1=3.9 m，1=0.1 m，2=0.047 m，=8，因而1=0.847 m，1=0.217。

则物料对轴的扭矩为：

式中：d1为微元对于轴的扭矩(N∙m)；1为筒体内物料对于轴的扭矩(N∙m)；为微元距离轴线的距离(m)；d为微元长度，m；d为微元高度(m)；为微元夹角(°)。

对(2)式积分得：

3.2.2叶片与物料之间摩擦阻力产生的扭矩

当搅拌装置在筒体内推动物料运动时，叶片与上下层物料发生相对运动，物料与叶片之间产生摩擦力，摩擦力对主轴产生扭矩。把搅拌装置作为一个整体来分析，则叶片承受筒体内所有物料重力，简化筒体内叶片受力如图9，物料对叶片的摩擦力作用于半径中点。

图9　摩擦阻力产生的扭矩

叶片受到的正压力等于筒体内物料重力。

叶片所受摩擦力为：

则摩擦力产生的扭矩为：

即：

所以，搅拌装置的主轴承受扭矩为：

(9)

式中：1为材料与物料之间的摩擦系数，1=0.4。

3.3　搅拌阻力

3.3.1数值计算

图10为搅拌轴在搅拌过程中所承受的扭矩变化曲线。0~5 s时，为下料阶段，物料在下落过程中对搅拌叶片有冲击，搅拌叶片受到很小的转矩；下料完成后，搅拌轴开始转动，叶片带动物料在筒体内作回转运动，受到的阻力增加，导致转矩急剧上升达到76 800.1 N·m，当搅拌轴搅拌速度稳定后，搅拌轴承受总转矩在85 000 N·m上下浮动，这是由于物料在搅拌过程中，物料在筒体内分布不均匀造成的，因此搅拌叶片承受的转矩数值以一稳定值为基础上下浮动。由EDEM导出的数据显示，搅拌轴在搅拌过程中承受的总转矩平均值为84 927.6 N·m。

图10　搅拌过程中搅拌轴转矩的变化

3.3.2理论计算结果分析

发酵系统正常工作时，筒体上方需预留出40~50 cm高的空间，用于气体流动、热交换、水分蒸发等。当加入筒体内物料高度为3.9 m时，搅拌装置主轴所受扭矩为：

=86 549 N·m (10)

理论计算值略大于模拟计算值，具有一致性。在理论计算时，对叶片受力进行了假设，把搅拌叶片作为一个整体来分析，叶片承受筒体内所有物料重力，而实际情况物料之间也存在相互作用力，因此叶片只承受筒体内物料大部分重力，因此数值模拟计算值比理论计算值略小，符合生产实际。

[1] 赵秀玲，朱新萍，罗艳丽，等．温度与秸秆比例对牛粪好氧堆肥的影响[J]．环境工程学报，2014，8(1)：334–340．

[2] ZHU B，GIKAS P，ZHANG R，et al．Evalation of the rotary drum reactor as municipal solid waste pretreament technology for biomass utilization[J]. International Conference on Biomass Energy Technologies，2008 (10)：160–168．

[3] 张海霞，李爱民，鞠茂伟．小型好氧堆肥设备处理有机垃圾[J]．环境工程学报，2013，7(5)：1939–1944．

[4] 纪丹凤，夏训峰，刘骏，等．北京市生活垃圾处理的环境影响评价[J]．环境工程学报，2011，5(9)：2101–2107．

[5] 王玉新，任勇翔，王晓昌，等．塔式自然通风好氧堆肥反应器的开发与应用[J]．环境工程学报，2014，8(4)：1631–1636．

[6] 黄华，黄懿梅，刘学玲，等．覆盖处理对猪粪秸秆堆肥中氮素转化和堆肥质量的影响[J]．环境科学学报，2013，33(3)：780–786．

[7] BHARAT Bhushan，MADHUSUDAN Singh．Adaptive control of DC motor using bacterial foraging algorithm[J]. Applied Soft Computing，2011，11：4913–4920．

[8] 胡国明．颗粒系统的离散单元法分析仿真[M]．武汉：武汉理工大学出版社，2010．

[9] 王国强，郝万军，王继新．离散单元法及其在EDEM上的实践[M]．西安：西北工业大学出版社，2010．

[10] Paul W Cleary．Industrial particle flow modeling using discrete element method[J]．Engineering Conputationgs，2009，26(6)：698–743．

[11] 李季，彭生平．堆肥工程实用手册[K]．2版．北京：化学工业出版社，2011．

[12] HAUG R T．The Practical Handbook of Compost Engineering[K]．Boca Raton Fla：Lewis Publishers，1993．

[13] 高云航，勾长龙，王雨琼，等．低温复合菌剂对牛粪堆肥发酵影响的研究[J]．环境科学学报，2014，34(12)：3166–3170．

[14] BAO D J，SHU Y W，LI Q X，et al．The effect of salinity on waste activated sludge alkaline fermentation and kinetic analysis[J]．Journal of Environmental Sciences，2016(5)：80–90．

[15] 陈志平．搅拌与混合设备设计选用手册[K]．北京：化学工业出版社，2004．

责任编辑：罗慧敏

英文编辑：吴志立

Resistance analysis of the agitator in the vertical organic waste fermentation treatment system

CHEN Zuobing, XIANG Qin, LÜ Yinlei, ZOU Yuanzhi, YIN Shijie

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

An vertical organic waste fermentation treatment system has been developed, which composed of main agitator, feeding device, ventilation system, transmission, and discharge part. The organic waste was fed through the feeding device as well as the appropriate bacteria, and then mixed by the main agitator. The ventilation system provided adequate fresh air to ensure the organic waste fermenting completely. The transmission transmitted power to the whole system. When the fermentation is finished, the organic waste was discharged by the discharge part. Resistance of the main agitator was studied during the fermentation process under normal condition. The mathematical model of the agitator was established to simulate and analyze the movement of the material in the cylinder and the force on the agitator by discrete element soft of EDEM. The results show that the average torque on the main agitator was 84 927.6 N∙m obtained by simulation, which slightly larger than the value of 86 549 N∙m from theoretical calculation. It is found that the simulation by EDEM is consistency with theoretical calculation.

organic waste fermentation system; agitator; resistance analysis

X705

A

1007-1032(2017)05-0570-05

2017–02–24

2017–07–05

中国农业科学院水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07603–002)

陈作炳(1962— )，男，湖北孝感人，教授，主要从事节能环保技术及其应用研究，zbchen01@126.com

投稿网址：http://xb.hunau.edu.cn