王盼柳 曹 哲 李 浩 施正香,4* 劉中珊
(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院,北京 100083;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;3.Department of Engineering, Aarhus University, Aarhus C 8000;4.北京市畜禽健康養(yǎng)殖環(huán)境工程技術(shù)研究中心,北京 100083;5.哈爾濱華美億豐復(fù)合材料有限公司,哈爾濱 150000)
規(guī)?;膛黾S污排放量大且集中,導(dǎo)致糞污處理難度大,污染嚴(yán)重,已成為制約我國奶業(yè)迅速發(fā)展的瓶頸,亟需糞污的無害化處理和資源化利用。奶牛場散欄飼養(yǎng)模式的推廣,使得牛床墊料成為不可或缺的生產(chǎn)資料。傳統(tǒng)的牛床墊料包括沙子、稻殼、秸稈等。沙子為無機(jī)物質(zhì),具有生物安全性高、透水性和舒適性好等特征,但易與糞尿混合,磨損糞污處理設(shè)備;稻殼和秸稈作墊料需從市場購買,受市場波動影響大,且一家2 000頭規(guī)?;膛鍪褂玫練ぷ鲏|料,每年在墊料上的購置成本約264萬元[1]。因此,奶牛場牛床墊料亟需新的可替代材料。基于以上問題,施正香等[2]提出利用奶牛場糞污生產(chǎn)牛床墊料。早在20世紀(jì)70年代,美國的一些牧場就已經(jīng)開始使用固體牛糞做墊料[3]。Bradley等[4]和Husfeldt等[5]證實(shí)了固體牛糞做墊料的可行性。
牛糞墊料的制作方式大致可分為3 種模式[1]:固液分離直接利用模式(糞污固液分離后直接作墊料)、厭氧發(fā)酵墊料生產(chǎn)模式(糞污沼氣發(fā)酵后經(jīng)固液分離作墊料)和好氧發(fā)酵墊料生產(chǎn)模式(糞污固液分離后經(jīng)好氧發(fā)酵作墊料)。好氧發(fā)酵墊料生產(chǎn)模式根據(jù)后期設(shè)備的投入又可分為自然堆積式、條垛式、槽式和滾筒式,其中滾筒式好氧發(fā)酵墊料生產(chǎn)模式因其生產(chǎn)效率高、設(shè)施設(shè)備占地面積小、機(jī)械自動化程度高而得到廣泛應(yīng)用。
滾筒裝置是滾筒式好氧發(fā)酵墊料生產(chǎn)模式的核心部件。奶牛場牛舍內(nèi)糞污經(jīng)暗管或拉糞車輸送至集污池,集污池中的糞污經(jīng)切割泵和攪拌機(jī)抽至固液分離系統(tǒng),糞污經(jīng)固液分離后,固體部分進(jìn)入滾筒發(fā)酵倉,并經(jīng)高溫好氧發(fā)酵15~18 h[6],生成牛糞墊料。固體牛糞在滾筒內(nèi)進(jìn)行高溫好氧發(fā)酵,不僅對牛糞具有殺菌消毒作用,同時(shí)也可進(jìn)一步降低牛糞含水率,提高牛糞墊料的安全性與舒適性。滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞墊料系統(tǒng)可保證固體牛糞的連續(xù)進(jìn)出料,牛糞在滾筒內(nèi)的滯留時(shí)間即為發(fā)酵時(shí)間,根據(jù)滾筒長度除以牛糞在滾筒內(nèi)的軸向運(yùn)行速度,可計(jì)算出固體牛糞在滾筒內(nèi)的滯留時(shí)間。
目前關(guān)于滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞墊料滯留時(shí)間的研究較少,而通過建立數(shù)學(xué)模型預(yù)測滾筒干燥物料滯留時(shí)間的相關(guān)研究較多[7-8]。由于滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞墊料過程涉及固體牛糞質(zhì)量及物料性質(zhì)的改變,因此,干燥滾筒滯留時(shí)間的數(shù)學(xué)模型并不具備普遍適用性。離散單元法(Discrete element method, DEM)是一種專門用于解決非連續(xù)介質(zhì)問題的有效方法[9]。目前,利用離散單元法研究滾筒內(nèi)顆粒運(yùn)動多局限于對滾筒干燥器或滾筒內(nèi)顆粒物桿狀或橢球型等特殊形狀的研究[10-15],而對滾筒發(fā)酵倉內(nèi)牛糞顆粒運(yùn)動狀態(tài)尚無相關(guān)研究。
