顧曉濤，殷 俊，朱麗可，吳 元，趙振振，乙楊敏

（維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 213125）

引言

餐廚垃圾成分復(fù)雜、含水含油率高，含水率達(dá)到75%～85%，使得后續(xù)處理設(shè)備壓力大，若在進(jìn)料段就能把游離水最大化分離出來，將會(huì)降低后續(xù)固體處理單元如分選機(jī)、固液分離機(jī)等設(shè)備的處理負(fù)荷。因此，對(duì)于餐廚垃圾的處理，首要任務(wù)是研發(fā)新型進(jìn)料-游離水分離一體化技術(shù)及設(shè)備，提高餐廚垃圾在料斗中的直接脫水效果，降低餐廚垃圾的后續(xù)處理負(fù)荷量。本文從改進(jìn)輸送效能出發(fā)，研究螺旋結(jié)構(gòu)、螺旋螺距以及螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)物料脫水效率和餐廚垃圾減量化的影響，以此來確定最佳參數(shù)，實(shí)現(xiàn)原始餐廚垃圾游離水的脫除最大化。

1 螺旋輸送機(jī)試驗(yàn)條件的選擇

螺旋輸送機(jī)是一種常見的連續(xù)輸送設(shè)施，被廣泛運(yùn)用于化工、冶金等行業(yè)，其重點(diǎn)輸送對(duì)象是溫度小于200 ℃的小物塊、粉狀或粒裝物料，如水泥、煤炭、垃圾等，但不適用于易粘黏、結(jié)塊的物料[2]。螺旋輸送機(jī)一般由輸送機(jī)本體、進(jìn)出料口和驅(qū)動(dòng)裝置三大部分組成，螺旋葉片有實(shí)螺旋面、帶螺旋面和葉片螺旋面三種形式[1]，其中，葉片式螺旋面主要應(yīng)用于物料黏度較大的餐廚垃圾的輸送。該螺旋面型的螺旋輸送機(jī)在完成輸送作業(yè)過程中同時(shí)完成物料的攪拌、混合等作業(yè)[2]。螺旋輸送機(jī)具有操作簡單、橫截面小、密封性能好、運(yùn)行平穩(wěn)可靠等特點(diǎn)，可以同時(shí)向兩個(gè)相反方向輸送，便于中間裝料和卸料。在輸送過程中可對(duì)物料攪拌、混合、加熱和冷卻等作業(yè)。

1.1 螺旋輸送機(jī)試驗(yàn)因素的選擇

目前有研究表明，生產(chǎn)效率和功率消耗是影響螺旋輸送機(jī)輸送性能的關(guān)鍵因素。從運(yùn)行機(jī)理角度分析，螺旋輸送機(jī)螺旋軸是關(guān)鍵性影響因素。通過對(duì)以往研究結(jié)果分析，表明螺旋軸主軸轉(zhuǎn)速、螺距是重要影響因素。為此本研究將這兩者確定為試驗(yàn)因素。無論哪一種器械，其生產(chǎn)率與功率消耗之間的矛盾較大，因此如何平衡二者尤為關(guān)鍵，螺旋輸送機(jī)也是如此。對(duì)此，本研究將螺旋輸送機(jī)的輸送螺距、轉(zhuǎn)速確定為試驗(yàn)指標(biāo)。

1.2 螺旋輸送機(jī)參數(shù)水平的選擇

絕大部分小螺距輸送介質(zhì)為粉末狀物料，大螺距螺旋輸送機(jī)輸送介質(zhì)為煤炭類大塊物料，而餐廚垃圾物料既不是粉末狀也不是大塊狀。為此，本研究選取中型螺旋輸送機(jī)，把螺距確定為400 mm、320 mm、270 mm、200 mm。

由于無法確定綜合系數(shù)，基于餐廚垃圾特征，對(duì)螺旋輸送機(jī)運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)速的確定采取經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。式中：A 是物料的綜合特性系數(shù)；D 是螺旋輸送機(jī)螺旋直徑。根據(jù)實(shí)驗(yàn)值，D≤250 mm=0.25 m，取粉末狀和小塊狀物料系數(shù)A 的中間值37.5 進(jìn)行估算，即可以得此螺旋輸送機(jī)運(yùn)行的最大轉(zhuǎn)速nmax≤75 r/min。所以，本研究將轉(zhuǎn)速控制在15～75 r/min 之間，確定轉(zhuǎn)速為15、25、35、45 r/min 下開展試驗(yàn)。

