6 2 智 能 化 農(nóng) 業(yè) 裝 備 學(xué) 報(bào) 中 英 文 2 0 2 3 年 D O I 1 0 1 2 3 9 8 j i s s n 2 0 9 6 7 2 1 7 2 0 2 3 0 1 0 0 7 農(nóng) 業(yè) 廢 棄 物 快 速 好 氧 發(fā) 酵 設(shè) 備 設(shè) 計(jì) 與 試 驗(yàn) 謝 濱 1 張 志 成 1 宋 中 建 1 王 冉 冉 2 3 劉 雨 萌 2 石 國 萍 4 1 山 東 泰 開 高 壓 開 關(guān) 有 限 公 司 山 東 泰 安 2 7 1 0 0 0 2 山 東 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 機(jī) 械 與 電 子 工 程 學(xué) 院 山 東 泰 安 2 7 1 0 1 8 3 山 東 省 園 藝 機(jī) 械 與 裝 備 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室 山 東 泰 安 2 7 1 0 1 8 4 山 東 建 筑 大 學(xué) 信 息 與 電 氣 工 程 學(xué) 院 山 東 濟(jì) 南 2 5 0 1 0 1 摘 要 針 對 目 前 在 好 氧 發(fā) 酵 實(shí) 際 生 產(chǎn) 中 存 在 發(fā) 酵 設(shè) 備 不 適 用 占 地 面 積 大 發(fā) 酵 周 期 長 自 動 化 程 度 低 等 問 題 通 過 增 大 發(fā) 酵 面 積 減 小 物 料 深 度 提 高 攪 拌 混 合 的 均 勻 性 優(yōu) 化 發(fā) 酵 周 期 的 方 法 設(shè) 計(jì) 了 臥 式 圓 柱 形 發(fā) 酵 罐 該 設(shè) 備 有 效 容 積 為 3 m 3 根 據(jù) 傳 熱 學(xué) 和 熱 損 失 模 型 分 析 了 發(fā) 酵 物 料 散 熱 機(jī) 理 進(jìn) 一 步 優(yōu) 化 了 罐 體 外 形 設(shè) 計(jì) 設(shè) 計(jì) 了 自 動 控 制 系 統(tǒng) 根 據(jù) 所 選 發(fā) 酵 物 料 黏 度 高 流 動 性 差 易 附 著 于 罐 壁 等 特 性 設(shè) 計(jì) 了 寬 窄 雙 螺 旋 式 攪 拌 器 并 對 其 進(jìn) 行 有 限 元 分 析 和 物 料 攪 拌 均 勻 性 分 析 攪 拌 軸 的 最 大 模 擬 應(yīng) 力 為 4 2 3 M P a 攪 拌 軸 最 優(yōu) 轉(zhuǎn) 速 為 7 7 r m i n 設(shè) 備 在 有 機(jī) 肥 廠 進(jìn) 行 了 試 驗(yàn) 以 混 合 糞 便 玉 米 秸 稈 和 南 瓜 莖 葉 為 發(fā) 酵 物 料 運(yùn) 行 過 程 中 無 需 人 工 干 預(yù) 發(fā) 酵 參 數(shù) 控 制 精 度 高 發(fā) 酵 完 成 后 產(chǎn) 品 有 機(jī) 質(zhì) 含 量 高 達(dá) 5 1 氮 磷 鉀 含 量 為 8 8 p H 值 為 6 8 碳 氮 比 為 2 3 砷 含 量 為 1 1 m g k g 鎘 含 量 為 3 m g k g 汞 含 量 為 1 7 m g k g 鉛 含 量 為 2 7 m g k g 害 蟲 卵 死 亡 率 為 9 7 粒 徑 為 9 m m 顏 色 為 黑 褐 色 符 合 有 機(jī) 肥 產(chǎn) 品 相 關(guān) 要 求 發(fā) 酵 效 率 相 比 自 然 發(fā) 酵 高 5 1 0 倍 關(guān) 鍵 詞 農(nóng) 業(yè) 廢 棄 物 處 理 好 氧 發(fā) 酵 堆 肥 設(shè) 備 有 限 元 分 析 中 圖 分 類 號 S 2 3 7 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識 碼 A 文 章 編 號 2 0 9 6 7 2 1 7 2 0 2 3 0 1 0 0 6 2 0 9 謝 濱 張 志 成 宋 中 建 王 冉 冉 劉 雨 萌 石 國 萍 農(nóng) 業(yè) 廢 棄 物 快 速 好 氧 發(fā) 酵 設(shè) 備 設(shè) 計(jì) 與 試 驗(yàn) J 智 能 化 農(nóng) 業(yè) 裝 備 學(xué) 報(bào) 中 英 文 2 0 2 3 4 1 6 2 7 0 X i e B i n Z h a n g Z h i c h e n g S o n g Z h o n g j i a n W a n g R a n r a n L i u Y u m e n g S h i G u o p i n g D e s i g n a n d e x p e r i m e n t o f r a p i d a e r o b i c f e r m e n t a t i o n e q u i p m e n t f o r a g r i c u l t u r a l w a s t e J J o u r n a l o f I n t e l l i g e n t