喬曉東 賈海遙, 王晨健, 王琨琦 顏丙新 郭文忠

(1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 西安 710021)

0 引言

有機(jī)基質(zhì)栽培是設(shè)施農(nóng)業(yè)無土栽培主要形式之一。有機(jī)基質(zhì)除了能夠支撐、固定植株根系外，還可以為作物根系所需的水、肥、氣、熱等生長(zhǎng)條件提供緩沖作用，即外來水分和養(yǎng)分可以暫時(shí)儲(chǔ)存于有機(jī)基質(zhì)中，供植物根系按需選擇吸收[1]。基質(zhì)作為栽培的核心，既是決定植物根系生長(zhǎng)的最主要因素，也是病蟲害傳播的媒介和繁殖場(chǎng)所。一方面，由于連作后自毒產(chǎn)物增多、抵抗力下降，加劇了病菌傳播；另一方面，基質(zhì)本身含有害蟲和雜草種子，使作物產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響后茬作物的生長(zhǎng)，造成大面積的病菌、病毒、線蟲以及蟲卵傳播，甚至導(dǎo)致整個(gè)種植過程的失敗[2-3]。因此，基質(zhì)消毒是設(shè)施栽培中非常重要的作業(yè)環(huán)節(jié)。

為全面推進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化利用，提高有機(jī)基質(zhì)重復(fù)利用率，研究者對(duì)栽培介質(zhì)消毒方法進(jìn)行了大量嘗試與探索，常規(guī)的消毒方法主要包括化學(xué)消毒和太陽(yáng)能、蒸汽、微波等物理高溫消毒[4]。其中，化學(xué)消毒主要利用嗅甲烷、氯化物、甲醛、高錳酸鉀、漂白劑等藥劑對(duì)基質(zhì)進(jìn)行消毒，方法比較簡(jiǎn)單,但不容易殺滅基質(zhì)中的雜草種子,且藥劑會(huì)造成環(huán)境污染，因而此方法將逐漸被淘汰；太陽(yáng)能消毒需要光照,受氣候與天氣等自然條件限制，消毒周期長(zhǎng)[5]，蒸汽、微波高溫消毒通過加熱流動(dòng)空氣殺滅基質(zhì)中的病菌與雜草，是目前基質(zhì)消毒的研究熱點(diǎn)[6-11]。

臭氧消毒除應(yīng)用于醫(yī)療、水處理及農(nóng)產(chǎn)品殺菌外，在作物栽培中同樣具有滅菌增產(chǎn)效果[12-14]。本文針對(duì)有機(jī)基質(zhì)消毒方法與技術(shù)裝備現(xiàn)狀，根據(jù)有機(jī)質(zhì)物料輸送及拋撒動(dòng)力學(xué)特性與臭氧消毒工藝流程，設(shè)計(jì)一種轉(zhuǎn)筒式有機(jī)基質(zhì)臭氧消毒設(shè)備，采用螺旋輸送器推送有機(jī)基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)有機(jī)基質(zhì)連續(xù)進(jìn)出，升舉抄板拋撒有機(jī)基質(zhì)與臭氧氣體形成對(duì)流，以提高消毒效率。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)有機(jī)基質(zhì)臭氧消毒技術(shù)需求及工藝流程，臭氧消毒設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由臭氧發(fā)生器、出料口、回轉(zhuǎn)軸承、螺旋輸送器罩殼、升舉抄板、螺旋輸送器、進(jìn)料口、螺旋輸送器電機(jī)、變頻器、螺旋輸送器罩殼電機(jī)、轉(zhuǎn)筒托輥、托輥電機(jī)、轉(zhuǎn)筒、機(jī)架等組成。臭氧發(fā)生器與轉(zhuǎn)筒通過快速旋轉(zhuǎn)接頭聯(lián)結(jié)，進(jìn)料口與出料口分別配置于轉(zhuǎn)筒左右兩側(cè)，螺旋輸送器罩殼與轉(zhuǎn)筒采用回轉(zhuǎn)軸承實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋輸送器電機(jī)、螺旋輸送器罩殼電機(jī)、托輥電機(jī)與變頻器驅(qū)動(dòng)螺旋輸送器轉(zhuǎn)動(dòng)、罩殼翻轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)。螺旋輸送器與螺旋輸送器罩殼實(shí)現(xiàn)有機(jī)基質(zhì)轉(zhuǎn)筒進(jìn)料與卸料，轉(zhuǎn)筒內(nèi)部升舉抄板在消毒階段拋撒有機(jī)基質(zhì)形成“物料簾”與臭氧氣體充分接觸，卸料階段拋撒至螺旋輸送器罩殼內(nèi)，在螺旋輸送器作用下，完成有機(jī)基質(zhì)輸送與卸料作業(yè)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定的臭氧消毒設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 臭氧消毒設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of ozone disinfection equipment