為優(yōu)化滾筒抄板結(jié)構(gòu)、提高牛糞墊料的生產(chǎn)效率及墊料品質(zhì),本研究擬采用離散單元法,對不同抄板結(jié)構(gòu)的滾筒內(nèi)牛糞顆粒運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行仿真,并將仿真與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行圖像比對,旨在驗(yàn)證仿真的有效性,探究滾筒生產(chǎn)牛糞墊料的最優(yōu)抄板結(jié)構(gòu),以期為提高牛糞墊料生產(chǎn)效率及墊料品質(zhì)提供理論指導(dǎo)。
固體牛糞組成復(fù)雜,與奶牛飼料配方及反芻過程消化能力有關(guān)。滾筒發(fā)酵前的固體牛糞經(jīng)固液分離后大部分為奶牛瘤胃未消化的飼料殘?jiān)渲欣w維類物質(zhì)長度不超過13 mm[16]。微觀上,固體牛糞顆粒由長短不一的絲狀顆粒構(gòu)成,且尺寸短小、數(shù)量巨大,其中粒徑為1.0~2.0 mm的牛糞顆粒質(zhì)量占總質(zhì)量的比例最大,為(44.0±0.7)%。若按真實(shí)物料尺寸對其進(jìn)行顆粒建模,將大大增加仿真時(shí)間、降低計(jì)算效率。根據(jù)離散元理論及長期工程實(shí)踐表明,當(dāng)顆粒數(shù)量足夠多時(shí),適當(dāng)放大顆粒尺寸、簡化顆粒形狀,并修正其接觸參數(shù),依然能夠準(zhǔn)確、合理地描述顆粒的群體運(yùn)動行為[17]。因此,本研究中固體牛糞顆粒采用單球型顆粒模型,并對顆粒的滾動摩擦因數(shù)進(jìn)行修正,以此表征相關(guān)參數(shù)[18]。
牛糞顆粒在滾筒內(nèi)的運(yùn)動可分為平移和旋轉(zhuǎn)2 種,其速度與角速度變化由牛頓第二定律進(jìn)行求解[19]。牛糞顆粒的平移速度由式(1)進(jìn)行計(jì)算,旋轉(zhuǎn)角速度由式(2)進(jìn)行計(jì)算:
(1)
(2)
式中:mi為顆粒i的質(zhì)量,kg;ui為顆粒i的平移速度,m/s;t為顆粒i的運(yùn)動時(shí)間,s;Fi為顆粒所受合力,N;Ii為顆粒i的轉(zhuǎn)動慣量,kg·m/s;ωi為顆粒i的旋轉(zhuǎn)角速度,r/s;Mi為作用力Fi對顆粒i產(chǎn)生的力矩矢量和,N·m。
本研究采用軟球模型及Johnson-Kendall-Roberts(JKR)接觸理論計(jì)算牛糞顆粒模型受力[20-21]。
幾何模型是離散元仿真中顆粒所接觸到的機(jī)器或物體實(shí)體。本研究采用Solidworks制圖軟件創(chuàng)建滾筒模型(圖1),然后導(dǎo)入EDEM軟件中。
1.滾筒中軸線;2.抄板;3.螺旋線1.Central axis of the rotating drum; 2.Grabbing planks; 3.Spiral line圖1 滾筒幾何模型Fig.1 Geometrical model of the rotating drum
為驗(yàn)證離散元軟件EDEM仿真滾筒生產(chǎn)牛糞墊料過程的有效性,利用現(xiàn)場試驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行比對。若直接以原型機(jī)進(jìn)行仿真驗(yàn)證,其操作困難、計(jì)算成本高昂且無法對滾筒內(nèi)部固體牛糞的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行標(biāo)定。因此,本研究以哈爾濱華美億豐復(fù)合材料有限公司制作的滾筒發(fā)酵罐為原型,按1/5比例縮小,取軸向長度為1 m制作滾筒樣機(jī)(圖2)。
