死畜禽立式堆肥反應器設計

摘 要： 針對目前我國死畜禽堆肥反應器存在的諸多問題，以縮短堆肥周期、減小占地面積、降低環境危害為目標，對死畜禽立式堆肥反應器展開研究與設計。該反應器主要由破碎攪拌系統、傳動系統、控溫系統組成。在掌握相關堆肥工藝技術的前提下，對反應器關鍵參數如容積、保溫層厚度、加熱器功率，以及對關鍵零部件如攪刀軸、攪刀片、定刀進行分析設計。利用有限元軟件進行仿真分析，結果表明，反應器內部能形成穩定對流的流場，攪刀所受載荷均勻，反應器設計可靠。

關鍵詞：立式堆肥；死畜禽；堆肥反應器；堆肥周期

中圖分類號：S224.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1795（2024）06-0088-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.06.015

0 引言

近年來，我國養殖業快速發展，養殖場的數量和規模不斷擴大，但養殖設施普遍標準化程度不高，中小養殖企業急需一款可就近、快速處理的死畜禽堆肥反應器[1-4]。

國內外死畜禽處理器可分為立式和臥式兩類，臥式死畜禽堆肥反應器存在處理周期長（7～14 d）、結構占地面積大、充滿率不高及輔助加熱的能耗利用率低問題[3，5]。

鑒于死畜禽立式堆肥反應器具有占地面積小、堆肥周期短等優點，本研究設計了一種死畜禽立式堆肥反應器[6]。

1 總體結構與工作原理

1.1 結構

死畜禽立式堆肥反應器整機結構主要由傳動系統、破碎攪拌系統、控溫系統組成，如圖1 所示。

1.2 工作原理

通過自動上料裝置將碳源和死畜禽分批放置于反應器內部，物料放置完成后裝載于反應器頂部的加熱裝置持續為堆肥環境提供熱量，環境溫度達到設定值后破碎攪拌系統開始運轉。前期在攪刀和定刀的配合下反應器內物料開始破碎，中后期旋轉的攪刀帶動破碎后的物料在反應器內部沿壁面自下而上的圓周移動進行提升或拋起，當物料到達最高點位置時，依靠自重向下運動，從而使物料在反應器內部相互擴散、對流、剪切、錯位和摻混，帶動物料做全方位的空間不規則混合運動[7]。物料腐熟后，依靠重力與攪刀對物料的作用在出料口排出發酵完全物料。得益于立式結構的設計，反應器的空間利用率得以提升，占地面積降低至1.5 m2，相較于傳統的死畜禽堆肥反應器增加了加熱功能，將堆肥周期降至2～4 d。

2 關鍵參數

2.1 容積

容積決定堆肥反應器的最大裝載量和產量。死畜禽、水、碳源的質量比1∶0.7∶1，物料的總質量為死畜禽處理量的2.7 倍。原料的容重約900 kg/m3，為保證堆肥過程中有充足的氧氣含量，反應器不能全部裝滿，根據國外同類產品的使用經驗，反應器的充滿率90%，由此可以推導出反應器容積按式（1）計算[8]。

V =2.7×mm／0.9ρ（1）

式中 V——反應器內殼體容積，m3

mm——死畜禽批次最大處理量，kg

ρ——堆肥原料容重，取ρ=0.9 kg/m3

設定死畜禽最大處理量600 kg/批次，代入式（1），經計算反應器設計容積V=2.0 m3。

2.2 加熱裝置功率

加熱棒功率應滿足在?20 °C 的環境下將反應器內環境溫度加熱到60 °C，在此過程中，微生物通過有氧呼吸產生的熱量較少，可忽略不計[9]。反應器內熱量通過加熱棒加熱產生，經過以上分析可知反應器內熱量損失主要通過熱傳導。整體的熱平衡方程為

