盛金良，宮 寧，胡海鶴，朱金龍

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

污泥好氧發(fā)酵是指在污泥中加入一定比例的秸桿、稻草、木屑或生活垃圾等調(diào)理劑和膨松劑，形成污泥混料，在有氧的條件下，利用好氧微生物對(duì)污泥混料進(jìn)行氧化分解并使其轉(zhuǎn)化為類腐殖質(zhì)，從而形成肥料.這是一種成本低，經(jīng)濟(jì)附加值高，并且環(huán)保的污泥處理方法.可以實(shí)現(xiàn)污泥的穩(wěn)定化、無害化、資源化處理，能夠滿足土地利用的要求.

污泥好氧發(fā)酵多數(shù)是在發(fā)酵倉(cāng)中進(jìn)行的.由于發(fā)酵倉(cāng)具有一定的深度，會(huì)使得好氧發(fā)酵過程產(chǎn)生如下問題：堆體內(nèi)容易出現(xiàn)供氧不到位的死區(qū)；污泥混料形成較大的黏性塊狀物料；底層和中層含水率不能有效下降等.解決以上問題的方法就是在好氧發(fā)酵的過程中使用立式螺旋翻堆機(jī).在翻堆的過程中，污泥混料原狀態(tài)的風(fēng)路被螺旋體破壞，使得通風(fēng)效果更佳，各點(diǎn)具有所需的氧濃度.通過螺旋體的旋轉(zhuǎn)攪拌，污泥混料顆粒破壞速度加快，發(fā)酵變得更加均勻.污泥混料在進(jìn)行翻堆后，中下層污泥混料被翻到整個(gè)堆體上層，干燥速度加快.可見，立式螺旋翻堆機(jī)在好氧發(fā)酵過程中起著非常重要的作用.

1 立式螺旋翻堆機(jī)的工作原理

1.1 翻堆時(shí)污泥混料的狀態(tài)

翻堆機(jī)的主要工作部件是翻堆螺桿，在工作時(shí)，帶有螺旋葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)軸在自轉(zhuǎn)的同時(shí)沿著徑向進(jìn)行移動(dòng).螺桿工作時(shí)會(huì)在螺桿周圍形成影響區(qū).根據(jù)污泥混料運(yùn)動(dòng)方向和所處區(qū)域的不同，影響區(qū)具體分為提升區(qū)、帶動(dòng)區(qū)和疏松區(qū)［1］.

處于螺旋葉片間的污泥混料，在葉片的作用力下向上移動(dòng)，形成提升區(qū)；處于葉片外一定范圍內(nèi)的污泥混料，其與葉片料槽間污泥混料之間存在著摩擦、擠壓和碰撞，提升區(qū)會(huì)帶動(dòng)其外部一定范圍內(nèi)的污泥混料向上運(yùn)動(dòng)，從而形成帶動(dòng)區(qū)；葉片間的污泥混料向上運(yùn)動(dòng)后會(huì)在下部形成空隙，周圍的污泥混料在自身重力和周圍污泥混料的壓力下會(huì)向下流動(dòng)填充空隙，形成疏松區(qū).通過對(duì)污泥混料的運(yùn)動(dòng)分析來研究翻堆機(jī)的工作原理和參數(shù)影響.

1.2 污泥混料的運(yùn)動(dòng)分析

污泥混料的原料配比不固定，其物理性質(zhì)在不同階段存在著差異，因此在研究中作出如下假設(shè)［2］：

（1）污泥混料是緊密連續(xù)的，力學(xué)性質(zhì)均勻并且各向同性.

（2）在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，污泥混料形狀保持不變.

（3）污泥混料的剪應(yīng)力τ和壓應(yīng)力σ成線性關(guān)系，表示成τ＝c＋σtanφ，φ為污泥混料間的內(nèi)摩擦角，c為黏性力.

