趙維松，朱德文，宗文明，謝 虎，曹 杰，韓柏和，李瑞容，曲浩麗

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畜禽糞污固液分離機(jī)斷齒螺旋脫水裝置運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

趙維松1，朱德文1※，宗文明2，謝 虎1，曹 杰1，韓柏和1，李瑞容1，曲浩麗1

（1. 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014； 2. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036）

固液分離是畜禽糞便后續(xù)處理利用的重要環(huán)節(jié)，針對(duì)現(xiàn)有固液分離機(jī)處理高濃度糞污混合物存在效率低、分離效果差等問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了一種斷齒螺旋脫水裝置，以高濃度豬糞為試驗(yàn)對(duì)象，采用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)對(duì)斷齒螺旋脫水裝置的工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)，以螺旋轉(zhuǎn)速、間斷距離、配重位置為影響因素，以分離效率和擠出物含水率為目標(biāo)函數(shù)，建立了影響因素與目標(biāo)函數(shù)之間的多元數(shù)學(xué)回歸模型。通過(guò)試驗(yàn)并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，最終獲出最佳工作參數(shù)組合為：間斷距離37 mm，轉(zhuǎn)速56 r/min、配重塊處于配重桿309 mm位置處（相對(duì)位置），此時(shí)分離效率為5.43 m3/h，擠出物含水率為53.52%，試驗(yàn)結(jié)果與理論優(yōu)化值間的誤差小于10%，最優(yōu)參數(shù)組合下固體回收率實(shí)測(cè)值為54.91%，表明該文得出的多元數(shù)學(xué)回歸模型與真實(shí)值間的擬合度較高，可為高濃度糞污混合物固液分離機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

機(jī)械化；優(yōu)化；模型；高濃度；糞污；斷齒螺旋；擠壓脫水

0 引 言

中國(guó)畜禽糞污年產(chǎn)量達(dá)39.5億t，一般非墊料畜禽排泄物含水率均在80%以上，對(duì)其進(jìn)行脫水或干燥是后續(xù)資源化利用的重要環(huán)節(jié)[1-2]。目前畜禽糞便機(jī)械脫水國(guó)內(nèi)外采用的技術(shù)主要有離心式、壓濾式、篩分式3種，其中能耗低、可靠性高的螺旋擠壓式分離機(jī)在畜禽糞便處理及沼液沼渣分離領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛[3-7]。但螺旋擠壓分離機(jī)處理高粘度糞便時(shí)效率低、效果差，且處理能力隨粘度增加而降低，加水稀釋后產(chǎn)生的大量污水極大增加了后續(xù)處理難度和成本[8-10]。故在高濃度和高黏度物料特性條件下，進(jìn)行固液分離裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)，尋求影響分離效率和擠出物含水率的因素，對(duì)提高機(jī)具分離效率、提升機(jī)具作業(yè)性能及減少附加污水的產(chǎn)生具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者正在開展畜禽糞便固液混合物分離技術(shù)研究與應(yīng)用。Burton等[11]研究表明固液分離在畜禽糞污處理中具有重要意義，機(jī)械分離可有效去除糞污中約80%的干物質(zhì)。Moller等[12]研究表明原料干物質(zhì)含量（total solids concentration，TS）對(duì)螺旋固液分離機(jī)處理能力具有顯著影響。石慧嫻等[13]研究了豬糞TS與表觀粘度的關(guān)系，表明豬糞為假塑性流體且符合冪率方程。常志州等[14]研究表明不同糞便粒徑及養(yǎng)分分布可影響螺旋擠壓分離機(jī)固形物回收率。Popovic等[15]研究了生物炭等添加劑對(duì)螺旋擠壓分離機(jī)分離性能的影響，表明豬糞中添加生物炭可提高分離效率2%～3%。Apachanov等[16]對(duì)螺旋擠壓機(jī)內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了建模，指出物料進(jìn)入螺旋內(nèi)“死區(qū)”以及繞軸旋轉(zhuǎn)是導(dǎo)致分離效率降低和能耗增加的主要原因。關(guān)正軍等[17]以分離固形物TS為主要考核指標(biāo)優(yōu)化了螺旋壓榨分離機(jī)的工藝參數(shù)。林代炎等[18]研究了螺旋擠壓分離機(jī)在規(guī)模養(yǎng)豬場(chǎng)污水處理的應(yīng)用效果。鄧全得等[19-20]基于ANSYS對(duì)壓榨機(jī)螺旋強(qiáng)度進(jìn)行了分析，得出了螺旋應(yīng)力分布規(guī)律及最危險(xiǎn)截面。申江濤等[21]設(shè)計(jì)了一種斷式螺旋擠壓分離機(jī)，表明斷式螺旋能夠較好的適應(yīng)粘稠物料的分離，但未涉及對(duì)擠壓裝置運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化。武軍等[22]從理論上對(duì)斷式螺旋擠壓分離機(jī)和傳統(tǒng)連續(xù)螺旋擠壓分離機(jī)進(jìn)行比較分析，指出了斷式螺旋擠壓分離機(jī)的優(yōu)勢(shì)及發(fā)展前景。

