堆肥滾筒篩工作參數的正交模擬分析——基于離散元理論

黃 軍，張燕杰，盧譽遠，黃福川

(1.廣西大學 化學化工學院，南寧 530004；2.廣西玉林市大智生物科技有限公司，廣西 玉林 537000)

0 引言

堆肥是農業固體廢棄物資源化處理中一種有效的應用途徑，如植物殘枝、農作物秸稈堆肥處理,農產品加工廢物及畜禽糞便堆肥制取有機肥料等[1-3]。農業固體廢棄物堆肥生產中，滾筒篩主要用于堆肥產品與返料的分離及成品的分級等，在堆肥產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生較大的經濟效益，還有利于降低能耗，在促進農業固體廢棄物再利用方面具有重要意義。

研究發現，滾筒篩的工作效率(即篩分出所需產物的效率)受滾筒轉速、滾筒安裝角度、處理量及結構設計等多因素影響[4-5]。若影響因素設計得不合理，將直接影響滾筒篩的工作效率。目前，國內已有不少研究。杜皖寧[6]在對篩分機械處理量的研究中，引出修正系數這一概念，并給出實際篩分處理量、修正系數和設計篩分處理量的關系。唐紅俠等[7]從受力分析角度研究物料的提升角和滾筒轉速的關系，并得出物料提升角不受轉速影響、滾筒的臨界轉速與靜摩擦角有關等結論。焦紅光[8]采用VC++.NET 開發篩分二維離散元仿真程Sieve DEM，模擬了運動透篩行為。馮常建[9]利用EDEM對沙棘脫果滾筒篩的轉速進行了研究，并探究了篩孔形狀對沙棘脫果分離率的影響。施昱[10]通過控制變量法對混合垃圾滾筒篩的轉速和處理量等影響因素進行了數值模擬，得到了混合垃圾滾筒篩的優化參數等。目前，研究角度多數是通過控制變量法，單因素或對單因素逐個考慮，而研究方法則趨向于離散元數值模擬。

離散元法(Discrete Element Method，DEM)是分析和求解復雜離散系統的動力學問題的一種新型數值方法[11]，主要是通過建立固體顆粒系統的參數化模型，進行顆粒行為模擬和分析。Peter Cun- dall于1972年首次提出并應用于巖土力學研究[12]。近年來，隨著顆粒模型、接觸模型等數學模型的日益完善，基于離散元素理論開發的EDEM、Yade、LIGGGHTS等軟件得到逐步完善，使得離散元在礦山機械、粉體工程及冶金等行業的應用越來越廣泛[13-16]。滾筒篩工作過程中，堆肥顆粒伴隨滾筒的轉動而運動，同時受重力、摩擦力及氣流擾動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，有利于真實了解影響滾筒篩工作性能的主要因素，同時可減少樣機試制的盲目性。本文以滾筒轉速、滾筒安裝傾角和滾筒內抄板高度為變化因素，收集率和損失率為評價指標，進行三因素三水平兩指標的正交試驗設計；同時，基于離散元理論，利用首個離散元數值軟件EDEM對堆肥滾筒篩篩分過程進行模擬。

1 試驗材料與模型建立

1.1 堆肥顆粒

堆肥產物呈質地疏松的團粒結構[1]，根據相似理論，將堆肥產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，以豬糞好氧堆肥產物為研究對象。圖1中(a)、(b)分別為在廣西某養殖廢物處理中心取樣得到的豬糞好氧堆肥產物篩分前后對比圖。

圖1 堆肥產物篩分前后對照圖

由于堆肥產物粒徑尺寸過多，為了減小計算量，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

在廣西某養殖廢物處理中心，隨機采集3份堆肥產物，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。對每次篩分得到的堆肥產物去皮稱重，統計的結果如表2所示。經計算，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

1.2 滾筒篩模型

滾筒篩由喂料斗、滾筒、出料斗、機架及電機等部分組成，如圖3所示。物料由喂料斗進，在滾筒內進行篩分，細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為大顆粒在滾筒內的運動軌跡示意圖。

1.出料斗F 2.支架 3.喂料斗 4.滾筒 5.電機 6.出料斗S圖3 滾筒篩結構示意圖Fig.3 Structure diagram of drum sieve

圖4 大于篩孔顆粒的運動軌跡

根據表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，內設8塊抄板。在SolidWorks中建立、簡化模型結構，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

1.3 接觸模型和參數設置

堆肥產物含水率低于30%，具有一定的粘結性。本文仿真環境為EDEM2.6，故引入Hertz Mindlin with JKR 接觸模型[11]。通過文獻分析[17-18]并結合EDEM通用顆粒材料數據(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

