农业废弃物快速好氧发酵设备设计与试验.pdf

6 2 智 能 化 农 业 装 备 学 报 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 农 业 废 弃 物 快 速 好 氧 发 酵 设 备 设 计 与 试 验 谢 滨 1 张 志 成 1 宋 中 建 1 王 冉 冉 2 3 刘 雨 萌 2 石 国 萍 4 1 山 东 泰 开 高 压 开 关 有 限 公 司 山 东 泰 安 2 7 1 0 0 0 2 山 东 农 业 大 学 机 械 与 电 子 工 程 学 院 山 东 泰 安 2 7 1 0 1 8 3 山 东 省 园 艺 机 械 与 装 备 重 点 实 验 室 山 东 泰 安 2 7 1 0 1 8 4 山 东 建 筑 大 学 信 息 与 电 气 工 程 学 院 山 东 济 南 2 5 0 1 0 1 摘 要 针 对 目 前 在 好 氧 发 酵 实 际 生 产 中 存 在 发 酵 设 备 不 适 用 占 地 面 积 大 发 酵 周 期 长 自 动 化 程 度 低 等 问 题 通 过 增 大 发 酵 面 积 减 小 物 料 深 度 提 高 搅 拌 混 合 的 均 匀 性 优 化 发 酵 周 期 的 方 法 设 计 了 卧 式 圆 柱 形 发 酵 罐 该 设 备 有 效 容 积 为 3 m 3 根 据 传 热 学 和 热 损 失 模 型 分 析 了 发 酵 物 料 散 热 机 理 进 一 步 优 化 了 罐 体 外 形 设 计 设 计 了 自 动 控 制 系 统 根 据 所 选 发 酵 物 料 黏 度 高 流 动 性 差 易 附 着 于 罐 壁 等 特 性 设 计 了 宽 窄 双 螺 旋 式 搅 拌 器 并 对 其 进 行 有 限 元 分 析 和 物 料 搅 拌 均 匀 性 分 析 搅 拌 轴 的 最 大 模 拟 应 力 为 4 2 3 M P a 搅 拌 轴 最 优 转 速 为 7 7 r m i n 设 备 在 有 机 肥 厂 进 行 了 试 验 以 混 合 粪 便 玉 米 秸 秆 和 南 瓜 茎 叶 为 发 酵 物 料 运 行 过 程 中 无 需 人 工 干 预 发 酵 参 数 控 制 精 度 高 发 酵 完 成 后 产 品 有 机 质 含 量 高 达 5 1 氮 磷 钾 含 量 为 8 8 p H 值 为 6 8 碳 氮 比 为 2 3 砷 含 量 为 1 1 m g k g 镉 含 量 为 3 m g k g 汞 含 量 为 1 7 m g k g 铅 含 量 为 2 7 m g k g 害 虫 卵 死 亡 率 为 9 7 粒 径 为 9 m m 颜 色 为 黑 褐 色 符 合 有 机 肥 产 品 相 关 要 求 发 酵 效 率 相 比 自 然 发 酵 高 5 1 0 倍 关 键 词 农 业 废 弃 物 处 理 好 氧 发 酵 堆 肥 设 备 有 限 元 分 析 中 图 分 类 号 S 2 3 7 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 2 0 9 6 7 2 1 7 2 0 2 3 0 1 0 0 6 2 0 9 谢 滨 张 志 成 宋 中 建 王 冉 冉 刘 雨 萌 石 国 萍 农 业 废 弃 物 快 速 好 氧 发 酵 设 备 设 计 与 试 验 J 智 能 化 农 业 装 备 学 报 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 项 目 国 家 苹 果 产 业 技 术 体 系 专 项 资 金 C A R S 2 7 第 一 作 者 谢 滨 1 9 8 7 年 生 女 山 东 泰 安 人 硕 士 工 程 师 研 究 方 向 为 电 气 设 备 开 发 E m a i l x b s p r i t e 1 2 6 c o m 通 讯 作 者 石 国 萍 1 9 7 7 年 生 女 山 东 德 州 人 硕 士 副 教 授 研 究 方 向 为 信 息 与 电 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 据 不 完 全 统 计 全 国 每 年 产 