A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 3 4 1 6 2 7 0 收 稿 日 期 2 0 2 2 年 1 2 月 1 8 日 修 回 日 期 2 0 2 3 年 1 月 1 2 日 基 金 項(xiàng) 目 國 家 蘋 果 產(chǎn) 業(yè) 技 術(shù) 體 系 專 項(xiàng) 資 金 C A R S 2 7 第 一 作 者 謝 濱 1 9 8 7 年 生 女 山 東 泰 安 人 碩 士 工 程 師 研 究 方 向 為 電 氣 設(shè) 備 開 發(fā) E m a i l x b s p r i t e 1 2 6 c o m 通 訊 作 者 石 國 萍 1 9 7 7 年 生 女 山 東 德 州 人 碩 士 副 教 授 研 究 方 向 為 信 息 與 電 子 工 程 管 理 E m a i l s h i g u o p i n g s d j z u e d u c n 0 引 言 據(jù) 不 完 全 統(tǒng) 計(jì) 全 國 每 年 產(chǎn) 生 畜 禽 糞 便 約 3 8 1 0 5 k t 但 其 利 用 效 率 卻 低 于 6 0 每 年 產(chǎn) 生 秸 稈 近 9 1 0 5 k t 未 利 用 的 約 2 1 0 5 k t 1 3 提 高 農(nóng) 業(yè) 廢 棄 物 的 利 用 率 不 僅 可 以 減 少 資 源 的 浪 費(fèi) 也 可 以 促 進(jìn) 生 態(tài) 農(nóng) 業(yè) 的 發(fā) 展 4 6 針 對 農(nóng) 業(yè) 廢 棄 物 利 用 率 不 高 的 問 題 最 為 經(jīng) 濟(jì) 可 行 的 解 決 方 式 就 是 發(fā) 酵 根 據(jù) 目 前 的 研 究 現(xiàn) 狀 好 氧 發(fā) 酵 是 提 高 資 源 利 用 率 的 有 效 方 式 7 按 照 是 否 有 發(fā) 酵 裝 置 可 以 分 為 開 放 式 堆 肥 系 統(tǒng) 和 發(fā) 酵 倉 堆 肥 系 統(tǒng) 8 開 放 式 堆 肥 系 統(tǒng) 可 以 分 為 被 動 通 風(fēng) 條 垛 式 堆 肥 系 統(tǒng) 條 垛 式 堆 肥 和 強(qiáng) 制 通 風(fēng) 靜 態(tài) 垛 堆 肥 9 美 國 研 制 的 O p e n R o a d 反 應(yīng) 器 系 統(tǒng) 屬 于 被 動 通 風(fēng) 系 統(tǒng) 但 發(fā) 酵 周 期 長 1 0 遲 文 慧 等 1 1 設(shè) 計(jì) 的 梨 形 筒 式 堆 肥 反 應(yīng) 器 移 動 性 強(qiáng) 裝 置 成 本 低 但 沒 有 專 用 供 氧 系 統(tǒng) 上 述 研 究 現(xiàn) 狀 表 明 發(fā) 酵 設(shè) 備 還 存 在 發(fā) 酵 周 期 長 設(shè) 備 功 能 不 齊 全 等 問 題 本 文 針 對 這 些 問 題 開 展 研 究 本 文 設(shè) 計(jì) 了 一 套 農(nóng) 業(yè) 廢 棄 物 快 速 發(fā) 酵 設(shè) 備 該 設(shè) 備 采 用 臥 式 發(fā) 酵 罐 通 過 增 大 堆 肥 面 積 減 小 發(fā) 酵 物 料 深 度 以 及 設(shè) 計(jì) 寬 窄 雙 螺 旋 式 攪 拌 器 避 免 罐 內(nèi) 死 區(qū) 使 物 料 充 分 混 合 均 勻 堆 肥 周 期 小 占 地 面 積 小 可 實(shí) 現(xiàn) 整 個 發(fā) 酵 周 期 的 無 人 監(jiān) 控 在 控 制 堆 肥 成 本 的 同 時 提 高 發(fā) 酵 效 率 1 總 體 結(jié) 構(gòu) 及 原 理 1 1 設(shè) 計(jì) 要 求 針 對 發(fā) 酵 過 程 中 傳 質(zhì) 傳 熱 不 均 勻 設(shè) 備 占 用 空 間 大 發(fā) 酵 時 間 過 長 等 問 題 1 2 1 3 根 據(jù) 濱 州 市 陽 信 縣 某 有 機(jī) 肥 發(fā) 酵 場 規(guī) 模 及 快 速 發(fā) 酵 需 求 本 裝 置 單 次 處 理 有 效 體 積 為 3 m 3 整 個 發(fā) 酵 過 程 中 物 料 的 濕 度 溫 度 和 氧 含 量 需 均 勻 分 布 在 3 d 內(nèi) 完 成 整 個 發(fā) 酵 過 程 第 4 卷 第 1 期 2 0 2 3 年 2 月 智 能 化 農(nóng) 業(yè) 裝 備 學(xué) 報(bào) 中 英 文 J o u r n a l o f I n t e l l i g e n t A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n V o l 4 N o 1 F e b r u a r y 2 0 2 3第 1 期 謝 濱 等 農(nóng) 業(yè) 廢 棄 物 快 速 好 氧 發(fā) 酵 設(shè) 備 設(shè) 計(jì) 與 試 驗(yàn) 6 3 表 1 工 作 參 數(shù) T a b l e 1 W o r k i n g p a r a