圖1 有機(jī)基質(zhì)臭氧消毒設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Ozone disinfection equipment structure diagram drawing for organic matrix1.臭氧發(fā)生器 2.快速旋轉(zhuǎn)接頭 3.出料口 4.回轉(zhuǎn)軸承 5.螺旋輸送器罩殼 6.升舉抄板 7.螺旋輸送器軸 8.螺旋輸送器罩殼鏈傳動(dòng) 9.進(jìn)料口 10.螺旋輸送器電機(jī) 11.變頻器 12.螺旋輸送器罩殼電機(jī) 13.螺旋輸送器 14.轉(zhuǎn)筒托輥 15.托輥電機(jī) 16.轉(zhuǎn)筒 17.機(jī)架

1.2 工作原理

首先臭氧發(fā)生器產(chǎn)生的臭氧氣體依次通過快速旋轉(zhuǎn)接頭、中空輸送軸通氣孔進(jìn)入轉(zhuǎn)筒，當(dāng)消毒轉(zhuǎn)筒內(nèi)的臭氧氣體達(dá)到指定濃度時(shí)，關(guān)閉臭氧發(fā)生器；接著開啟輸送器電機(jī)，在罩殼作用下，有機(jī)基質(zhì)從進(jìn)料口向出料口軸向移動(dòng)，當(dāng)有機(jī)基質(zhì)接近出料口時(shí)，開啟罩殼電機(jī)，翻轉(zhuǎn)罩殼，有機(jī)基質(zhì)撒落至轉(zhuǎn)筒底部，回轉(zhuǎn)罩殼繼續(xù)進(jìn)料；然后啟動(dòng)托輥電機(jī)，托輥摩擦力驅(qū)動(dòng)托輥轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)筒、升舉抄板、重力等的聯(lián)合作用下，有機(jī)基質(zhì)依次實(shí)現(xiàn)升舉、拋撒以及與螺旋輸送器罩底部發(fā)生二次碰撞等運(yùn)動(dòng)，并與臭氧氣體充分接觸，實(shí)現(xiàn)有機(jī)基質(zhì)臭氧消毒；臭氧消毒完成后，罩殼回正，再次開啟輸送，有機(jī)基質(zhì)拋撒至罩殼內(nèi)，在輸送器螺旋推送作用下，經(jīng)出料口完成卸料作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)筒與抄板

在消毒和卸料關(guān)鍵作業(yè)階段，有機(jī)基質(zhì)隨轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受到轉(zhuǎn)筒徑向、大小與有機(jī)基質(zhì)顆粒質(zhì)量、質(zhì)心至轉(zhuǎn)筒圓心距離、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速的平方成正比離心力F，垂直于抄板表面支承力N、平行于抄板表面摩擦力f、垂直向下重力G合力作用，去除有機(jī)基質(zhì)顆粒與轉(zhuǎn)筒及顆粒間碰撞接觸力、阻尼力后受力分析如圖2所示。

圖2 有機(jī)基質(zhì)受力分析示意圖Fig.2 Mechanical analysis of organic matrix

另外為了滿足臭氧消毒工藝流程，在消毒階段，有機(jī)基質(zhì)需與轉(zhuǎn)筒底部發(fā)生二次碰撞，增加接觸面積，在卸料階段，有機(jī)基質(zhì)盡量全部?jī)A撒于螺旋輸送器罩殼內(nèi)，提高卸料效率。轉(zhuǎn)筒容積與消毒能力直接相關(guān)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，有機(jī)基質(zhì)消毒設(shè)備一次可消毒質(zhì)量m為50 kg，試驗(yàn)所用的有機(jī)基質(zhì)密度ρ為299.3 kg/m3，為保證良好的消毒效果，假設(shè)有機(jī)基質(zhì)填充率γ為20%[15]，轉(zhuǎn)動(dòng)軸向長(zhǎng)度L為1 000 mm，滾筒半徑r計(jì)算式為