生 畜 禽 粪 便 约 3 8 1 0 5 k t 但 其 利 用 效 率 却 低 于 6 0 每 年 产 生 秸 秆 近 9 1 0 5 k t 未 利 用 的 约 2 1 0 5 k t 1 3 提 高 农 业 废 弃 物 的 利 用 率 不 仅 可 以 减 少 资 源 的 浪 费 也 可 以 促 进 生 态 农 业 的 发 展 4 6 针 对 农 业 废 弃 物 利 用 率 不 高 的 问 题 最 为 经 济 可 行 的 解 决 方 式 就 是 发 酵 根 据 目 前 的 研 究 现 状 好 氧 发 酵 是 提 高 资 源 利 用 率 的 有 效 方 式 7 按 照 是 否 有 发 酵 装 置 可 以 分 为 开 放 式 堆 肥 系 统 和 发 酵 仓 堆 肥 系 统 8 开 放 式 堆 肥 系 统 可 以 分 为 被 动 通 风 条 垛 式 堆 肥 系 统 条 垛 式 堆 肥 和 强 制 通 风 静 态 垛 堆 肥 9 美 国 研 制 的 O p e n R o a d 反 应 器 系 统 属 于 被 动 通 风 系 统 但 发 酵 周 期 长 1 0 迟 文 慧 等 1 1 设 计 的 梨 形 筒 式 堆 肥 反 应 器 移 动 性 强 装 置 成 本 低 但 没 有 专 用 供 氧 系 统 上 述 研 究 现 状 表 明 发 酵 设 备 还 存 在 发 酵 周 期 长 设 备 功 能 不 齐 全 等 问 题 本 文 针 对 这 些 问 题 开 展 研 究 本 文 设 计 了 一 套 农 业 废 弃 物 快 速 发 酵 设 备 该 设 备 采 用 卧 式 发 酵 罐 通 过 增 大 堆 肥 面 积 减 小 发 酵 物 料 深 度 以 及 设 计 宽 窄 双 螺 旋 式 搅 拌 器 避 免 罐 内 死 区 使 物 料 充 分 混 合 均 匀 堆 肥 周 期 小 占 地 面 积 小 可 实 现 整 个 发 酵 周 期 的 无 人 监 控 在 控 制 堆 肥 成 本 的 同 时 提 高 发 酵 效 率 1 总 体 结 构 及 原 理 1 1 设 计 要 求 针 对 发 酵 过 程 中 传 质 传 热 不 均 匀 设 备 占 用 空 间 大 发 酵 时 间 过 长 等 问 题 1 2 1 3 根 据 滨 州 市 阳 信 县 某 有 机 肥 发 酵 场 规 模 及 快 速 发 酵 需 求 本 装 置 单 次 处 理 有 效 体 积 为 3 m 3 整 个 发 酵 过 程 中 物 料 的 湿 度 温 度 和 氧 含 量 需 均 匀 分 布 在 3 d 内 完 成 整 个 发 酵 过 程 第 4 卷 第 1 期 2 0 2 3 年 2 月 智 能 化 农 业 装 备 学 报 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 谢 滨 等 农 业 废 弃 物 快 速 好 氧 发 酵 设 备 设 计 与 试 验 6 3 表 1 工 作 参 数 T a b l e 1 W o r k i n g p a r a m e t e r 项 目 参 数 设 备 总 高 度 m 2 2 7 设 备 总 长 度 m 5 3 9 设 备 总 宽 度 m 1 5 4 发 酵 罐 有 效 容 积 m 3 3 发 酵 罐 填 充 系 数 0 6 发 酵 周 期 d 3 工 作 温 度 0 6 5 工 作 压 力 M P a 0 1 5 搅 拌 功 率 k W 1 2 0 8 风 机 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 机 结 构 好 氧 堆 肥 就 是 将 待 发 酵 物 与 发 酵 剂 按 一 定 的 比 例 进 行 混 合 在 合 适 的 条 件 下 微 生 物 降 解 待 发 酵 物 并 进 行 自 我 繁 殖 产 生 腐 殖 质 变 成 碳 氮 含 量 高 的 有 机 肥 1 4 设 备 主 要 包 括 罐 体 搅 拌 器 电 机 风 机 控 制 柜 等 如 图 1 所 示 罐 体 是 用 于 实 现 物 料 的 堆 肥 发 酵 搅 拌 器 可 保 证 物 料 的 湿 度 温 度 氧 含 量 