螺旋输送机在干法厌氧发酵系统中的应用现状及新方案研究

刘长亮，张 劲，汪 春，王金丽，郑 勇，庄志凯，陈 程

(1.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319; 2.中国热带农业科学院 农业机械研究所，广东 湛江 524091)



螺旋输送机在干法厌氧发酵系统中的应用现状及新方案研究

刘长亮1，张 劲2，汪 春1，王金丽2，郑 勇2，庄志凯2，陈 程2

(1.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319; 2.中国热带农业科学院 农业机械研究所，广东 湛江 524091)

文章介绍了近年来螺旋输送机的发展现状，并对螺旋输机的理论分析、设计制造和运动仿真方面进行分析总结。指出螺旋输送机在沼气干法厌氧发酵中的可利用性，并提出适用于沼气干法厌氧发酵设备的新型螺旋输送机的研究方法。

螺旋输送机；沼气；干法厌氧发酵

我国作为农业大国每年农业固体废弃物产量大约40多亿吨，这些废弃物既是宝贵的可再生资源，又是严重的环境污染源，若不经有效的处理将造成严重的资源浪费和环境污染。在众多固体有机废弃物资源化利用中，沼气干法厌氧发酵技术(下简称干发酵)是国内外研究的热点和重要的发展方向之一。根据干发酵的生物学特性和发酵工艺的特殊要求，干法厌氧发酵反应器及其发酵设备研究也得到国内外研究人员的广泛关注。本文将简单介绍各类型干法厌氧发酵系统的进出料输送系统的形式，主要对沼气干法发酵进出料螺旋输送机的理论、设计制造和运动仿真进行分析总结；并提出一种新型的螺旋输送机布置形式。

1 沼气干发酵技术及其装置概述

沼气干发酵是指以秸秆、畜禽粪便等有机废弃物为原料，利用厌氧微生物发酵生产沼气。反应系统中干物质浓度在20%以上。工艺流程见图1。

图1 工艺流程

国内外对沼气干发酵技术和装备进行了长期的研究，国内外几种主要沼气干发酵装置基础情况对比见表1。

表1 国内外几种主要沼气干发酵装置基础情况

相对比较国内沼气干发酵技术和设备还停留在试验阶段，沼气干发酵进出料机械化程度比较低，沼气干发酵系统还不能进行规模化生产。其主要原因是缺乏合理的高效的工程结构，未能解决规模化生产快速进出料与沼气干发酵装置密封的矛盾，未能掌握沼气干发酵反应器及配套装备的先进技术。为配合项目的实施，使农业废弃物沼气干发酵技术得到实际应用，以解决农业废弃物资源浪费和环境污染问题，提供高效简易可用的发酵反应器及其相应的配套装备尤其重要和迫切。国外沼气干发酵进出料主要运用进料泵和螺旋输送机进行输送，其中旋输送机具有结构简单，制造、安装、维修方便，整机体积小，占地少，生产效率高，输送物料快速均匀，输送过程中结构气密性好等优点成为沼气干发酵系统机械化和自动化不可缺少的部分，是沼气发酵系统走向工厂化生产的重要设备。螺旋输送机在输送过程中能完成揉搓、压缩、搅拌、混合等处理，还能实现变频调速和准确控制输送量[1]。螺旋输送机在输送沼气干发酵物料中由于其专业性和特殊性，除具有一般螺旋输送机的共性外又有自己的特点和发展方向。

2 国内螺旋输送装置的发展状况

2.1 理论分析

近年来我国螺旋输送在各领域广泛应用，因此改善螺旋输送机的性能，对螺旋输送机的理论分析进行完善，对输送性能进行研究，解决实际生产中遇到的问题，以达到自动化生产的目的。