(1)

將已知參數(shù)代入式(1)取整后，r為500 mm，由于臭氧氣體具有強(qiáng)氧化性，轉(zhuǎn)筒的筒體采用304不銹鋼，厚度4 mm。

轉(zhuǎn)筒內(nèi)部設(shè)置抄板有利于提高有機(jī)基質(zhì)傾撒效果[16]，使有機(jī)基質(zhì)在轉(zhuǎn)筒的整個(gè)橫截面上均勻分布，保證物料與臭氧氣體有良好的接觸，提高消毒效果與轉(zhuǎn)筒的填充率。抄板的布置形式分為升舉式、均布式、扇形式、蜂巢式和翻動(dòng)式等[17]，升舉式抄板加工制作方便，便于安裝，對(duì)有機(jī)基質(zhì)的適用性較為廣泛。抄板數(shù)量一般取筒體直徑的6～10倍[7,17]，抄板的徑向高度和長(zhǎng)度可以根據(jù)抄板的有機(jī)基質(zhì)持有量和筒體實(shí)際空間布置來確定，初步設(shè)計(jì)抄板的徑向高度為170 mm，長(zhǎng)度為1 000 mm，抄板材料同樣采用304不銹鋼，厚度4 mm，結(jié)合筒體的空間布置，在筒體橫截面布置了8個(gè)抄板，抄板在滾筒內(nèi)的布置如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)筒與升舉抄板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of rotating barrel and lifting board1.連接法蘭 2.轉(zhuǎn)筒 3.升舉抄板

2.2 螺旋輸送器

常用的輸送裝置有螺旋輸送器、刮板式輸送器與拋扔式輸送器[15]。本文選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)速可在較大范圍內(nèi)變化的螺旋輸送器。螺旋輸送器結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括葉片外直徑D、葉片內(nèi)直徑d、葉片螺距p、轉(zhuǎn)速n，螺旋輸送器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 螺旋輸送器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of screw conveyers

螺旋輸送器的生產(chǎn)率(推送量)與螺旋輸送器葉片外直徑、葉片內(nèi)直徑、葉片螺距、葉片與外殼間隙、螺旋輸送器轉(zhuǎn)速、有機(jī)基質(zhì)物料特性及螺旋輸送器布置形式有關(guān)，計(jì)算式為[15]

(2)

式中Q——螺旋輸送器生產(chǎn)率(輸送量)，kg/s

λ——螺旋輸送器葉片與罩殼間隙，一般為5～8 mm，取5 mm

φ——輸送有機(jī)基質(zhì)的充滿系數(shù)，一般為0.3～0.4，取0.35

C——螺旋輸送器傾斜輸送系數(shù)，水平布置為1

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，為提高有機(jī)基質(zhì)生產(chǎn)率，結(jié)合《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中螺旋輸送器葉片外直徑選取表，D選取160 mm，葉片厚度s為3 mm。

螺旋輸送器輸送軸直徑一般計(jì)算公式為[18]

d=(0.2～0.35)D

(3)

因此，螺旋輸送器軸直徑d取值為32～56 mm，螺旋輸送器軸采用空心軸設(shè)計(jì)，且軸上有通氣孔，用于向轉(zhuǎn)筒內(nèi)部通入臭氧氣體，適當(dāng)擴(kuò)大軸徑，d選取60 mm，螺旋輸送器軸選用304不銹鋼管，壁厚17 mm。

螺距不僅決定螺旋的升角，也決定物料運(yùn)行的滑移面，螺距直接影響物料的輸送過程，計(jì)算公式為[19-20]

p=K1D

(4)

式中K1——螺距系數(shù)，當(dāng)水平布置時(shí)，取0.8～1.0

因此，螺旋輸送器葉片螺距為128～160 mm，考慮到有機(jī)基質(zhì)流動(dòng)性較好且螺距適當(dāng)增大有助于提高螺旋輸送器的輸送能力，所以螺旋輸送器葉片采用304不銹鋼，螺距p為160 mm。