的 均 匀 分 布 风 机 用 于 给 物 料 提 供 充 足 的 氧 气 控 制 系 统 用 于 检 测 与 控 制 发 酵 罐 内 的 环 境 图 1 设 备 结 构 图 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 体 3 视 镜 4 上 料 口 5 喷 淋 管 道 6 人 孔 7 风 机 8 电 磁 阀 9 搅 拌 器 电 机 1 0 温 度 传 感 器 1 1 氧 气 浓 度 传 感 器 1 2 湿 度 传 感 器 1 3 指 示 灯 1 4 触 摸 屏 1 5 控 制 柜 2 主 要 部 件 设 计 2 1 卧 式 发 酵 罐 的 设 计 本 卧 式 发 酵 罐 可 以 增 大 发 酵 面 积 减 小 物 料 深 度 更 好 地 实 现 物 料 温 度 湿 度 氧 含 量 的 均 匀 分 布 缩 短 发 酵 周 期 提 高 发 酵 的 快 速 性 同 时 也 避 免 了 罐 体 清 理 与 维 修 的 不 便 2 1 1 罐 体 外 形 的 设 计 热 辐 射 和 热 传 导 是 发 酵 罐 体 热 量 损 失 的 两 种 主 要 途 径 n 层 不 同 材 料 组 成 的 罐 顶 为 接 近 平 壁 结 构 其 热 损 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 顶 传 热 面 积 m 2 t 罐 体 内 外 温 差 h 1 内 壁 表 面 传 热 系 数 W m 2 K h n 1 罐 体 外 表 面 传 热 系 数 W m 2 K i 第 i 层 厚 度 m i 第 i 层 导 热 系 数 W m K 由 传 热 学 可 以 得 出 由 n 层 不 同 材 料 组 成 的 发 酵 罐 侧 面 热 量 损 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 内 物 料 高 度 m r i 第 i 层 表 面 的 半 径 m 分 析 上 述 罐 体 热 量 损 失 公 式 可 知 罐 体 外 表 面 积 以 及 罐 体 材 料 决 定 着 罐 体 热 损 耗 数 值 的 大 小 在 对 罐 体 的 外 形 进 行 设 计 时 在 满 足 体 积 一 定 的 前 提 下 要 求 发 酵 罐 物 料 高 度 低 散 热 表 面 积 小 根 据 等 周 不 等 式 等 高 物 体 在 体 积 一 定 的 情 况 下 当 底 面 仅 为 圆 形 时 侧 表 面 积 最 小 又 由 式 1 可 知 在 罐 体 材 料 确 定 时 Q 1 的 大 小 取 决 于 传 热 面 积 A Z 罐 体 顶 端 为 平 壁 结 构 时 传 热 面 积 最 小 经 上 述 分 析 得 出 圆 柱 形 发 酵 罐 的 罐 体 结 构 最 为 优 化 2 1 2 罐 体 尺 寸 的 设 计 发 酵 罐 体 选 为 圆 柱 形 通 过 分 析 罐 体 热 损 耗 可 以 知 道 罐 体 的 总 热 损 耗 与 表 面 积 成 正 相 关 即 要 使 罐 体 热 损 耗 降 到 最 低 应 使 罐 体 表 面 积 最 小 V H D 2 N 4 3 S D 2 N 4 D N H 4 式 中 V 罐 体 容 积 m 3 H 罐 体 长 度 m S 罐 体 表 面 积 m 2 D N 罐 体 直 径 m 由 式 5 求 取 罐 体 容 积 V V 0 5 式 中 V 0 罐 体 有 效 容 积 取 3 m 3 填 充 系 数 取 0 6 联 立 式 3 式 4 得 S D 2 N 4 2 0 D N 6 6 4 智 能 化 农 业 装 备 学 报 中 英 文 2 0 2 3 年 对 S 进 行 求 导 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 热 损 耗 存 在 最 小 值 计 算 得 D N 1 3 8 4 m 罐 体 长 度 H 为 3 5 m 罐 体 设 计 为 双 层 结 构 内 层 起 保 护 和 支 撑 作 用 选 用 3 0 4 号 不 锈 钢 外 层 起 保 温 