有机肥生产中的多段式搅龙设计与性能试验

张秀丽，刘云鹏，李连豪，仝振伟，杨丁元，侯朝朋

0 引 言

有机肥可充分改善土壤物理性质、增加土壤水分库，抑制土壤水分蒸发、增加降水入渗、提高土壤有效水含量[1-3]。有机肥生产是通过动植物残体或废弃物采用物理、化学、生物或三者兼有的技术经过发酵前的预处理、发酵处理、发酵后处理等加工工艺流程，消除其中的有害物质达到无害化标准而形成的[4-5]。有机肥在预处理过程中常通过固液分离设备、粉碎设备或搅拌设备制备满足发酵要求的发酵原料，然后在发酵设备中进行发酵。目前常见发酵方式有3种：条垛式、槽式和塔式[6-7]。其中条垛式和槽式发酵时间长，占地面积大，产品与生产环境差，自动化程度低，需要借助翻堆机定期对物料翻抛；塔式发酵占地面积最小，效率最高，但发酵周期仍需持续一周，且设备费用及设备维护费用最高。近年来采用先进的科技和设备，利用微生物的生活学特性，通过加热在高温段对物料进行杀菌，低温段加菌，在短时间内将有机废弃物分解转化成有机肥料，发酵快，无污染。这种快速发酵技术要求发酵过程发酵仓内的物料发酵条件均一，因此栗划等[8-9]将搅龙应用到有机肥的发酵设备中进行搅拌，大大提高了自动化程度。

针对目前有机肥生产过程中物料混合不均匀、易堵料和尾端积料等问题，结合郑州中鼎环保设备有限公司的有机肥生产设备，设计开发了适用于有机肥生产的多段式搅龙，采用离散元软件EDEM对搅龙性能进行分析研究，同时研制样机进行了物料混合均匀性能、抗堵料性能和防积料性能试验，验证该装置能够满足有机肥生产要求。

1 多段式搅龙工作原理和结构设计

1.1 工作原理

如图1a所示为设计的有机肥生产装置，由上中下3层组成，其中上层完成对渣土的高温杀菌，中层和下层主要完成物料的接种和发酵过程。上中下 3层内部机械结构基本一致，均由一个单独的发酵仓组成，如图1b所示，多段式搅龙安装在发酵仓内，发酵仓上设置有进料口和出料口。多段式搅龙是整个有机肥生产装置的核心部件，生产过程要保证发酵仓内物料混合均匀以提高肥效，保证不堵塞、不积料以促使设备稳定运行，提高生产效率。多段式搅龙整体结构由进料段、变径送料段、大径送料段、出料段和反旋向段组成；在变径送料段和大径送料段内设置有伸缩扒齿，在出料口处设置有 2组弧形扒齿。如图1c所示为传统搅龙结构示意图，发酵仓为圆筒形，传统搅龙外径尺寸与多段式搅龙进料段外径尺寸相等，用D1表示，传统搅龙总长和新设计的多段式搅龙总长相等，用L表示。

图1 有机肥生产装置和多段式搅龙及传统搅龙结构图Fig.1 Structure diagram of organic fertilizer production device and multi-segment type auger and traditional auger

1.2 结构设计

1.2.1 伸缩扒齿

为保证较高的有机肥质量，物料应该在搅龙里面运动足够的时间来完成充分杀菌和发酵，可通过增加搅龙的长度或减小搅龙的螺距和转速实现，但前者占地面积大且成本高，维修也不方便，所以，该设计通过降低螺距和转速来保证物料在发酵仓内停留足够的时间。传统结构搅龙的性能主要是完成对物料输送，当转速较低时，很难完成对多种物料的混合，不适用于有机肥生产作业。如图 2所示，本设计通过在搅龙轴上安装伸缩扒齿，伸缩扒齿旋转轴偏心于搅龙轴中心，为做对比分析，在图中同时表示出固定扒齿的位置。当搅龙转动一定角度时，伸缩扒齿的搅拌行程Δθ1更大，角速度更快，增加颗粒与颗粒间的碰撞效果，加快物料混合；同时伸缩扒齿的偏心设计使入料角和出料角增大，入料角大能更好的扒料，出料角大能增大对物料的抛翻角度在，因此同等情况下伸缩扒齿的搅拌范围更大。在工作过程中，伸缩扒齿一边随搅龙轴转动一边在搅龙轴的方孔内做往复运动，通过伸缩扒齿的复合运动不断翻抛打散物料，提高对渣土的杀菌效果以及物料的混合均匀性能。

