污泥資源化關(guān)鍵裝置的構(gòu)造設(shè)計(jì)

石懷榮，芮延年，李大勝，胡 娟

(1.蚌埠學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，安徽蚌埠 233000;2.蘇州大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

眾所周知，任何污水處理后剩下來的全是污泥。污泥是污水處理后的副產(chǎn)品，是一種由有機(jī)殘片、無機(jī)顆粒、膠體等組成的極其復(fù)雜的非均質(zhì)體。污泥量通常占污水量的0.3% ～0.5%(質(zhì)量)，即理論上年處理210×108m3污水將產(chǎn)生63×106t～105×106t污泥，如果進(jìn)行深度處理，污泥量會(huì)增加0.5～l倍。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市化的發(fā)展，城市污水量在不斷增長。目前，全國建成并運(yùn)轉(zhuǎn)的城市污水處理廠約600余座，年處理能力約為270×108m3。根據(jù)有關(guān)預(yù)測，我國城市污水量在未來10年還會(huì)有較大增長，2020年污水排放量預(yù)計(jì)將達(dá)到550×108m3/d。

以安徽省蚌埠市為例，這樣的一個(gè)中等城市現(xiàn)有污水處理能力為30萬噸/日，二年后污水處理能力將達(dá)40萬噸/日，即每天將產(chǎn)生400噸污泥(絕干污泥)。如果不對脫水后的污泥進(jìn)行無害化處理，污泥堆放在任何地方都會(huì)造成二次污染，造成前功盡棄。怎樣經(jīng)濟(jì)高效地對污泥進(jìn)行無害化處理，一直是專家們研究的問題之一，綜合利用更是人們的期望。有關(guān)污泥無害化處理及其綜合利用人們研究出很多方法。如:采用干燥法、焚燒法、堆肥法、沼氣發(fā)電等;將干燥后的污泥做成建筑材料、陶瓷等進(jìn)行綜合利用，成功的實(shí)例很多。通過上述介紹可以看出，要想提高我國污泥無害化處理或者綜合利用的積極性，需要研究開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的污泥無害化和資源化技術(shù)，即變廢為寶技術(shù)，否則再好的污泥處理技術(shù)也難以得到推廣。

由此，基于功能的需要研發(fā)設(shè)計(jì)一種將污泥脫水為含水率低的泥料，然后與煤粉顆粒按一定比例混合一起成型后作為發(fā)電廠或取暖鍋爐房燃燒的燃料的機(jī)械裝置。這樣不但能夠?qū)Τ鞘谢钚晕勰酂o害化處理，而且能將有害的污泥變成有用的資源。由此污泥脫水后的煤粉顆?；旌吓c成型裝置是整個(gè)污水處理后污泥資源化裝置的關(guān)鍵設(shè)備。

1 考慮功能相關(guān)的混合送進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

由于煤粉顆粒混合與成型裝置是新機(jī)械的設(shè)計(jì)，可直接借鑒的資料少，我們根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)的一般規(guī)律與方法采用由功能-結(jié)構(gòu)關(guān)系入手的方式，先從功能分析著手，找出滿足各功能的結(jié)構(gòu)模塊，再對各結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行構(gòu)造協(xié)調(diào)組合，這樣就可實(shí)現(xiàn)裝置的功能及特性要求。從總體上說，本設(shè)計(jì)整個(gè)過程為基于功能相關(guān)的機(jī)械構(gòu)造設(shè)計(jì)，是一個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)構(gòu)造過程。考慮功能相關(guān)求得本裝置各機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案，結(jié)合具體功能要求與特點(diǎn)確定設(shè)計(jì)方案。這一過程，既要盡量借鑒移植已有技術(shù)與結(jié)構(gòu)，又要充分創(chuàng)新構(gòu)造設(shè)計(jì)，進(jìn)行合理的機(jī)構(gòu)構(gòu)造集成。

1.1 濕固體泥料混合送進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)原理

污泥脫水后與煤粉顆粒按一定的比例混合后成為含一定固體顆粒的濕固體物料，為保證充分燃燒，脫水污泥與煤粉顆粒在送進(jìn)的過程中要混合均勻，設(shè)計(jì)采用螺旋運(yùn)動(dòng)送進(jìn)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。變螺距螺旋葉片繞機(jī)構(gòu)主軸中心線旋轉(zhuǎn)，脫水后的污泥與煤粉顆粒由上方的給料口進(jìn)入，由主軸上的螺旋形葉片向下混合分層分切送進(jìn)，逐漸接近出口。

濕固體泥料在混合送進(jìn)裝置型腔中運(yùn)行，根據(jù)物料進(jìn)出總量平衡原理，減小送進(jìn)裝置的型腔空間物料滯留堵塞運(yùn)行通道的現(xiàn)象，提高混合送進(jìn)效果，各螺旋送進(jìn)層物料質(zhì)量必須相等，如式(1)所示。

