堆肥滚筒筛工作参数的正交模拟分析——基于离散元理论

黄 军，张燕杰，卢誉远，黄福川

(1.广西大学 化学化工学院，南宁 530004；2.广西玉林市大智生物科技有限公司，广西 玉林 537000)

0 引言

堆肥是农业固体废弃物资源化处理中一种有效的应用途径，如植物残枝、农作物秸秆堆肥处理,农产品加工废物及畜禽粪便堆肥制取有机肥料等[1-3]。农业固体废弃物堆肥生产中，滚筒筛主要用于堆肥产品与返料的分离及成品的分级等，在堆肥产物处理方面具有良好的工作效果。工作效率高的堆肥滚筒筛不仅能够产生较大的经济效益，还有利于降低能耗，在促进农业固体废弃物再利用方面具有重要意义。

研究发现，滚筒筛的工作效率(即筛分出所需产物的效率)受滚筒转速、滚筒安装角度、处理量及结构设计等多因素影响[4-5]。若影响因素设计得不合理，将直接影响滚筒筛的工作效率。目前，国内已有不少研究。杜皖宁[6]在对筛分机械处理量的研究中，引出修正系数这一概念，并给出实际筛分处理量、修正系数和设计筛分处理量的关系。唐红侠等[7]从受力分析角度研究物料的提升角和滚筒转速的关系，并得出物料提升角不受转速影响、滚筒的临界转速与静摩擦角有关等结论。焦红光[8]采用VC++.NET 开发筛分二维离散元仿真程Sieve DEM，模拟了运动透筛行为。冯常建[9]利用EDEM对沙棘脱果滚筒筛的转速进行了研究，并探究了筛孔形状对沙棘脱果分离率的影响。施昱[10]通过控制变量法对混合垃圾滚筒筛的转速和处理量等影响因素进行了数值模拟，得到了混合垃圾滚筒筛的优化参数等。目前，研究角度多数是通过控制变量法，单因素或对单因素逐个考虑，而研究方法则趋向于离散元数值模拟。

离散元法(Discrete Element Method，DEM)是分析和求解复杂离散系统的动力学问题的一种新型数值方法[11]，主要是通过建立固体颗粒系统的参数化模型，进行颗粒行为模拟和分析。Peter Cun- dall于1972年首次提出并应用于岩土力学研究[12]。近年来，随着颗粒模型、接触模型等数学模型的日益完善，基于离散元素理论开发的EDEM、Yade、LIGGGHTS等软件得到逐步完善，使得离散元在矿山机械、粉体工程及冶金等行业的应用越来越广泛[13-16]。滚筒筛工作过程中，堆肥颗粒伴随滚筒的转动而运动，同时受重力、摩擦力及气流扰动等多种力的综合作用。采用离散元法仿真分析滚筒筛颗粒的筛分情况，有利于真实了解影响滚筒筛工作性能的主要因素，同时可减少样机试制的盲目性。本文以滚筒转速、滚筒安装倾角和滚筒内抄板高度为变化因素，收集率和损失率为评价指标，进行三因素三水平两指标的正交试验设计；同时，基于离散元理论，利用首个离散元数值软件EDEM对堆肥滚筒筛筛分过程进行模拟。

1 试验材料与模型建立

1.1 堆肥颗粒

堆肥产物呈质地疏松的团粒结构[1]，根据相似理论，将堆肥产物理解成由不同形状和尺寸的固体颗粒组成的集合体。研究中，以猪粪好氧堆肥产物为研究对象。图1中(a)、(b)分别为在广西某养殖废物处理中心取样得到的猪粪好氧堆肥产物筛分前后对比图。

图1 堆肥产物筛分前后对照图

由于堆肥产物粒径尺寸过多，为了减小计算量，将其简化成5种类型的颗粒，分别代表不同粒度的颗粒组成的群体，如表1所示。在离散元软件EDEM中，分别建立这5种不同形状和粒度的固体颗粒的离散元模型，如图2所示。

表1 五类堆肥颗粒

在广西某养殖废物处理中心，随机采集3份堆肥产物，每份5kg。选用4种筛孔分别为14、22、30、38mm的筛子，从小到大依次筛分，每次筛分直到不再有颗粒落下停止。对每次筛分得到的堆肥产物去皮称重，统计的结果如表2所示。经计算，5种粒度的颗粒所占比例约为10%、15%、40%、23%、12%。

图2 5种堆肥颗粒模型

1.2 滚筒筛模型

滚筒筛由喂料斗、滚筒、出料斗、机架及电机等部分组成，如图3所示。物料由喂料斗进，在滚筒内进行筛分，细小粒径的颗粒通过筛孔漏出，再从出料斗F输出；大颗粒在水平分力的作用下最终从出料斗S输出。图4为大颗粒在滚筒内的运动轨迹示意图。

1.出料斗F 2.支架 3.喂料斗 4.滚筒 5.电机 6.出料斗S图3 滚筒筛结构示意图Fig.3 Structure diagram of drum sieve

图4 大于筛孔颗粒的运动轨迹

根据表1中堆肥颗粒的粒度范围，滚筒筛采用筛孔为30mm的滚筒，滚筛孔距50mm，滚筒直径1 200mm，滚筒长度2 000mm，内设8块抄板。在SolidWorks中建立、简化模型结构，并建立出料斗F和出料斗S的简易收集装置，如图5所示。