1.進(jìn)料端;2.抄板Ⅰ;3.抄板Ⅱ;4.出料端1.Feeding end; 2.Grabbing plank Ⅰ; 3.Grabbing plank Ⅱ; 4.Discharging end圖2 滾筒樣機(jī)實(shí)物圖Fig.2 Physical scale model of the rotating drum
滾筒樣機(jī)內(nèi)抄板結(jié)構(gòu)為2 組螺旋線排布,且抄板與滾筒中軸線夾角θ為0°(結(jié)構(gòu)A)。抄板I截面形狀與抄板П相同,其軸向長度為抄板П的2 倍,可增大單位時(shí)間內(nèi)抄板的揚(yáng)料速率與固體牛糞的觸氧量。為便于觀察試驗(yàn)過程滾筒樣機(jī)內(nèi)牛糞堆體的運(yùn)動狀態(tài),樣機(jī)材質(zhì)選擇透明亞克力有機(jī)玻璃。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)分別在滾筒徑向及軸向方向安裝高清攝像頭,攝像頭型號為KV-C3053FA,由河南普實(shí)科技有限公司生產(chǎn)并提供,用于實(shí)時(shí)記錄牛糞在滾筒內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)。試驗(yàn)材料取自北京某奶牛場固液分離后的固體牛糞,含水率為60.0%~63.0%。觀察并截取視頻中的圖像,分析固體牛糞運(yùn)動狀態(tài)。同時(shí),利用EDEM軟件建立相同的模型,截取牛糞顆粒運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行比對。
固體牛糞顆粒是一種物理性質(zhì)較為復(fù)雜的散體物料,若直接測試,以獲取牛糞顆粒的力學(xué)性質(zhì),則試驗(yàn)難度較大。在工程應(yīng)用中,建模時(shí)顆粒物料的物理參數(shù)主要通過對標(biāo)試驗(yàn)與仿真中物料宏觀運(yùn)動效果的方式獲得。
固體牛糞的自然堆積密度和靜態(tài)堆積角采用墻角傾倒法(圖3(a))獲?。寒?dāng)固體牛糞含水率為(61.3±1.4)%時(shí),牛糞的自然堆積密度為(200.0±1.5) kg/m3,靜態(tài)堆積角為(42.8±0.9)°。利用上述參數(shù)在EDEM軟件中建立對應(yīng)的空心筒法仿真試驗(yàn)(圖3(b)),獲取此參數(shù)下牛糞堆體的堆積角和堆密度等特征參數(shù)。利用GEMM數(shù)據(jù)庫預(yù)測顆粒模型的近似接觸參數(shù),根據(jù)試驗(yàn)與仿真結(jié)果的差異,調(diào)整相關(guān)數(shù)值,使得仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相一致,從而取得較準(zhǔn)確的參數(shù),并將此物理參數(shù)作為仿真參數(shù)。EDEM中牛糞物料屬性及接觸參數(shù)見表1。
圖3 試驗(yàn)和仿真中固體牛糞靜態(tài)堆積角及自然堆積密度的測定方法Fig.3 Determination methods of the static stacking angle and the natural stacking density of the solid manure in the test and the simulation
表1 固體牛糞的物理特性及接觸參數(shù)Table 1 Physical characters and contact parameters of the solid manure
