畜禽糞便和沼液沼渣的固液分離機制作

畜禽糞便和沼液沼渣的固液分離機制作 0、引言 畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，伴隨而來的是大量的動物糞便和相關廢棄物，沼氣工程作為一項實用工程系統(tǒng)，是目前處理畜禽糞便、改善環(huán)境和利用生物質能源的一種重要途徑。但目前在以畜禽糞便為主要原料的沼氣工程中，仍然存在著一些問題，特別是對畜禽糞便進行發(fā)酵前的預處理和發(fā)酵后的沼液沼渣分離成為一個瓶頸問題。沼氣工程中物料的傳送主要是依靠輸送泵來實現(xiàn)的，但是在傳送過程中原料結塊以及纖維狀物體經(jīng)常給泵、閥、外部和中心控制設備帶來堵塞難題?，F(xiàn)有的固液分離機在分離效率、連續(xù)運行及分離質量等方面仍不能很好地滿足畜禽糞便及沼液沼渣固液分離的需要，多數(shù)設備主要針對發(fā)酵后料液進行處理，分離出的固體含有結塊原料及纖維狀物，液體中有機成分偏少，不適合發(fā)酵原料的前期處理。本研究旨在研制一種能夠很好地適應發(fā)酵前畜禽糞便的固液分離及發(fā)酵后沼液沼渣的固液分離機，從而實現(xiàn)沼氣系統(tǒng)不堵塞并高效連續(xù)運行。1、整機結構及工作原理11設計目標1)結合畜禽糞便及沼液沼渣成分復雜、酸堿度高的特點，設計出一種滿足畜禽糞便及沼液沼渣分離的機器設備。2)固液分離機滿足聯(lián)合作業(yè)的要求，一次性完成進料、傳送、固液分離和出料等作業(yè)。3)固液分離機的篩網(wǎng)能夠與攪龍緊密貼合，攪龍葉片能將堵塞篩網(wǎng)的雜物清走;能在內(nèi)腔壓力過大時自動向外移動，保護設備。4)固液分離機固料出料端的撥料盤能夠進行自動轉動，轉動速度滿足作業(yè)要求，能按照作業(yè)需要與分離機出料端端面自動接觸或分離。5)在滿足功能要求的基礎上，整機結構設計緊湊，減小整機的體積;在滿足強度要求的前提下，減輕整機的質量，節(jié)約使用材料。6)畜禽糞便及沼液沼渣固液分離機的零件要滿足互換性和可裝配性的要求。12整機結構禽糞便及沼液沼渣固液分離機主要由機架、動力輸入裝置、進料機構、攪龍、浮動篩網(wǎng)系統(tǒng)及出料分離二級減速系統(tǒng)等組成，整機結構如圖1所示。13工作原理禽糞便及沼液沼渣固液分離機作業(yè)時，電動機通過帶輪帶動攪龍軸旋轉;需要分離的物料由進料口處進料，攪龍軸上葉片在旋轉運動的過程中將物料不斷向右推進，推動至篩網(wǎng)處，液相物料在擠壓和離心力的作用下，通過篩孔分離出來:在向右運動的過程中，不斷擠壓分離，行至篩網(wǎng)末端，完成固液分離。液相料液分離出去后，余下的固料不斷在殼體內(nèi)后側與撥料盤之間堆積，形成固料積存;隨著積存固料壓力的升高，固料推動撥料盤經(jīng)萬向球桿壓縮壓力彈簧，同時在攪龍軸上向后側移動，撥料盤脫離與殼體的接觸配合，在撥料盤與殼體之間出現(xiàn)間隙;當撥料盤上的從動塊與減速大齒輪上的驅動塊插入卡接配合時，轉動的減速大齒輪帶動撥料盤旋轉，將固料排出機外。當固料減少固料積存段壓力減小時，撥料盤在彈簧的作用下回位，使驅動塊和從動塊脫離配合，重新密封固料積存段，暫不出料，完成一個出料過程。如此循環(huán)進行作業(yè)。14主要技術參數(shù)外形尺寸(長×寬×高)/m:3×07×12整機質量/kg:280配套動力/kW:15篩網(wǎng)彈簧線徑/mm:55出料口彈簧線徑/mm:4篩網(wǎng)孔徑/mm:10篩孔橫向間距/mm:20篩孔縱向間距/mm:20二級減速傳動比:1/42、關鍵部件設計21攪龍軸及螺旋葉片攪龍的整體結構如圖2所示。葉片采用單頭螺旋葉片，厚度為3mm。葉片與料液的摩擦力應盡可能地小，故選擇不銹鋼板作為材料。為了減少螺旋葉片在推料過程中發(fā)生的磨損，對螺旋葉片的推料面噴涂高硬度的合金作硬化處理。攪龍軸上共設置11片螺旋葉片，前端等螺距120mm設置7片，主要起傳輸物料至分離篩網(wǎng)處和對物料進行粗分離的作用。