1.2.2 变径结构

螺旋送料机的物料填充度在很大程度上可反映抗堵料性能：一方面，随着物料填充度增大，在输送过程中搅龙的叶片受到的阻力会增加，导致物料间的挤压力随之升高，容易产生堵料问题；另一方面，在物料输送过程中，随着输送距离的增加，物料间的挤压力会逐渐增大，易导致部分输送段物料产生堆积而使填充度增大，诱发堵料风险。说明物料在发酵仓不同位置的拥挤程度与其填充度大小有紧密关系。物料的填充度与自身性质有很大关系，运送不同物料所要求的填充度也不同，同一种性质的物料，一般填充度越高，越容易出现堵料的问题。

图2 伸缩扒齿与固定扒齿运动简图Fig.2 Motion diagram of telescopic gear and fixed gear

本设计在保证进料口物料进料量不变的前提下，通过变径结构设计来逐级降低仓内物料的填充度，提高物料的抗堵料性能。如图1b所示，进料段为较小圆筒状结构，可保证进料量稳定不变；变径送料段为锥形筒结构，大径送料段为较大圆筒状结构。当物料从进料口移到出料口的过程中，仓内的空间非均匀增大，物料间的挤压力相应降低，可改善仓内物料的分布，降低堵料的风险，提高有机肥生产设备的稳定性。此外，对有机肥发酵而言，变径结构为物料提供的空间更大，可提高氧气的供应量，使好氧发酵更彻底，提高有机肥的质量。

1.2.3 反旋向结构

传统结构搅龙随着搅龙叶片的转动，物料受到向前的推力，部分物料被挤至搅龙尾端，堵塞尾部轴承部件，造成积料问题，影响装备的稳定持续运转。本设计在多段式搅龙的尾部设置反旋向的叶片，可将尾端积存的物料送回出料口排出。在出料口处设置两组呈螺旋排列的弧形扒齿，将来自进料端和尾端 2个方向的物料打散，加快物料的出仓，也缓解了堵料的问题。

2 多段式搅龙的主要参数确定

2.1 螺旋叶片直径

螺旋叶片直径根据螺旋输送机生产能力、输送物料类型、结构和布置形式等确定为[10]

式中0D表示螺旋叶片直径，m；K表示物料综合系数，取值 0.045；Q表示输送能力，t/h，该设备可每小时生产 2t有机肥；C表示倾角系数，取值 1；λ为物料的单位容积质量，t/m3，它同原料的种类、湿度、切料的长度以及净化方式、效果等多种因素有关，取值1.1 t/m3；ψ表示颗粒的填充度，取值0.35[11]。代入计算求得：0D≥0.087 m。

上述计算值为螺旋叶片的最小外径值，结合车间的空间情况，搅龙总长L定为7 000 mm，多段式搅龙进料段搅龙外径D1为600 mm，大径送料段搅龙外径D2为700 mm，进料段长度L1为1 000 mm；变径段长度L2为2500 mm，大径送料段长度L3为2 600 mm；出料段长度L4为480 mm。

2.2 螺距

螺距不仅决定着螺旋的升角，还决定物料运行的滑移面，所以螺距的大小直接影响着物料输送过程。通常可按下式计算螺距

式中P表示螺距，m；对于标准的螺旋输送机，通常K1=（0.8～1.0），当倾斜布置或输送物料流动性较差时 K1≤0.8[11]。有机肥物料流动性较差，取K1为0.6，则进料口处螺距为360 mm，大径送料段螺距为420 mm。