m e t e r 項(xiàng) 目 參 數(shù) 設(shè) 備 總 高 度 m 2 2 7 設(shè) 備 總 長 度 m 5 3 9 設(shè) 備 總 寬 度 m 1 5 4 發(fā) 酵 罐 有 效 容 積 m 3 3 發(fā) 酵 罐 填 充 系 數(shù) 0 6 發(fā) 酵 周 期 d 3 工 作 溫 度 0 6 5 工 作 壓 力 M P a 0 1 5 攪 拌 功 率 k W 1 2 0 8 風(fēng) 機(jī) 功 率 k W 1 5 物 料 含 水 率 6 0 物 料 密 度 k g m 3 9 0 0 1 2 整 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 好 氧 堆 肥 就 是 將 待 發(fā) 酵 物 與 發(fā) 酵 劑 按 一 定 的 比 例 進(jìn) 行 混 合 在 合 適 的 條 件 下 微 生 物 降 解 待 發(fā) 酵 物 并 進(jìn) 行 自 我 繁 殖 產(chǎn) 生 腐 殖 質(zhì) 變 成 碳 氮 含 量 高 的 有 機(jī) 肥 1 4 設(shè) 備 主 要 包 括 罐 體 攪 拌 器 電 機(jī) 風(fēng) 機(jī) 控 制 柜 等 如 圖 1 所 示 罐 體 是 用 于 實(shí) 現(xiàn) 物 料 的 堆 肥 發(fā) 酵 攪 拌 器 可 保 證 物 料 的 濕 度 溫 度 氧 含 量 的 均 勻 分 布 風(fēng) 機(jī) 用 于 給 物 料 提 供 充 足 的 氧 氣 控 制 系 統(tǒng) 用 于 檢 測 與 控 制 發(fā) 酵 罐 內(nèi) 的 環(huán) 境 圖 1 設(shè) 備 結(jié) 構(gòu) 圖 F i g u r e 1 E q u i p m e n t s t r u c t u r e d i a g r a m 1 下 料 口 2 罐 體 3 視 鏡 4 上 料 口 5 噴 淋 管 道 6 人 孔 7 風(fēng) 機(jī) 8 電 磁 閥 9 攪 拌 器 電 機(jī) 1 0 溫 度 傳 感 器 1 1 氧 氣 濃 度 傳 感 器 1 2 濕 度 傳 感 器 1 3 指 示 燈 1 4 觸 摸 屏 1 5 控 制 柜 2 主 要 部 件 設(shè) 計(jì) 2 1 臥 式 發(fā) 酵 罐 的 設(shè) 計(jì) 本 臥 式 發(fā) 酵 罐 可 以 增 大 發(fā) 酵 面 積 減 小 物 料 深 度 更 好 地 實(shí) 現(xiàn) 物 料 溫 度 濕 度 氧 含 量 的 均 勻 分 布 縮 短 發(fā) 酵 周 期 提 高 發(fā) 酵 的 快 速 性 同 時 也 避 免 了 罐 體 清 理 與 維 修 的 不 便 2 1 1 罐 體 外 形 的 設(shè) 計(jì) 熱 輻 射 和 熱 傳 導(dǎo) 是 發(fā) 酵 罐 體 熱 量 損 失 的 兩 種 主 要 途 徑 n 層 不 同 材 料 組 成 的 罐 頂 為 接 近 平 壁 結(jié) 構(gòu) 其 熱 損 耗 1 5 Q 1 A Z t 1 h 1 n i 1 i i 1 h n 1 1 式 中 A Z 罐 頂 傳 熱 面 積 m 2 t 罐 體 內(nèi) 外 溫 差 h 1 內(nèi) 壁 表 面 傳 熱 系 數(shù) W m 2 K h n 1 罐 體 外 表 面 傳 熱 系 數(shù) W m 2 K i 第 i 層 厚 度 m i 第 i 層 導(dǎo) 熱 系 數(shù) W m K 由 傳 熱 學(xué) 可 以 得 出 由 n 層 不 同 材 料 組 成 的 發(fā) 酵 罐 側(cè) 面 熱 量 損 失 模 型 1 6 1 7 Q 2 h f t 1 h 1 r 1 n i 1 1 2 i l n r i 1 r i 1 h 1 r n 1 2 式 中 h f 罐 內(nèi) 物 料 高 度 m r i 第 i 層 表 面 的 半 徑 m 分 析 上 述 罐 體 熱 量 損 失 公 式 可 知 罐 體 外 表 面 積 以 及 罐 體 材 料 決 定 著 罐 體 熱 損 耗 數(shù) 值 的 大 小 在 對 罐 體 的 外 形 進(jìn) 行 設(shè) 計(jì) 時 在 滿 足 體 積 一 定 的 前 提 下 要 求 發(fā) 酵 罐 物 料 高 度 低 散 熱 表 面 積 小 根 據(jù) 等 周 不 等 式 等 高 物 體 在 體 積 一 定 的 情 況 下 當(dāng) 底 面 僅 為 圓 形 時 側(cè) 表 面 積 最 小 又 由 式 1 可 知 在 罐 體 材 料 確 定 時 Q 1 的 大 小 取 決 于 傳 熱 面 積 A Z 罐 體 頂 端 為 平 壁 結(jié) 構(gòu) 時 傳 熱 面 積 最 小 經(jīng) 上 述 分 析 得 出 圓 柱 形 發(fā) 酵 罐 的 罐 體 結(jié) 構(gòu) 最 為 優(yōu) 化 2 1 2 罐 體 尺 寸 的 設(shè) 計(jì) 發(fā) 酵 罐 體 選 為 圓 柱 形 通 過 分 析 罐 體 熱 損 耗 可 以 知 道 罐 體 的 總 熱 損 耗 與 表 面 積 成 正 相 關(guān) 