综合大量文献多数理论研究集中在对螺旋输送装置的理论分析和给出合理的计算方法。尹忠俊[2]等人通过对开式螺旋输送机的输送机理进行了分析探讨，从运动学角度出发探讨开式螺旋的输送原理，得出避免产生阻滞物料流动，物料填充角度及螺旋转速满足的条件；推导出料槽具有初速度的开式螺旋输送机参数计算公式；给出物料输送速度随螺旋外径及螺距变化曲线。王东霞[3]通过对小麦卧式螺旋输送机的主要技术参数、输送能力和性能影响的分析，总结和确定了主要技术参数的确定方法和计算公式，为输送小麦的卧式螺旋输送机的设计、选型、制造等提供了可靠的理论依据。胡海伟[4]对车载饲料运输车中的卸料系统进行全新设计与开发，该卸料系统的工作原理及各组件的设计，达到了大大节约人力和提高生产效率的目的。这些研究主要集中在对螺旋输送装置的输送机理进行理论分析，对螺旋轴进行设计和校核以及寿命预测，对螺旋叶片的设计，外密封装置的研制，传动装置的设计及驱动电机的选择等方面做了研究，并给出了计算公式。但是，对于传统的设计理论和设计方法而言，过程繁琐且精度低，仍然存在生产率低、功耗大的关键问题。

2.2 参数优化

随着我国对螺旋输送机的用途越来越广泛，对输送机的输送性能要求越来越高，针对螺旋输送机的参数选择和优化也更加深入的研究。在结构参数方面，有变速，变螺距，变外壳直径，变轴径，大倾角，可伸缩，无轴螺旋等螺旋输送装置。这些装置适应于淤泥、粮食、秸秆、饲料等的运输。

针对不同物料的特性进行结构参数的优化，对提高输送效率，减少功率消耗，意义重大，国内学者进行了大量研究。张东海[5]运用遗传优化算法，建立螺旋输送机参数优化的数学模型，并对模型进行了参数化设计和优化，应用改进的遗传算法得到了较好的螺旋输送机的优化结果。李晓豁，林其岳[6]等人运用遗传算法和蚂蚁算法的混合算法(GAAA算法)对螺旋钻采煤机输送机构进行参数优化；优化结果达到了，提高输送效率，降低功率消耗的目的。徐余伟[7-8]等人从输送机理、物料的特性等方面入手，对不同用途的螺旋输送机械进行参数优化，从而设计出较符合实际情况的螺旋输送机。在参数优化过程中很多数据分析软件被运用，通过动静态分析得出较优的设计参数。龚玉友[9]通过运用Matlab对建模后的各参数进行优化，并运用Ansys软件对螺旋主体进行不同工作情况下的有限元分析，得出了应力应变云图，通过比较得出最优的设计参数。通过大量研究表明，针对特定物料对螺旋输送机的参数进行优化，选择合理的结构参数，对避免运输过程中的堵塞，提高运输效率，减少功率消耗，延长使用寿命具有重要作用。

2.3 运动仿真和加工制造

近年来国内外机械设计中采用了动态仿真设计的新方法，通过仿真得到输出参数和结果，为设计提供依据。现代设计方法已经在许多领域得到运用，同样运动仿真被运用到螺旋输送机的设计制造中，利用虚拟的样机技术对螺旋输送机进行选型和设计，并进行有限元分析。Solidworks,Pro-E,AutoCAD,UG等软件被广泛应用，王仁标[10]运用EDEM.软件对螺旋输送机各因素之间的影响关系，为不同生产条件下螺旋输送机各参数的取值及优化提供了依据。郑招强[11]运用Pro-E对混凝土搅拌车螺旋叶片进行三维造型，完成了等斜率圆柱螺旋线的精确数学推导，基于Pro-E命令方便地实现螺旋叶片的参数化设计。赵橄培[12]等人以VS2005为编程平台，综合运用Pro-E二次开发工具，开发出混凝土搅拌车螺旋叶片专用CAD系统，为螺旋叶片的模块化生产提供了基础。通过计算机仿真软件的运用，为螺旋输送机的设计制造提供方便，使参数优化更准确，设计的产品能够广泛应用，使螺旋输送机的性能和工作效率有了大幅度提高。

在加工制造方面国内学者做了大量的研究，对螺旋叶片的加工工艺及安装方法进行改进，从而得到更好的输送性能和使用寿命。吕阳滨[13]等人通过对无轴螺旋输送机的螺旋叶片进行展开，分析叶片成型各方法之间的区别，得出运用加热弯曲成型的方法可实现无轴螺旋叶片的方便加工及叶片加厚。郭在云[14]通过对螺旋输送机圆柱螺旋叶片的制作工艺及安装方法进行理论分析和研究，针对叶片及传动轴材料的焊接性能，制定了行之有效的焊接方案，为生产实践提供了相应的方法和合理的建议。虽然我国学者对螺旋叶片成型方法已有了进一步研究，但在连续的厚叶片生产上，其工艺及装置上还达不到国内企业的生产要求，因此对厚叶片连续生产工艺还需进一步研究；螺旋叶片生产的自动化与智能化调试程度还比较低，螺旋叶片的自动化生产设备有待改进；同样螺旋叶片的标准化也需要完善，进而使螺旋叶片的生产标准化，规范化。