2.3 搅龙轴直径

搅龙轴直径d的计算公式为[10]

式中x=（0.2～0.35），由于多段式搅龙为变径结构，将进料段搅龙外径 D1和大径段搅龙外径 D2的平均值D作为公式（3）中的计算直径 D0参与计算，即：

经计算，搅龙轴直径d取值范围在130～227.5 mm之间，综合考虑强度和质量等因素，设计搅龙轴为空心轴，取搅龙轴直径d为207 mm。

3 搅龙性能仿真分析

3.1 仿真假设与建模

离散单元法能够模拟颗粒流的运动过程，根据不同物料的特性，在EDEM中有多种接触模型用于各个领域分析[12-20]。本研究假设有机肥颗粒表面间没有黏附力，性质接近于常见的农作物种子，选择 Hertz-Mindlin（no slip）接触模型[21-25]。该接触模型将颗粒间接触作用按照静弹性接触进行处理，得到颗粒间圆形接触面积与弹性形变的关系，能有效解决颗粒曲面接触问题[26-30]。

在误差允许范围内，为减小EDEM的仿真规模并突出主要研究问题，结合有机肥的生产特点，在EDEM的仿真中做以下假设：1）将伸缩扒齿与搅龙作为刚性结构；2）渣土颗粒尺寸大小一致；3）采用一次添加定量的颗粒仿真代替持续进料。此外，由于实际设备尺寸较大，在EDEM中按实际尺寸建模，会导致CPU计算时间过长甚至出现“假死机”状态，所以，本次仿真模型尺寸为实际模型尺寸的0.58倍。

在EDEM仿真过程中的参数设置如表1所示，生产有机肥的主要物料是经筛选后的农村生活垃圾渣土，渣土颗粒的直径近似为3 mm，渣土密度由多次测量取平均值，其他相关模型参数[31]如表1所示。

表1 模拟相关参数Table 1 Simulation parameters

3.2 混合均匀性分析

为了分析搅龙内部物料的混合性能，需要取一些特征位置，如图 3所示，将进料口中心位置设为坐标零点L0，每间隔500 mm标记为一个取样点，用大写字母A～F表示（其中A、B和C点在变径送料段，D、E和F点在大径送料段）。在搅龙进料段距零点200 mm增加取样点O作为参考取样点。

图3 采样位置Fig.3 Sampling position

在有机肥生产中首先将部分物料与发酵菌混合，再将这部分物料作为菌源与其他物料混合。结合上述生产特点，本次分析将大小形状相同的颗粒分成 2种颜色，深色代表沾附发酵液的颗粒，浅色代表未沾附发酵液的颗粒，然后在上述取样位置对料堆进行混合均匀度检测，通过对比多段式搅龙和传统搅龙对物料的混合均匀程度，分析多段式搅龙的物料混合均匀性能。如图 4所示为物料分别在多段式搅龙和传统结构搅龙内不同位置O、B、D和F的混合状态，可以直观看出多段式搅龙在安装伸缩扒齿的位置颗粒混合程度明显高于同位置的传统结构搅龙。

图4 物料在不同位置的混合状态Fig.4 Mixing status of materials in different sampling position

为进一步比较物料在 2种不同结构搅龙内的混合均匀度，采取划网格分区的方法把料堆集中的区域划分成一个个的小网格，对不同位置的料堆取样统计，通过计算物料在每个小网格内的混合度来反映整体物料的混合程度。定义物料混合均匀度的计算公式为

式中γ表示混合均匀度；W 表示样品中沾附发酵液的颗粒总数；N表示样品内的颗粒总数。

通过计算取样网格内颗粒的混合均匀度与最佳混合均匀度之间的标准差来评价不同位置的混合均匀度与最佳混合均匀度之间的偏离程度，进而反映物料的混合情况。标准差计算公式如式（5）所示。

