污泥資源化關鍵裝置的構造設計

石懷榮，芮延年，李大勝，胡 娟

(1.蚌埠學院 機械學院，安徽蚌埠 233000;2.蘇州大學 機械學院，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

眾所周知，任何污水處理后剩下來的全是污泥。污泥是污水處理后的副產品，是一種由有機殘片、無機顆粒、膠體等組成的極其復雜的非均質體。污泥量通常占污水量的0.3% ～0.5%(質量)，即理論上年處理210×108m3污水將產生63×106t～105×106t污泥，如果進行深度處理，污泥量會增加0.5～l倍。隨著我國社會經濟和城市化的發展，城市污水量在不斷增長。目前，全國建成并運轉的城市污水處理廠約600余座，年處理能力約為270×108m3。根據有關預測，我國城市污水量在未來10年還會有較大增長，2020年污水排放量預計將達到550×108m3/d。

以安徽省蚌埠市為例，這樣的一個中等城市現有污水處理能力為30萬噸/日，二年后污水處理能力將達40萬噸/日，即每天將產生400噸污泥(絕干污泥)。如果不對脫水后的污泥進行無害化處理，污泥堆放在任何地方都會造成二次污染，造成前功盡棄。怎樣經濟高效地對污泥進行無害化處理，一直是專家們研究的問題之一，綜合利用更是人們的期望。有關污泥無害化處理及其綜合利用人們研究出很多方法。如:采用干燥法、焚燒法、堆肥法、沼氣發電等;將干燥后的污泥做成建筑材料、陶瓷等進行綜合利用，成功的實例很多。通過上述介紹可以看出，要想提高我國污泥無害化處理或者綜合利用的積極性，需要研究開發經濟高效的污泥無害化和資源化技術，即變廢為寶技術，否則再好的污泥處理技術也難以得到推廣。

由此，基于功能的需要研發設計一種將污泥脫水為含水率低的泥料，然后與煤粉顆粒按一定比例混合一起成型后作為發電廠或取暖鍋爐房燃燒的燃料的機械裝置。這樣不但能夠對城市活性污泥無害化處理，而且能將有害的污泥變成有用的資源。由此污泥脫水后的煤粉顆粒混合與成型裝置是整個污水處理后污泥資源化裝置的關鍵設備。

1 考慮功能相關的混合送進機構設計研究

由于煤粉顆粒混合與成型裝置是新機械的設計，可直接借鑒的資料少，我們根據機械設計的一般規律與方法采用由功能-結構關系入手的方式，先從功能分析著手，找出滿足各功能的結構模塊，再對各結構模塊進行構造協調組合，這樣就可實現裝置的功能及特性要求。從總體上說，本設計整個過程為基于功能相關的機械構造設計，是一個創新設計構造過程。考慮功能相關求得本裝置各機構結構方案，結合具體功能要求與特點確定設計方案。這一過程，既要盡量借鑒移植已有技術與結構，又要充分創新構造設計，進行合理的機構構造集成。

1.1 濕固體泥料混合送進裝置的結構原理

污泥脫水后與煤粉顆粒按一定的比例混合后成為含一定固體顆粒的濕固體物料，為保證充分燃燒，脫水污泥與煤粉顆粒在送進的過程中要混合均勻，設計采用螺旋運動送進結構，如圖1所示。變螺距螺旋葉片繞機構主軸中心線旋轉，脫水后的污泥與煤粉顆粒由上方的給料口進入，由主軸上的螺旋形葉片向下混合分層分切送進，逐漸接近出口。

濕固體泥料在混合送進裝置型腔中運行，根據物料進出總量平衡原理，減小送進裝置的型腔空間物料滯留堵塞運行通道的現象，提高混合送進效果，各螺旋送進層物料質量必須相等，如式(1)所示。

式(1)中γ為螺旋葉片的錐體角，αi為機構曲線外壁的嚙合角，βi為葉片的螺旋升角，li為葉片的螺距，i為葉片的變螺距數目。根據物料進出總量平衡模型，為使物料混合送進腔達到最佳效果，減小堵塞和待料現象，混合送進腔型外壁采用曲線型，曲線外壁的變傾角變化平緩，可以有效提高混合送進效果。根據式(1)所示的濕固體泥料進出總量平衡模型，可設計出無滯留堵塞現象的混合送進型腔結構。

圖1 污泥資源化關鍵裝置混合送進型腔原理圖

1.2 濕固體泥料混合送進裝置的結構構造

脫水后的污泥與煤粉顆粒由上方的給料口進入，由主軸上的螺旋形葉片向下混合分層分切送進，逐漸接近出口。由于濕固體泥料粘滯阻力的作用，不易送進，腔型結構參數如變螺距、螺旋主軸轉速、葉片的螺旋升角及曲線形角等決定了泥料的混合送進的程度與送進量。