3 国外螺旋输送装置的发展状况

3.1 理论分析

国外对螺旋输送机械理论分析方面的研究已比较深入，螺旋输送机械被充分运用在粉状、颗粒状、糊状等流动性好的物料的中短距离运输和提升，并能对输送量精确控制。诸多学者对螺旋输送机的输送过程进行理论分析，得出了各参数对输送过程的影响及各影响因素之间的关系。P C Kapur T P Meloy[15]对螺旋叶片的几何形状和物料性质进行分析，得出了螺旋叶片的几何形状对物料流动性的影响。A W Roborts[16]等人分析了悬浮液的涡旋流动对螺旋输送器受力的影响；Wallace W F Leung[17-18]等人研究了污泥脱水用卧螺离心机的螺旋输送器所承受扭转力矩的计算方法。瑞典学者Nilsson和芬兰学者Rademacher[19]提出运用力学的理论分析方法，他们把散粒物料抽象为理想流体，分析作为理想流体的整体流动在输送过程中的规律性，得出物料自由表面与压力分布的解析图。通过对螺旋输送机的理论深入的研究，对螺旋输送机的机理有了更深入的认识，但是对螺旋输送理论分析还不够完善，很多参数对输送性能的影响了解还不够。设计过程中很多结构参数还要依靠经验公式来确定，因而在实际生产过程中输送量控制不准确，效率低，功耗大等缺点仍需要进一步研究。

3.2 设计制造

国外螺旋输送机械发展比较早，螺旋输送机的设计制造已经基本成熟。除常用的螺旋输送机外，还根据应用场所的特殊性，将螺旋叶整体设计成锥形，螺旋叶变径，螺距变化，变径变螺距，螺旋轴设计成锥形等各种形式的螺旋输送机，以满足不同的工作环境需要。但因这些特殊形式的输送机结构复杂，制造成本高，功率消耗大等原因，不能够被推广，因此很多方面还需要进一步提高。

在螺旋输送机的加工方法上，螺旋叶的成型方式对机械的强度，刚度都有很大影响；F soavi和 O Int J Mach[20]通过对螺旋叶片的材料、质量、形状、车削加工程度得到了各因素对输送性能的影响。20世纪60年代，英国科学家提出了锥辊异面辗轧成形理论，并将冷轧成形理论研究与试验技术应用到螺旋叶片的实际生产中，使螺旋叶片的生产方式发生根本性的改变。I'eBxo B M在20世纪80年代进一步发展完善了冷轧成形理论。螺旋叶片锥辊连轧成形技术趋向于对超大叶片、超厚叶片、等厚叶片、大变形叶片、高强度叶片和微型叶片的生产工艺研究，以及加工设备研制、轧制过程的数值模拟与系统仿真等方面的研究。

国外很多输送装置已经组合出现，通过水平螺旋输送机和垂直螺旋输送机构成一个输送系统。组合出现的螺旋输送机在轮船装卸方面得到了广泛应用，国际上比较成型的螺旋卸船机卸船能力可以达到1000 t·h-1以上，其中瑞典的Siwertell公司设计的螺旋卸船机可达到2700 t·h-1。螺旋输送机在农业生产中也得到了广泛的应用，北欧丹麦的Bioener公司开发的秸秆的系统化输送设备在欧洲得到了大规模的应用。

3.3 仿真研究

在仿真方面，已经由三维试图层面上升到动态仿真和动画仿真，运用一些模拟现实软件，可以模拟整个工程的运行过程。在螺旋输送机设计上，运用虚拟的样机技术对机器进行动态监控及可视化分析。Peter[21]等人通过运DEM法，完成了螺旋输送机的运动仿真；Keisuke Uchida[22]通过运用x射线测量技术对螺旋加料器粉末流的扩散系数进行可视化研究；P J Owen[23]使用离散单元法(DEM)对螺旋输送机的性能进行预测Philip Joweny[24]运用离散单元法对散粒物料在不同状态下的螺旋输送机内的运动情况进行模拟仿真，并把得出的结论与试验值和经验值比较，得到仿真值与实验结果一致。有限元分析法被设计行业广泛应用，运用有限元分析法能够实现物料在螺旋运输机内运动的整个过程的动态观察和分析。通过螺旋输送机的动态分析与监控技术，设计选择最优的结构参数，从而提高螺旋输送机运行性能和可靠性。