式中 s表示样本与最佳混合值间的标准差；γi表示第 i个网格的颗粒混合均匀度，即该网格内深色颗粒的总数与该网格内的颗粒总数的比值；0γ表示最佳混合均匀度，即参与计算的深色颗粒总数与参与计算的颗粒总数的比值；n表示参与计算的网格数量。在具体计算过程中，为提高计算的准确性，对颗粒数少于20的网格，将不参与计算。

标准差越大，说明此刻物料的混合均匀度偏离最佳混合均匀度越大，物料混合越不均匀；标准差越接近0，说明物料的混合均匀度偏离最佳混合均匀度越小，物料混合越均匀。在混合均匀性分析时，将所有取样点依次测量，统计结果如表2所示，可以看出在多段式搅龙内，物料混合均匀度标准差下降速度明显快于传统搅龙，说明伸缩扒齿对物料的抛翻作用可加快发酵菌与物料的混合。在传统结构搅龙内，物料混合较慢，最终混合均匀度标准差趋向于0.2；但当多段式搅龙达到0.2时，需要输送的距离是传统搅龙距离的0.6倍，且混合均匀度标准差的最小值比传统搅龙还要低0.042左右，说明物料在多段式搅龙内，不仅混合速度快而且混合程度还高。

如图 5所示为物料在传统搅龙内的运动形态，分析认为由于物料以“流动”的形式向前“滚动”，造成在滚动中心形成颗粒“死区”，这部分物料很难与周围物料混合或混合缓慢；而在图4a中可以看到，由于伸缩扒齿将“死区”处的物料不断打散翻抛，才使得“死区”内的物料能够与周围的物料混合，所以，在多段式搅龙内，物料的标准差极限值会低于传统结构的搅龙。

表2 不同采样位置物料的标准差Table 2 Standard deviation of materials in different sampling position

图5 传统结构搅龙内物料的混合形态Fig.5 Mixing status of materials in traditional structure auger

3.3 抗堵料性能分析

物料的抗堵料性能与物料的填充度有很大关系，流动性差的粉状颗粒物料（类似渣土状）的填充度一般约0.35左右[11]。在抗堵料性能分析时，选择O、B、D和F四个取样点研究，当料堆依次经过 4个取样点时，以经过取样点垂直于搅龙轴的平面为基准面，统计基准面前后25 mm范围内的物料体积与该范围内的料仓体积的比值，得到物料的填充度，结果如表3所示。

其中每个取样段内颗粒填充度的计算公式如下

式中r表示颗粒的半径，mm；R表示发酵仓内壁的半径，mm；M表示截面内颗粒的数量；H表示截面的厚度，mm。

表3 抗堵性能分析的相关参数Table 3 Parameters of anti-clogging ability analysis

如图 6所示为料堆经过发酵仓不同采样位置时的填充度。对于多段式搅龙，当料堆输送至采样O点时，由于该处发酵仓的内径较小，使得颗粒的填充度较大近似为0.359；当料堆输送到变径段B点时，由于发酵仓内径的增大，使得颗粒的填充度下降到0.297；当料堆输送到大径段上的采样D点时，颗粒填充度降为0.223；之后料堆被继续送至采样 F点，由于发酵仓内径不再变化，使得料堆的填充度也基本保持在0.222不变。多段式搅龙和传统搅龙在仿真过程中，进料口处的填充度都近似相等，但传统搅龙各处的物料填充度基本在 0.313～0.351之间变动，变化较小；多段式搅龙内物料的填充度变化幅度为38.1%，说明多段式搅龙的抗堵料性能优于传统搅龙。

图6 发酵仓4处采样位置的填充度Fig.6 Degree of filling of four sampling positions in fermentation bins

3.4 防积料性能分析

传统搅龙在送料过程中，叶片一直单向向前推动物料，超过出料口的物料便会积存到料仓尾端（如图7a所示），积存物料量会随着工作时间的增长而逐渐增加导致积料问题。而在多段式搅龙的尾部，由于设置有反旋向叶片，将尾部积存的物料回送至出料口没有物料积存（如图7b所示），避免积料问题。