斷式螺旋能處理高濃度、高黏度物料，具有產(chǎn)量較高、適應(yīng)性較好等優(yōu)點(diǎn)，但國(guó)內(nèi)關(guān)于斷式螺旋間斷距離等重要參數(shù)的優(yōu)化研究較少。為了解決畜禽糞污固液分離機(jī)作業(yè)時(shí)易堵塞、能耗高、螺旋受力不均等難題，提高機(jī)具分離效率、降低擠出物含水率。該文在前人研究基礎(chǔ)上，開展間斷距離、螺旋轉(zhuǎn)速、配置位置3個(gè)重要參數(shù)的優(yōu)化研究，設(shè)計(jì)了一種斷齒螺旋脫水裝置，該裝置進(jìn)料段螺旋采用連續(xù)螺旋以保證其足夠的軸向推力，擠壓段螺旋采用適應(yīng)性好的斷齒螺旋。

為提高出料速度，設(shè)計(jì)出料段螺距等于擠壓段螺距，且螺旋葉片入料端斷口比較鋒利，能夠?qū)﹄s物進(jìn)行切割，避免物料掛齒后堵塞機(jī)具。為獲取最佳運(yùn)行參數(shù)，自主設(shè)計(jì)了斷齒式螺旋擠壓分離試驗(yàn)臺(tái)，選擇間斷距離、螺旋轉(zhuǎn)速、配重位置為影響因素，以分離效率及擠出物含水率為控制目標(biāo)，利用試驗(yàn)臺(tái)對(duì)高濃度豬糞進(jìn)行分離試驗(yàn)，尋求分離參數(shù)優(yōu)化組合，以期為斷齒螺旋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用豬糞來(lái)自江蘇海門市某養(yǎng)豬場(chǎng)，為滿足污水泥漿泵作業(yè)的最低要求，對(duì)鮮豬糞（TS為32.83%）進(jìn)行了適當(dāng)稀釋，試驗(yàn)時(shí)豬糞TS為21.18%（原料含水率為78.82%），表觀黏度為10 240 mPa·s。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

自制斷齒螺旋脫水裝置（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所），SKFG-01干燥器電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海捷呈實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）、SAMPO DT2234A型測(cè)速儀（深圳欣寶科儀儀器研制中心）、NL50-8污水泥漿泵（上海陽(yáng)光泵業(yè)制造有限公司）、QJB3/8污泥攪拌器（江蘇如克環(huán)保設(shè)備有限公司）、SECURA612-1CN電子天平（蘇州賽恩斯儀器有限公司）。

