黃 軍，張燕杰，盧譽(yù)遠(yuǎn)，黃福川

(1.廣西大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，南寧 530004；2.廣西玉林市大智生物科技有限公司，廣西 玉林 537000)

0 引言

堆肥是農(nóng)業(yè)固體廢棄物資源化處理中一種有效的應(yīng)用途徑，如植物殘枝、農(nóng)作物秸稈堆肥處理,農(nóng)產(chǎn)品加工廢物及畜禽糞便堆肥制取有機(jī)肥料等[1-3]。農(nóng)業(yè)固體廢棄物堆肥生產(chǎn)中，滾筒篩主要用于堆肥產(chǎn)品與返料的分離及成品的分級等，在堆肥產(chǎn)物處理方面具有良好的工作效果。工作效率高的堆肥滾筒篩不僅能夠產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，還有利于降低能耗，在促進(jìn)農(nóng)業(yè)固體廢棄物再利用方面具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)，滾筒篩的工作效率(即篩分出所需產(chǎn)物的效率)受滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒安裝角度、處理量及結(jié)構(gòu)設(shè)計等多因素影響[4-5]。若影響因素設(shè)計得不合理，將直接影響滾筒篩的工作效率。目前，國內(nèi)已有不少研究。杜皖寧[6]在對篩分機(jī)械處理量的研究中，引出修正系數(shù)這一概念，并給出實際篩分處理量、修正系數(shù)和設(shè)計篩分處理量的關(guān)系。唐紅俠等[7]從受力分析角度研究物料的提升角和滾筒轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并得出物料提升角不受轉(zhuǎn)速影響、滾筒的臨界轉(zhuǎn)速與靜摩擦角有關(guān)等結(jié)論。焦紅光[8]采用VC++.NET 開發(fā)篩分二維離散元仿真程Sieve DEM，模擬了運(yùn)動透篩行為。馮常建[9]利用EDEM對沙棘脫果滾筒篩的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了研究，并探究了篩孔形狀對沙棘脫果分離率的影響。施昱[10]通過控制變量法對混合垃圾滾筒篩的轉(zhuǎn)速和處理量等影響因素進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了混合垃圾滾筒篩的優(yōu)化參數(shù)等。目前，研究角度多數(shù)是通過控制變量法，單因素或?qū)我蛩刂饌€考慮，而研究方法則趨向于離散元數(shù)值模擬。

離散元法(Discrete Element Method，DEM)是分析和求解復(fù)雜離散系統(tǒng)的動力學(xué)問題的一種新型數(shù)值方法[11]，主要是通過建立固體顆粒系統(tǒng)的參數(shù)化模型，進(jìn)行顆粒行為模擬和分析。Peter Cun- dall于1972年首次提出并應(yīng)用于巖土力學(xué)研究[12]。近年來，隨著顆粒模型、接觸模型等數(shù)學(xué)模型的日益完善，基于離散元素理論開發(fā)的EDEM、Yade、LIGGGHTS等軟件得到逐步完善，使得離散元在礦山機(jī)械、粉體工程及冶金等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛[13-16]。滾筒篩工作過程中，堆肥顆粒伴隨滾筒的轉(zhuǎn)動而運(yùn)動，同時受重力、摩擦力及氣流擾動等多種力的綜合作用。采用離散元法仿真分析滾筒篩顆粒的篩分情況，有利于真實了解影響滾筒篩工作性能的主要因素，同時可減少樣機(jī)試制的盲目性。本文以滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒安裝傾角和滾筒內(nèi)抄板高度為變化因素，收集率和損失率為評價指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平兩指標(biāo)的正交試驗設(shè)計；同時，基于離散元理論，利用首個離散元數(shù)值軟件EDEM對堆肥滾筒篩篩分過程進(jìn)行模擬。

1 試驗材料與模型建立

1.1 堆肥顆粒

堆肥產(chǎn)物呈質(zhì)地疏松的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[1]，根據(jù)相似理論，將堆肥產(chǎn)物理解成由不同形狀和尺寸的固體顆粒組成的集合體。研究中，以豬糞好氧堆肥產(chǎn)物為研究對象。圖1中(a)、(b)分別為在廣西某養(yǎng)殖廢物處理中心取樣得到的豬糞好氧堆肥產(chǎn)物篩分前后對比圖。