即 要 使 罐 體 熱 損 耗 降 到 最 低 應(yīng) 使 罐 體 表 面 積 最 小 V H D 2 N 4 3 S D 2 N 4 D N H 4 式 中 V 罐 體 容 積 m 3 H 罐 體 長 度 m S 罐 體 表 面 積 m 2 D N 罐 體 直 徑 m 由 式 5 求 取 罐 體 容 積 V V 0 5 式 中 V 0 罐 體 有 效 容 積 取 3 m 3 填 充 系 數(shù) 取 0 6 聯(lián) 立 式 3 式 4 得 S D 2 N 4 2 0 D N 6 6 4 智 能 化 農(nóng) 業(yè) 裝 備 學(xué) 報(bào) 中 英 文 2 0 2 3 年 對 S 進(jìn) 行 求 導(dǎo) 得 d S d D N D N 2 2 0 D 2 N 7 得 出 式 7 存 在 最 小 值 即 熱 損 耗 存 在 最 小 值 計(jì) 算 得 D N 1 3 8 4 m 罐 體 長 度 H 為 3 5 m 罐 體 設(shè) 計(jì) 為 雙 層 結(jié) 構(gòu) 內(nèi) 層 起 保 護(hù) 和 支 撐 作 用 選 用 3 0 4 號 不 銹 鋼 外 層 起 保 溫 作 用 選 用 聚 氨 酯 發(fā) 泡 保 溫 材 料 2 1 3 罐 體 壁 厚 的 設(shè) 計(jì) 按 要 求 發(fā) 酵 罐 的 工 作 壓 力 大 小 P 約 為 0 1 5 M P a 物 料 密 度 為 9 0 0 k g m 3 靜 壓 力 P L g H 0 5 D N 8 經(jīng) 計(jì) 算 P L 0 0 3 7 M P a 符 合 P L 5 P 因 此 P C 0 1 5 0 0 3 7 0 1 8 7 M P a 用 計(jì) 算 法 確 定 發(fā) 酵 罐 的 壁 厚 1 8 計(jì) 算 式 如 式 9 式 1 0 所 示 1 P C D N 2 P C C 9 C C 1 C 2 C 3 1 0 式 中 1 罐 體 壁 厚 m m P C 設(shè) 計(jì) 壓 力 M P a 3 0 4 號 不 銹 鋼 許 用 應(yīng) 力 1 3 7 M P a 焊 縫 系 數(shù) 0 6 C 壁 厚 附 加 量 C 1 鋼 板 負(fù) 偏 差 取 C 1 0 5 m m C 2 腐 蝕 裕 量 取 C 2 0 5 m m C 3 加 工 減 薄 量 取 C 3 0 m m 最 小 壁 厚 1 1 6 0 5 0 5 2 6 m m 考 慮 到 施 工 制 作 時 的 方 便 有 效 性 發(fā) 酵 罐 內(nèi) 壁 選 取 厚 度 為 5 m m 的 3 0 4 號 不 銹 鋼 2 1 4 罐 體 絕 熱 層 的 設(shè) 計(jì) 依 據(jù) 工 業(yè) 設(shè) 備 及 管 道 絕 熱 工 程 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 G B 5 0 2 6 4 2 0 1 3 1 9 絕 熱 層 厚 度 2 2 t Q j 1 j 1 1 式 中 2 發(fā) 酵 罐 保 溫 材 料 層 的 厚 度 m 2 聚 氨 酯 發(fā) 泡 材 料 的 傳 熱 系 數(shù) 取 0 0 2 4 W m 2 K Q j 保 溫 層 單 位 面 積 熱 損 失 的 最 大 值 取 5 0 W m 2 j 保 溫 層 表 面 的 傳 熱 系 數(shù) 取 1 1 6 W m 2 K 發(fā) 酵 溫 度 為 6 5 環(huán) 境 平 均 溫 度 為 2 5 則 得 出 2 0 0 1 7 m 考 慮 到 其 他 不 確 定 因 素 選 擇 聚 氨 酯 發(fā) 泡 保 溫 層 厚 度 為 3 0 m m 2 1 5 罐 體 絕 熱 層 有 效 性 分 析 本 設(shè) 備 發(fā) 酵 罐 體 設(shè) 計(jì) 為 雙 層 結(jié) 構(gòu) 根 據(jù) 式 2 罐 內(nèi) 高 溫 通 過 罐 體 內(nèi) 壁 和 絕 熱 層 傳 熱 給 外 界 冷 空 氣 傳 熱 過 程 的 熱 阻 R l 1 h 1 r 1 1 2 1 l n r 2 r 1 1 2 2 l n r 3 r 2 1 h 3 r 3 1 2 在 對 上 述 發(fā) 酵 罐 體 絕 熱 層 進(jìn) 行 有 效 性 分 析 時 罐 體 和 絕 熱 層 的 尺 寸 和 材 料 均 已 確 定 要 想 變 動 熱 阻 R l 只 能 通 過 增 加 或 減 少 罐 體 的 絕 熱 層 厚 度 來 改 變 即 R l 的 大 小 隨 著 外 徑 r 3 的 改 變 而 改 變 由 式 1 2 可 得 當(dāng) 增 厚 絕 熱 層 時 r 3 增 大 1 2 2 l n r 3 r 2 也 隨 之 增 大 而 1 h 3 r 3 隨 之 減 小 因 此 總 熱 阻 R l 隨 著 r 2 的 增 大 表 現(xiàn) 為 先 減 小 再 增 大 存 在 極 小 值 對 應(yīng) 于 這 一 變 化 罐 體 側(cè) 面 熱 損 失 Q 2 存 在 相 反 的 變 化 過 程 且 具 有 一 個 極 大 值 此 時 的 絕 熱 層 外 徑 稱 為 臨 界 熱 絕 