1.3 機(jī)具結(jié)構(gòu)與工作原理

斷齒螺旋脫水裝置主要由三相異步電機(jī)、減速器、篩網(wǎng)、斷齒螺旋、連接件、機(jī)頭等部分組成，其中斷齒螺旋是擠壓分離機(jī)的關(guān)鍵部件之一，用來(lái)完成輸送物料、擠壓脫水和出料等過(guò)程，自行設(shè)計(jì)的斷齒螺旋分為送料段、擠壓段、出料段，采用雙頭螺旋，為提高送料能力，進(jìn)料段采用連續(xù)螺旋。螺旋外徑為180 mm，螺旋軸直徑為89 mm，進(jìn)料段螺距140 mm，擠壓和出料段螺距160 mm，配套無(wú)極調(diào)速電機(jī)和WB100單級(jí)擺線減速機(jī)，調(diào)速范圍20～110 r/min，扭矩范圍97～194 N·m，3個(gè)斷齒螺旋除了間斷距離不同以外（分別為20、35、50 mm），其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均保持一致，且同一螺旋所有間斷距離均保持一致。當(dāng)使用不同螺旋時(shí)，機(jī)筒長(zhǎng)度發(fā)生改變，通過(guò)添加連接件改變機(jī)筒長(zhǎng)度，部件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

斷齒螺旋脫水裝置在工作時(shí)，糞污經(jīng)過(guò)污水泥漿泵抽吸進(jìn)入擠壓腔體內(nèi)，在螺旋的推動(dòng)下不斷向前輸送，無(wú)論物料濃度或者速度發(fā)生變化，當(dāng)物料到達(dá)間斷處都會(huì)因失去螺旋葉片的推動(dòng)而停滯不前，物料被不斷壓縮，當(dāng)推動(dòng)力大于間斷處物料的阻力時(shí)，物料會(huì)被推動(dòng)至下一螺旋段，通過(guò)出口壓力控制、間斷和螺距變化等手段使得物料在腔體內(nèi)不斷受擠壓作用而脫水，液體由篩網(wǎng)滲流出去，截留在篩網(wǎng)內(nèi)部的殘?jiān)沙鲈谂懦?，進(jìn)而完成擠壓脫水作業(yè)[23]。

斷齒螺旋脫水裝置的工作原理是采用間斷螺旋葉片，進(jìn)行分段式控制脫水過(guò)程，改變物料在普通螺旋中“直進(jìn)直出”的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，間斷處物料堆積具有一定封堵作用，使得每個(gè)間斷區(qū)域和一個(gè)螺旋段形成一個(gè)小的擠壓室，在每個(gè)間斷處對(duì)物料持續(xù)壓縮脫水，提升脫水效率。連續(xù)螺旋出料段葉片最易磨損，斷齒螺旋對(duì)螺旋腔物料進(jìn)行了分段控制，葉片受力相對(duì)均勻，出料段螺旋受剪切力較連續(xù)螺旋小，葉片不易發(fā)生斷裂和破壞，大大延長(zhǎng)了機(jī)具使用壽命，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，斷齒螺旋脫水裝置在分離作業(yè)成本和使用壽命上更有優(yōu)勢(shì)。相同工況下，斷齒螺旋能夠更加高效完成脫水作業(yè)，對(duì)原料適應(yīng)性更強(qiáng)，具有分離效率高、附加用水量少等優(yōu)點(diǎn)。

1.4 試驗(yàn)方法

生產(chǎn)率反映單位時(shí)間所處理糞污的體積，而擠出物含水率表征糞污脫水效果，所以選擇生產(chǎn)率和擠出物含水率為目標(biāo)函數(shù)。螺旋轉(zhuǎn)速和配重位置對(duì)螺旋擠壓固液分離機(jī)的作業(yè)效果影響較大[24]，間斷距離是斷齒螺旋重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，腔體內(nèi)擠壓力的大小與間斷距離密切相關(guān)，腔體壓力大則有利于降低擠出物含水率，并且影響生產(chǎn)率，因此該文選取間斷距離、螺旋轉(zhuǎn)速、配重位置（配重相對(duì)配重桿的位置，見圖1）3個(gè)因素為自變量，采用三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，共17個(gè)試驗(yàn)工況，其中包括5個(gè)零點(diǎn)，依據(jù)Box-Behnken設(shè)計(jì)原理[25-28]，以分離效率1、擠出物含水率2參數(shù)作為考核指標(biāo)，對(duì)間斷距離1、螺旋轉(zhuǎn)速2、配重位置3三因素開展響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)因素和水平如表1所示。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素和水平