由于物料含水率在分離過程中逐步降低，所以后4片根據(jù)含水率不同，葉片螺距依次減少10mm。在分離過程中，實際的葉片螺旋升程角需小于理論計算值才能使物料運動不自鎖;另外因焊接部位與物料存在摩擦。綜合考慮上述因素，因此實際螺旋傾角應取理論螺旋傾角計算值的80%90%。軸徑d=60mm，由于葉片螺距是變化的，經(jīng)計算后，各含水率下的理論螺旋傾角、實際螺旋傾角 及葉片螺距L如表1所示。22固液分離機篩網(wǎng)設計固液分離機篩網(wǎng)如圖3所示。為了能夠去除料液中粗纖維和長纖維，保證分離的效果，對料液進行采樣分析，對其中的粗纖維和長纖維進行記錄統(tǒng)計。經(jīng)數(shù)據(jù)分析及后期實驗優(yōu)化后，設計孔徑為105mm，篩孔的軸向和橫向距離分別為20mm。分離機的篩網(wǎng)是前后對稱分布的，在篩網(wǎng)邊框上焊接6個立柱，采用拉簧分別將對應的立柱連接。在分離過程中，攪龍葉片與篩網(wǎng)緊密接觸，將液料分離出來。如果發(fā)生堵塞的情況，篩網(wǎng)會向外浮動，保護設備，在浮動的同時，攪龍會將堵塞篩網(wǎng)的物料向前推進。在此機構中，如果彈簧剛度過大，則篩網(wǎng)向外移動困難，在篩孔堵塞時會造成攪龍旋轉受阻，損壞電動機;剛度過小，則造成攪龍與篩網(wǎng)面接觸不緊密，分離效果不理想。經(jīng)過實驗，篩網(wǎng)的預應力300N左右合適，預緊拉伸量為150mm。根據(jù)彈簧應力的計算公式F=KX，則彈簧的應力常數(shù)K=F/X=2N/mm。根據(jù)設計要求，已定內(nèi)徑=20mm，自由高度H=150mm，總圈數(shù)N=30，有效圈數(shù)Nc=28，材質選擇琴鋼絲(G=21000)。彈簧常數(shù)公式為式中G-線材的鋼性模數(shù);d-線徑(mm);Dm=MD-中徑(mm);Nc-有效圈數(shù)。代入設計數(shù)據(jù)，即得所需線徑d=4mm。23固液分離機出料機構231撥料盤嚙合機構如圖4所示，在減速大齒輪上沿圓周方向均布配裝套筒，套裝壓力彈簧的萬向球桿可軸向移動插配在套筒上;所述壓力彈簧的前端在萬向球桿上軸向定位，其后端與套筒前端接觸配合，萬向球桿球端部與撥料盤接觸且擠壓配合。這種采用萬向球與撥料盤端面接觸的方式，能夠使撥料盤充分自由轉動，降低了撥料盤的磨損，延長了設備使用壽命。在減速大齒輪前側面上和撥料盤后側面上分別對應固裝驅動塊和從動塊，所述的驅動塊與從動塊相互插入卡接配合或脫離配合。這種配合方式結構簡單，制造成本低，容易維護，配合精度準確。此機構的關鍵問題在于根據(jù)實際需要選擇合適的彈簧，使得驅動塊與從動塊嚙合時，既能保證固料積存段壓力符合需要，又能使得出料平穩(wěn)順暢。通過試驗分析，固料積存段出料壓力在300N時，分離出的固料干濕度在50%以下，固液分離過程同時能平穩(wěn)進行，所以設計彈簧在嚙合時彈簧力為300N。其他數(shù)據(jù)綜合考慮結構緊湊與實際需要設計為:驅動塊與從動塊之間的距離為200mm，撥料盤長200mm，萬向球桿內(nèi)徑20mm。彈簧的選擇是保證出料機構能夠運行順暢的關鍵步驟。驅動塊與從動塊嚙合時，撥料盤的位移為100mm，產(chǎn)生的壓力應為300N。根據(jù)彈簧應力的計算公式F=KX，則彈簧的應力常數(shù)K=F/X=3N/mm;根據(jù)設計要求，已定內(nèi)徑=20mm，自由高度H=20mm，總圈數(shù)N=20。有效圈數(shù)Nc=18，材質選擇琴鋼絲(G=8000)。彈簧常數(shù)公式為代入設計數(shù)據(jù)，即得所需線徑d=55mm。232出料口二級減速畜禽糞便及沼液沼渣固液分離機二級減速系統(tǒng)采用一對齒輪和一對帶輪的組合。固液分離機作業(yè)時，二級減速傳動系統(tǒng)如圖5所示。因為不同物料或不同進料速度產(chǎn)生固料的速度不同，減速齒輪零件較多，拆卸安裝不方便，所以通過更換螺旋軸和減速軸上不同直徑的帶輪，可以調節(jié)移動撥料盤的轉動速度，從而達到調節(jié)固料積存段內(nèi)固料的出料速度。