4 螺旋输送机在干法厌氧发酵系统中的应用研究

相较国外螺旋输送机的发展现状，我国现有螺旋输送机发展依然运用刚性理论，各行业发不均衡，缺少动态分析与检测，缺乏可控软件启动技术与功率平衡技术，装机功率相差大，机型少，功能单一，最大输送能力相差大，运行的可靠性低。国外的设备大型化，应用动态分析和自动化技术，新型高可靠性关键元部件技术，设备运行性能好，运输效率高。借鉴外国比较成熟的计算机仿真技术和静态分析与动态分析相结合的设计方法，并运用到我国螺旋输送机的设计和制造上来。

4.1 沼气干发酵螺旋输送机存在的问题

(1)由于我国沼气发酵规模化生产起步晚，机械化生产水平也比较低，再者螺旋输送机的基础研究比较薄弱；螺旋输送机的专业化，标准化和自动化水平都有待提高。

(2)由于沼气发酵原料的多样性和特殊性对螺旋输送机的要求也不尽相同，对物料性质分析还不够充分，螺旋输送机对不同物料的输送性能差异很大；因而在实际生产过程中总会出现输送效率低，输送不畅，可靠性低等问题。

(3)缺乏对物料输送过程的理论分析与研究，螺旋输送装置已成为沼气发酵物料输送和收集过程中的必要设备，但是输送过程中存在严重的堵塞起拱等现象导致输送装置的生产率低功耗大等问题。

4.2 沼气干发酵螺旋输送机新方法研究

国内外对沼气发酵用螺旋输送机的研究还比较少，制约了螺旋输送机在沼气发酵行业中的发展。针对国家能源缺乏和环境保护的迫切需要，根据输送物料的特殊性质，对沼气发酵用螺旋输送设备进行理论研究和系统优化，使参数达到最佳匹配，保证物料的连续输送，并且解决生产过程中存在结拱和堵塞的现象；与此同时对螺旋输送机的结构形式进行改进，采用三段式布置形式以满足沼气干发酵系统对输送过程气密性的要求。螺旋输送机结构见图2。

1.进料斗；2.第一段螺旋叶片；3.螺旋轴；4.空腔；5.第二段螺旋叶片图2 螺旋输送机结构简图

该结构以分段形式进行运输，两段螺旋保证了运输的连续性，中间空腔结构通过前一段螺旋运输的物料在空腔处被压实，通过物料间的挤压再把物料推送到下一段螺旋，空腔内被压实的物料在空腔内保证输送过程中螺旋输送机腔体内部的密封。当输送停止时，前一段螺旋不再向空腔内推送物料，被压实的物料停留在空腔内不能被后一段螺旋运走，停留在腔体内的压实物料将螺旋输送机的腔体密封。该分段式螺旋输送机结构保证了整个进出料过程沼气干发酵系统装置的气密性。该螺旋输送机结构参数优化和结构改进对实现沼气干发酵系统的连续生产和干发酵系统装置的气密性起到一定的作用，为沼气干发酵工厂化发展提供了一条新的途径，具有一定的理论和实际价值。

[1] 乌兰图雅，王春光.螺旋输送装置的研究现状及未来发展[J].农机化研究，2014(11):244-248.

[2] 尹忠俊，孙 洁，陈 兵，张连万.开式螺旋输送机输送机理分析与参数设计[J].矿山机械，2010，38(11):68-71.

[3] 王东霞.输送小麦卧式螺旋输送机主要参数的选择和确定[J].理论与算法，2013(21):57-60.

[4] 胡海伟.车载式饲料运输车螺旋卸料系统设计[J].农业工程，2014,4(1):102-103.

[5] 张东海.螺旋输送机的优化研究[D].大连：大连理工大学，2006.

[6] 李晓豁，林其岳，何 洋.基于GAAA算法的螺旋钻采煤机输送机构参数的优化[J].煤炭学报，2010,35(3):498-502.