圖1 堆肥產(chǎn)物篩分前后對照圖

由于堆肥產(chǎn)物粒徑尺寸過多，為了減小計算量，將其簡化成5種類型的顆粒，分別代表不同粒度的顆粒組成的群體，如表1所示。在離散元軟件EDEM中，分別建立這5種不同形狀和粒度的固體顆粒的離散元模型，如圖2所示。

表1 五類堆肥顆粒

在廣西某養(yǎng)殖廢物處理中心，隨機(jī)采集3份堆肥產(chǎn)物，每份5kg。選用4種篩孔分別為14、22、30、38mm的篩子，從小到大依次篩分，每次篩分直到不再有顆粒落下停止。對每次篩分得到的堆肥產(chǎn)物去皮稱重，統(tǒng)計的結(jié)果如表2所示。經(jīng)計算，5種粒度的顆粒所占比例約為10%、15%、40%、23%、12%。

圖2 5種堆肥顆粒模型

1.2 滾筒篩模型

滾筒篩由喂料斗、滾筒、出料斗、機(jī)架及電機(jī)等部分組成，如圖3所示。物料由喂料斗進(jìn)，在滾筒內(nèi)進(jìn)行篩分，細(xì)小粒徑的顆粒通過篩孔漏出，再從出料斗F輸出；大顆粒在水平分力的作用下最終從出料斗S輸出。圖4為大顆粒在滾筒內(nèi)的運(yùn)動軌跡示意圖。

1.出料斗F 2.支架 3.喂料斗 4.滾筒 5.電機(jī) 6.出料斗S圖3 滾筒篩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of drum sieve

圖4 大于篩孔顆粒的運(yùn)動軌跡

根據(jù)表1中堆肥顆粒的粒度范圍，滾筒篩采用篩孔為30mm的滾筒，滾篩孔距50mm，滾筒直徑1 200mm，滾筒長度2 000mm，內(nèi)設(shè)8塊抄板。在SolidWorks中建立、簡化模型結(jié)構(gòu)，并建立出料斗F和出料斗S的簡易收集裝置，如圖5所示。

圖5 滾筒篩三維模型

1.3 接觸模型和參數(shù)設(shè)置

堆肥產(chǎn)物含水率低于30%，具有一定的粘結(jié)性。本文仿真環(huán)境為EDEM2.6，故引入Hertz Mindlin with JKR 接觸模型[11]。通過文獻(xiàn)分析[17-18]并結(jié)合EDEM通用顆粒材料數(shù)據(jù)(Generic EDEM material model database，GEMM)，得到其物理屬如表3和表4所示。

表3 材料物理屬性

表4 材料接觸系數(shù)

2 正交試驗設(shè)計

2.1 試驗因素和水平

影響滾筒篩的因素有滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒的安裝角度及抄板高度等，為了能夠準(zhǔn)確地分析影響篩分筒工作效率因素及因素之間的關(guān)系，選用L9(34)正交表進(jìn)行試驗。轉(zhuǎn)速、傾角和抄板高度根據(jù)實際應(yīng)用情況和參考相關(guān)文獻(xiàn)[7, 10, 19-20]進(jìn)行合理的參數(shù)水平設(shè)計。水平因素和試驗方案分別如表5和表6所示。

表5 正交試驗因素水平表

表6 正交試驗方案

2.2 正交試驗?zāi)M結(jié)果和分析

2.2.1 正交試驗結(jié)果

為了考察實際篩分效果，引入收集率和損失率作為判斷滾筒篩工作性能的評價指標(biāo)。假設(shè)以相同時間內(nèi)出料斗F和出料斗S收集的顆粒所占的比例代表收集率和損失率，則

式中N—5種粒徑顆粒的總數(shù)量；

m—對應(yīng)粒徑顆粒的總質(zhì)量；

mi—a、b、c等3類顆粒的單質(zhì)量。

式中φ1—收集率；

N1—出料斗F處指定區(qū)域內(nèi)收集的a、b、c等3種粒徑的堆肥總顆粒數(shù)。

式中φ2—損失率；

N2—出料斗S處指定區(qū)域內(nèi)收集的a、b、c3種粒徑的堆肥總顆粒數(shù)。

初步設(shè)定滾筒篩的處理量18t/h(即5kg/s的流入量)，并在EDEM中設(shè)置5類堆肥顆粒的輸入量。由EDEM計算各試驗15s內(nèi)出料斗F和S收集的有效顆粒的數(shù)量(即a、b、c等3類顆粒的數(shù)量)，數(shù)值計算9組方案，得到收集率φ1和損失率φ2，如表7所示。