作 用 选 用 聚 氨 酯 发 泡 保 温 材 料 2 1 3 罐 体 壁 厚 的 设 计 按 要 求 发 酵 罐 的 工 作 压 力 大 小 P 约 为 0 1 5 M P a 物 料 密 度 为 9 0 0 k g m 3 静 压 力 P L g H 0 5 D N 8 经 计 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 计 算 法 确 定 发 酵 罐 的 壁 厚 1 8 计 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 体 壁 厚 m m P C 设 计 压 力 M P a 3 0 4 号 不 锈 钢 许 用 应 力 1 3 7 M P a 焊 缝 系 数 0 6 C 壁 厚 附 加 量 C 1 钢 板 负 偏 差 取 C 1 0 5 m m C 2 腐 蚀 裕 量 取 C 2 0 5 m m C 3 加 工 减 薄 量 取 C 3 0 m m 最 小 壁 厚 1 1 6 0 5 0 5 2 6 m m 考 虑 到 施 工 制 作 时 的 方 便 有 效 性 发 酵 罐 内 壁 选 取 厚 度 为 5 m m 的 3 0 4 号 不 锈 钢 2 1 4 罐 体 绝 热 层 的 设 计 依 据 工 业 设 备 及 管 道 绝 热 工 程 设 计 规 范 G B 5 0 2 6 4 2 0 1 3 1 9 绝 热 层 厚 度 2 2 t Q j 1 j 1 1 式 中 2 发 酵 罐 保 温 材 料 层 的 厚 度 m 2 聚 氨 酯 发 泡 材 料 的 传 热 系 数 取 0 0 2 4 W m 2 K Q j 保 温 层 单 位 面 积 热 损 失 的 最 大 值 取 5 0 W m 2 j 保 温 层 表 面 的 传 热 系 数 取 1 1 6 W m 2 K 发 酵 温 度 为 6 5 环 境 平 均 温 度 为 2 5 则 得 出 2 0 0 1 7 m 考 虑 到 其 他 不 确 定 因 素 选 择 聚 氨 酯 发 泡 保 温 层 厚 度 为 3 0 m m 2 1 5 罐 体 绝 热 层 有 效 性 分 析 本 设 备 发 酵 罐 体 设 计 为 双 层 结 构 根 据 式 2 罐 内 高 温 通 过 罐 体 内 壁 和 绝 热 层 传 热 给 外 界 冷 空 气 传 热 过 程 的 热 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 对 上 述 发 酵 罐 体 绝 热 层 进 行 有 效 性 分 析 时 罐 体 和 绝 热 层 的 尺 寸 和 材 料 均 已 确 定 要 想 变 动 热 阻 R l 只 能 通 过 增 加 或 减 少 罐 体 的 绝 热 层 厚 度 来 改 变 即 R l 的 大 小 随 着 外 径 r 3 的 改 变 而 改 变 由 式 1 2 可 得 当 增 厚 绝 热 层 时 r 3 增 大 1 2 2 l n r 3 r 2 也 随 之 增 大 而 1 h 3 r 3 随 之 减 小 因 此 总 热 阻 R l 随 着 r 2 的 增 大 表 现 为 先 减 小 再 增 大 存 在 极 小 值 对 应 于 这 一 变 化 罐 体 侧 面 热 损 失 Q 2 存 在 相 反 的 变 化 过 程 且 具 有 一 个 极 大 值 此 时 的 绝 热 层 外 径 称 为 临 界 热 绝 缘 直 径 r c 由 式 1 2 可 得 若 罐 体 内 层 外 径 r 2 小 于 临 界 热 绝 缘 直 径 r c 绝 热 层 外 径 r 3 在 r 2 和 r x 范 围 内 罐 体 的 热 损 失 反 而 比 没 有 绝 热 层 时 的 大 直 到 绝 热 层 外 径 r 3 大 于 r x 才 开 始 起 到 绝 热 层 减 少 热 损 失 的 作 用 所 以 罐 体 内 层 外 径 r 2 大 于 临 界 热 绝 缘 直 径 r c 时 绝 热 层 无 论 多 厚 都 可 以 起 到 减 少 热 损 失 的 作 用 由 导 数 求 函 数 最 值 d R l d r 3 0 1 3 r