指標(biāo)測(cè)定方法為：分離效率用單位時(shí)間處理豬糞的體積計(jì)算、含水率用標(biāo)準(zhǔn)烘干法[29]、固體回收率為分離后糞污水中總固體減少量除以分離前糞污的總固體量。試驗(yàn)前將豬糞置于儲(chǔ)液池中，攪拌泵持續(xù)工作保證池中物料具有較好的均勻性，機(jī)具運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)開始計(jì)時(shí)，運(yùn)行30 min后停止工作，并收集分離出的固體和液體進(jìn)行稱重和測(cè)量，試驗(yàn)重復(fù)3次。采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分離效率及擠出物含水率二次多項(xiàng)式回歸分析，利用響應(yīng)面分析法對(duì)各因素相關(guān)性和交互作用的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果及2個(gè)響應(yīng)值如表2所示。在試驗(yàn)中，斷齒螺旋能夠順利完成擠壓脫水作業(yè)，在選取的參數(shù)范圍內(nèi)，分離效率的變化范圍為3.52～5.42 m3/h，擠出物含水率變化范圍為51.39%～57.01%，表明斷齒螺旋處理能力較好，擠出物含水率滿足相關(guān)生產(chǎn)工藝要求[30]，該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)值結(jié)果

2.2 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表2中的樣本數(shù)據(jù)，利用Design-Expert 8.0.6軟件開展多元回歸擬合分析，建立分離效率1、擠出物含水率2對(duì)間斷距離、螺旋轉(zhuǎn)速、配重位置3個(gè)自變量的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，如式（1）、式（2）所示，并對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析[31-32]，結(jié)果如表3所示。

1=4.99?0.0741+0.472?0.433+0.08212?0.0113+

0.1323?0.1712?0.3222?0.06132（1）

2=51.77?1.131+0.42?0.843?1.3612?0.2213?

0.4223+2.1912+0.5122+1.1432（2）

式中1為分離效率，m3/h；2為擠出物含水率，%；1為間斷距離，mm；2為螺旋轉(zhuǎn)速，r/min；3為配重位置，mm。

根據(jù)表3分析結(jié)果可知，回歸方程1、2的值均小于0.01，這表明響應(yīng)面模型高度顯著。模型的失擬項(xiàng)檢驗(yàn)值均大于0.05（1為0.208 4、2為0.188 6），不顯著的失擬檢驗(yàn)值表明模型與數(shù)據(jù)符合程度較高。1、2決定系數(shù)2分別為0.984 1、0.983 9，表明這2個(gè)模型可以解釋98%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)?；谝陨辖Y(jié)果可知，模型能夠充分描述這2個(gè)響應(yīng)變量，響應(yīng)面模型的預(yù)測(cè)是合理的，可以用來(lái)優(yōu)化斷齒螺旋脫水裝置的工作參數(shù)。

為了優(yōu)化回歸方程，需剔除對(duì)響應(yīng)變量影響概率較小的自變量，各參數(shù)對(duì)回歸模型方程的影響可以由值反映。分離效率模型1中2、3、12和22（<0.01）4項(xiàng)極顯著，23（<0.05）顯著；擠出物含水率模型2中1、3、12、12和32（<0.01）7項(xiàng)極顯著，2、22（<0.05）顯著。剔除不顯著回歸項(xiàng)后得到優(yōu)化模型如式（3）、式（4）所示，優(yōu)化后模型1、模型2的顯著性檢驗(yàn)值均小于0.001，表明模型高度顯著、失擬項(xiàng)值均大于0.05，表明優(yōu)化模型可靠，可用來(lái)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)和分析。

表3 回歸方程方差分析

注：<0.01（極顯著，**）；<0.05（顯著，*）。

Note:<0.01 (highly significant, **);<0.05 (significant, *).