1.3 螺旋輸送機(jī)指標(biāo)的測定

餐廚垃圾的瀝水率指的是分選壓縮后的濕基含濕量，即W=[（mj-mc）/mj]×100%。式中：mj為餐廚垃圾進(jìn)料的組分質(zhì)量，g；mc為餐廚垃圾出料的組分質(zhì)量，g；mj-mc為餐廚垃圾瀝水的質(zhì)量，g。對(duì)每組試驗(yàn)進(jìn)行三次水平測試。

開始后，打開電源，當(dāng)輸送機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，扭矩轉(zhuǎn)速測量儀中轉(zhuǎn)速提升到待測數(shù)值，且保持平穩(wěn)狀態(tài)后，等待物料慢慢進(jìn)入輸送機(jī)。試驗(yàn)完，及時(shí)關(guān)上電源及變頻器，如實(shí)記錄物料體重等數(shù)據(jù)。對(duì)每一組試驗(yàn)開展三次測試活動(dòng)。

2 試驗(yàn)研究

2.1 螺旋結(jié)構(gòu)對(duì)瀝水量的影響

螺旋輸送機(jī)螺旋結(jié)構(gòu)分為有軸螺旋和無軸螺旋，如圖1 所示。在結(jié)構(gòu)上，無軸螺旋輸送機(jī)由驅(qū)動(dòng)、殼體、襯板、無軸葉片、蓋板等組成，有軸螺旋輸送機(jī)由驅(qū)動(dòng)、殼體、內(nèi)管軸、葉片、蓋板等組成，二者的直觀區(qū)別就是有無軸。有軸螺旋的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為承載力大、安全性高、適應(yīng)性強(qiáng)、維修便捷、使用時(shí)間長、轉(zhuǎn)速高、體積小等。在物料輸送過程中，無軸螺旋輸送機(jī)受力點(diǎn)主要在葉片上，導(dǎo)致葉片易磨損，而有軸螺旋輸送機(jī)受力均勻，其使用壽命在很大程度上得到了延長。

圖1 螺旋輸送機(jī)螺旋結(jié)構(gòu)

此外，有軸螺旋輸送機(jī)在坡度方面比無軸螺旋輸送機(jī)有著更強(qiáng)的適應(yīng)性，可避免物料的相互纏結(jié)。當(dāng)送料端垃圾含水率較高時(shí)，采用無軸螺旋輸送機(jī)帶到后續(xù)分選機(jī)的垃圾含水率會(huì)非常高，一方面加大了后續(xù)設(shè)備的處理負(fù)擔(dān)，另一方面導(dǎo)致物料有機(jī)質(zhì)大量流失，而有軸螺旋的反向擠水功能可以很好地避免這種情況的發(fā)生。

在實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)用中，通常采用雙軸螺旋輸送機(jī)，其運(yùn)行機(jī)制主要是在兩條無縫鋼管中均安裝有實(shí)體螺旋，一根為左旋，一根為右旋，運(yùn)行時(shí)兩根實(shí)體螺旋經(jīng)過軸伸處的一對(duì)齒輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)使物料作軸向移動(dòng)，從而達(dá)到輸送物料的目的[3]。雙軸螺旋輸送機(jī)不僅有傳輸物料的作用，而且對(duì)物料有粗破碎和攪拌的作用，對(duì)游離水的去除效果更佳。

物料在螺旋輸送過程中，通過葉片螺旋擠壓，其游離水會(huì)通過濾網(wǎng)進(jìn)入瀝水池。葉片數(shù)以及濾網(wǎng)的孔徑也是考核螺旋瀝水能力的重要指標(biāo)。一般情況下，選擇葉片數(shù)8～11 個(gè)，控制濾網(wǎng)的孔徑在8～10 mm，若孔徑大容易使較大物料掉落，若孔徑小容易導(dǎo)致篩孔堵塞而影響輸送能力。

2.2 螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)瀝水量的影響

為了能夠確保螺旋主軸轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確，最好標(biāo)定變頻器輸出頻率，并將減速器與螺旋主軸之間傳感器進(jìn)行有效連接，傳感器可對(duì)主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行準(zhǔn)確測量，并將其實(shí)際數(shù)值呈現(xiàn)在顯示器上，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)為：轉(zhuǎn)速不準(zhǔn)確度≤0.2%，轉(zhuǎn)矩不準(zhǔn)確度≤0.5%F.S，環(huán)境溫度≤-20～60 ℃，環(huán)境濕度（RH）≤85%，消耗功率≤13 W。

選取實(shí)驗(yàn)范圍的主軸轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)變頻頻率，得到其對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速、頻率值，對(duì)相應(yīng)數(shù)值進(jìn)行擬合，二者呈現(xiàn)的曲線關(guān)系基本上是線性關(guān)系y=0.736 2x-0.491 4，如圖2 所示。

