摘 要： 針對(duì)目前我國(guó)死畜禽堆肥反應(yīng)器存在的諸多問題，以縮短堆肥周期、減小占地面積、降低環(huán)境危害為目標(biāo)，對(duì)死畜禽立式堆肥反應(yīng)器展開研究與設(shè)計(jì)。該反應(yīng)器主要由破碎攪拌系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)組成。在掌握相關(guān)堆肥工藝技術(shù)的前提下，對(duì)反應(yīng)器關(guān)鍵參數(shù)如容積、保溫層厚度、加熱器功率，以及對(duì)關(guān)鍵零部件如攪刀軸、攪刀片、定刀進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。利用有限元軟件進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，反應(yīng)器內(nèi)部能形成穩(wěn)定對(duì)流的流場(chǎng)，攪刀所受載荷均勻，反應(yīng)器設(shè)計(jì)可靠。

關(guān)鍵詞：立式堆肥；死畜禽；堆肥反應(yīng)器；堆肥周期

中圖分類號(hào)：S224.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1795（2024）06-0088-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.06.015

0 引言

近年來，我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，養(yǎng)殖場(chǎng)的數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，但養(yǎng)殖設(shè)施普遍標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，中小養(yǎng)殖企業(yè)急需一款可就近、快速處理的死畜禽堆肥反應(yīng)器[1-4]。

國(guó)內(nèi)外死畜禽處理器可分為立式和臥式兩類，臥式死畜禽堆肥反應(yīng)器存在處理周期長(zhǎng)（7～14 d）、結(jié)構(gòu)占地面積大、充滿率不高及輔助加熱的能耗利用率低問題[3，5]。

鑒于死畜禽立式堆肥反應(yīng)器具有占地面積小、堆肥周期短等優(yōu)點(diǎn)，本研究設(shè)計(jì)了一種死畜禽立式堆肥反應(yīng)器[6]。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

死畜禽立式堆肥反應(yīng)器整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、破碎攪拌系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)組成，如圖1 所示。

1.2 工作原理

通過自動(dòng)上料裝置將碳源和死畜禽分批放置于反應(yīng)器內(nèi)部，物料放置完成后裝載于反應(yīng)器頂部的加熱裝置持續(xù)為堆肥環(huán)境提供熱量，環(huán)境溫度達(dá)到設(shè)定值后破碎攪拌系統(tǒng)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。前期在攪刀和定刀的配合下反應(yīng)器內(nèi)物料開始破碎，中后期旋轉(zhuǎn)的攪刀帶動(dòng)破碎后的物料在反應(yīng)器內(nèi)部沿壁面自下而上的圓周移動(dòng)進(jìn)行提升或拋起，當(dāng)物料到達(dá)最高點(diǎn)位置時(shí)，依靠自重向下運(yùn)動(dòng)，從而使物料在反應(yīng)器內(nèi)部相互擴(kuò)散、對(duì)流、剪切、錯(cuò)位和摻混，帶動(dòng)物料做全方位的空間不規(guī)則混合運(yùn)動(dòng)[7]。物料腐熟后，依靠重力與攪刀對(duì)物料的作用在出料口排出發(fā)酵完全物料。得益于立式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，反應(yīng)器的空間利用率得以提升，占地面積降低至1.5 m2，相較于傳統(tǒng)的死畜禽堆肥反應(yīng)器增加了加熱功能，將堆肥周期降至2～4 d。

2 關(guān)鍵參數(shù)

2.1 容積

容積決定堆肥反應(yīng)器的最大裝載量和產(chǎn)量。死畜禽、水、碳源的質(zhì)量比1∶0.7∶1，物料的總質(zhì)量為死畜禽處理量的2.7 倍。原料的容重約900 kg/m3，為保證堆肥過程中有充足的氧氣含量，反應(yīng)器不能全部裝滿，根據(jù)國(guó)外同類產(chǎn)品的使用經(jīng)驗(yàn)，反應(yīng)器的充滿率90%，由此可以推導(dǎo)出反應(yīng)器容積按式（1）計(jì)算[8]。

V =2.7×mm／0.9ρ（1）

式中 V——反應(yīng)器內(nèi)殼體容積，m3

mm——死畜禽批次最大處理量，kg

ρ——堆肥原料容重，取ρ=0.9 kg/m3

設(shè)定死畜禽最大處理量600 kg/批次，代入式（1），經(jīng)計(jì)算反應(yīng)器設(shè)計(jì)容積V=2.0 m3。

2.2 加熱裝置功率

加熱棒功率應(yīng)滿足在?20 °C 的環(huán)境下將反應(yīng)器內(nèi)環(huán)境溫度加熱到60 °C，在此過程中，微生物通過有氧呼吸產(chǎn)生的熱量較少，可忽略不計(jì)[9]。反應(yīng)器內(nèi)熱量通過加熱棒加熱產(chǎn)生，經(jīng)過以上分析可知反應(yīng)器內(nèi)熱量損失主要通過熱傳導(dǎo)。整體的熱平衡方程為

qeht=ql+qelse （2）

式中 qeht——電熱管釋放熱量速率，kJ/h

ql——反應(yīng)器釋放熱量速率，kJ/h

qelse——其他形式熱量損耗速率，kJ/h

設(shè)加熱管功率為Peht（W），則加熱管單位時(shí)間內(nèi)所釋放的熱量為

qeht = 3.6Peht （3）

為維持反應(yīng)器內(nèi)熱平衡qehtgt;ql，經(jīng)過計(jì)算可得Pehtgt;9 563 W?？紤]到加熱棒的型號(hào)功率，最終選擇功率為100 kW 加熱棒。