1=4.96?0.0741+0.472?0.433+0.1323?

0.1712?0.3322（3）

2=51.77?1.131+0.42?0.843?1.3612+

2.1912+0.522+1.1432（4）

2.3 各因素對(duì)性能影響效應(yīng)分析

由表3方差分析結(jié)果可知各因素影響考核指標(biāo)的主次順序，各因素對(duì)分離效率的貢獻(xiàn)率大小排序?yàn)椋郝菪D(zhuǎn)速2>配重位置3>間斷距離1。說(shuō)明在選定的3個(gè)主要因素中，螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)分離效率影響最大，配重位置其次，間斷距離對(duì)分離效率的影響最小，這一結(jié)論與關(guān)正軍等采用連續(xù)螺旋分離牛糞所得試驗(yàn)結(jié)果相符，說(shuō)明無(wú)論連續(xù)螺旋還是斷齒螺旋，螺旋轉(zhuǎn)速都是影響分離效率的主要因素；各因素對(duì)擠出物含水率的貢獻(xiàn)率大小排序?yàn)椋洪g斷距離1>配重位置3>螺旋轉(zhuǎn)速2。表明斷齒螺旋的間斷距離對(duì)擠出物含水率影響最大，配重位置其次，螺旋轉(zhuǎn)速最小，這一結(jié)論表明斷齒螺旋對(duì)降低擠出物含水率具有重要意義，控制間斷距離的大小即可控制腔體內(nèi)部的壓力，進(jìn)而達(dá)到控制擠出物含水率的目的。

2.4 試驗(yàn)參數(shù)的交互作用分析

根據(jù)回歸方程分析結(jié)果，利用響應(yīng)面分析考察間斷距離、螺旋轉(zhuǎn)速以及配重位置對(duì)分離效率和擠出物含水率2個(gè)響應(yīng)值的影響，以其在保證擠出物含水率前提下，得出分離效率最佳值。

2.4.1 交互因素對(duì)分離效率的影響規(guī)律分析

交互因素對(duì)分離效率響應(yīng)面曲線如圖2所示，每個(gè)響應(yīng)面圖代表了當(dāng)一個(gè)因素處于中心水平時(shí)，另外2個(gè)獨(dú)立自變量之間的交互作用。圖2a為間斷距離1和螺旋轉(zhuǎn)速2對(duì)分離效率1交互作用的響應(yīng)面圖，可以看出，分離效率隨螺旋轉(zhuǎn)速變化的曲面變化明顯，而隨間斷距離變化的曲面坡度較為平緩。表明當(dāng)間斷距離為定值時(shí)，分離效率隨轉(zhuǎn)速增加而顯著增大，達(dá)到最大值后下降，存在最優(yōu)值。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，分離效率隨間斷距離減小先增后減，間斷距離過(guò)大或無(wú)間斷（連續(xù)螺旋）均不利于提高分離效率，存在最優(yōu)值。但就整體趨勢(shì)而言，間斷距離大小對(duì)分離效率影響不大；從圖2b可以看出，分離效率隨配重位置減小而增大，在一定范圍內(nèi)降低配重位置能有效提高分離效率，當(dāng)配置位置一定時(shí)，分離效率隨間斷距離減小先增后減，存在最優(yōu)值；從圖2c可看出，分離效率隨轉(zhuǎn)速和配置位置變化都產(chǎn)生明顯改變，且轉(zhuǎn)速和配重位置同時(shí)提高時(shí)，可保持分離效率不變，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速和配置位置之間存在交互作用，當(dāng)配置位置一定時(shí)，分離效率隨轉(zhuǎn)速增加先增后減，存在最優(yōu)值。