螺旋輸送器轉(zhuǎn)速對(duì)輸送量有很大的影響。一般來說，螺旋輸送器轉(zhuǎn)速越大，輸送量越高，但由于螺旋輸送器罩殼選用開口設(shè)計(jì)，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過極限速度后，有機(jī)基質(zhì)會(huì)在螺旋輸送器垂直輸送方向產(chǎn)生跳動(dòng)或者因?yàn)殡x心力過大而向外拋出，影響物料輸送，因此需對(duì)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速n進(jìn)行一定的限定?？筛鶕?jù)螺旋輸送器最大轉(zhuǎn)速公式進(jìn)行計(jì)算[21]，即

(5)

式中nmax——螺旋輸送器最大轉(zhuǎn)速，r/min

A——有機(jī)基質(zhì)綜合特征系數(shù)，為28

因此，計(jì)算求得nmax為70 r/min，即在滿足輸送量要求的前提下，螺旋轉(zhuǎn)速不允許超過它的臨界轉(zhuǎn)速，即

n

(6)

聯(lián)合公式(2)～(6)計(jì)算可得，螺旋輸送器生產(chǎn)率Q為0.29 kg/s，效率滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

2.3 螺旋輸送器罩殼

在進(jìn)料和卸料階段螺旋輸送器罩殼配合螺旋輸送器進(jìn)行有機(jī)質(zhì)軸向推送，在消毒階段，螺旋輸送器罩殼開口向下，在有機(jī)基質(zhì)拋撒下落過程中與有機(jī)基質(zhì)“物料簾”發(fā)生二次碰撞，增加有機(jī)基質(zhì)與臭氧氣體接觸機(jī)率，提高消毒效率，在卸料階段，螺旋輸送器罩殼開口向上，有機(jī)基質(zhì)回落至螺旋輸送器罩殼，配合螺旋輸送器完成卸料作業(yè)。因此，螺旋輸送器罩殼既要保證與“物料簾”發(fā)生二次碰撞后順利回彈至轉(zhuǎn)筒底部，又要滿足卸料階段有機(jī)基質(zhì)完全回落至螺旋輸送器罩殼內(nèi)，綜合考慮有機(jī)基質(zhì)摩擦角與傾撒特性，罩殼開口角設(shè)計(jì)為60°，并與底部半圓相切，螺旋輸送器罩殼結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 螺旋輸送器罩殼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of screw conveyers cover

3 數(shù)值模擬

在消毒和卸料過程中，有機(jī)基質(zhì)除受到轉(zhuǎn)筒作用力、抄板作用力、重力、離心力之外，還受到包括有機(jī)基質(zhì)顆粒-顆粒、顆粒-轉(zhuǎn)筒之間接觸力作用，有機(jī)基質(zhì)與消毒設(shè)備之間運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)過程理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證較復(fù)雜，為有效分析優(yōu)化設(shè)備參數(shù)，以有機(jī)基質(zhì)抄板角(如圖2中β，抄板水平為0°，逆時(shí)針為正)為評(píng)價(jià)目標(biāo)，以抄板彎折角、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速、有機(jī)基質(zhì)轉(zhuǎn)筒填充率為影響因素，采用離散元分析軟件EDEM建立顆粒模型，與設(shè)備模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析有機(jī)基質(zhì)在設(shè)備內(nèi)部運(yùn)動(dòng)過程，求取設(shè)備最優(yōu)工況。

3.1 接觸模型

考慮到有機(jī)基質(zhì)顆粒在含水率低的情況下，表面幾乎沒有黏附力，故選取Hertz-Mindlin接觸模型[22-24]。該模型屬于常規(guī)的顆粒接觸模型，模型中將每個(gè)顆粒的碰撞接觸力及阻尼分解為法向和切向方向[25-26]。

3.2 參數(shù)設(shè)置

選取上海森農(nóng)環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的有機(jī)基質(zhì)為研究對(duì)象，有機(jī)基質(zhì)包括椰糠、草炭和有機(jī)肥等。為提高計(jì)算效率，將物料簡(jiǎn)化為球狀，設(shè)置球狀粒徑為1～3 mm，尺寸隨機(jī)分布。在SolidWorks中對(duì)消毒設(shè)備進(jìn)行實(shí)體建模(比例1∶1)，將裝配體保存為igs格式并導(dǎo)入EDEM軟件中，為減小計(jì)算量，去除了對(duì)仿真影響不大的結(jié)構(gòu)，如螺旋輸送器、傳動(dòng)裝置等，如圖3所示。