緣 直 徑 r c 由 式 1 2 可 得 若 罐 體 內(nèi) 層 外 徑 r 2 小 于 臨 界 熱 絕 緣 直 徑 r c 絕 熱 層 外 徑 r 3 在 r 2 和 r x 范 圍 內(nèi) 罐 體 的 熱 損 失 反 而 比 沒 有 絕 熱 層 時 的 大 直 到 絕 熱 層 外 徑 r 3 大 于 r x 才 開 始 起 到 絕 熱 層 減 少 熱 損 失 的 作 用 所 以 罐 體 內(nèi) 層 外 徑 r 2 大 于 臨 界 熱 絕 緣 直 徑 r c 時 絕 熱 層 無 論 多 厚 都 可 以 起 到 減 少 熱 損 失 的 作 用 由 導(dǎo) 數(shù) 求 函 數(shù) 最 值 d R l d r 3 0 1 3 r c 2 2 h 3 1 4 式 中 r c 臨 界 熱 絕 緣 直 徑 m 2 絕 熱 層 導(dǎo) 熱 系 數(shù) W m K 取 0 0 2 4 W m K h 3 絕 熱 層 表 面 與 冷 空 氣 之 間 的 表 面 傳 熱 系 數(shù) W m 2 K 取 1 2 W m 2 K 經(jīng) 計(jì) 算 r c 0 0 0 4 m 遠(yuǎn) 小 于 罐 體 內(nèi) 層 外 徑 通 過 計(jì) 算 驗(yàn) 證 本 設(shè) 備 采 用 的 絕 熱 層 可 以 有 效 地 防 止 熱 量 的 損 失 圖 2 發(fā) 酵 罐 體 F i g u r e 2 F e r m e n t i n g t a n k 2 2 攪 拌 裝 置 的 設(shè) 計(jì) 2 2 1 攪 拌 器 的 設(shè) 計(jì) 及 其 參 數(shù) 的 確 定 裝 置 針 對 的 發(fā) 酵 物 料 黏 稠 流 動 性 差 黏 滯 力 很 大第 1 期 謝 濱 等 農(nóng) 業(yè) 廢 棄 物 快 速 好 氧 發(fā) 酵 設(shè) 備 設(shè) 計(jì) 與 試 驗(yàn) 6 5 且 易 附 著 于 罐 壁 罐 內(nèi) 易 出 現(xiàn) 死 區(qū) 因 此 設(shè) 計(jì) 中 選 擇 大 槳 徑 攪 拌 器 以 增 加 有 效 的 攪 拌 空 間 為 了 更 好 地 實(shí) 現(xiàn) 物 料 的 均 勻 混 合 提 高 發(fā) 酵 效 率 設(shè) 計(jì) 了 一 種 直 徑 D j 為 1 3 4 0 m m 長 度 h 1 為 3 2 9 9 m m 可 以 將 擴(kuò) 散 攪 拌 剪 切 攪 拌 和 對 流 攪 拌 等 多 種 攪 拌 方 式 融 為 一 體 的 寬 窄 葉 螺 旋 式 攪 拌 器 圖 3 攪 拌 器 示 意 圖 F i g u r e 3 A g i t a t o r d i a g r a m 1 攪 拌 軸 2 雙 螺 旋 槳 葉 如 圖 3 所 示 寬 窄 葉 螺 旋 式 攪 拌 器 由 中 空 的 攪 拌 軸 和 兩 片 螺 距 S 為 1 0 0 0 m m 沿 順 逆 時 針 旋 轉(zhuǎn) 的 螺 旋 式 攪 拌 葉 片 組 成 兩 片 攪 拌 式 葉 片 由 攪 拌 軸 底 部 沿 不 同 方 向 繞 軸 旋 轉(zhuǎn) 在 軸 頂 經(jīng) 拉 桿 進(jìn) 行 連 接 兩 片 螺 旋 式 葉 片 的 寬 度 按 一 定 寬 窄 進(jìn) 行 有 規(guī) 律 的 變 化 沿 軸 上 下 兩 個 方 向 的 葉 片 位 置 的 寬 度 較 寬 為 4 5 0 m m 沿 軸 前 后 兩 個 方 向 的 葉 片 位 置 的 寬 度 較 窄 為 5 0 m m 兩 種 葉 片 厚 度 均 為 1 2 m m 攪 拌 軸 采 用 直 徑 d 為 1 2 0 m m 的 不 銹 鋼 雙 螺 旋 葉 片 由 扁 鋼 制 成 為 提 高 攪 拌 器 的 穩(wěn) 定 性 和 增 大 有 效 的 攪 拌 空 間 在 每 組 螺 旋 葉 片 間 用 兩 根 金 屬 桿 將 攪 拌 軸 和 攪 拌 葉 片 進(jìn) 行 連 接 兩 根 金 屬 桿 外 側(cè) 制 成 含 有 螺 孔 的 扁 平 軸 環(huán) 可 通 過 螺 栓 固 定 在 螺 旋 葉 片 上 兩 金 屬 桿 內(nèi) 側(cè) 經(jīng) 焊 接 固 定 在 攪 拌 軸 上 攪 拌 器 參 考 質(zhì) 量 按 不 銹 鋼 計(jì) 算 根 據(jù) 國 家 化 工 行 業(yè) 標(biāo) 準(zhǔn) H G T 3 7 9 6 1 1 2 0 0 5 和 化 工 設(shè) 備 機(jī) 械 基 礎(chǔ) 第 3 版 查 表 可 得 為 3 0 0 k g 2 2 2 攪 拌 電 機(jī) 及 傳 動 裝 置 的 選 擇 為 降 低 攪 拌 器 能 耗 要 求 在 攪 拌 器 工 作 時 物 料 所 受 的 離 心 力 要 小 于 自 身 重 力 即 m 2 R m g 1 5 w 2 n 6 0 1 6 式 中 m 物 料 質(zhì) 量 k g w 旋 轉(zhuǎn) 角 速 度 r a d s R 攪 拌 軸 半 徑 m g 重 力 加 速 度 n 轉(zhuǎn) 速 r s 得 出 n 3 0 g R 結(jié) 合 理 論 