翻堆機(jī)在翻堆的過程中，污泥混料的運(yùn)動(dòng)受到旋轉(zhuǎn)螺旋的影響，其運(yùn)動(dòng)形式表現(xiàn)為在一空間中沿螺旋的復(fù)合運(yùn)動(dòng).當(dāng)螺旋面的升角α在展開的狀態(tài)時(shí)，螺旋線用一條直線來表示.

下面以距離螺旋軸線r處的污泥混料顆粒A作為研究對(duì)象，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析.

污泥混料顆粒A在螺旋面上所受到的合力為Fsum，F(xiàn)sum由于污泥混料與葉片的摩擦關(guān)系與螺旋面的法線方向偏離了角度β.一般忽略葉片表面粗糙程度對(duì)β的影響而近似認(rèn)為其等于螺旋面的摩擦角ρ，即β＝ρ.Fsum可以分解為法向分力F1和徑向分力F2，如圖1所示.

當(dāng)螺桿以角速度ω繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，距離螺旋軸線r處O點(diǎn)的污泥混料顆粒A的運(yùn)動(dòng)速度如圖2所示［3］.ve是顆粒A的牽連速度，方向?yàn)檠豋點(diǎn)回轉(zhuǎn)的切線方向；vr是顆粒A相對(duì)于螺旋面的相對(duì)速度，方向?yàn)槠叫杏贠點(diǎn)的螺旋線切線方向；若不考慮葉片摩擦，則va是顆粒A的絕對(duì)速度，方向?yàn)槁菪嫔螼點(diǎn)的法線方向.由于污泥混料與葉片有摩擦，顆粒A在O點(diǎn)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度為vsum，方向與法線偏轉(zhuǎn)摩擦角ρ.對(duì)vsum進(jìn)行分解，則可得到顆粒A在O點(diǎn)的軸向速度v1和圓周速度v2.污泥混料顆粒在螺旋體內(nèi)做復(fù)合運(yùn)動(dòng)，即沿著軸向移動(dòng)，又沿著徑向旋轉(zhuǎn).

圖1 污泥混料受力分析圖Fig.1 Loading analysis for sludge mixing

圖2 污泥混料運(yùn)動(dòng)速度圖Fig.2 Movement velocity for sludge mixing

根據(jù)幾何關(guān)系得

所以式（1）也可以寫成

式中：f為污泥混料與葉片間的摩擦系數(shù)，f＝tanρ，ρ為葉片與污泥混料的摩擦角.

2 翻堆機(jī)主要參數(shù)及其影響

2.1 螺旋葉片直徑

由式（2），可得出污泥混料在料槽內(nèi)軸向移動(dòng)速度v1和圓周速度v2隨r而變化的曲線圖（圖3）.由圖3可見，v1和v2在r范圍內(nèi)是變化的，v1隨著r的增加而增加，v2隨著r增大先增加后減小.

從圖3中可以看出，物料的軸向移動(dòng)速度v1與圓周速度v2隨著距螺旋線的距離r變化而變化.由于物料在螺旋葉片上移動(dòng)，所以距螺旋線的距離r與螺旋葉片直徑D有著密切的關(guān)系.螺旋葉片直徑D應(yīng)該提供足夠的距離使得物料達(dá)到所需的速度.圖中可以看出靠近螺旋軸的污泥混料的v2大于v1.而靠近螺旋外側(cè)的污泥混料的v1大于v2.可以看出內(nèi)層污泥混料較容易隨螺旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)，外層污泥混料容易沿著軸向移動(dòng)，所以在設(shè)計(jì)螺旋葉片的直徑時(shí)不能過小，要保證物料有足夠的軸向移動(dòng)速度.

圖3 r與速度的關(guān)系Fig.3 Relationship between blade radius and velocity

2.2 螺旋軸螺距

由上述分析與公式可知，螺距決定著螺旋升角α和污泥混料在料槽內(nèi)軸向移動(dòng)速度v1和圓周速度v2.所以應(yīng)該根據(jù)螺旋面與污泥混料之間的受力關(guān)系和速度各分量之間的分布關(guān)系來確定合理的螺距.