图5 滚筒筛三维模型

1.3 接触模型和参数设置

堆肥产物含水率低于30%，具有一定的粘结性。本文仿真环境为EDEM2.6，故引入Hertz Mindlin with JKR 接触模型[11]。通过文献分析[17-18]并结合EDEM通用颗粒材料数据(Generic EDEM material model database，GEMM)，得到其物理属如表3和表4所示。

表3 材料物理属性

表4 材料接触系数

2 正交试验设计

2.1 试验因素和水平

影响滚筒筛的因素有滚筒转速、滚筒的安装角度及抄板高度等，为了能够准确地分析影响筛分筒工作效率因素及因素之间的关系，选用L9(34)正交表进行试验。转速、倾角和抄板高度根据实际应用情况和参考相关文献[7, 10, 19-20]进行合理的参数水平设计。水平因素和试验方案分别如表5和表6所示。

表5 正交试验因素水平表

表6 正交试验方案

2.2 正交试验模拟结果和分析

2.2.1 正交试验结果

为了考察实际筛分效果，引入收集率和损失率作为判断滚筒筛工作性能的评价指标。假设以相同时间内出料斗F和出料斗S收集的颗粒所占的比例代表收集率和损失率，则

式中N—5种粒径颗粒的总数量；

m—对应粒径颗粒的总质量；

mi—a、b、c等3类颗粒的单质量。

式中φ1—收集率；

N1—出料斗F处指定区域内收集的a、b、c等3种粒径的堆肥总颗粒数。

式中φ2—损失率；

N2—出料斗S处指定区域内收集的a、b、c3种粒径的堆肥总颗粒数。

初步设定滚筒筛的处理量18t/h(即5kg/s的流入量)，并在EDEM中设置5类堆肥颗粒的输入量。由EDEM计算各试验15s内出料斗F和S收集的有效颗粒的数量(即a、b、c等3类颗粒的数量)，数值计算9组方案，得到收集率φ1和损失率φ2，如表7所示。

表7 各试验正交试验数据及数值计算结果

2.2.2 正交试验分析

由表7可知：收集率和损失率的最优值不在同一个方案。第4方案收集率最大，第8方案损失率最小。本次试验指标有两个，属于多指标正交试验。

为了排除随机因素，得到理论最优方案及分析各影响参数对筛分效率影响的主次顺序。对表5数据进行极差分析，得到表8的极差分析结果。

表8 极差分析

从表8可知：理论上，收集率影响的主次顺序为A、C、B，即滚筒转速比抄板高度和倾角对收集率的影响要大。随着转速的提高，堆肥颗粒的收集率呈现先增加后降低的趋势，因为滚筒转速改变了堆肥颗粒的运动状态，而运动状态在一定程度上影响着堆肥颗粒的透筛过程；但是，转速和倾角在此次试验中对收集率的影响表现的比较接近。损失率影响的主次顺序为C、A、B，即滚筒安装倾角越大，堆肥颗粒在滚筒内停留的时间越短，和筛面接触的机会也将减少，损失率会随着倾角的增大而增大。由表3可知：对于收集率，优水平的是A2B1C3；对于损失率，优水平的是A3B1C1。考虑到倾角、抄板高度对收集率和损失率的作用相反，结合表3，综合考虑两指标，转速对收集率影响最大，对损失率影响次之，为了得到较大的收集率，在损失率也不会太大的情况下，转速选A2；抄板高度对收集率和损失率的影响都最小，抄板高度取B1时，在三水平中收集率最高，损失率最小；倾角对收集率的影响次之，对损失率的影响最大，为了避免损失过大的同时尽量提高收集率，应当选择C2。因此，最优方案为A2B1C2。图6为A2B1C2在15s时的筛分状态。

图6 A2B1C2在15s时筛分状态

3 处理量的确定

实际应用中，滚筒筛分机的处理量一般低于产品样本上标定的处理量[6]。为了得到滚筒筛准确的处理能力(即单位时间内合适的堆肥处理量)，对正交试验得出的优水平方案进行了6组单因素模拟试验，由EDEM计算结果得第14s内收集的颗粒数，结果如表9所示。

表9 5种不同处理量模拟结果

基于MatLab高斯曲线拟合求解[21]，结果表明：处理量为31.05t/h左右时，收集颗粒数达到最大，约1 466个，处理能力最佳，如图7所示。

图7 不同处理量下收集颗粒数

4 结论

1)对筛分效率影响最大的是转速，筛分效率随着转速的增大呈现先增大后减小的趋势。安装倾角适度增大，有助于提高收集率；增大过多，对收集率的影响将相对降低，损失率将急剧增加，不利于整体的筛分效率。另外，对于滚筒筛的优化应从多因素综合角度考虑。

2)处理量过低，滚筒筛不能被充分利用，造成能量损失；处理量过大，造成滚筒筛堵塞，严重影响工作效率。对优水平方案的处理量进行6组单因素试验模拟，得到A2B1C2方案在31.05t/h左右时处理能力最佳。

3)本文旨在提供一种提高堆肥滚筒筛工作效率的研究方法，不足之处在于缺乏样机试验进行对比，因此需要增加水平试验次数。该方法具有降低试验成本、缩短生产周期等优点，可为设备的设计和制造提供指导。