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)
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(jí)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(jì)等多因素影響[4-5]。若影響因素設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)際篩分處理量、修正系數(shù)和設(shè)計(jì)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(dòng)透篩行為。馮常建[9]利用EDEM對(duì)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(duì)沙棘脫果分離率的影響。施昱[10]通過控制變量法對(duì)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€(gè)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(dòng)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(dòng)而運(yùn)動(dòng),同時(shí)受重力、摩擦力及氣流擾動(dòng)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(shí)了解影響滾筒篩工作性能的主要因素,同時(shí)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(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行三因素三水平兩指標(biāo)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì);同時(shí),基于離散元理論,利用首個(gè)離散元數(shù)值軟件EDEM對(duì)堆肥滾筒篩篩分過程進(jìn)行模擬。
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(duì)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(duì)比圖。
圖1 堆肥產(chǎn)物篩分前后對(duì)照?qǐng)D
由于堆肥產(chǎn)物粒徑尺寸過多,為了減小計(jì)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(duì)每次篩分得到的堆肥產(chǎn)物去皮稱重,統(tǒng)計(jì)的結(jié)果如表2所示。經(jīng)計(jì)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
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(dòng)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(dòng)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
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)
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(yàn)。轉(zhuǎn)速、傾角和抄板高度根據(jù)實(shí)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(jì)。水平因素和試驗(yàn)方案分別如表5和表6所示。
表5 正交試驗(yàn)因素水平表
表6 正交試驗(yàn)方案
2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果
為了考察實(shí)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(píng)價(jià)指標(biāo)。假設(shè)以相同時(shí)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(duì)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(jì)算各試驗(yàn)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(jì)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(yàn)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果
2.2.2 正交試驗(yàn)分析
由表7可知:收集率和損失率的最優(yōu)值不在同一個(gè)方案。第4方案收集率最大,第8方案損失率最小。本次試驗(yàn)指標(biāo)有兩個(gè),屬于多指標(biāo)正交試驗(yàn)。
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(duì)篩分效率影響的主次順序。對(duì)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?yàn)锳、C、B,即滾筒轉(zhuǎn)速比抄板高度和傾角對(duì)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?yàn)闈L筒轉(zhuǎn)速改變了堆肥顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),而運(yùn)動(dòng)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(yàn)中對(duì)收集率的影響表現(xiàn)的比較接近。損失率影響的主次順序?yàn)镃、A、B,即滾筒安裝傾角越大,堆肥顆粒在滾筒內(nèi)停留的時(shí)間越短,和篩面接觸的機(jī)會(huì)也將減少,損失率會(huì)隨著傾角的增大而增大。由表3可知:對(duì)于收集率,優(yōu)水平的是A2B1C3;對(duì)于損失率,優(yōu)水平的是A3B1C1。考慮到傾角、抄板高度對(duì)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(duì)收集率影響最大,對(duì)損失率影響次之,為了得到較大的收集率,在損失率也不會(huì)太大的情況下,轉(zhuǎn)速選A2;抄板高度對(duì)收集率和損失率的影響都最小,抄板高度取B1時(shí),在三水平中收集率最高,損失率最小;傾角對(duì)收集率的影響次之,對(duì)損失率的影響最大,為了避免損失過大的同時(shí)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(shí)的篩分狀態(tài)。
圖6 A2B1C2在15s時(shí)篩分狀態(tài)
實(shí)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(shí)間內(nèi)合適的堆肥處理量),對(duì)正交試驗(yàn)得出的優(yōu)水平方案進(jìn)行了6組單因素模擬試驗(yàn),由EDEM計(jì)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(shí),收集顆粒數(shù)達(dá)到最大,約1 466個(gè),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)
1)對(duì)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(duì)收集率的影響將相對(duì)降低,損失率將急劇增加,不利于整體的篩分效率。另外,對(duì)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(duì)優(yōu)水平方案的處理量進(jìn)行6組單因素試驗(yàn)?zāi)M,得到A2B1C2方案在31.05t/h左右時(shí)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(yàn)進(jìn)行對(duì)比,因此需要增加水平試驗(yàn)次數(shù)。該方法具有降低試驗(yàn)成本、縮短生產(chǎn)周期等優(yōu)點(diǎn),可為設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造提供指導(dǎo)。