式(1)中γ為螺旋葉片的錐體角，αi為機(jī)構(gòu)曲線外壁的嚙合角，βi為葉片的螺旋升角，li為葉片的螺距，i為葉片的變螺距數(shù)目。根據(jù)物料進(jìn)出總量平衡模型，為使物料混合送進(jìn)腔達(dá)到最佳效果，減小堵塞和待料現(xiàn)象，混合送進(jìn)腔型外壁采用曲線型，曲線外壁的變傾角變化平緩，可以有效提高混合送進(jìn)效果。根據(jù)式(1)所示的濕固體泥料進(jìn)出總量平衡模型，可設(shè)計(jì)出無滯留堵塞現(xiàn)象的混合送進(jìn)型腔結(jié)構(gòu)。

圖1 污泥資源化關(guān)鍵裝置混合送進(jìn)型腔原理圖

1.2 濕固體泥料混合送進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

脫水后的污泥與煤粉顆粒由上方的給料口進(jìn)入，由主軸上的螺旋形葉片向下混合分層分切送進(jìn)，逐漸接近出口。由于濕固體泥料粘滯阻力的作用，不易送進(jìn)，腔型結(jié)構(gòu)參數(shù)如變螺距、螺旋主軸轉(zhuǎn)速、葉片的螺旋升角及曲線形角等決定了泥料的混合送進(jìn)的程度與送進(jìn)量。

螺旋送進(jìn)機(jī)構(gòu)的變螺距螺旋葉片用以混合泥料并實(shí)現(xiàn)分層分切混合送進(jìn)，螺旋葉片送進(jìn)機(jī)構(gòu)必須集良好的腔型結(jié)構(gòu)和合理的工作性能參數(shù)于一身?；旌纤瓦M(jìn)機(jī)構(gòu)的腔型是由螺旋葉片和曲線形壁所組成的工作空間，螺旋葉片送進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)用以保證泥料在型腔中以螺旋運(yùn)動(dòng)混合分切送進(jìn)，為使泥料在曲線形外壁與螺旋葉片組成的型腔不會(huì)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，腔型設(shè)計(jì)模型是在通過使各段腔型層濕固體泥料通過量的標(biāo)準(zhǔn)差為極小來保證混合送進(jìn)的順利進(jìn)行，如式(2)所示。

1.3 混合送進(jìn)機(jī)構(gòu)出口濕固體泥料的力學(xué)形態(tài)

由于濕固體泥料的粘滯阻力在混合送進(jìn)過程中不斷變化，再加上螺旋葉片的特殊結(jié)構(gòu)，當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)一周時(shí)，物料受擠壓力的作用，會(huì)產(chǎn)生不與螺旋同步而發(fā)生向后退縮的趨勢，同時(shí)以一定速度運(yùn)行的物料將至出口突然遇到造型機(jī)構(gòu)阻礙，其運(yùn)動(dòng)方向突變導(dǎo)致物料在出口處堵塞。因此濕固體泥煤混合物在螺旋葉片送進(jìn)的過程中的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、動(dòng)力學(xué)性能及粘滯阻力對濕固體泥煤混合物送進(jìn)運(yùn)移的影響，通過分析為混合送進(jìn)機(jī)構(gòu)、成型機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇提供理論依據(jù)。

根據(jù)濕固體泥煤混合物通過混合送進(jìn)腔型的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，可以對其中的任意螺旋層分析，濕固體泥料團(tuán)隨螺旋葉片正向運(yùn)動(dòng)并運(yùn)移滑動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方程如式(3)所示。

圖2 出口物料運(yùn)動(dòng)分布示意圖

聯(lián)立方程(3)可求解得濕固體泥煤混合物在混合送進(jìn)型腔中運(yùn)行一個(gè)螺距的時(shí)間。濕固體泥煤混合物隨螺旋葉片正向運(yùn)動(dòng)并運(yùn)移滑動(dòng)致出口，圖2為濕固體泥料在出口斷面運(yùn)動(dòng)示意圖。由圖示可以看出，物料在出口由于螺旋葉片的結(jié)構(gòu)影響，在出口處的速度是不相同的，部分為物料下落出口，其運(yùn)行速度逐漸增大，部分為物料突然遇到造型機(jī)構(gòu)阻礙，其速度根據(jù)濕固體物料運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律及螺旋葉片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)生反向運(yùn)動(dòng)，分別對物料正向與反向運(yùn)動(dòng)部分進(jìn)行積分計(jì)算并由上述計(jì)算出的時(shí)間可得出物料進(jìn)出總量的計(jì)算模型如式(4)所示。