計(jì) 算 與 實(shí) 際 情 況 選 擇 攪 拌 器 轉(zhuǎn) 速 為 7 7 r m i n 電 機(jī) 的 選 型 由 攪 拌 器 功 率 的 大 小 來 選 擇 發(fā) 酵 物 料 一 般 為 糞 便 秸 稈 與 莖 葉 等 混 合 物 含 水 率 一 般 調(diào) 整 在 5 0 6 0 物 料 黏 度 偏 大 物 料 黏 度 取 3 2 5 P a s 經(jīng) 多 次 試 驗(yàn) 測 得 物 料 密 度 取 為 9 0 0 k g m 3 可 得 R e 2 0 R e n D 2 j 1 7 P N p n 3 D 5 j 1 8 式 中 N p 功 率 準(zhǔn) 數(shù) P 攪 拌 功 率 W 密 度 k g m 3 D j 攪 拌 器 直 徑 m R e 雷 諾 準(zhǔn) 數(shù) 物 料 黏 度 P a s 經(jīng) 計(jì) 算 R e 6 3 8 通 過 查 詢 N P R e 圖 得 N p 1 4 7 將 各 值 代 入 式 1 8 計(jì) 算 得 攪 拌 功 率 值 為 1 2 0 8 k W 電 機(jī) 在 選 擇 時 需 考 慮 填 料 密 封 損 失 的 功 率 其 損 失 功 率 的 大 小 約 為 計(jì) 算 結(jié) 果 的 1 0 2 1 經(jīng) 上 述 分 析 攪 拌 系 統(tǒng) 所 選 用 的 電 機(jī) 為 型 號 為 Y E 2 1 3 2 S 4 極 5 5 k W 的 Y E 2 系 列 高 效 節(jié) 能 三 相 異 步 電 動 機(jī) 其 額 定 轉(zhuǎn) 速 為 1 4 4 0 r m i n 減 速 機(jī) 選 擇 二 級 減 速 傳 動 比 為 1 8 7 傳 動 效 率 為 9 0 9 5 的 8 0 0 0 系 列 X L E D 型 擺 線 針 輪 減 速 機(jī) 2 2 2 4 2 2 3 攪 拌 器 強(qiáng) 度 校 核 為 對 攪 拌 軸 的 強(qiáng) 度 進(jìn) 行 檢 測 驗(yàn) 證 用 S o l i d W o r k s 2 0 1 8 對 攪 拌 軸 進(jìn) 行 建 模 A N S Y S W o r k b e n c h 1 7 2 進(jìn) 行 仿 真 結(jié) 合 相 關(guān) 文 獻(xiàn) 和 實(shí) 際 經(jīng) 驗(yàn) 在 m e s h 模 塊 中 將 劃 分 攪 拌 器 的 網(wǎng) 格 個 數(shù) 設(shè) 置 為 5 6 萬 個 每 個 網(wǎng) 格 大 小 為 5 0 m m 圖 4 單 元 格 分 布 圖 F i g u r e 4 C e l l d i s t r i b u t i o n 根 據(jù) 選 擇 的 電 機(jī) 和 減 速 機(jī) 的 類 別 型 號 在 S t a t i c S t r u c t u r a l 中 將 攪 拌 器 的 輸 入 轉(zhuǎn) 矩 設(shè) 置 為 6 1 3 9 N m 攪 拌 系 統(tǒng) 的 仿 真 溫 度 設(shè) 為 6 0 計(jì) 算 攪 拌 軸 的 應(yīng) 力 和 應(yīng) 變 情 況 由 圖 5 圖 6 可 知 攪 拌 器 等 效 應(yīng) 力 分 析 云 圖 所 示 的 最 大 值 為 4 2 3 M P a 攪 拌 器 等 效 應(yīng) 變 分 析 云 圖 所 示 的 最 大 值 為 2 1 7 1 0 5 攪 拌 器 所 用 材 料 的 許 用 扭 轉(zhuǎn) 切 應(yīng) 力 應(yīng) 為 材 料 許 用 應(yīng) 力 的 0 5 0 6 倍 不 銹 鋼 的 許 用 應(yīng) 力 取 5 7 M P a 經(jīng) 計(jì) 算 攪 拌 器 的 強(qiáng) 度 韌 性 滿6 6 智 能 化 農(nóng) 業(yè) 裝 備 學(xué) 報(bào) 中 英 文 2 0 2 3 年 足 工 作 要 求 圖 5 等 效 應(yīng) 力 仿 真 圖 F i g u r e 5 E q u i v a l e n t s t r e s s s i m u l a t i o n d i a g r a m 圖 6 等 效 應(yīng) 變 仿 真 圖 F i g u r e 6 E q u i v a l e n t s t r a i n s i m u l a t i o n d i a g r a m 2 3 通 風(fēng) 裝 置 的 設(shè) 計(jì) 與 選 擇 2 3 1 通 風(fēng) 裝 置 的 設(shè) 計(jì) 根 據(jù) 呂 寶 等 2 5 的 研 究 對 農(nóng) 業(yè) 廢 棄 物 好 氧 發(fā) 酵 所 需 的 通 風(fēng) 量 進(jìn) 行 理 論 分 析 1 提 供 氧 氣 所 用 通 風(fēng) 量 F 1 q V 0 u 1 9 式 中 F 1 提 供 氧 氣 的 風(fēng) 量 m 3 h u 氧 氣 所 占 體 積 分 數(shù) 0 2 1 q 單 位 時 間 和 體 積 內(nèi) 氧 氣 