設n軸和n出分別表示主軸的轉速和撥料盤的轉速，d主和d被表示減速機構中主動和從動帶輪的直徑，Z’主和Z’被表示減速機構中主動和從動齒輪的齒數(shù)，則由此算出不同直徑的主從動帶輪配合下二級減速傳動系統(tǒng)的降速比(減速齒輪的固定降速比為29/50)，結果如表2所示。3、性能試驗31試驗基本條件畜禽糞便及沼液沼渣固液分離機性能試驗在東北農(nóng)業(yè)大學能源實驗室進行，試驗所用原料為牛糞，取自東北農(nóng)業(yè)大學理科試驗基地。牛的主要飼料為青貯飼料和秸稈，牛糞的總固體含量約為21%，纖維狀物質較多，粗纖維及細長纖維含量接近85%。32試驗結果通過對設計的畜禽糞便及沼液沼渣固液分離機進行運行試驗，得到各部件的工作狀況如下:1)攪龍與浮動式篩網(wǎng)的工作狀況。料液由進料口進入后，在攪龍的推動下，向出料端推進，行至篩網(wǎng)處，可通過篩網(wǎng)的細小料液經(jīng)篩孔向外溢出，粗長纖維繼續(xù)向前推進;當有粗長纖維堵塞篩孔時，攪龍葉片可將將堵塞物刮走;如果雜物過多或有大的物體時，浮動式篩網(wǎng)受到擠壓向外側移動，當阻力消除后篩網(wǎng)在彈簧力作用下又恢復到原位，與攪龍葉片貼合，繼續(xù)分離。2)出料端撥料盤與二級減速配合的出料工作狀況(見圖6)。作業(yè)過程中，料液在向出料端推進的過程中，不斷分離，行至末端，完成分離;剩下的粗纖維和長纖維在出料端壓緊彈簧作用力下，在固料積存段逐漸聚集堆積;當固料積累到一定量的時候，克服彈簧壓力，將撥料盤頂出，配合二級減速出料機構，完成出料。萬向球桿配合壓緊彈簧，使移動撥料盤與固料積存段端面緊密貼合，密封左右;當固料積存段壓力過大時，推動移動撥料盤向外移動，直至撥料盤上驅動塊與減速大齒輪上驅動塊嚙合，旋轉完成出料動作。3)二級減速機構減速效果。應用設計的二級減速機構后，移動撥料盤的旋轉速度明顯降低，可按需要調整;固料出料的時候沒有物料飛濺，而是均勻地被撥料盤撥出;密封腔形成穩(wěn)定，沒有細小液料從出料端溢出，較好地實現(xiàn)了分離目的;針對不同物料和不同工作效率，通過更換不同降速比的帶輪可適應多種作業(yè)狀況要求。4、結論試驗結果表明，該固液分離機整體設計方案合理、可行，能夠實現(xiàn)固液分離的連續(xù)性和穩(wěn)定性。其主要特點如下:1)設計的兩側浮動式篩網(wǎng)結構使固液相有效分離，并可以防止篩網(wǎng)堵塞及損壞。2)設置的固料積存段，既起到固料出料前的聚集作用，又起到密封的作用。同時，調節(jié)好出料盤壓緊彈簧的壓緊力，配合二級減速出料結構，較好地實現(xiàn)了固液分離及出料的連續(xù)性。3)該機可根據(jù)不同作業(yè)狀況的要求更換不同直徑的篩網(wǎng)，操作簡便，易于掌握，分離效率高。參考文獻:1林代炎，翁伯琦，錢午巧FZ12固液分離機在規(guī)?；i場污水中的應用效果J農(nóng)業(yè)工程學報，2005，21(10):1841862蘇海泉螺旋擠壓式固液分離機及其應用J畜牧工程，1999(2):24253林斌，徐慶賢，錢蕾FZ12固液分離機結構特點及其在豬場糞污處理中的應用J農(nóng)業(yè)工程，2006(6):60614陳永生歐洲沼氣工程原料預處理裝備技術J中國沼氣，2010，28(5):18235吳軍偉，常志州，周立祥，等XY型固液分離機的畜禽糞便脫水效果分析J江蘇農(nóng)業(yè)科學，2009(2):2862886林代炎，翁伯琦固液分離機研制與應用效果J中國沼氣，2007，25(1):31347張德暉，方文熙，吳傳宇，等水平圓振動畜禽糞便固液分離機的可行性研究J機電技術，2010(3):36388陳登甲，黃瑞森，鐘日開，等三合一固液分離機設計J廣東農(nóng)機，2001(3):15169關正軍，李文哲，鄭國香，等固液分離對牛糞利用效果的影響J農(nóng)業(yè)工程學報，2011，27(4):259263