图7 防积料性能仿真Fig.7 Simulation of anti accumulation performance

4 试验验证

4.1 多段式搅龙性能验证试验

为了测试和观察的方便，多段式搅龙性能验证试验选择在按比例缩小后的样机上进行。

4.1.1 试验设计

样机试验过程中，为突出试验效果和方便对物料进行统计筛选，试验材料选取大小形状相同的 2种不同颜色的颗粒球，分别代表沾附发酵液和未沾附发酵液的颗粒。样机的搅龙外壳为透明有机玻璃，可实时观察搅龙仓内物料的运动情况。

试验内容主要包括3部分，1）防积料检验，即测试尾部的反旋向叶片是否起到防积料作用；2）对物料的混合均匀度检验，试验中采取多次取样方法来代替仿真分析中网格分区取样；3）抗堵料性能检验，与仿真中的填充度计算方法不同，样机试验通过公式（7）测量物料横截面积与相应料仓横截面积的比值得到物料的填充度。

式中iD表示发酵仓内壁的直径，mm；d表示搅龙轴的直径，mm；h表示仓内物料距离发酵仓底的距离，mm。

4.1.2 试验结果分析

样机试验过程中发现物料的运动状态与仿真基本类似，如图 8a，很明显观察到发酵仓内形成的“死区”被伸缩扒齿打散，使得物料混合更快更加均匀；从图8b可看出多段式搅龙尾端的反旋向叶片把尾部的积料送回落料口，达到防积料的效果，与仿真结果一致。分别在样机进料段、变径送料段段和大径送料段取样计算，统计结果如下：物料在多段式搅龙的填充度依次降低，变化范围是0.36～0.23，变化幅度为36.1%；物料在多段式搅龙混合均匀度标准差变化范围是0.41～0.17，表明物料混合均匀度提高。与仿真数据也基本吻合。

图8 样机试验装置Fig.8 Testing apparatus of prototype

4.2 输运效率评估

本设计的多段式搅龙装备在登封中鼎环保设备有限公司已投入有机肥生产，与原有的传统搅龙有机肥生产装备的转运效率进行了对比试验。在保证单位时间内进料量相等的情况下，对近2个月2种搅龙的生产数据进行统计分析得到：多段式搅龙装备运行良好，输运效率为2 t/h，未出现堵料问题，达到设计要求；传统搅龙装备在作业过程中，正常运转也达到2 t/h的输运效率，但几乎每天都有堵塞问题导致停产进行人工维修，而单次67.1 t/h，造成设备实际输运效率降低。即多段式搅龙装备比原有的传统搅龙装备输运效率提高 20%，更适合有机肥的生产作业。

5 结 论

1）设计了一种用于有机肥生产的多段式搅龙结构，包含进料段、变径送料段、大径送料段、出料段和反旋向段 5部分，在变径送料段和大径送料段内设置有伸缩扒齿，在出料口处设置有两组弧形扒齿，能提高物料混合均匀程度和抗堵料能力，满足防积料性能要求。

2）基于离散元方法对多段式搅龙结构进行了性能研究。结果表明，在搅龙轴上安装伸缩扒齿，可将颗粒“死区”打散，提高物料混合均匀性能。当混合均匀度标准差达到0.2时，多段式搅龙需要输送的距离近似是传统搅龙的0.6倍左右；将搅龙设计成变径结构，可调节仓内物料的填充度，提高搅龙的抗堵料性能，物料在多段式搅龙内的填充度依次减小，减小量为38.1%；在搅龙尾部设置反旋向叶片，可将搅龙尾端物料送回出料口，防止尾端积料。

3）样机试验进一步对所设计的结构进行了验证，物料在多段式搅龙的填充度依次降低，变化幅度为36.1%；物料在多段式搅龙混合均匀度标准差变化范围是 0.41～0.17，与离散元分析结果基本吻合。样机转运效率提高20%，满足使用要求。

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