滾筒好氧發(fā)酵過程是生產(chǎn)牛糞墊料的關(guān)鍵環(huán)節(jié),滾筒內(nèi)部抄板結(jié)構(gòu)對固體牛糞不僅具有攪拌作用,使其均勻觸氧,而且可推進(jìn)牛糞堆體向前運(yùn)動,實(shí)現(xiàn)固體牛糞墊料的連續(xù)進(jìn)出料,提高滾筒生產(chǎn)效率。滾筒內(nèi)抄板結(jié)構(gòu)沿其壁面呈螺旋線均勻排布,螺旋線偏轉(zhuǎn)角度為180°,單條螺旋線上抄板分布數(shù)量為20 塊。抄板截面為半徑30 cm、圓心角10°的扇形,沿滾筒軸向方向的長度為50 cm。滾筒內(nèi)部尺寸為Φ2 m×10 m,轉(zhuǎn)速為0.25 r/min,傾角為0°,牛糞填充量為15 m3。為探究抄板排布的螺旋線組數(shù)和夾角θ的變化對固體牛糞混合作用及輸送效率的影響,本研究提出3 種抄板結(jié)構(gòu):結(jié)構(gòu)A為抄板在滾筒壁面呈2 組螺旋線排布且夾角θ為0°;結(jié)構(gòu)B為抄板在滾筒壁面呈2 組螺旋線排布且夾角θ為45°;結(jié)構(gòu)C為抄板在滾筒壁面呈4 組螺旋線排布且夾角θ為45°。利用已建立的滾筒及牛糞顆粒模型,對大型滾筒發(fā)酵生產(chǎn)牛糞墊料過程進(jìn)行仿真研究。
對現(xiàn)場試驗(yàn)與仿真過程中同一時(shí)段牛糞顆粒在滾筒軸向的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行分析(圖4(a))。固體牛糞在進(jìn)料端形成一段滑坡,如圖4(a)中牛糞堆體a,這主要是牛糞在重力作用下滑落形成;當(dāng)固體牛糞進(jìn)入中間區(qū)域時(shí),牛糞被抄板揚(yáng)起,并逐漸灑落,如圖4(a)中牛糞堆體b、c、d。經(jīng)比對分析,試驗(yàn)與仿真過程固體牛糞所形成的運(yùn)動狀態(tài)基本一致。
牛糞在滾筒徑向方向主要呈現(xiàn)2種運(yùn)動狀態(tài)(圖4(b)):1)牛糞平穩(wěn)堆積,在抄板及滾筒帶動下逐步提高,并改變傾斜角度,但由于牛糞的粘性和內(nèi)摩擦作用,使其處于較平穩(wěn)狀態(tài);2)當(dāng)筒體轉(zhuǎn)動到一定角度時(shí),板邊緣的牛糞堆體達(dá)到最大堆積角,開始產(chǎn)生滑落,如圖4(b)中牛糞堆體e。對比試驗(yàn)與仿真結(jié)果可知,徑向?yàn)⒘线^程固體牛糞運(yùn)動狀態(tài)基本一致。
測定試驗(yàn)與仿真過程固體牛糞運(yùn)行穩(wěn)定后在滾筒徑向形成的坡度(圖4(c))。試驗(yàn)中固體牛糞形成的坡度為(47.7±1.1)°,仿真過程中牛糞堆體在滾筒徑向形成的坡度為(47.5±0.9)°,試驗(yàn)與仿真中牛糞堆體形成的坡度差異不顯著(P>0.05),說明試驗(yàn)與仿真過程牛糞運(yùn)動狀態(tài)基本一致。分析滾筒徑向牛糞堆體坡度形成原因,牛糞顆粒的徑向運(yùn)動源自滾筒的端面效應(yīng)和抄板的帶動,即牛糞顆粒在滾筒端面旋轉(zhuǎn)過程中,由于端面的摩擦作用和抄板的揚(yáng)料作用,使牛糞堆體表面沿滾筒徑向形成一定坡度[22]。
a和a′分別為試驗(yàn)與仿真中由于重力作用而形成的牛糞堆體滑坡;b、c、d和b′、c′、d′分別為試驗(yàn)與仿真中由滾筒和抄板帶動而形成的牛糞堆體;e和e′分別為試驗(yàn)與仿真中達(dá)到最大堆積角而即將從抄板滑落的牛糞堆體。