濕固體物料由混合送進(jìn)機(jī)構(gòu)給料口進(jìn)入混合送進(jìn)型腔，經(jīng)過多次混合運(yùn)送，再經(jīng)排料口排出型腔，基于物料進(jìn)出總量平衡原理，為使混合送進(jìn)型腔到最佳混合送進(jìn)效果，減小出口的堵塞，我們在排料口設(shè)計(jì)有型腔外壁傾角不變并與螺旋葉片平行的區(qū)域。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

新型機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)，沒有現(xiàn)成的參考資料，為驗(yàn)證概念設(shè)計(jì)模型的功能結(jié)構(gòu)的合理性與設(shè)計(jì)可靠性，我們進(jìn)行了在不同主軸轉(zhuǎn)速、葉片升角、螺距、出口參數(shù)等條件下的相關(guān)混合送進(jìn)試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)

混合送進(jìn)裝置試驗(yàn)裝置型腔外壁采用薄壁鋼板焊接，螺旋葉片軸分段采用螺紋連接，以便于調(diào)節(jié)螺距;速度調(diào)節(jié)采用箱體齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由上述分析可知影響混合送進(jìn)的關(guān)鍵因素有主軸轉(zhuǎn)速、型腔外壁曲線、葉片升角、螺距、出口參數(shù)等。試驗(yàn)分為兩部分進(jìn)行，首先通過對試驗(yàn)裝置的主要結(jié)構(gòu)性能參數(shù)與運(yùn)動(dòng)性能參數(shù)的不同組合試驗(yàn)，用以得出混合送進(jìn)試驗(yàn)裝置各參數(shù)與混合送進(jìn)性能指標(biāo)的關(guān)系，得出影響混合送進(jìn)指標(biāo)的主要因素及各因素的影響水平。然后通過大量性能試驗(yàn)與結(jié)果分析，量化各因素對混合送進(jìn)的影響程度，為后續(xù)的設(shè)計(jì)研究提供理論依據(jù)。

2.2 試驗(yàn)分析

表1中列出的是試驗(yàn)參數(shù)及變化量，由表可知螺旋葉片相對轉(zhuǎn)動(dòng)速度越大，濕固體物料通過混合送進(jìn)型腔時(shí)所經(jīng)過的混合攪拌次數(shù)越多，混合的效果越好，但螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速度過大，濕固體物料運(yùn)行致出口的速度提高，使出口物料的堵塞率上升。螺旋葉片相對轉(zhuǎn)動(dòng)速度越小，物料的混合效果、機(jī)械的生產(chǎn)率也將下降，所以螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)速度存在一個(gè)最優(yōu)值。在混合送進(jìn)型腔結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的前提下，螺旋葉片螺距對機(jī)構(gòu)的工作性能同樣有著至關(guān)的影響，試驗(yàn)裝置中的螺距是可以調(diào)節(jié)的，試驗(yàn)中采用由進(jìn)口到出口螺距逐漸增大和由進(jìn)口到出口螺距逐漸減小的兩種調(diào)節(jié)方式。第一種方式中混合效果較好，同時(shí)對物料在混合型腔中的下行運(yùn)動(dòng)有幫助，降低進(jìn)出料的堵塞量可以提高混合送進(jìn)機(jī)構(gòu)的效率，但混合送進(jìn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性能將受到影響。第一種方式中混合效果變差，生產(chǎn)率下降，但機(jī)械的動(dòng)力性能將改善。故螺旋葉片螺距同樣存在一個(gè)合理的優(yōu)值。

表1 混合送進(jìn)裝置功能規(guī)劃試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，直接影響混合送進(jìn)機(jī)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素包括主軸葉片的旋轉(zhuǎn)速、葉片螺旋角、葉片變螺距等，為提高混合送進(jìn)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)性能改善混合輸出產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對以上各關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，為開發(fā)現(xiàn)代新型環(huán)保機(jī)械奠定理論基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

通過上述的分析，得到了混合送進(jìn)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能工作參數(shù)是影響機(jī)構(gòu)性能的關(guān)鍵因素?；诳傮w平衡模型和濕固體物料運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，提出混合送進(jìn)裝置功能規(guī)劃設(shè)計(jì)研究模型和新型腔型設(shè)計(jì)方法，為建立混合送進(jìn)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)模型建立理論基礎(chǔ)。

［1］芮延年.創(chuàng)新學(xué)原理及其應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［2］聞邦春，趙春雨，任朝暉.產(chǎn)品的使用性能及智能優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］聞邦椿，韓清凱.產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能及動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］聞邦春，劉樹英，李小彭.產(chǎn)品的主輔功能及功能優(yōu)化設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［5］孫恒，陳作模.機(jī)械原理［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［6］濮良貴.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2007.

［7］周堃敏.機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:高等教育出版社，2009.