螺旋送進機構的變螺距螺旋葉片用以混合泥料并實現分層分切混合送進，螺旋葉片送進機構必須集良好的腔型結構和合理的工作性能參數于一身。混合送進機構的腔型是由螺旋葉片和曲線形壁所組成的工作空間，螺旋葉片送進機構的設計用以保證泥料在型腔中以螺旋運動混合分切送進，為使泥料在曲線形外壁與螺旋葉片組成的型腔不會出現堵塞現象，腔型設計模型是在通過使各段腔型層濕固體泥料通過量的標準差為極小來保證混合送進的順利進行，如式(2)所示。

1.3 混合送進機構出口濕固體泥料的力學形態

由于濕固體泥料的粘滯阻力在混合送進過程中不斷變化，再加上螺旋葉片的特殊結構，當螺旋軸轉一周時，物料受擠壓力的作用，會產生不與螺旋同步而發生向后退縮的趨勢，同時以一定速度運行的物料將至出口突然遇到造型機構阻礙，其運動方向突變導致物料在出口處堵塞。因此濕固體泥煤混合物在螺旋葉片送進的過程中的運動形態、動力學性能及粘滯阻力對濕固體泥煤混合物送進運移的影響，通過分析為混合送進機構、成型機構的設計與參數選擇提供理論依據。

根據濕固體泥煤混合物通過混合送進腔型的運動學特性，可以對其中的任意螺旋層分析，濕固體泥料團隨螺旋葉片正向運動并運移滑動時，其運動方程如式(3)所示。

圖2 出口物料運動分布示意圖

聯立方程(3)可求解得濕固體泥煤混合物在混合送進型腔中運行一個螺距的時間。濕固體泥煤混合物隨螺旋葉片正向運動并運移滑動致出口，圖2為濕固體泥料在出口斷面運動示意圖。由圖示可以看出，物料在出口由于螺旋葉片的結構影響，在出口處的速度是不相同的，部分為物料下落出口，其運行速度逐漸增大，部分為物料突然遇到造型機構阻礙，其速度根據濕固體物料運動學規律及螺旋葉片的運動規律發生反向運動，分別對物料正向與反向運動部分進行積分計算并由上述計算出的時間可得出物料進出總量的計算模型如式(4)所示。

濕固體物料由混合送進機構給料口進入混合送進型腔，經過多次混合運送，再經排料口排出型腔，基于物料進出總量平衡原理，為使混合送進型腔到最佳混合送進效果，減小出口的堵塞，我們在排料口設計有型腔外壁傾角不變并與螺旋葉片平行的區域。

2 試驗驗證與分析

新型機械裝置的設計，沒有現成的參考資料，為驗證概念設計模型的功能結構的合理性與設計可靠性，我們進行了在不同主軸轉速、葉片升角、螺距、出口參數等條件下的相關混合送進試驗。

2.1 試驗裝置與試驗

混合送進裝置試驗裝置型腔外壁采用薄壁鋼板焊接，螺旋葉片軸分段采用螺紋連接，以便于調節螺距;速度調節采用箱體齒輪傳動機構。由上述分析可知影響混合送進的關鍵因素有主軸轉速、型腔外壁曲線、葉片升角、螺距、出口參數等。試驗分為兩部分進行，首先通過對試驗裝置的主要結構性能參數與運動性能參數的不同組合試驗，用以得出混合送進試驗裝置各參數與混合送進性能指標的關系，得出影響混合送進指標的主要因素及各因素的影響水平。然后通過大量性能試驗與結果分析，量化各因素對混合送進的影響程度，為后續的設計研究提供理論依據。

2.2 試驗分析

表1中列出的是試驗參數及變化量，由表可知螺旋葉片相對轉動速度越大，濕固體物料通過混合送進型腔時所經過的混合攪拌次數越多，混合的效果越好，但螺旋葉片轉動速度過大，濕固體物料運行致出口的速度提高，使出口物料的堵塞率上升。螺旋葉片相對轉動速度越小，物料的混合效果、機械的生產率也將下降，所以螺旋葉片轉動速度存在一個最優值。在混合送進型腔結構參數確定的前提下，螺旋葉片螺距對機構的工作性能同樣有著至關的影響，試驗裝置中的螺距是可以調節的，試驗中采用由進口到出口螺距逐漸增大和由進口到出口螺距逐漸減小的兩種調節方式。第一種方式中混合效果較好，同時對物料在混合型腔中的下行運動有幫助，降低進出料的堵塞量可以提高混合送進機構的效率，但混合送進機構的動力性能將受到影響。第一種方式中混合效果變差，生產率下降，但機械的動力性能將改善。故螺旋葉片螺距同樣存在一個合理的優值。

表1 混合送進裝置功能規劃試驗結果

由試驗結果可以看出，直接影響混合送進機構性能的關鍵因素包括主軸葉片的旋轉速、葉片螺旋角、葉片變螺距等，為提高混合送進機構機構性能改善混合輸出產品質量，實現對以上各關鍵參數的設計優化，為開發現代新型環保機械奠定理論基礎。

3 結論

通過上述的分析，得到了混合送進裝置的結構參數和性能工作參數是影響機構性能的關鍵因素。基于總體平衡模型和濕固體物料運動學特性，提出混合送進裝置功能規劃設計研究模型和新型腔型設計方法，為建立混合送進裝置優化設計模型建立理論基礎。

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