圖4 螺距與速度的關(guān)系Fig.4 Relationship between screw pitch and velocity

式中：D為螺旋葉片直徑，mm.

所以螺距應(yīng)該同時(shí)滿足式（3）及式（4）的條件.

2.3 螺旋軸直徑

根據(jù)螺旋升角的公式可以看出螺旋軸直徑與螺距共同決定螺桿的螺旋升角.所以螺旋軸直徑在一定程度上也影響著污泥混料的滑移方向和速度分布.

根據(jù)以上分析可知，要使物料沿軸向移動(dòng)，需要滿足

另外還應(yīng)該滿足的一個(gè)條件是在滿足盡可能大的軸向速度的同時(shí)，保證污泥混料各點(diǎn)的軸向速度大于圓周速度，即v1≥v2.

所以螺距應(yīng)該同時(shí)滿足式（6）及式（7）的條件.

2.4 螺旋軸轉(zhuǎn)速

翻堆機(jī)螺桿在污泥混料中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，螺桿的轉(zhuǎn)速對(duì)污泥混料的翻堆有著直接的影響.當(dāng)轉(zhuǎn)速過小時(shí)，螺桿對(duì)污泥混料的力不足以使污泥混料產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過某一臨界值后，污泥混料才會(huì)產(chǎn)生相對(duì)向上的運(yùn)動(dòng)，從而起到翻堆作用，這一轉(zhuǎn)速的臨界值稱為臨界轉(zhuǎn)速.由此可見，螺桿轉(zhuǎn)速為關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，需要通過計(jì)算得出滿足要求的最小轉(zhuǎn)速，超過臨界轉(zhuǎn)速污泥混料才會(huì)上升.

在不同文獻(xiàn)中有多種垂直螺旋體臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算方案，本文根據(jù)對(duì)污泥混料的運(yùn)動(dòng)分析和實(shí)際應(yīng)用工況確定了臨界轉(zhuǎn)速為［5］

式中：n′為臨界轉(zhuǎn)速，r·min－1；g為重力加速度，g＝9.8 m·s－2；r1為螺旋當(dāng)量半徑，mm.

在實(shí)際應(yīng)用中取實(shí)際設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為n＝（1.5～2）n′.

在設(shè)計(jì)時(shí)要保證螺桿的旋轉(zhuǎn)速度大于臨界轉(zhuǎn)速，這樣才能保證污泥混料能夠進(jìn)行正常的翻堆.但是轉(zhuǎn)速也不宜過大，因?yàn)楫?dāng)超過一定的轉(zhuǎn)速時(shí)，離心力過大會(huì)使得污泥混料產(chǎn)生垂直于螺旋軸的翻滾，起攪拌而不起軸向的推進(jìn)作用.這不僅會(huì)增大螺旋功率的消耗，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致物料填充系數(shù)下降，使污泥混料的輸送效率降低，并且加速螺桿的磨損.因此，為了避免產(chǎn)生這種現(xiàn)象，螺旋的轉(zhuǎn)速應(yīng)該設(shè)定在一定的合適范圍內(nèi)，既要超過臨界轉(zhuǎn)速但又不能過高.

3 結(jié)語

本文針對(duì)污泥好氧發(fā)酵立式螺旋翻堆機(jī)，研究了其工作原理，并根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析.從理論上闡述了立式螺旋翻堆機(jī)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)：螺旋葉片直徑，螺旋軸螺距，螺旋軸直徑，螺旋軸轉(zhuǎn)速對(duì)翻堆機(jī)的影響以及參數(shù)選擇原則.

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［2］梁庚煌.運(yùn)輸機(jī)械手冊(cè)：第二冊(cè) ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1983.

LIANG Genghuang.Mechanical transportation manual：Vol 2［M］.Beijing：Chemical Industry Press，1983.

［3］郝麗君，馬殿旗，邢家樂，等.基于ADAMS分析多因子對(duì)翻堆機(jī)動(dòng)力性能響應(yīng) ［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，24（2）：135－137.

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