WLS 型餐廚垃圾螺旋輸送機性能的試驗研究

顧曉濤，殷 俊，朱麗可，吳 元，趙振振，乙楊敏

（維爾利環保科技集團股份有限公司，江蘇 常州 213125）

引言

餐廚垃圾成分復雜、含水含油率高，含水率達到75%～85%，使得后續處理設備壓力大，若在進料段就能把游離水最大化分離出來，將會降低后續固體處理單元如分選機、固液分離機等設備的處理負荷。因此，對于餐廚垃圾的處理，首要任務是研發新型進料-游離水分離一體化技術及設備，提高餐廚垃圾在料斗中的直接脫水效果，降低餐廚垃圾的后續處理負荷量。本文從改進輸送效能出發，研究螺旋結構、螺旋螺距以及螺旋轉速對物料脫水效率和餐廚垃圾減量化的影響，以此來確定最佳參數，實現原始餐廚垃圾游離水的脫除最大化。

1 螺旋輸送機試驗條件的選擇

螺旋輸送機是一種常見的連續輸送設施，被廣泛運用于化工、冶金等行業，其重點輸送對象是溫度小于200 ℃的小物塊、粉狀或粒裝物料，如水泥、煤炭、垃圾等，但不適用于易粘黏、結塊的物料[2]。螺旋輸送機一般由輸送機本體、進出料口和驅動裝置三大部分組成，螺旋葉片有實螺旋面、帶螺旋面和葉片螺旋面三種形式[1]，其中，葉片式螺旋面主要應用于物料黏度較大的餐廚垃圾的輸送。該螺旋面型的螺旋輸送機在完成輸送作業過程中同時完成物料的攪拌、混合等作業[2]。螺旋輸送機具有操作簡單、橫截面小、密封性能好、運行平穩可靠等特點，可以同時向兩個相反方向輸送，便于中間裝料和卸料。在輸送過程中可對物料攪拌、混合、加熱和冷卻等作業。

1.1 螺旋輸送機試驗因素的選擇

目前有研究表明，生產效率和功率消耗是影響螺旋輸送機輸送性能的關鍵因素。從運行機理角度分析，螺旋輸送機螺旋軸是關鍵性影響因素。通過對以往研究結果分析，表明螺旋軸主軸轉速、螺距是重要影響因素。為此本研究將這兩者確定為試驗因素。無論哪一種器械，其生產率與功率消耗之間的矛盾較大，因此如何平衡二者尤為關鍵，螺旋輸送機也是如此。對此，本研究將螺旋輸送機的輸送螺距、轉速確定為試驗指標。

1.2 螺旋輸送機參數水平的選擇

絕大部分小螺距輸送介質為粉末狀物料，大螺距螺旋輸送機輸送介質為煤炭類大塊物料，而餐廚垃圾物料既不是粉末狀也不是大塊狀。為此，本研究選取中型螺旋輸送機，把螺距確定為400 mm、320 mm、270 mm、200 mm。

由于無法確定綜合系數，基于餐廚垃圾特征，對螺旋輸送機運行的最大轉速的確定采取經驗公式進行計算。式中：A 是物料的綜合特性系數；D 是螺旋輸送機螺旋直徑。根據實驗值，D≤250 mm=0.25 m，取粉末狀和小塊狀物料系數A 的中間值37.5 進行估算，即可以得此螺旋輸送機運行的最大轉速nmax≤75 r/min。所以，本研究將轉速控制在15～75 r/min 之間，確定轉速為15、25、35、45 r/min 下開展試驗。

1.3 螺旋輸送機指標的測定

餐廚垃圾的瀝水率指的是分選壓縮后的濕基含濕量，即W=[（mj-mc）/mj]×100%。式中：mj為餐廚垃圾進料的組分質量，g；mc為餐廚垃圾出料的組分質量，g；mj-mc為餐廚垃圾瀝水的質量，g。對每組試驗進行三次水平測試。

開始后，打開電源，當輸送機穩定運行后，扭矩轉速測量儀中轉速提升到待測數值，且保持平穩狀態后，等待物料慢慢進入輸送機。試驗完，及時關上電源及變頻器，如實記錄物料體重等數據。對每一組試驗開展三次測試活動。

2 試驗研究

2.1 螺旋結構對瀝水量的影響

螺旋輸送機螺旋結構分為有軸螺旋和無軸螺旋，如圖1 所示。在結構上，無軸螺旋輸送機由驅動、殼體、襯板、無軸葉片、蓋板等組成，有軸螺旋輸送機由驅動、殼體、內管軸、葉片、蓋板等組成，二者的直觀區別就是有無軸。有軸螺旋的優勢主要表現為承載力大、安全性高、適應性強、維修便捷、使用時間長、轉速高、體積小等。在物料輸送過程中，無軸螺旋輸送機受力點主要在葉片上，導致葉片易磨損，而有軸螺旋輸送機受力均勻，其使用壽命在很大程度上得到了延長。

圖1 螺旋輸送機螺旋結構

此外，有軸螺旋輸送機在坡度方面比無軸螺旋輸送機有著更強的適應性，可避免物料的相互纏結。當送料端垃圾含水率較高時，采用無軸螺旋輸送機帶到后續分選機的垃圾含水率會非常高，一方面加大了后續設備的處理負擔，另一方面導致物料有機質大量流失，而有軸螺旋的反向擠水功能可以很好地避免這種情況的發生。