此外分析圖2可知，響應(yīng)面變化規(guī)律與表3分析結(jié)果及模型（3）吻合，總體影響趨勢(shì)為螺旋轉(zhuǎn)速越高、間斷距離和配重位置越小，分離效率越高。其主要原因在于：當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)速提高時(shí)，大大提升了其送料效率，進(jìn)而提升了出料速度；當(dāng)配重位置減小，既出料端反壓裝置提供的壓力減小，物料出料阻力減小，進(jìn)而出料速度加快，分離效率提高；間斷距離減小時(shí)，物料之間相互堆積的密度減小，物料在腔體內(nèi)滯留時(shí)間也減少，相同時(shí)間段內(nèi)可分離更多物料。

2.4.2 交互因素對(duì)擠出物含水率的影響規(guī)律分析

交互因素對(duì)擠出物含水率響應(yīng)面曲線如圖3所示，每個(gè)響應(yīng)面圖代表了當(dāng)一個(gè)因素處于中心水平時(shí)，另外2個(gè)獨(dú)立變量之間的交互作用。圖3a為間斷距離1和螺旋轉(zhuǎn)速2對(duì)擠出物含水率2交互作用的響應(yīng)面圖，可以看出，圖中二維等高曲線呈橢圓形，間斷距離和轉(zhuǎn)速同時(shí)增加時(shí)，擠出物含水率可保持不變，這表明間斷距離和轉(zhuǎn)速存在一定的交互作用。當(dāng)間斷距離一定時(shí)，含水率隨轉(zhuǎn)速增加先減后增，存在最優(yōu)值；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，含水率隨間斷距離增加先減后增，存在最優(yōu)值；從圖3b可以看出，含水率隨間斷距離及配重位置變化的曲面均變化明顯，當(dāng)配置位置一定時(shí)，含水率隨間斷距離增加而降低，達(dá)到最低值后有下降趨勢(shì)，存在最優(yōu)值，在合理范圍內(nèi)，增加間斷距離和配重位置有助于降低擠出物含水率；從圖3c可以看出，含水率隨配重位置變化的曲面變化明顯，而隨轉(zhuǎn)速變化的曲面坡度較為平緩，表明當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，提高配重位置有助于降低擠出物含水率；當(dāng)配置位置一定時(shí)，提高轉(zhuǎn)速有助于提高分離效率。

分析圖3可知，響應(yīng)面變化規(guī)律與表3分析結(jié)果及模型式（4）吻合，總體影響趨勢(shì)為轉(zhuǎn)速越低、配重位置越小、間斷距離越大，擠出物含水率越低。其主要原因在于：當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)速較低時(shí)，物料在腔體內(nèi)推進(jìn)速度較慢，液體通過(guò)篩網(wǎng)滲流時(shí)間變長(zhǎng)，故有利于降低擠出物含水率，但腔體內(nèi)部壓力是決定脫水效果的主要因素，轉(zhuǎn)速對(duì)腔體內(nèi)部建壓作用有限，因而對(duì)擠出物含水率的影響是極其有限的[33-34]；當(dāng)間斷距離增加時(shí)，首先增加了物料在腔體內(nèi)的滯留時(shí)間，其次隨著間斷距離增加，間斷處物料堆積密度也隨之增加，間斷處高壓的建立使得更多水分被壓榨出去，所以擠出物含水率變小；出料端阻力變大有助于螺旋腔體內(nèi)部建壓，出料端物料需要達(dá)到更大壓力才能頂開反壓裝置，因此有助于降低擠出物含水率，斷齒螺旋的設(shè)計(jì)原理和反壓裝置具有異曲同工之妙，區(qū)別在于反壓裝置是通過(guò)機(jī)械方式增加出料阻力，而斷齒螺旋是依靠物料在間斷處自身堆積產(chǎn)生的壓力二次脫水。