3 關(guān)鍵部件

3.1 定刀結(jié)構(gòu)

定刀結(jié)構(gòu)由定刀1、定刀2、定刀3 組成，如圖2所示。定刀1 固接于反應(yīng)器主體側(cè)壁，定刀2 和定刀3 固接于主體底部，定刀1 和攪刀片相互配合，定刀2和定刀3 和推板相互配合。

定刀1 在空間上分3 層排布，上、中兩層定刀分別成中心對(duì)稱分布，反應(yīng)器整體在工作過程中所受到的載荷較為均勻，裝置可靠性較強(qiáng)。

定刀2 與定刀3 安裝在反應(yīng)器主體底部，定刀2距離中心軸較遠(yuǎn)，與推板配合間隙較大，定刀3 距離中心軸較近與推板配合間隙較小[10]。

3.2 攪刀結(jié)構(gòu)

攪刀結(jié)構(gòu)主要由攪刀軸、攪刀片、推板和破碎齒組成，其中攪刀片分成上、中、下3 部分，如圖3 所示。

3.2.1 攪刀軸

攪刀軸的設(shè)計(jì)決定了攪刀結(jié)構(gòu)的基本性能，攪刀軸采取組合曲線的設(shè)計(jì)，下部曲線采用圓錐與圓柱的相貫線，上部曲線采用等距螺旋線，增強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)部軸向流動(dòng)，確保攪刀結(jié)構(gòu)可靠耐用[11]。攪刀軸結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

3.2.2 攪刀片

攪刀片與定刀組合對(duì)死畜禽進(jìn)行撕裂、剝離，以及推動(dòng)物料進(jìn)行軸向的混合攪拌，對(duì)反應(yīng)器性能的影響也尤為重要。攪刀片如圖5 所示。反應(yīng)器底部物料壓實(shí)嚴(yán)重，刀片推動(dòng)較為困難，在電機(jī)功率一定的條件下，對(duì)下部刀片寬度設(shè)計(jì)從下往上逐漸增大，確保能正常推動(dòng)物料進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)[12]。由于制造工藝的要求，刀片不能設(shè)計(jì)成曲面結(jié)構(gòu)（開模成本大），刀軸為空間曲線，無法實(shí)現(xiàn)一整片刀片貼合于刀軸上，因此，將攪刀片進(jìn)行多段設(shè)計(jì)，為防止中間漏料，設(shè)計(jì)中間刀片對(duì)上下刀片進(jìn)行連接。上部刀片尺寸結(jié)構(gòu)較大，容易發(fā)生變形，采取對(duì)上部刀片向內(nèi)折彎的方式降低上部刀片的受力。

4 基于EDEM 離散元仿真模擬

4.1 EDEM 仿真參數(shù)設(shè)置

為在整機(jī)試驗(yàn)前驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的死畜禽立式堆肥反應(yīng)器工作效果，利用EDEM 對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行仿真分析[13- 14]。物料堆肥進(jìn)行到中后期，內(nèi)部物料均勻，力學(xué)性能穩(wěn)定，可獲得相關(guān)參數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置如表1 所示，其中Q235 為屈服強(qiáng)度235 MPa 的碳素結(jié)構(gòu)鋼[15]。

4.2 仿真結(jié)果

顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6 所示，在軸向顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖可以看出物料顆粒以垂直于攪刀向上方流動(dòng)，沿著攪刀的方向反應(yīng)器底部回落，在橫截面及縱截面顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖中可看出死畜禽立式堆肥反應(yīng)器內(nèi)部可以形成軸向和徑向穩(wěn)定流動(dòng)的流場(chǎng)，尤其在貼近錐體壁面位置可形成較高流速的流場(chǎng)。

由圖7 可知，盡管反應(yīng)器內(nèi)部在軸向空間上壓實(shí)程度不均勻，但在攪拌混合的過程中攪刀結(jié)構(gòu)受力均勻，沒有出現(xiàn)局部的載荷過大及應(yīng)力集中等問題。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了一種死畜禽立式堆肥反應(yīng)器，反應(yīng)器配合自動(dòng)上料裝置，可實(shí)現(xiàn)無人自動(dòng)上料。相較于傳統(tǒng)的死畜禽堆肥反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了破碎、堆肥功能的一體化設(shè)計(jì)，大大降低了整套死畜禽堆肥反應(yīng)器設(shè)備制造成本。加熱系統(tǒng)的增加，縮短堆肥周期至2～4 d；整體的立式結(jié)構(gòu)，使得占地面積僅1.5 m2。死畜禽立式堆肥反應(yīng)器的順利研發(fā)對(duì)中小養(yǎng)殖規(guī)模養(yǎng)殖廠死畜禽處理具有重要意義。

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