c 2 2 h 3 1 4 式 中 r c 临 界 热 绝 缘 直 径 m 2 绝 热 层 导 热 系 数 W m K 取 0 0 2 4 W m K h 3 绝 热 层 表 面 与 冷 空 气 之 间 的 表 面 传 热 系 数 W m 2 K 取 1 2 W m 2 K 经 计 算 r c 0 0 0 4 m 远 小 于 罐 体 内 层 外 径 通 过 计 算 验 证 本 设 备 采 用 的 绝 热 层 可 以 有 效 地 防 止 热 量 的 损 失 图 2 发 酵 罐 体 F i g u r e 2 F e r m e n t i n g t a n k 2 2 搅 拌 装 置 的 设 计 2 2 1 搅 拌 器 的 设 计 及 其 参 数 的 确 定 装 置 针 对 的 发 酵 物 料 黏 稠 流 动 性 差 黏 滞 力 很 大第 1 期 谢 滨 等 农 业 废 弃 物 快 速 好 氧 发 酵 设 备 设 计 与 试 验 6 5 且 易 附 着 于 罐 壁 罐 内 易 出 现 死 区 因 此 设 计 中 选 择 大 桨 径 搅 拌 器 以 增 加 有 效 的 搅 拌 空 间 为 了 更 好 地 实 现 物 料 的 均 匀 混 合 提 高 发 酵 效 率 设 计 了 一 种 直 径 D j 为 1 3 4 0 m m 长 度 h 1 为 3 2 9 9 m m 可 以 将 扩 散 搅 拌 剪 切 搅 拌 和 对 流 搅 拌 等 多 种 搅 拌 方 式 融 为 一 体 的 宽 窄 叶 螺 旋 式 搅 拌 器 图 3 搅 拌 器 示 意 图 F i g u r e 3 A g i t a t o r d i a g r a m 1 搅 拌 轴 2 双 螺 旋 桨 叶 如 图 3 所 示 宽 窄 叶 螺 旋 式 搅 拌 器 由 中 空 的 搅 拌 轴 和 两 片 螺 距 S 为 1 0 0 0 m m 沿 顺 逆 时 针 旋 转 的 螺 旋 式 搅 拌 叶 片 组 成 两 片 搅 拌 式 叶 片 由 搅 拌 轴 底 部 沿 不 同 方 向 绕 轴 旋 转 在 轴 顶 经 拉 杆 进 行 连 接 两 片 螺 旋 式 叶 片 的 宽 度 按 一 定 宽 窄 进 行 有 规 律 的 变 化 沿 轴 上 下 两 个 方 向 的 叶 片 位 置 的 宽 度 较 宽 为 4 5 0 m m 沿 轴 前 后 两 个 方 向 的 叶 片 位 置 的 宽 度 较 窄 为 5 0 m m 两 种 叶 片 厚 度 均 为 1 2 m m 搅 拌 轴 采 用 直 径 d 为 1 2 0 m m 的 不 锈 钢 双 螺 旋 叶 片 由 扁 钢 制 成 为 提 高 搅 拌 器 的 稳 定 性 和 增 大 有 效 的 搅 拌 空 间 在 每 组 螺 旋 叶 片 间 用 两 根 金 属 杆 将 搅 拌 轴 和 搅 拌 叶 片 进 行 连 接 两 根 金 属 杆 外 侧 制 成 含 有 螺 孔 的 扁 平 轴 环 可 通 过 螺 栓 固 定 在 螺 旋 叶 片 上 两 金 属 杆 内 侧 经 焊 接 固 定 在 搅 拌 轴 上 搅 拌 器 参 考 质 量 按 不 锈 钢 计 算 根 据 国 家 化 工 行 业 标 准 H G T 3 7 9 6 1 1 2 0 0 5 和 化 工 设 备 机 械 基 础 第 3 版 查 表 可 得 为 3 0 0 k g 2 2 2 搅 拌 电 机 及 传 动 装 置 的 选 择 为 降 低 搅 拌 器 能 耗 要 求 在 搅 拌 器 工 作 时 物 料 所 受 的 离 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 质 量 k g w 旋 转 角 速 度 r a d s R 搅 拌 轴 半 径 m g 重 力 加 速 度 n 转 速 r s 得 出 n 3 0 g R 结 合 理 论 计 算 与 实 际 情 况 选 择 搅 拌 器 转 速 为 7 7 r m i n 电 机 的 选 型 由 搅 拌 器 功 率 的 大 小 来 选 择 发 酵 物 料 一 般 为 粪 便 秸 秆 与 茎 叶 等 混 合 物 含 水 率 一 般 调 整 在 5 