濕式厭氧發(fā)酵原料勻質(zhì)化混合設(shè)備設(shè)計及試驗

王心語，郭占斌，賈文博，衣蕊

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

近年來，隨著農(nóng)作物產(chǎn)量的大幅增加，農(nóng)業(yè)廢棄物已經(jīng)超出自然界的循環(huán)負(fù)荷[1]。厭氧發(fā)酵作為一種農(nóng)業(yè)廢棄物能源化技術(shù)，在國家提倡“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”的大環(huán)境下，被廣泛推廣應(yīng)用，將作物秸稈、禽畜糞便等有機(jī)物通過混合發(fā)酵制備生物沼氣，再次應(yīng)用到農(nóng)戶的日常生活中[2]。該技術(shù)既減少農(nóng)業(yè)廢棄物對環(huán)境的危害，又為我們帶來較高的經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)了農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的共同發(fā)展。

在我國厭氧發(fā)酵技術(shù)仍處于起步階段，由于其存在厭氧發(fā)酵過程中發(fā)酵不徹底、沼氣純度和產(chǎn)率較低等諸多問題[3]。針對上述問題，設(shè)計一種勻質(zhì)化混合設(shè)備，為厭氧發(fā)酵提供混合均勻度較好的混合原料，為提高厭氧發(fā)酵的沼氣產(chǎn)率提供必要預(yù)處理條件。目前國內(nèi)外的物料混合裝置依據(jù)結(jié)構(gòu)可大致分為五種類型：立式螺旋式、臥式螺旋式、轉(zhuǎn)筒式、撥輪式、鏈槳式[4-6]。以占地較小、操作簡單、維護(hù)方便的立式螺旋式混合機(jī)為原型，并利用牛糞、秸稈、尾菜為原料進(jìn)行試驗，設(shè)計制造一套由兩級混合攪拌裝置組合而成的濕式厭氧發(fā)酵原料勻質(zhì)化混合設(shè)備，并對其混合性能進(jìn)行試驗研究。

1 混合裝置總體設(shè)計及工作原理

1.1 混合裝置總體設(shè)計

濕式厭氧發(fā)酵中，發(fā)酵底物總固體濃度，又稱干物質(zhì)濃度（TS）在 3%～10%[7-8]，因此設(shè)計混合機(jī)需實現(xiàn)將物料與水混合成溶液狀。立式螺旋混合機(jī)由電機(jī) 1，2、機(jī)架 8、混合罐體 3，6、螺旋攪拌軸 4，7、罐體手動閥門5、控制線路組成。設(shè)備高為2 500 mm，中心混合罐體體積120 L，四周每個罐體體積20 L，每個罐體具有獨立的閥門開關(guān)。螺旋軸安裝在混合罐體的軸線上并與電機(jī)相連，旋轉(zhuǎn)電機(jī)安裝在機(jī)架上，如圖1所示。

圖1 勻質(zhì)化混合設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of homogenized mixing equipment

1.2 工作原理

所有閥門全部關(guān)閉，將一定比例的各種物料依次放入四周的罐體內(nèi)并加水，啟動四周罐體上方電機(jī)，當(dāng)物料在四周罐體中混合攪拌至均勻水溶液狀時，打開閥門，單一物料溶液分別通過閥門管道輸送至中心罐體，開啟中心攪拌電機(jī)反轉(zhuǎn)，攪拌葉片逆時針轉(zhuǎn)動，軸向內(nèi)部區(qū)域的物料被螺旋葉片從混合罐體的底部向上輸送，并由于自身重力沿著軸向外部區(qū)域和罐體內(nèi)壁之間的空隙自由落下，形成混合罐體內(nèi)整體區(qū)域的對流混合；螺旋葉片之間的區(qū)域，物料在運動中會出現(xiàn)湍流現(xiàn)象，并受到強(qiáng)烈的剪切作用；隨著螺旋攪拌軸轉(zhuǎn)速的不斷增加，物料的離心力大于物料之間的相互作用力，形成擴(kuò)散混合，如此反復(fù)運動實現(xiàn)物料混合均勻[9-11]。設(shè)備圖如下圖2所示。

圖2 勻質(zhì)化混合設(shè)備Fig.2 Homogenization mixing equipment

2 關(guān)鍵部件混合攪拌軸結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 一級混合攪拌軸的設(shè)計