表7 各試驗正交試驗數(shù)據(jù)及數(shù)值計算結(jié)果

2.2.2 正交試驗分析

由表7可知：收集率和損失率的最優(yōu)值不在同一個方案。第4方案收集率最大，第8方案損失率最小。本次試驗指標(biāo)有兩個，屬于多指標(biāo)正交試驗。

為了排除隨機(jī)因素，得到理論最優(yōu)方案及分析各影響參數(shù)對篩分效率影響的主次順序。對表5數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，得到表8的極差分析結(jié)果。

表8 極差分析

從表8可知：理論上，收集率影響的主次順序為A、C、B，即滾筒轉(zhuǎn)速比抄板高度和傾角對收集率的影響要大。隨著轉(zhuǎn)速的提高，堆肥顆粒的收集率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，因為滾筒轉(zhuǎn)速改變了堆肥顆粒的運(yùn)動狀態(tài)，而運(yùn)動狀態(tài)在一定程度上影響著堆肥顆粒的透篩過程；但是，轉(zhuǎn)速和傾角在此次試驗中對收集率的影響表現(xiàn)的比較接近。損失率影響的主次順序為C、A、B，即滾筒安裝傾角越大，堆肥顆粒在滾筒內(nèi)停留的時間越短，和篩面接觸的機(jī)會也將減少，損失率會隨著傾角的增大而增大。由表3可知：對于收集率，優(yōu)水平的是A2B1C3；對于損失率，優(yōu)水平的是A3B1C1?？紤]到傾角、抄板高度對收集率和損失率的作用相反，結(jié)合表3，綜合考慮兩指標(biāo)，轉(zhuǎn)速對收集率影響最大，對損失率影響次之，為了得到較大的收集率，在損失率也不會太大的情況下，轉(zhuǎn)速選A2；抄板高度對收集率和損失率的影響都最小，抄板高度取B1時，在三水平中收集率最高，損失率最??；傾角對收集率的影響次之，對損失率的影響最大，為了避免損失過大的同時盡量提高收集率，應(yīng)當(dāng)選擇C2。因此，最優(yōu)方案為A2B1C2。圖6為A2B1C2在15s時的篩分狀態(tài)。

圖6 A2B1C2在15s時篩分狀態(tài)

3 處理量的確定

實際應(yīng)用中，滾筒篩分機(jī)的處理量一般低于產(chǎn)品樣本上標(biāo)定的處理量[6]。為了得到滾筒篩準(zhǔn)確的處理能力(即單位時間內(nèi)合適的堆肥處理量)，對正交試驗得出的優(yōu)水平方案進(jìn)行了6組單因素模擬試驗，由EDEM計算結(jié)果得第14s內(nèi)收集的顆粒數(shù)，結(jié)果如表9所示。

表9 5種不同處理量模擬結(jié)果

基于MatLab高斯曲線擬合求解[21]，結(jié)果表明：處理量為31.05t/h左右時，收集顆粒數(shù)達(dá)到最大，約1 466個，處理能力最佳，如圖7所示。

圖7 不同處理量下收集顆粒數(shù)

4 結(jié)論

1)對篩分效率影響最大的是轉(zhuǎn)速，篩分效率隨著轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。安裝傾角適度增大，有助于提高收集率；增大過多，對收集率的影響將相對降低，損失率將急劇增加，不利于整體的篩分效率。另外，對于滾筒篩的優(yōu)化應(yīng)從多因素綜合角度考慮。

2)處理量過低，滾筒篩不能被充分利用，造成能量損失；處理量過大，造成滾筒篩堵塞，嚴(yán)重影響工作效率。對優(yōu)水平方案的處理量進(jìn)行6組單因素試驗?zāi)M，得到A2B1C2方案在31.05t/h左右時處理能力最佳。

3)本文旨在提供一種提高堆肥滾筒篩工作效率的研究方法，不足之處在于缺乏樣機(jī)試驗進(jìn)行對比，因此需要增加水平試驗次數(shù)。該方法具有降低試驗成本、縮短生產(chǎn)周期等優(yōu)點，可為設(shè)備的設(shè)計和制造提供指導(dǎo)。