消 耗 量 經(jīng) 驗(yàn) 值 1 2 1 5 m 3 h m 3 經(jīng) 計(jì) 算 F 1 2 1 4 m 3 2 散 熱 所 需 的 通 風(fēng) 量 F 2 M m i r o 2 0 式 中 F 2 散 熱 所 需 的 通 風(fēng) 量 m 3 h M m i r 散 熱 所 需 空 氣 量 k g o 空 氣 密 度 k g m 3 散 熱 所 需 的 空 氣 量 與 供 氧 所 需 空 氣 量 之 比 為 9 1 2 6 得 F 2 9 F 1 1 9 2 6 m 3 3 蒸 發(fā) 水 分 所 需 的 通 風(fēng) 量 F 3 M w H o H i o W M m i x H o H i o 2 1 W X s X c 1 Y s 1 X s 1 X c 1 Y c 2 2 式 中 F 3 通 風(fēng) 量 m 3 h H i H o 進(jìn) 出 發(fā) 酵 罐 空 氣 中 水 分 含 量 k g k g X s X c 發(fā) 酵 物 和 堆 體 的 水 分 含 量 Y s Y c 發(fā) 酵 物 和 堆 體 中 易 揮 發(fā) 物 的 含 量 M m i x 發(fā) 酵 物 干 重 k g M w 水 分 蒸 發(fā) 量 k g M w W M m i x o 空 氣 密 度 k g m 3 5 0 時 o 1 1 k g m 3 根 據(jù) 農(nóng) 業(yè) 技 術(shù) 經(jīng) 濟(jì) 手 冊 2 7 得 知 物 料 含 水 率 X s 為 6 0 根 據(jù) 試 驗(yàn) 要 求 X c 為 5 0 Y s 和 Y c 取 0 經(jīng) 試 驗(yàn) 測 定 H i H o 差 值 為 0 0 0 2 k g 將 各 數(shù) 值 代 入 計(jì) 算 求 得 F 3 2 0 0 m 3 h 經(jīng) 計(jì) 算 得 發(fā) 酵 各 部 分 所 需 的 通 風(fēng) 總 量 4 1 4 m 3 h 選 擇 風(fēng) 量 為 4 2 0 m 3 h 風(fēng) 壓 為 5 5 0 0 P a 功 率 為 1 5 k W 的 Y 9 0 S 2 風(fēng) 機(jī) 風(fēng) 機(jī) 安 裝 位 置 如 圖 7 所 示 圖 7 風(fēng) 機(jī) F i g u r e 7 F a n 2 3 2 排 氣 時 長 根 據(jù) 工 程 上 適 用 的 描 述 耗 氧 速 率 公 式 來 計(jì) 算 該 設(shè) 備 物 料 的 耗 氧 量 1 耗 氧 速 率 的 計(jì) 算 2 8 2 9 R o C i o C e o t 2 3 式 中 R o 耗 氧 速 率 m 3 h C i o 起 始 氧 氣 含 量 m 3 C e o 最 終 氧 氣 含 量 m 3 t 兩 次 試 值 相 隔 時 間 h 代 入 試 驗(yàn) 所 測 數(shù) 值 得 R o 1 3 5 m 3 h 取 耗 氧 速 率 為 1 2 1 5 m 3 h 本 設(shè) 備 有 效 容 積 為 3 m 3 物 料 所 占 用 容 積 約 為 6 0 左 右 氧 氣 體 積 分 數(shù) 為 2 0 氧 氣 實(shí) 際 所 占 體 積 V 3 4 0 2 1 0 2 5 2 m 3 為 保 證 堆 肥 的 快 速 進(jìn) 行 取 耗 氧 速 率 為 1 5 m 3 h 耗 氧 所 用 時 長 t 0 2 5 2 1 5 0 1 6 8 h 經(jīng) 上 述 分 析 發(fā) 酵 罐 每 經(jīng) 過 0 1 7 h 可 進(jìn) 行 放 氣 操 作 3 試 驗(yàn) 分 析 3 1 設(shè) 備 運(yùn) 行 試 驗(yàn) 首 先 將 介 質(zhì) 填 充 液 注 入 加 熱 夾 套 內(nèi) 在 檢 查 無第 1 期 謝 濱 等 農(nóng) 業(yè) 廢 棄 物 快 速 好 氧 發(fā) 酵 設(shè) 備 設(shè) 計(jì) 與 試 驗(yàn) 6 7 誤 后 將 加 熱 裝 置 接 通 電 源 用 于 后 續(xù) 罐 體 的 加 熱 工 作 將 噴 淋 裝 置 的 電 磁 閥 連 接 到 外 界 水 源 然 后 通 過 觸 摸 屏 對 電 磁 閥 的 開 關(guān) 進(jìn) 行 手 動 操 作 可 以 通 過 視 鏡 觀 察 到 外 界 水 流 正 常 通 過 電 磁 閥 流 入 罐 體 內(nèi) 部 上 述 過 程 完 成 后 開 始 檢 測 設(shè) 備 的 加 熱 裝 置 和 攪 拌 裝 置 通 過 觸 摸 屏 將 設(shè) 備 設(shè) 置 為 自 動 加 熱 和 自 動 通 風(fēng) 風(fēng) 機(jī) 啟 動 的 溫 度 上 限 值 設(shè) 置 為 5 0 在 加 熱 的 過 程 中 攪 拌 裝 置 也 隨 加 熱 裝 置 一 起 運(yùn) 行 罐 內(nèi) 溫 度 由 安 裝 在 罐 體 平 面 兩 端 靠 近 圓 心 位 置 的 標(biāo) 準(zhǔn) 鉑 電 阻 溫 度 計(jì) P t 1 0 0 來 檢 測 并 傳 遞 給 控 制 系 