[7] 向冬枝，徐余伟.螺旋输送机设计参数的选择和确定[J].水泥技术，2010(1):29-33.

[8] 陈广福，徐余伟.饲料螺旋输送机设计参数的选择和确定[J].饲料工业，2008,29(15):1-5.

[9] 龚玉友.炭素沥青糊料螺旋输送机设计理论研究与应用[D].长沙：中南大学，2009.

[10] 王仁标.L型螺旋卸船机水平螺旋输送机理研究[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[11] 郑招强.基于PRO/E的混凝土搅拌车螺旋叶片三维造型[J].技术论坛，2009(10):44-47.

[12] 赵橄培，吴庆定，陈 飞，张闪影.基于Pro/E的搅拌车螺旋叶片CAD系统设计[J].机械工程师，2012(8):17-19.

[13] 吕阳滨，张 琪，唐利利.螺旋输送装置叶片的制造及成形工艺[J].林业机械与木工设备，2009,37(8):49-51.

[14] 郭在云.试论螺旋输送机圆柱螺旋叶片简易制作工艺及安装方法[J].机电工程技术，2014,43(4)：152-155.

[15] Kapur T P Meloy.Industrial modeling of spirals for optimal configuration and design:spiral geometry,fluid flow and forces on particles[J].Powder Technology，1999，102:10-18.

[16] A W.The influence of granular vortex motion onthe volumetric performance of enclosed screw conveyors[J].Powder technology ,1999.104(1);56-67.

[17] Wallace W F Leung,Archer H shapiro,Robert Yarnell.Improvements in the classification of fine-particle slurriesu-sing decanter centrifuges[J].Filtration&Separation ,1999 ,36(9):32-37.

[18] Wallace W F Leung.Torque requirement for high-solids centrifugal sludge dewatering[J].Filtration Separation，1998,35(9);883-887.

[19] Redemacher F J C.Some Aspercts of the characteristics of Vertical Screw Conveyor for Granular Material[J].Powder Tchnology,1974(9)：184-190..

[20] F soavi，O Int J Mach，Tools Zurla.Performance evaluation of a new screw conveyor for metal swarf[J].Manufacl，1997,7(37)37：1188-1196.

[21] Yoshiyuki Shimizu,Peter A.Cundall.Three-Dimenstional DEM Simulatons of Bulk Handing by Screw Converyors [J].Journal of Engineering Mechanics，2001，September: 864-872.

[22] Keisuke Uchida Koji Okamoto.Measurement technique on the diffusion coefficient of powder flow in a screw feeder by X-ray visualization [J].Powder Technology，2008，3:112-119.

[23] P J Owen,P W Cleary.Prediction of screw conveyor performance using the Discrete Element Method (DEM)[J].Powder Technology Corrected Proof Available online，2009，4:17.

[24] Philip J owen,Paul W cleary.Vertical screw conveyor performance: comparison of discrte element modeling with laboratory experiments[J].Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries,2009：1230-1233.

Present Situation and New Methods of Screw Conveyor Application in Dry Anaerobic Fermentation/

LIU Chang-liang1,ZHANG Jin2,WANG Chun1,WANG Jin-li2，ZHENG Yong2，ZHUANG Zhi-kai2，CHEN Cheng2/

(1.Heilongjiang Bayi Agricualtural University,Daqing 163319，China; 2.Agricultural Machinery Institute,Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences,Zhanjiang 524091,China)

This paper introduced the present situation of screw conveyor applied in dry anaerobic system,and its theoretical analysis,design,manufacturing,and motion simulation,were analyzed and summarized,pointing out the availability of screw conveyor in biogas dry anaerobic fermentation.And the prospect of new study of screw conveyor suitable for dry anaerobic fermentation equipment were put forward.

screw conveyor；biogas；dry anaerobic fermentation

2015-06-01

2015-08-01

项目来源：国家公益性行业专项(201203072；1630062014022)

刘长亮(1990-)，男，黑龙江省哈尔滨人，硕士，主要从事机械制造及其自动化以及加工设备自动化研究，E-mail：564183280@qq.com

张 劲，E-mail：zj1204@tom.com；汪 春，E-mail：wangchun1963@126.com

S216.4；X71

B

1000-1166(2016)03-0058-05