3 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 參數(shù)優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的作業(yè)效果，在保證擠出物含水率的前提下，使分離效率達(dá)到最佳，根據(jù)響應(yīng)面分析可知：要獲得最大的分離效率，需要提高螺旋轉(zhuǎn)速、減小配重、減小間斷距離，而保證擠出物含水率又要求間斷距離和配重位置不應(yīng)過(guò)小。由于各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響規(guī)律比較復(fù)雜，因此采用多目標(biāo)優(yōu)化來(lái)尋求滿足目標(biāo)的最佳參數(shù)組合。

畜禽糞污發(fā)酵堆肥工藝一般要求其擠出物含水率為50%～70%[30]，以擠出物含水率和分離效率為目標(biāo)，采用Design-Expert軟件對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到最優(yōu)工作參數(shù)組合為：間斷距離37.38 mm、螺旋轉(zhuǎn)速56 r/min、配重位置在309 mm處（相對(duì)位置），此時(shí)擠出物含水率為53.52%，分離效率為5.43 m3/h。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所得模型預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，選取的最佳參數(shù)組合為間斷距離37 mm、螺旋轉(zhuǎn)速56 r /min、配重位置309 mm進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示，分離效率平均為5.71 m3/h，實(shí)測(cè)值與理論值相對(duì)誤差為5.22%，擠出物含水率平均為56.45%，與理論值相對(duì)誤差為5.47%，各考核指標(biāo)實(shí)測(cè)值與理論值相對(duì)誤差均小于10%，表明模型可靠度較高，同時(shí)測(cè)得固體回收率為54.91%（>45%），回收效果較好[35]。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

表5 優(yōu)化條件下各指標(biāo)實(shí)測(cè)值

4 結(jié)論與討論

1）采用Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)方法，以間斷距離、螺旋轉(zhuǎn)速、配重位置3因素對(duì)分離效率和擠出物含水率的影響趨勢(shì)進(jìn)行了分析并建立了優(yōu)化模型，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)模型及優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明模型及優(yōu)化結(jié)果可靠性較高。

2）試驗(yàn)結(jié)果表明，斷齒螺旋脫水裝置各因素對(duì)分離效率影響顯著順序依次為螺旋轉(zhuǎn)速、配重位置、間斷距離；各因素對(duì)擠出物含水率影響顯著順序依次為間斷距離、配重位置和螺旋轉(zhuǎn)速。綜合考慮響應(yīng)指標(biāo)及生產(chǎn)實(shí)際，確定斷齒螺旋脫水裝置最優(yōu)工作參數(shù)組合為：間斷距離37 mm、螺旋轉(zhuǎn)速56 r/min、配重位置在309 mm處（相對(duì)位置），按照最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)，獲得擠出物含水率為56.45%，分離效率為5.71 m3/h，固體回收率為54.91%。

研究表明，斷齒螺旋能夠適應(yīng)高濃度糞污固液分離作業(yè)要求，分離效率高，擠出物含水率較低。為了進(jìn)一步提高該機(jī)型工作性能，可在篩網(wǎng)縫隙尺寸、螺距變化及進(jìn)料條件等其他因素全面開展試驗(yàn)研究。

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Operation parameter optimization of interrupted-whorl screw dewatering device of solid-liquid separator for livestock and poultry manure

Zhao Weisong1, Zhu Dewen1※, Zong Wenming2, Xie Hu1, Cao Jie1, Han Baihe1, Li Ruirong1, Qu Haoli1

(1.,,210014,; 2.,,230036,)