通過有機(jī)基質(zhì)物料特性試驗(yàn)并參考文獻(xiàn)[27-29]，得到有機(jī)基質(zhì)與轉(zhuǎn)筒抄板之間的力學(xué)特性和相互之間的接觸參數(shù)如表2所示。

表2 EDEM中材料參數(shù)設(shè)置Tab.2 Material parameter setting of EDEM

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和指標(biāo)測(cè)定

有機(jī)基質(zhì)臭氧消毒主要分為消毒和卸料兩個(gè)階段，傾盡角是指有機(jī)基質(zhì)完全從抄板表面滑落時(shí)抄板基準(zhǔn)面與水平面的夾角，傾盡角不僅可以反映有機(jī)基質(zhì)拋撒“物料簾”的特性，同時(shí)可以表征物料回落螺旋輸送器罩殼狀態(tài)，因此將傾盡角作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)有機(jī)基質(zhì)物料特性與消毒設(shè)備動(dòng)力學(xué)參數(shù)不確定性，采用二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。結(jié)合實(shí)際工藝流程與生產(chǎn)需求，確定各因素的取值范圍：抄板彎折角為90°～180°，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速為2～14 r/min，有機(jī)基質(zhì)填充率為10%～30%。以抄板彎折角X1、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速X2和填充率X3為試驗(yàn)變量，基于二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)原理，建立因素編碼表，如表3所示。

表3 二次回歸正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素編碼Tab.3 Factors and codes of quadratic regression orthogonal rotating experiment design

通過EDEM軟件后處理模塊中的量角器功能對(duì)物料傾盡角進(jìn)行測(cè)量。

4.2 回歸模型建立

離散元模型中時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為2.4×10-5s，瑞利步長(zhǎng)設(shè)定為20%，保存時(shí)間為0.01 s。抄板彎折角為120°、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速為6 r/min、填充率為13%時(shí)，有機(jī)基質(zhì)消毒階段與卸料階段仿真結(jié)果如圖6、7所示。在以上條件下，圖6顯示有機(jī)基質(zhì)顆粒消毒階段可有效形成“物料簾”，并與螺旋輸送器罩殼底部發(fā)生二次碰撞，圖7顯示有機(jī)基質(zhì)顆粒在卸料階段基本上可以一次全部?jī)A倒于螺旋輸送器罩殼內(nèi)部，此時(shí)測(cè)定傾盡角為87.1°。該模擬過程可以很好地模擬消毒裝置有機(jī)基質(zhì)顆粒分布與運(yùn)動(dòng)狀況。

圖6 有機(jī)基質(zhì)消毒階段仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of organic matrix disinfection stage

圖7 有機(jī)基質(zhì)卸料階段仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of organic matrix unloading stage

依據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)置不同試驗(yàn)組的參數(shù)模型，以仿真結(jié)果得到的物料傾盡角Y為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以各影響因素為自變量，基于EDEM仿真試驗(yàn)，得到結(jié)果如表4所示。

表4 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.4 Experimental design and result of quadratic regression orthogonal rotating test

表5 試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab.5 Variance analysis of material inclination angle

表6 優(yōu)化模型方差分析結(jié)果Tab.6 Variance analysis results of optimization model

Y=173.58-0.802 3X1+2.448 8X2

(7)

4.3 最優(yōu)參數(shù)組合確定

基于響應(yīng)面法，應(yīng)用Design-Expert軟件中的Optimization模塊進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，為在消毒階段使有機(jī)基質(zhì)形成有效的“物料簾”并與螺旋輸送器罩殼發(fā)生二次碰撞，提高臭氧消毒效率，在卸料階段有機(jī)基質(zhì)可以完全回落至螺旋輸送器罩殼，設(shè)置傾盡角取值范圍為75°≤Y≤95°，在90°≤X1≤180°，2 r/min≤X2≤14 r/min的條件下對(duì)各參數(shù)進(jìn)一步尋優(yōu)，獲得最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為:X1=124.23°、X2=6.29 r/min，此時(shí)可獲得Y的最優(yōu)目標(biāo)值為89.3°。

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證模擬試驗(yàn)結(jié)果與臭氧消毒滅菌效果，在參數(shù)優(yōu)化和樣機(jī)試制完成后，于2019年6月在北京市農(nóng)林科學(xué)院進(jìn)行了有機(jī)基質(zhì)臭氧消毒、卸料階段性能試驗(yàn)和滅菌性能驗(yàn)證試驗(yàn)。