Those marked with a and a′ are the solid manure piles formed by gravity in the field test and simulation, respectively. Those marked with b, c, d and b′, c′, d′ are the solid manure piles formed by the driven force of the roller and the plate in the field test and simulation, respectively. Those marked with e and e′ are the solid manure piles reached the maximum stacking angle and are about to slide down from the grabbing planks in the field test and simulation, respectively.圖4 滾筒樣機(jī)內(nèi)牛糞顆粒運(yùn)動狀態(tài)的試驗(yàn)與仿真結(jié)果Fig.4 Results of the particle movement of solid cow manure in the rotating drum during the field test and the simulation
為更精確分析牛糞顆粒的運(yùn)行軌跡,對抄板結(jié)構(gòu)為A時(shí)滾筒內(nèi)f、g、m、n等4個(gè)顆粒子集進(jìn)行軌跡示蹤(圖5(a)),將除這4 個(gè)子集外的其他顆粒進(jìn)行隱藏,并以運(yùn)動軌跡模式顯示顆粒子集的運(yùn)動狀態(tài),每隔5 s記錄1次牛糞顆粒的坐標(biāo),提取牛糞顆粒在滾筒軸向方向的運(yùn)行速度(圖5(d))。牛糞在滾筒內(nèi)的滯留時(shí)間計(jì)算公式為:
滯留時(shí)間=滾筒長度/牛糞軸向運(yùn)行速度
(3)
對圖5(d)中抄板結(jié)構(gòu)為A時(shí)牛糞顆粒在滾筒內(nèi)的軸向運(yùn)行速度進(jìn)行分析。牛糞顆粒在滾筒軸向方向的平均運(yùn)行速度為4.2×10-5m/s,由式(3)計(jì)算得出,抄板結(jié)構(gòu)為A時(shí)牛糞在滾筒內(nèi)的滯留時(shí)間為66.6 h,該發(fā)酵時(shí)間大于建議發(fā)酵時(shí)間,影響成品墊料質(zhì)量且降低滾筒生產(chǎn)效率。分析其原因,滾筒內(nèi)雖有抄板結(jié)構(gòu),但夾角θ為0°,因此,在滾筒轉(zhuǎn)動過程中,該抄板結(jié)構(gòu)僅對牛糞在滾筒徑向具有攜帶、攪拌作用,而對其軸向輸送并無明顯效果。
提取抄板結(jié)構(gòu)為B和C時(shí)牛糞顆粒的速度云圖(圖5(b)和(c))。2 種抄板結(jié)構(gòu)條件下牛糞顆粒的運(yùn)動規(guī)律基本相同:1)牛糞顆粒在堆體形成的坡面處速度較大,表現(xiàn)為在重力及接觸顆粒作用下的滑落過程;2)接近滾筒壁面處的牛糞顆粒主要由滾筒摩擦力及抄板推動力作用進(jìn)行運(yùn)動,其速度為2.5×10-2m/s,接近滾筒轉(zhuǎn)速2.6×10-2m/s;3)牛糞顆粒在堆體中心處形成剪切流動,其運(yùn)動速度較低。顆粒運(yùn)動速度低表明其內(nèi)部牛糞混合狀態(tài)不佳,若顆粒群長時(shí)間處于靜止?fàn)顟B(tài),則易導(dǎo)致牛糞堆體內(nèi)部缺氧,從而產(chǎn)生厭氧發(fā)酵,影響牛糞墊料的品質(zhì)??烧{(diào)整抄板高度及牛糞填充率進(jìn)行改進(jìn)[23-24]。
利用EDEM提取牛糞顆粒在滾筒抄板結(jié)構(gòu)為B和C時(shí)的軸向運(yùn)行速度(圖5(d))。牛糞顆粒在滾筒軸向的運(yùn)行速度呈周期性變化,這與牛糞在滾筒內(nèi)所處位置有關(guān),牛糞處于滾筒底部時(shí),運(yùn)行速度較小,牛糞處于上升位置時(shí),運(yùn)行速度較大。分別對2 種抄板結(jié)構(gòu)下牛糞在軸向方向的運(yùn)行速度求平均值,結(jié)構(gòu)B運(yùn)行速度為9.6×10-5m/s,結(jié)構(gòu)C運(yùn)行速度為1.7×10-4m/s,結(jié)構(gòu)C條件下牛糞顆粒軸向運(yùn)行速度是結(jié)構(gòu)B條件下的1.8 倍。根據(jù)式(3)可得,抄板結(jié)構(gòu)為B時(shí)牛糞堆體在滾筒內(nèi)的滯留時(shí)間約為29.0 h,抄板結(jié)構(gòu)為C時(shí)牛糞堆體在滾筒內(nèi)的滯留時(shí)間約為16.2 h。