0 6 0 物 料 黏 度 偏 大 物 料 黏 度 取 3 2 5 P a s 经 多 次 试 验 测 得 物 料 密 度 取 为 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 准 数 P 搅 拌 功 率 W 密 度 k g m 3 D j 搅 拌 器 直 径 m R e 雷 诺 准 数 物 料 黏 度 P a s 经 计 算 R e 6 3 8 通 过 查 询 N P R e 图 得 N p 1 4 7 将 各 值 代 入 式 1 8 计 算 得 搅 拌 功 率 值 为 1 2 0 8 k W 电 机 在 选 择 时 需 考 虑 填 料 密 封 损 失 的 功 率 其 损 失 功 率 的 大 小 约 为 计 算 结 果 的 1 0 2 1 经 上 述 分 析 搅 拌 系 统 所 选 用 的 电 机 为 型 号 为 Y E 2 1 3 2 S 4 极 5 5 k W 的 Y E 2 系 列 高 效 节 能 三 相 异 步 电 动 机 其 额 定 转 速 为 1 4 4 0 r m i n 减 速 机 选 择 二 级 减 速 传 动 比 为 1 8 7 传 动 效 率 为 9 0 9 5 的 8 0 0 0 系 列 X L E D 型 摆 线 针 轮 减 速 机 2 2 2 4 2 2 3 搅 拌 器 强 度 校 核 为 对 搅 拌 轴 的 强 度 进 行 检 测 验 证 用 S o l i d W o r k s 2 0 1 8 对 搅 拌 轴 进 行 建 模 A N S Y S W o r k b e n c h 1 7 2 进 行 仿 真 结 合 相 关 文 献 和 实 际 经 验 在 m e s h 模 块 中 将 划 分 搅 拌 器 的 网 格 个 数 设 置 为 5 6 万 个 每 个 网 格 大 小 为 5 0 m m 图 4 单 元 格 分 布 图 F i g u r e 4 C e l l d i s t r i b u t i o n 根 据 选 择 的 电 机 和 减 速 机 的 类 别 型 号 在 S t a t i c S t r u c t u r a l 中 将 搅 拌 器 的 输 入 转 矩 设 置 为 6 1 3 9 N m 搅 拌 系 统 的 仿 真 温 度 设 为 6 0 计 算 搅 拌 轴 的 应 力 和 应 变 情 况 由 图 5 图 6 可 知 搅 拌 器 等 效 应 力 分 析 云 图 所 示 的 最 大 值 为 4 2 3 M P a 搅 拌 器 等 效 应 变 分 析 云 图 所 示 的 最 大 值 为 2 1 7 1 0 5 搅 拌 器 所 用 材 料 的 许 用 扭 转 切 应 力 应 为 材 料 许 用 应 力 的 0 5 0 6 倍 不 锈 钢 的 许 用 应 力 取 5 7 M P a 经 计 算 搅 拌 器 的 强 度 韧 性 满6 6 智 能 化 农 业 装 备 学 报 中 英 文 2 0 2 3 年 足 工 作 要 求 图 5 等 效 应 力 仿 真 图 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 图 6 等 效 应 变 仿 真 图 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 风 装 置 的 设 计 与 选 择 2 3 1 通 风 装 置 的 设 计 根 据 吕 宝 等 2 5 的 研 究 对 农 业 废 弃 物 好 氧 发 酵 所 需 的 通 风 量 进 行 理 论 分 析 1 提 供 氧 气 所 用 通 风 量 F 1 q V 0 u 1 9 式 中 F 1 提 供 氧 气 的 风 量 m 3 h u 氧 气 所 占 体 积 分 数 0 2 1 q 单 位 时 间 和 体 积 内 氧 气 消 耗 量 经 验 值 1 2 1 5 m 3 h m 3 经 计 算 F 1 2 1 4 m 3 2 散 热 所 需 的 通 风 量 F 2 M m i r o 2 0 式 中 F 2 散 热 所 需 的 通 风 量 m 3 h M m i r 散 热 所 需 