With the rapid development of intensive livestock and poultry industry, a large amount of livestock and poultry manure is produced every year in China, which will pollute the environment if not treated properly. Chinese government carries out the environmental impact assessment for these enterprises every year, and develops strict policy to restrain the waste discharge. Solid-liquid separation is an important procedure for the follow-up comprehensive utilization of livestock manure. The existing solid-liquid separation equipment has the disadvantage of low efficiency and poor effect when processing high-concentration fecal sewage mixture. This paper designed a new type of interrupted-whorl screw solid-liquid separator with the purpose of efficiently carrying out the solid-liquid separation of high-concentration sewage, improving the separation efficiency, and producing less additional sewage. As one of the key components of the separation device, interrupted-whorl screw was designed and it includes three components, i.e. feeding section, extrusion section and discharge section. To enhance feeding capacity, continuous screw was used for the feeding section. The extrusion and discharge sections adopt the interrupted-whorl screw. The screw pitch of feeding section is 140 mm, and those of the extrusion and discharge sections are 160 mm. With high-concentration pig manure (total solid concentration 21.18%) as experimental object, this study investigated the optimization of operating parameters on self-made screw extrusion separation test bed. The Box-Behnken design method was adopted in the operating parameter optimizing experiment of the Interrupted-whole screw dewatering device. The spindle speed of screw, gap distance, and counterweight position were taken as the influencing factors, and the separation efficiency and filter cake moisture content were selected as the responsive variables in the experimental study. The quadratic regression orthogonal experiment of 3 factors and 3 levels was designed; by using the regression analysis and response surface analysis with the software of Design-Expert 8.0.6, the mathematical model concerning the 3 factors’ impact on the solid-liquid separation performance was set up, and the experimental verification of the mathematical model was also conducted. The results showed that the trial factors had great effects, and the separation efficiency and the extrusion moisture content could be fitted with two regression polynomials, thevalues of which were less than 0.001, indicating that the models were highly significant. The coefficients of determination (2) were 0.984 1 and 0.983 9 respectively, which showed that 98% of the response values could be explained by the models. According to the rate of factors contribution, conclusion can be given: spindle speed > counter weight position > gap distance. This indicates that spindle speed has the greatest effect on the separation efficiency among the three selected main factors followed by counterweight position, and gap distance has the minimum effect. This conclusion is consistent with the experiment results of GuanZhengjun which extracted water of cow dung by continuous screw separator. It shows that the spindle speed has the main impact on separation efficiency whatever used for interrupted-whole screw or continuous screw .Besides, according to the contribution of filter cake moisture content, it can be ranked gap distance > counter weight position > spindle speed. It shows that in the three main factors which are selected, the gap distance has the greatest effect on the filter cake moisture content followed by counter weight position, and spindle speed has the minimum effect. In conclusion, the interrupted-whole screw has great significance on reducing the filter cake moisture content. Through the experiments combined with the actual production, the final optimal combination of working parameters was concluded, namely the distance was 37mm, the speed was 56 r/min, and the counterweight position was at the 309 mm (relative location). The values of separation efficiency and extrusion moisture content were respectively 5.43 m3/h and 53.52%, and the removal rate of suspended solids removal rate was 54.91%. Both of the relative errors between the experimental and predicted values of separation efficiency and filter cake moisture content were less than 10%, indicating that the multivariate regression model was reliable. This research provides a reference to the parameter optimization of the interrupted-whorl screw dewatering device, and helps the development of the solid-liquid separation technology of high-concentration and high-viscosity pig manure.

mechanization; optimization; models; highconcentration; pig manure; interrupted-whorl screw; extruding dewatering

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.004

S817.9

A

1002-6819(2017)-02-0025-07

2016-06-20

2016-12-28

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（BK20151073）

趙維松，男(漢族)，安徽霍邱人，助理工程師，主要從事能源與環(huán)境工程技術(shù)研究。南京 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，210014。 Email：wszhao77@sina.com

朱德文，男，安徽定遠(yuǎn)人，博士，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化及生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用裝備研究。南京 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，210014。Email：zdwww7009@sina.com。中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：朱德文（E041200529S）

趙維松，朱德文，宗文明，謝 虎，曹 杰，韓柏和，李瑞容，曲浩麗. 畜禽糞污固液分離機(jī)斷齒螺旋脫水裝置運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(2)：25－31. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.004 http://www.tcsae.org

Zhao Weisong, Zhu Dewen, Zong Wenming, Xie Hu, Cao Jie, Han Baihe, Li Ruirong, Qu Haoli. Operation parameter optimization of interrupted-whorl screw dewatering device of solid-liquid separator for livestock and poultry manure[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 25－31. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.004 http://www.tcsae.org