統(tǒng) 從 圖 8 中 可 以 看 出 罐 內(nèi) 溫 度 恒 定 溫 度 控 制 能 夠 滿 足 系 統(tǒng) 要 求 圖 8 溫 度 變 化 曲 線 F i g u r e 8 T e m p e r a t u r e c u r v e 在 加 熱 過 程 中 打 開 通 風(fēng) 裝 置 罐 體 內(nèi) 部 的 氧 氣 含 量 由 安 裝 在 發(fā) 酵 罐 頂 部 的 J X B S 4 0 0 1 O 2 氧 氣 傳 感 器 通 過 氣 泵 從 發(fā) 酵 罐 內(nèi) 抽 取 氣 體 通 入 傳 感 器 的 通 氣 池 來 進(jìn) 行 檢 測 由 圖 9 氧 氣 傳 感 器 的 變 化 可 知 通 風(fēng) 裝 置 可 以 有 效 解 決 發(fā) 酵 罐 內(nèi) 氧 氣 含 量 不 足 的 問 題 且 控 制 靈 敏 度 高 可 將 罐 體 氧 氣 含 量 在 1 的 范 圍 內(nèi) 進(jìn) 行 調(diào) 控 氧 氣 含 量 控 制 滿 足 系 統(tǒng) 要 求 圖 9 氧 氣 濃 度 變 化 F i g u r e 9 C h a n g e s i n o x y g e n c o n c e n t r a t i o n 3 2 試 驗(yàn) 條 件 試 驗(yàn) 地 點(diǎn) 濱 州 市 陽 信 縣 某 有 機(jī) 肥 廠 樣 機(jī) 如 圖 1 0 所 示 試 驗(yàn) 時 間 2 0 2 0 年 5 月 2 7 3 0 日 環(huán) 境 溫 度 2 5 3 1 空 氣 濕 度 5 7 7 1 圖 1 0 試 驗(yàn) 樣 機(jī) F i g u r e 1 0 E x p e r i m e n t a l p r o t o t y p e 3 3 試 驗(yàn) 材 料 與 方 法 3 3 1 試 驗(yàn) 材 料 試 驗(yàn) 所 需 混 合 糞 便 取 自 泰 安 市 泰 山 區(qū) 小 型 養(yǎng) 殖 場 主 要 為 牛 糞 和 豬 糞 試 驗(yàn) 所 需 玉 米 秸 稈 南 瓜 莖 葉 取 自 試 驗(yàn) 場 附 近 農(nóng) 戶 物 料 參 數(shù) 如 表 2 所 示 表 2 物 料 參 數(shù) T a b l e 2 M a t e r i a l p a r a m e t e r s 試 驗(yàn) 材 料 p H 值 氮 含 量 磷 含 量 鉀 含 量 C N 含 水 率 玉 米 秸 稈 6 2 4 0 4 8 0 2 2 0 6 4 6 7 7 3 6 1 混 合 糞 便 7 1 2 0 6 1 0 4 9 0 4 4 1 5 3 4 6 7 南 瓜 莖 葉 6 4 6 0 3 7 0 2 1 0 3 3 1 3 7 0 6 6 3 3 2 試 驗(yàn) 方 法 1 將 玉 米 秸 稈 和 南 瓜 莖 葉 人 為 粉 碎 至 0 5 1 5 c m 并 與 糞 便 按 質(zhì) 量 1 4 混 合 均 勻 如 圖 1 1 所 示 將 混 合 物 料 的 含 水 率 調(diào) 整 在 6 0 添 加 菌 種 和 酶 制 劑 調(diào) 節(jié) 初 始 碳 氮 比 至 2 5 1 2 手 動 開 啟 加 熱 裝 置 并 通 過 觸 摸 屏 將 加 熱 裝 置 調(diào) 整 為 自 動 模 式 將 加 熱 溫 度 調(diào) 為 6 0 并 設(shè) 置 報(bào) 警 數(shù) 值 以 提 醒 操 作 人 員 可 以 下 料 溫 度 到 達(dá) 6 0 后 關(guān) 閉 加 熱 并 斷 開 總 電 源 避 免 操 作 人 員 的 誤 碰 誤 觸 將 預(yù) 處 理 好 的 發(fā) 酵 物 料 通 過 設(shè) 備 的 上 料 口 投 入 已 經(jīng) 預(yù) 熱 好 的 發(fā) 酵 設(shè) 備 中 投 入 體 積 約 占 罐 體 有 效 容 積 的 3 5 關(guān) 閉 上 料 口 3 系 統(tǒng) 調(diào) 至 自 動 狀 態(tài) 設(shè) 置 溫 度 上 下 限 風(fēng) 機(jī) 噴 淋 和 攪 拌 啟 動 的 條 件 通 過 視 鏡 觀 察 設(shè) 備 的 整 體 運(yùn) 行 狀 況 運(yùn) 行 正 常 方 可 離 開 4 堆 肥 完 成 后 將 肥 料 從 設(shè) 備 下 料 口 取 出 進(jìn) 行 封 裝 存 放 隔 日 進(jìn) 行 測 量 并 記 錄 產(chǎn) 品 指 標(biāo) 圖 1 1 混 合 物 料 F i g u r e 1 1 M i x e d m a t e r i a l s 3 4 結(jié) 果 及 分 析 在 進(jìn) 行 為 期 3 d 的 發(fā) 酵 堆 肥 后 將 發(fā) 酵 物 料 圖6 8 智 能 化 農(nóng) 業(yè) 裝 備 學(xué) 報(bào) 中 英 文 2 0 2 3 年 1 2 于 2 0 2 0 年 5 月 3 0 日 從 罐 體 取 出 進(jìn) 行 封 裝 5 月 3 1 日 發(fā) 酵 樣 品 用 物 理 化 學(xué)