在實際項目運用中，通常采用雙軸螺旋輸送機，其運行機制主要是在兩條無縫鋼管中均安裝有實體螺旋，一根為左旋，一根為右旋，運行時兩根實體螺旋經過軸伸處的一對齒輪嚙合轉動使物料作軸向移動，從而達到輸送物料的目的[3]。雙軸螺旋輸送機不僅有傳輸物料的作用，而且對物料有粗破碎和攪拌的作用，對游離水的去除效果更佳。

物料在螺旋輸送過程中，通過葉片螺旋擠壓，其游離水會通過濾網進入瀝水池。葉片數以及濾網的孔徑也是考核螺旋瀝水能力的重要指標。一般情況下，選擇葉片數8～11 個，控制濾網的孔徑在8～10 mm，若孔徑大容易使較大物料掉落，若孔徑小容易導致篩孔堵塞而影響輸送能力。

2.2 螺旋轉速對瀝水量的影響

為了能夠確保螺旋主軸轉速準確，最好標定變頻器輸出頻率，并將減速器與螺旋主軸之間傳感器進行有效連接，傳感器可對主軸轉速進行準確測量，并將其實際數值呈現在顯示器上，相關技術指標為：轉速不準確度≤0.2%，轉矩不準確度≤0.5%F.S，環境溫度≤-20～60 ℃，環境濕度（RH）≤85%，消耗功率≤13 W。

選取實驗范圍的主軸轉速，調節變頻頻率，得到其對應的主軸轉速、頻率值，對相應數值進行擬合，二者呈現的曲線關系基本上是線性關系y=0.736 2x-0.491 4，如圖2 所示。

圖2 螺旋頻率與螺旋主軸轉速的線性關系

螺旋輸送機由槽體、轉軸、螺旋葉片、軸承及其傳動裝置組成，通常通過裝置間的相互作用力來完成物料的輸送工作，因此螺旋軸的螺旋輸送速度是影響物料輸送的關鍵因素[4]。往往螺旋輸送速度取決于螺旋頻率，而螺旋頻率對瀝水效果會產生一定的影響。

如表1 所示，通過調整螺旋輸送機螺旋頻率的大小，可以有效控制進料量的輸送。當螺旋頻率較小時，其瀝水性能較差，其原因在于葉片對物料的擠壓力不夠，脫水效果不明顯；當螺旋頻率逐漸增加時，物料受到擠壓，脫水效果明顯，因此瀝水的效果顯著增強。

表1 螺旋頻率對瀝水效果的影響

餐廚垃圾在運輸料槽之中的運動，具有復合雙向的特點，表現為沿軸向運動以及沿徑向運動，因此可將螺旋軸轉速劃分成軸向轉速與徑向轉速。在固定螺旋升角的條件下，螺旋軸轉速增大，會引起軸向轉速以及徑向轉速增大，與螺旋軸接近的物料其圓周轉速高于物料的物料流運動，同時由于螺旋軸轉速未高于主軸最大轉速50 r/min，此時對物料流運動形成的影響不高，也就是說，單項徑向速度的提高，不會對物料運動軌跡造成過大的影響，而受轉向速度增大的影響，物料在軸向的運動會加快，所以在一定時間內，物料瀝水量會提高。

2.3 螺旋螺距對瀝水量的影響

如表2 所示，固定螺旋轉速為32 r/min，通過調整螺旋輸送機螺旋螺距的大小，有效控制進料量。當螺旋螺距較小時，其瀝水性能較差，其原因在于葉片對物料的擠壓力不夠，脫水效果不明顯；當螺旋螺距逐漸增大時，物料受到擠壓，脫水效果明顯，瀝水的效果顯著增強。

表2 螺旋螺距對瀝水效果的影響

螺旋輸送機螺距變化會影響螺旋升角的大小，螺距大小變化會對物流輸送過程產生影響。通常在等軸徑的情況下，螺距與螺旋升角為正比，根據運動學分析運動過程，能夠發現在螺旋輸送機螺旋主軸轉速不高于螺旋轉速理論最大值的情況下，螺旋升角與軸向速度呈正比，可促進物料瀝水效果的提高[5]。考慮螺距大小和物料軸向速度、圓周速度，以及物料特性、螺旋面和物料摩擦力等之間均存在一定關系[6]，可選擇320 mm 螺距，確保瀝水量以及功耗值的科學性。

3 結論

螺旋變徑變螺距是指在螺旋中不斷增大螺旋軸直徑或者減小螺距，當同時縮小輸送空間時[7]，螺旋輸送中物料與物料之間的擠壓力變大，脫水效果增強，同時在一定程度上減少了在螺旋推動時出現的物料打滑現象，增強了螺旋輸送機的輸送能力。生活中接料斗為敞開式結構的料斗，因此螺旋變徑更多被應用于固液分離裝置中。固液分離裝置中螺旋變徑變螺距的相關實驗參數為：葉片個數10 個，螺距320 mm，進料端螺旋軸直徑220 mm，出料端軸直徑480 mm，螺旋頻率32 Hz，螺旋速度45 r/min。