一級混合罐體為固體與水的混合，混合攪拌軸作為混合設(shè)備的核心部件，其結(jié)構(gòu)決定設(shè)備的混合效果。設(shè)計一種螺旋與槳葉組合式的混合攪拌軸，如圖3所示。其中螺旋葉片的作用是攪拌和輸送物料，物料通過螺旋葉片向下輸送，槳葉的作用一是將出料口附近物料向上翻起，如此反復(fù)攪拌使物料混合均勻，二是防止排料時堵料。

當(dāng)螺旋葉片半徑過小時，物料在螺旋軸上軸向和周向的運動強(qiáng)度均較弱；當(dāng)螺旋葉片半徑過大時，葉片邊緣與罐體內(nèi)壁之間的距離較小而出現(xiàn)夾料和混合不均勻的現(xiàn)象。因此，根據(jù)混合罐體尺寸，將螺旋與槳葉組合式混合攪拌軸尺寸設(shè)計為螺旋葉片外徑160 mm，內(nèi)徑40 mm。根據(jù)其工作原理，為滿足攪拌和輸送物料的需求，設(shè)計為螺距80 mm；為滿足向上翻料和防堵的需求，螺旋軸下方設(shè)置4個扇形槳葉，傾角 45 °[12-14]，如圖 3 所示。

圖3 一級螺旋與槳葉組合式混合攪拌軸Fig.3 Combination of first-stage screw and blade mixing and stirring axis

2.2 二級混合攪拌軸的設(shè)計

相較于一級混合攪拌軸對單一原料的混合，二級混合罐為溶液與溶液的混合。由于多物料混合后不存在排料堵料問題，故設(shè)計二級混合攪拌軸僅需考慮螺旋葉片半經(jīng)與罐體內(nèi)壁之間的間隙。將其設(shè)計為螺旋葉片外徑280 mm，內(nèi)徑70 mm，螺距280 mm，即可滿足混合攪拌的需求，如圖4所示。

通過調(diào)節(jié)電機(jī)反轉(zhuǎn)，使螺旋軸逆時針旋轉(zhuǎn)，將罐體底部物料向上輸送，并由于自身重力沿著軸向外部區(qū)域和罐體內(nèi)壁之間的空隙自由落下，如此反復(fù)實現(xiàn)混合均勻。完成混合后，開啟電機(jī)正轉(zhuǎn)，將物料排出。

圖4 二級螺旋混合攪拌軸Fig.4 Two-stage screw mixing and stirring shaft

3 材料與方法

3.1 試驗材料

試驗采用黑龍江省大慶市附近農(nóng)戶種植養(yǎng)殖的農(nóng)業(yè)廢棄物玉米秸稈、牛糞、尾菜作為試驗原料。玉米秸稈為置于田間自然干燥50 d后收集，通過秸稈粉碎機(jī)粉碎成6～8 mm，并放置在室溫條件下密封儲存。牛糞為某牛養(yǎng)殖廠內(nèi)收集的干牛糞，將牛糞置于通風(fēng)處適當(dāng)密封儲存，并在混和前進(jìn)行除雜篩選。尾菜為田間收獲后剩余的廢棄菜葉，混合前通過尾菜粉碎機(jī)粉碎脫水處理成3 mm粒狀。

將處理后的玉米秸稈、牛糞、尾菜取樣，通過電子秤、馬弗爐檢測各種原料的含水率見表1。

表1 各混合原料含水率Table1 Moisture content of each mixed raw material

3.2 試驗方案

3.2.1 物料混合均勻度的測定

試驗以濕式厭氧發(fā)酵原料的發(fā)酵條件為依據(jù)，改變秸稈、牛糞、尾菜的干物質(zhì)配比、干物質(zhì)濃度（TS），以綠豆（泡水8 h）作為示蹤顆粒，來確定勻質(zhì)化混合機(jī)的混合效果。

混合效果通常用變異系數(shù)來表示，表達(dá)式為：

S—測量混合樣品的標(biāo)準(zhǔn)差。

一般要求變異系數(shù)CV＜7%[15]。

選取12個取樣點位置，如圖所示5，橫截面取樣點位置（1，2，3，4），軸向取樣點位置（5，6，7），混合完成后，排出物料至桶內(nèi)，在規(guī)定時間內(nèi)取出測量樣品，并統(tǒng)計示蹤顆粒綠豆的變異系數(shù)[16-18]。