空 气 量 k g o 空 气 密 度 k g m 3 散 热 所 需 的 空 气 量 与 供 氧 所 需 空 气 量 之 比 为 9 1 2 6 得 F 2 9 F 1 1 9 2 6 m 3 3 蒸 发 水 分 所 需 的 通 风 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 风 量 m 3 h H i H o 进 出 发 酵 罐 空 气 中 水 分 含 量 k g k g X s X c 发 酵 物 和 堆 体 的 水 分 含 量 Y s Y c 发 酵 物 和 堆 体 中 易 挥 发 物 的 含 量 M m i x 发 酵 物 干 重 k g M w 水 分 蒸 发 量 k g M w W M m i x o 空 气 密 度 k g m 3 5 0 时 o 1 1 k g m 3 根 据 农 业 技 术 经 济 手 册 2 7 得 知 物 料 含 水 率 X s 为 6 0 根 据 试 验 要 求 X c 为 5 0 Y s 和 Y c 取 0 经 试 验 测 定 H i H o 差 值 为 0 0 0 2 k g 将 各 数 值 代 入 计 算 求 得 F 3 2 0 0 m 3 h 经 计 算 得 发 酵 各 部 分 所 需 的 通 风 总 量 4 1 4 m 3 h 选 择 风 量 为 4 2 0 m 3 h 风 压 为 5 5 0 0 P a 功 率 为 1 5 k W 的 Y 9 0 S 2 风 机 风 机 安 装 位 置 如 图 7 所 示 图 7 风 机 F i g u r e 7 F a n 2 3 2 排 气 时 长 根 据 工 程 上 适 用 的 描 述 耗 氧 速 率 公 式 来 计 算 该 设 备 物 料 的 耗 氧 量 1 耗 氧 速 率 的 计 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 气 含 量 m 3 C e o 最 终 氧 气 含 量 m 3 t 两 次 试 值 相 隔 时 间 h 代 入 试 验 所 测 数 值 得 R o 1 3 5 m 3 h 取 耗 氧 速 率 为 1 2 1 5 m 3 h 本 设 备 有 效 容 积 为 3 m 3 物 料 所 占 用 容 积 约 为 6 0 左 右 氧 气 体 积 分 数 为 2 0 氧 气 实 际 所 占 体 积 V 3 4 0 2 1 0 2 5 2 m 3 为 保 证 堆 肥 的 快 速 进 行 取 耗 氧 速 率 为 1 5 m 3 h 耗 氧 所 用 时 长 t 0 2 5 2 1 5 0 1 6 8 h 经 上 述 分 析 发 酵 罐 每 经 过 0 1 7 h 可 进 行 放 气 操 作 3 试 验 分 析 3 1 设 备 运 行 试 验 首 先 将 介 质 填 充 液 注 入 加 热 夹 套 内 在 检 查 无第 1 期 谢 滨 等 农 业 废 弃 物 快 速 好 氧 发 酵 设 备 设 计 与 试 验 6 7 误 后 将 加 热 装 置 接 通 电 源 用 于 后 续 罐 体 的 加 热 工 作 将 喷 淋 装 置 的 电 磁 阀 连 接 到 外 界 水 源 然 后 通 过 触 摸 屏 对 电 磁 阀 的 开 关 进 行 手 动 操 作 可 以 通 过 视 镜 观 察 到 外 界 水 流 正 常 通 过 电 磁 阀 流 入 罐 体 内 部 上 述 过 程 完 成 后 开 始 检 测 设 备 的 加 热 装 置 和 搅 拌 装 置 通 过 触 摸 屏 将 设 备 设 置 为 自 动 加 热 和 自 动 通 风 风 机 启 动 的 温 度 上 限 值 设 置 为 5 0 在 加 热 的 过 程 中 搅 拌 装 置 也 随 加 热 装 置 一 起 运 行 罐 内 温 度 由 安 装 在 罐 体 平 面 两 端 靠 近 圆 心 位 置 的 标 准 铂 电 阻 温 度 计 P t 1 0 0 来 检 测 并 传 递 给 控 制 系 统 从 图 8 中 可 以 看 出 罐 内 温 度 恒 定 温 度 控 制 能 够 满 足 系 统 要 求 图 8 温 度 变 化 曲 线 