2 正交試驗設計

2.1 試驗因素和水平

影響滾筒篩的因素有滾筒轉速、滾筒的安裝角度及抄板高度等，為了能夠準確地分析影響篩分筒工作效率因素及因素之間的關系，選用L9(34)正交表進行試驗。轉速、傾角和抄板高度根據實際應用情況和參考相關文獻[7, 10, 19-20]進行合理的參數水平設計。水平因素和試驗方案分別如表5和表6所示。

表5 正交試驗因素水平表

表6 正交試驗方案

2.2 正交試驗模擬結果和分析

2.2.1 正交試驗結果

為了考察實際篩分效果，引入收集率和損失率作為判斷滾筒篩工作性能的評價指標。假設以相同時間內出料斗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種粒徑顆粒的總數量；

m—對應粒徑顆粒的總質量；

mi—a、b、c等3類顆粒的單質量。

式中φ1—收集率；

N1—出料斗F處指定區域內收集的a、b、c等3種粒徑的堆肥總顆粒數。

式中φ2—損失率；

N2—出料斗S處指定區域內收集的a、b、c3種粒徑的堆肥總顆粒數。

初步設定滾筒篩的處理量18t/h(即5kg/s的流入量)，并在EDEM中設置5類堆肥顆粒的輸入量。由EDEM計算各試驗15s內出料斗F和S收集的有效顆粒的數量(即a、b、c等3類顆粒的數量)，數值計算9組方案，得到收集率φ1和損失率φ2，如表7所示。

表7 各試驗正交試驗數據及數值計算結果

2.2.2 正交試驗分析

由表7可知：收集率和損失率的最優值不在同一個方案。第4方案收集率最大，第8方案損失率最小。本次試驗指標有兩個，屬于多指標正交試驗。

為了排除隨機因素，得到理論最優方案及分析各影響參數對篩分效率影響的主次順序。對表5數據進行極差分析，得到表8的極差分析結果。

表8 極差分析

從表8可知：理論上，收集率影響的主次順序為A、C、B，即滾筒轉速比抄板高度和傾角對收集率的影響要大。隨著轉速的提高，堆肥顆粒的收集率呈現先增加后降低的趨勢，因為滾筒轉速改變了堆肥顆粒的運動狀態，而運動狀態在一定程度上影響著堆肥顆粒的透篩過程；但是，轉速和傾角在此次試驗中對收集率的影響表現的比較接近。損失率影響的主次順序為C、A、B，即滾筒安裝傾角越大，堆肥顆粒在滾筒內停留的時間越短，和篩面接觸的機會也將減少，損失率會隨著傾角的增大而增大。由表3可知：對于收集率，優水平的是A2B1C3；對于損失率，優水平的是A3B1C1?？紤]到傾角、抄板高度對收集率和損失率的作用相反，結合表3，綜合考慮兩指標，轉速對收集率影響最大，對損失率影響次之，為了得到較大的收集率，在損失率也不會太大的情況下，轉速選A2；抄板高度對收集率和損失率的影響都最小，抄板高度取B1時，在三水平中收集率最高，損失率最??；傾角對收集率的影響次之，對損失率的影響最大，為了避免損失過大的同時盡量提高收集率，應當選擇C2。因此，最優方案為A2B1C2。圖6為A2B1C2在15s時的篩分狀態。

圖6 A2B1C2在15s時篩分狀態

3 處理量的確定

實際應用中，滾筒篩分機的處理量一般低于產品樣本上標定的處理量[6]。為了得到滾筒篩準確的處理能力(即單位時間內合適的堆肥處理量)，對正交試驗得出的優水平方案進行了6組單因素模擬試驗，由EDEM計算結果得第14s內收集的顆粒數，結果如表9所示。

表9 5種不同處理量模擬結果

基于MatLab高斯曲線擬合求解[21]，結果表明：處理量為31.05t/h左右時，收集顆粒數達到最大，約1 466個，處理能力最佳，如圖7所示。

圖7 不同處理量下收集顆粒數

4 結論

1)對篩分效率影響最大的是轉速，篩分效率隨著轉速的增大呈現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，對收集率的影響將相對降低，損失率將急劇增加，不利于整體的篩分效率。另外，對于滾筒篩的優化應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，嚴重影響工作效率。對優水平方案的處理量進行6組單因素試驗模擬，得到A2B1C2方案在31.05t/h左右時處理能力最佳。

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試驗進行對比，因此需要增加水平試驗次數。該方法具有降低試驗成本、縮短生產周期等優點，可為設備的設計和制造提供指導。