圖5 取樣點位置示意圖Fig.5 Location of sampling points

3.2.2試驗方案

該勻質(zhì)化混合裝置分為一級混合罐和二級混合罐，勻質(zhì)化混合裝置工作效率為每次80 L。一級混合罐為固體與水的混合，通過單因素試驗，固定混合時間，改變轉(zhuǎn)速，確定在不同干物質(zhì)濃度（TS）條件下，各原料與水混合后，混合均勻度最好時的最低轉(zhuǎn)速。

二級混合罐為溶液與溶液的混合，通過設(shè)置試驗因素條件，混合時間、轉(zhuǎn)速、混合原料干物質(zhì)濃度以及秸稈、牛糞、尾菜不同干物質(zhì)配比，驗證混合機(jī)的混合性能是否滿足要求，并進(jìn)一步分析各因素對混合均勻度的影響。分別對各個因素進(jìn)行單因素實驗，確定各因素的取值范圍。

通過分析各試驗方案的特點，由于正交試驗設(shè)計法具有正交性、均勻分散和整齊可比的特點，每組試驗都有很強(qiáng)的代表性，可以反映試驗的情況[19-20]，進(jìn)而驗證勻質(zhì)化混合設(shè)備的混合效果，最后確定采用四因素三水平正交試驗設(shè)計法。并進(jìn)一步分析混合時間、轉(zhuǎn)速、混合原料干物質(zhì)濃度以及秸稈、牛糞、尾菜的不同干物質(zhì)量配比對混合均勻度的影響的主次因素。

4 結(jié)果與分析

4.1 單因素試驗

4.1.1 一級混合罐單因素試驗

一級混合罐的單因素試驗，固定混和時間4 min，不同轉(zhuǎn)速和不同原料濃度條件下的變異系數(shù)，應(yīng)用SPSS軟件繪制折線圖，如圖6，7，8所示。

圖6 不同轉(zhuǎn)速和不同秸稈濃度條件下的變異系數(shù)折線圖Fig.6 Broken line diagram of coefficient of variation under different rotational speed and different straw concentration

圖7 不同轉(zhuǎn)速和不同牛糞濃度條件下的變異系數(shù)折線圖Fig.7 Broken line diagram of coefficient of variation at different rotational speeds and different concentrations of cow manure

圖8 不同轉(zhuǎn)速和不同尾菜濃度條件下的變異系數(shù)折線圖Fig.8 Broken line graph of coefficient of variation at different rotating speed and concentration of tail vegetables

固定混合時間4 min，通過分析上述變異系數(shù)折線圖的可以看出：在同一轉(zhuǎn)速條件下，隨著秸稈濃度的增加，變異系數(shù)隨之增加；在同一秸稈濃度條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，變異系數(shù)隨之減小。在70 r·min-1時，變異系數(shù)較小且與90 r·min-1轉(zhuǎn)速條件下差異不大，為節(jié)能在秸稈與水的混合時選擇70 r·min-1為宜。

在同一轉(zhuǎn)速條件下，隨著牛糞濃度的增加，變異系數(shù)隨之增加；在同一牛糞濃度條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，變異系數(shù)隨之減小。在50 r·min-1時，變異系數(shù)較小且與在70、90 r·min-1轉(zhuǎn)速條件下差異不大，說明在50 r·min-1時已混合較均勻，為節(jié)能在牛糞與水混合時選擇50 r·min-1為宜。

在同一轉(zhuǎn)速條件下，隨著尾菜濃度的增加，變異系數(shù)隨之增加；在同一尾菜濃度條件下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，變異系數(shù)隨之減小。在30 r·min-1時，變異系數(shù)較小且與50、70 r·min-1轉(zhuǎn)速條件下差異不大，說明在30 r·min-1時已混合較均勻，為節(jié)能在尾菜與水混合時選擇30 r·min-1為宜。

通過各單一原料與水混合，證明設(shè)計的螺旋與槳葉組合式混合攪拌軸可將干物質(zhì)濃度分別為7%秸稈溶液、25%牛糞溶液、13%尾菜溶液排出罐體。

4.1.2 二級混合罐單因素試驗

將填充率為罐體三分之二即80 L作為單因素試驗不變因素。

（1）由于勻質(zhì)化混合設(shè)備是為濕式厭氧發(fā)酵提供原料的混合設(shè)備，故濃度范圍為濕式厭氧發(fā)酵原料的濃度范圍3%～10%。

（2）設(shè)定秸稈、牛糞、尾菜的干物質(zhì)量配比分別為 1∶1∶1、1∶2∶1、1∶3∶1。

（3）設(shè)定轉(zhuǎn)速70 r·min-1，混合原料濃度6.5%，秸稈、牛糞、尾菜的干物質(zhì)量比1∶2∶1，改變混合時間，得到相應(yīng)的變異系數(shù)如下圖9所示。