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 热 过 程 中 打 开 通 风 装 置 罐 体 内 部 的 氧 气 含 量 由 安 装 在 发 酵 罐 顶 部 的 J X B S 4 0 0 1 O 2 氧 气 传 感 器 通 过 气 泵 从 发 酵 罐 内 抽 取 气 体 通 入 传 感 器 的 通 气 池 来 进 行 检 测 由 图 9 氧 气 传 感 器 的 变 化 可 知 通 风 装 置 可 以 有 效 解 决 发 酵 罐 内 氧 气 含 量 不 足 的 问 题 且 控 制 灵 敏 度 高 可 将 罐 体 氧 气 含 量 在 1 的 范 围 内 进 行 调 控 氧 气 含 量 控 制 满 足 系 统 要 求 图 9 氧 气 浓 度 变 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 试 验 条 件 试 验 地 点 滨 州 市 阳 信 县 某 有 机 肥 厂 样 机 如 图 1 0 所 示 试 验 时 间 2 0 2 0 年 5 月 2 7 3 0 日 环 境 温 度 2 5 3 1 空 气 湿 度 5 7 7 1 图 1 0 试 验 样 机 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 试 验 材 料 与 方 法 3 3 1 试 验 材 料 试 验 所 需 混 合 粪 便 取 自 泰 安 市 泰 山 区 小 型 养 殖 场 主 要 为 牛 粪 和 猪 粪 试 验 所 需 玉 米 秸 秆 南 瓜 茎 叶 取 自 试 验 场 附 近 农 户 物 料 参 数 如 表 2 所 示 表 2 物 料 参 数 T a b l e 2 M a t e r i a l p a r a m e t e r s 试 验 材 料 p H 值 氮 含 量 磷 含 量 钾 含 量 C N 含 水 率 玉 米 秸 秆 6 2 4 0 4 8 0 2 2 0 6 4 6 7 7 3 6 1 混 合 粪 便 7 1 2 0 6 1 0 4 9 0 4 4 1 5 3 4 6 7 南 瓜 茎 叶 6 4 6 0 3 7 0 2 1 0 3 3 1 3 7 0 6 6 3 3 2 试 验 方 法 1 将 玉 米 秸 秆 和 南 瓜 茎 叶 人 为 粉 碎 至 0 5 1 5 c m 并 与 粪 便 按 质 量 1 4 混 合 均 匀 如 图 1 1 所 示 将 混 合 物 料 的 含 水 率 调 整 在 6 0 添 加 菌 种 和 酶 制 剂 调 节 初 始 碳 氮 比 至 2 5 1 2 手 动 开 启 加 热 装 置 并 通 过 触 摸 屏 将 加 热 装 置 调 整 为 自 动 模 式 将 加 热 温 度 调 为 6 0 并 设 置 报 警 数 值 以 提 醒 操 作 人 员 可 以 下 料 温 度 到 达 6 0 后 关 闭 加 热 并 断 开 总 电 源 避 免 操 作 人 员 的 误 碰 误 触 将 预 处 理 好 的 发 酵 物 料 通 过 设 备 的 上 料 口 投 入 已 经 预 热 好 的 发 酵 设 备 中 投 入 体 积 约 占 罐 体 有 效 容 积 的 3 5 关 闭 上 料 口 3 系 统 调 至 自 动 状 态 设 置 温 度 上 下 限 风 机 喷 淋 和 搅 拌 启 动 的 条 件 通 过 视 镜 观 察 设 备 的 整 体 运 行 状 况 运 行 正 常 方 可 离 开 4 堆 肥 完 成 后 将 肥 料 从 设 备 下 料 口 取 出 进 行 封 装 存 放 隔 日 进 行 测 量 并 记 录 产 品 指 标 图 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 结 果 及 分 析 在 进 行 为 期 3 d 的 发 酵 堆 肥 后 将 发 酵 物 料 图6 8 智 能 化 农 业 装 备 学 报 中 英 文 2 0 2 3 年 1 2 于 2 0 2 0 年 5 月 3 0 日 从 罐 体 取 出 进 行 封 装 5 月 3 1 日 发 酵 样 品 用 物 理 化 学