qeht=ql+qelse （2）

式中 qeht——電熱管釋放熱量速率，kJ/h

ql——反應器釋放熱量速率，kJ/h

qelse——其他形式熱量損耗速率，kJ/h

設加熱管功率為Peht（W），則加熱管單位時間內所釋放的熱量為

qeht = 3.6Peht （3）

為維持反應器內熱平衡qehtgt;ql，經過計算可得Pehtgt;9 563 W。考慮到加熱棒的型號功率，最終選擇功率為100 kW 加熱棒。

3 關鍵部件

3.1 定刀結構

定刀結構由定刀1、定刀2、定刀3 組成，如圖2所示。定刀1 固接于反應器主體側壁，定刀2 和定刀3 固接于主體底部，定刀1 和攪刀片相互配合，定刀2和定刀3 和推板相互配合。

定刀1 在空間上分3 層排布，上、中兩層定刀分別成中心對稱分布，反應器整體在工作過程中所受到的載荷較為均勻，裝置可靠性較強。

定刀2 與定刀3 安裝在反應器主體底部，定刀2距離中心軸較遠，與推板配合間隙較大，定刀3 距離中心軸較近與推板配合間隙較小[10]。

3.2 攪刀結構

攪刀結構主要由攪刀軸、攪刀片、推板和破碎齒組成，其中攪刀片分成上、中、下3 部分，如圖3 所示。

3.2.1 攪刀軸

攪刀軸的設計決定了攪刀結構的基本性能，攪刀軸采取組合曲線的設計，下部曲線采用圓錐與圓柱的相貫線，上部曲線采用等距螺旋線，增強反應器內部軸向流動，確保攪刀結構可靠耐用[11]。攪刀軸結構如圖4 所示。

3.2.2 攪刀片

攪刀片與定刀組合對死畜禽進行撕裂、剝離，以及推動物料進行軸向的混合攪拌，對反應器性能的影響也尤為重要。攪刀片如圖5 所示。反應器底部物料壓實嚴重，刀片推動較為困難，在電機功率一定的條件下，對下部刀片寬度設計從下往上逐漸增大，確保能正常推動物料進行轉動[12]。由于制造工藝的要求，刀片不能設計成曲面結構（開模成本大），刀軸為空間曲線，無法實現一整片刀片貼合于刀軸上，因此，將攪刀片進行多段設計，為防止中間漏料，設計中間刀片對上下刀片進行連接。上部刀片尺寸結構較大，容易發生變形，采取對上部刀片向內折彎的方式降低上部刀片的受力。

4 基于EDEM 離散元仿真模擬

4.1 EDEM 仿真參數設置

為在整機試驗前驗證所設計的死畜禽立式堆肥反應器工作效果，利用EDEM 對反應器進行仿真分析[13- 14]。物料堆肥進行到中后期，內部物料均勻，力學性能穩定，可獲得相關參數，具體參數設置如表1 所示，其中Q235 為屈服強度235 MPa 的碳素結構鋼[15]。

4.2 仿真結果

顆粒運動軌跡如圖6 所示，在軸向顆粒運動軌跡圖可以看出物料顆粒以垂直于攪刀向上方流動，沿著攪刀的方向反應器底部回落，在橫截面及縱截面顆粒運動軌跡圖中可看出死畜禽立式堆肥反應器內部可以形成軸向和徑向穩定流動的流場，尤其在貼近錐體壁面位置可形成較高流速的流場。

由圖7 可知，盡管反應器內部在軸向空間上壓實程度不均勻，但在攪拌混合的過程中攪刀結構受力均勻，沒有出現局部的載荷過大及應力集中等問題。

5 結束語

本研究提出了一種死畜禽立式堆肥反應器，反應器配合自動上料裝置，可實現無人自動上料。相較于傳統的死畜禽堆肥反應器，實現了破碎、堆肥功能的一體化設計，大大降低了整套死畜禽堆肥反應器設備制造成本。加熱系統的增加，縮短堆肥周期至2～4 d；整體的立式結構，使得占地面積僅1.5 m2。死畜禽立式堆肥反應器的順利研發對中小養殖規模養殖廠死畜禽處理具有重要意義。

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基金項目： 國家重點研發計劃項目（2022YFD2002105）