5.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)有機(jī)基質(zhì)與消毒設(shè)備仿真結(jié)果，研制了整套有機(jī)基質(zhì)臭氧消毒設(shè)備，如圖8所示。有機(jī)基質(zhì)臭氧發(fā)生器型號(hào)FH-CYJ1520A-Y，額定功率0.23 kW，臭氧產(chǎn)量20 g/h，抄板彎折角124°，選取CH型臥式三相異步減速電機(jī)配合SK1600-0D75G-1型變頻器、托輥等總成驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速6 r/min，有機(jī)基質(zhì)轉(zhuǎn)筒填充率約13%。

圖8 臭氧消毒設(shè)備生產(chǎn)試驗(yàn)Fig.8 Production test of ozone disinfection equipment

選取上海森農(nóng)環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的有機(jī)基質(zhì)為研究對(duì)象，有機(jī)基質(zhì)包括椰糠、草炭和有機(jī)肥等。轉(zhuǎn)筒內(nèi)臭氧氣體初始質(zhì)量濃度為64.2 mg/m3，消毒時(shí)間60 min。臭氧消毒前后分別提取有機(jī)基質(zhì)懸液，制成樣品勻液，稀釋，分別采用LB培養(yǎng)基和YPD培養(yǎng)基，計(jì)數(shù)，消毒試驗(yàn)前測(cè)得有機(jī)基質(zhì)中細(xì)菌菌落總數(shù)為281 CFU/mL，真菌菌落總數(shù)為144 CFU/mL。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

臭氧消毒轉(zhuǎn)筒內(nèi)部拋撒情況如圖9所示，有機(jī)基質(zhì)回落至螺旋輸送器罩殼內(nèi)部效果如圖10所示。消毒階段有機(jī)基質(zhì)可以形成有效的“物料簾”并與螺旋輸送器罩殼發(fā)生二次碰撞，卸料階段有機(jī)基質(zhì)可以回落至螺旋輸送器罩殼內(nèi)部，有機(jī)基質(zhì)傾盡角與仿真結(jié)果基本類似，試驗(yàn)結(jié)果說明，仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)效果擬合性較好，Hertz-Mindlin接觸模型及參數(shù)設(shè)置適用于有機(jī)基質(zhì)與消毒設(shè)備轉(zhuǎn)筒離散元仿真。消毒60 min后，經(jīng)滅菌性能試驗(yàn)：細(xì)菌菌落總數(shù)為31 CFU/mL，真菌菌落總數(shù)為3 CFU/mL，細(xì)菌滅菌率為88.9%，真菌滅菌率為97.9%，滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

圖9 有機(jī)基質(zhì)臭氧消毒試驗(yàn)Fig.9 Ozone disinfection test of organic matrix

圖10 有機(jī)基質(zhì)卸料試驗(yàn)Fig.10 Organic matrix unloading test

6 結(jié)論

(1)臭氧消毒設(shè)備轉(zhuǎn)筒直徑1 000 mm、長(zhǎng)度1 000 mm，轉(zhuǎn)筒徑向均布8個(gè)升舉抄板，升舉抄板徑向高度170 mm、彎折角124°，螺旋輸送器葉片外直徑160 mm、葉片內(nèi)直徑60 mm、螺距160 mm，螺旋輸送器罩殼開口角60°。

(2)采用EDEM建立有機(jī)基質(zhì)顆粒模型，并進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，選取Hertz-Mindlin接觸模型與設(shè)備模型進(jìn)行數(shù)值模擬，分析有機(jī)基質(zhì)在設(shè)備內(nèi)部運(yùn)動(dòng)過程，得到最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為：抄板彎折角124.23°、轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)速6.29 r/min，此時(shí)有機(jī)基質(zhì)傾盡角為89.3°。

(3)消毒階段與卸料階段試驗(yàn)效果與仿真試驗(yàn)擬合性較好，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定有機(jī)基質(zhì)“物料簾”的形成及與螺旋輸送器發(fā)生的二次碰撞，作業(yè)完成后回落至螺旋輸送器罩殼內(nèi)。經(jīng)滅菌性能檢測(cè)，消毒60 min后，細(xì)菌滅菌率為88.9%，真菌滅菌率為97.9%，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。