圖2 螺旋頻率與螺旋主軸轉(zhuǎn)速的線性關(guān)系

螺旋輸送機(jī)由槽體、轉(zhuǎn)軸、螺旋葉片、軸承及其傳動(dòng)裝置組成，通常通過裝置間的相互作用力來完成物料的輸送工作，因此螺旋軸的螺旋輸送速度是影響物料輸送的關(guān)鍵因素[4]。往往螺旋輸送速度取決于螺旋頻率，而螺旋頻率對(duì)瀝水效果會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

如表1 所示，通過調(diào)整螺旋輸送機(jī)螺旋頻率的大小，可以有效控制進(jìn)料量的輸送。當(dāng)螺旋頻率較小時(shí)，其瀝水性能較差，其原因在于葉片對(duì)物料的擠壓力不夠，脫水效果不明顯；當(dāng)螺旋頻率逐漸增加時(shí)，物料受到擠壓，脫水效果明顯，因此瀝水的效果顯著增強(qiáng)。

表1 螺旋頻率對(duì)瀝水效果的影響

餐廚垃圾在運(yùn)輸料槽之中的運(yùn)動(dòng)，具有復(fù)合雙向的特點(diǎn)，表現(xiàn)為沿軸向運(yùn)動(dòng)以及沿徑向運(yùn)動(dòng)，因此可將螺旋軸轉(zhuǎn)速劃分成軸向轉(zhuǎn)速與徑向轉(zhuǎn)速。在固定螺旋升角的條件下，螺旋軸轉(zhuǎn)速增大，會(huì)引起軸向轉(zhuǎn)速以及徑向轉(zhuǎn)速增大，與螺旋軸接近的物料其圓周轉(zhuǎn)速高于物料的物料流運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由于螺旋軸轉(zhuǎn)速未高于主軸最大轉(zhuǎn)速50 r/min，此時(shí)對(duì)物料流運(yùn)動(dòng)形成的影響不高，也就是說，單項(xiàng)徑向速度的提高，不會(huì)對(duì)物料運(yùn)動(dòng)軌跡造成過大的影響，而受轉(zhuǎn)向速度增大的影響，物料在軸向的運(yùn)動(dòng)會(huì)加快，所以在一定時(shí)間內(nèi)，物料瀝水量會(huì)提高。

2.3 螺旋螺距對(duì)瀝水量的影響

如表2 所示，固定螺旋轉(zhuǎn)速為32 r/min，通過調(diào)整螺旋輸送機(jī)螺旋螺距的大小，有效控制進(jìn)料量。當(dāng)螺旋螺距較小時(shí)，其瀝水性能較差，其原因在于葉片對(duì)物料的擠壓力不夠，脫水效果不明顯；當(dāng)螺旋螺距逐漸增大時(shí)，物料受到擠壓，脫水效果明顯，瀝水的效果顯著增強(qiáng)。

表2 螺旋螺距對(duì)瀝水效果的影響

螺旋輸送機(jī)螺距變化會(huì)影響螺旋升角的大小，螺距大小變化會(huì)對(duì)物流輸送過程產(chǎn)生影響。通常在等軸徑的情況下，螺距與螺旋升角為正比，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析運(yùn)動(dòng)過程，能夠發(fā)現(xiàn)在螺旋輸送機(jī)螺旋主軸轉(zhuǎn)速不高于螺旋轉(zhuǎn)速理論最大值的情況下，螺旋升角與軸向速度呈正比，可促進(jìn)物料瀝水效果的提高[5]。考慮螺距大小和物料軸向速度、圓周速度，以及物料特性、螺旋面和物料摩擦力等之間均存在一定關(guān)系[6]，可選擇320 mm 螺距，確保瀝水量以及功耗值的科學(xué)性。

3 結(jié)論

螺旋變徑變螺距是指在螺旋中不斷增大螺旋軸直徑或者減小螺距，當(dāng)同時(shí)縮小輸送空間時(shí)[7]，螺旋輸送中物料與物料之間的擠壓力變大，脫水效果增強(qiáng)，同時(shí)在一定程度上減少了在螺旋推動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的物料打滑現(xiàn)象，增強(qiáng)了螺旋輸送機(jī)的輸送能力。生活中接料斗為敞開式結(jié)構(gòu)的料斗，因此螺旋變徑更多被應(yīng)用于固液分離裝置中。固液分離裝置中螺旋變徑變螺距的相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：葉片個(gè)數(shù)10 個(gè)，螺距320 mm，進(jìn)料端螺旋軸直徑220 mm，出料端軸直徑480 mm，螺旋頻率32 Hz，螺旋速度45 r/min。