圖5 抄板結(jié)構(gòu)為A、B、C時(shí)牛糞顆粒在滾筒內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)仿真Fig.5 Particle movement simulations of the solid manure in the rotating drum with structures A, B and C
對比3種滾筒抄板結(jié)構(gòu)中牛糞堆體在筒倉內(nèi)的滯留時(shí)間。當(dāng)抄板結(jié)構(gòu)為2組螺旋線排布且夾角θ為0°時(shí),牛糞堆體在滾筒內(nèi)的滯留時(shí)間為66.6 h;當(dāng)抄板結(jié)構(gòu)為2 組螺旋線排布且θ為45°時(shí),牛糞堆體在滾筒內(nèi)的滯留時(shí)間為29.0 h;當(dāng)抄板結(jié)構(gòu)為4組螺旋線排布且θ為45°時(shí),牛糞堆體在滾筒內(nèi)的滯留時(shí)間為16.2 h。螺旋線數(shù)量相同時(shí),增大夾角θ,可顯著提高牛糞顆粒的軸向運(yùn)行速度,將θ由0°提高至45°,牛糞顆粒在滾筒內(nèi)的軸向運(yùn)行速度可提高2.3倍;夾角θ相同時(shí),抄板在滾筒壁面排布的螺旋線組數(shù)增大2倍,牛糞顆粒在滾筒軸向運(yùn)行速度可提高1.8倍。分析其原因,這可能是由于滾筒旋轉(zhuǎn)過程中,抄板結(jié)構(gòu)為4組螺旋線時(shí),在滾筒徑向可對牛糞顆粒執(zhí)行4次推送,而2組螺旋線僅可對牛糞顆粒執(zhí)行2次推送。夾角θ的改變對牛糞顆粒軸向運(yùn)行速度的影響大于抄板在滾筒壁面螺旋線組數(shù)的改變。因此,可進(jìn)一步探究夾角θ的大小對牛糞顆粒軸向運(yùn)行速度的影響。
本研究基于離散單元法對滾筒生產(chǎn)牛糞墊料過程進(jìn)行了仿真研究,得到如下結(jié)論:
1)離散單元法建立的顆粒運(yùn)動模型能較好地描述滾筒生產(chǎn)牛糞墊料過程。
2)抄板結(jié)構(gòu)為2 組螺旋線排布且抄板與滾筒中軸線夾角θ為0°時(shí),牛糞顆粒軸向運(yùn)行速度為 4.2×10-5m/s,牛糞在筒倉內(nèi)的滯留時(shí)間為66.6 h;抄板結(jié)構(gòu)為2 組螺旋線排布且夾角θ為45°時(shí),牛糞顆粒軸向運(yùn)行速度為9.6×10-5m/s,牛糞在筒倉內(nèi)的滯留時(shí)間為29.0 h;抄板結(jié)構(gòu)為4 組螺旋線排布且夾角θ為45°時(shí),牛糞顆粒軸向運(yùn)行速度為1.7×10-4m/s,牛糞在筒倉內(nèi)的滯留時(shí)間為16.2 h。由此可知,抄板結(jié)構(gòu)為4 組螺旋線排布且夾角θ為45°時(shí),滾筒生產(chǎn)牛糞墊料效率最高,結(jié)構(gòu)最為合理。
3)抄板與滾筒中軸線的夾角θ由0°增大至45°,牛糞顆粒在滾筒軸向的運(yùn)行速度提高了2.3倍;抄板在滾筒壁面的螺旋線排布組數(shù)由2條增加至4條,牛糞顆粒在滾筒軸向的運(yùn)行速度提高了1.8倍。夾角θ的大小對牛糞顆粒軸向運(yùn)行速度的影響大于螺旋線組數(shù)改變對其在滾筒內(nèi)軸向運(yùn)行速度的影響,且螺旋線組數(shù)增加、抄板個(gè)數(shù)增加、滾筒制作成本增加。因此,建議滾筒制造過程優(yōu)先考慮抄板角度的改變。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2021年9期