（4）設(shè)定混合時間180 s，混合原料濃度6.5%，秸稈、牛糞、尾菜的干物質(zhì)量配比 1∶2∶1，改變轉(zhuǎn)速，得到相應(yīng)的變異系數(shù)如下圖10所示。

金融行業(yè)與相關(guān)市場是一種唇齒相依的關(guān)系，比如，沒有證券期指、股票對沖等投資工具，證券投資人就不得不承受市場單邊下行的風(fēng)險。

通過上述單因素預(yù)試驗，確定選擇正交試驗各因素水平范圍：混合原料濃度為3%～10%，混合時間為150～210 s，轉(zhuǎn)速為 60～80 r·min-1，秸稈、牛糞、尾菜的干物質(zhì)量配比 1∶1∶1、1∶2∶1、1∶3∶1。

圖9 不同混合時間的變異系數(shù)折線圖Fig.9 Variation coefficient of different mixing time line chart

圖10 不同轉(zhuǎn)速的變異系數(shù)折線圖Fig.10 Variation coefficient of different rotational speed line chart

4.2 多因素試驗

根據(jù)上述單因素預(yù)試驗確定的因素水平范圍，制定表2因素水平對照表和表3試驗方案表。

表2 因素水平對照表Table 2 Factor level comparison table

表3 試驗方案表Table 3 Test program table

按照上述表3進(jìn)行四因素三水平正交試驗，繪 制表4試驗數(shù)據(jù)分析計算表。

表4 試驗數(shù)據(jù)分析計算表Table 4 Experimental data analysis and calculation table

通過試驗數(shù)據(jù)分析計算表4，每一組的變異系數(shù)的大小均小于7%，可以反映出該勻質(zhì)化混合設(shè)備在干物質(zhì)濃度范圍為3%～10%，秸稈、牛糞、尾菜的干物質(zhì)量配比 1∶1∶1、1∶2∶1、1∶3∶1 的條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)多原料的勻質(zhì)化混合。

根據(jù)極差R的大小，R越大，因素的水平變化對試驗的影響越大，反之R越小，這個因素越不重要。比較實驗中的A、B、C、D，4個因素中的R值大小，可以看出A因素，混合時間是最重要的因素；其次為C因素，濃度；再次為D因素，配比；最后為B因素，轉(zhuǎn)速對結(jié)果的影響較小。按照極差大小，因素的主次順序可以排列如下：A>C>D>B。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計了一套由兩級混合攪拌裝置組成的用于濕式厭氧發(fā)酵原料混合的勻質(zhì)化混合設(shè)備，可實現(xiàn)多種原料的同時混合，其中一級混合攪拌軸為螺旋與槳葉組合式，實現(xiàn)了單一原料與水的均勻混合；二級混合攪拌軸為螺旋式，實現(xiàn)了溶液與溶液之間的均勻混合。

（3）二級混合攪拌時，通過改變各試驗因素：混合時間、轉(zhuǎn)速、混合溶液干物質(zhì)濃度（TS）、秸稈、牛糞、尾菜不同干物質(zhì)配比，經(jīng)試驗研究，證明了設(shè)備在溶液濃度為3%～10%，秸稈、牛糞、尾菜的干物質(zhì)量配比為 1∶1∶1、1∶2∶1、1∶3∶1，混合時間在 150～210 s、二級混合攪拌軸轉(zhuǎn)速60～80 r·min-1的條件下，該設(shè)備的變異系數(shù)在4.13～6.75之間，均小于7%，可以實現(xiàn)濕式厭氧發(fā)酵原料的勻質(zhì)化混合。各試驗因素對混合均勻度即變異系數(shù)的影響大小依次為混合時間、混合溶液干物質(zhì)濃度、不同干物質(zhì)配比、轉(zhuǎn)速。

通過上述結(jié)論得出，設(shè)計的濕式厭氧發(fā)酵原料勻質(zhì)化混合設(shè)備，可為解決現(xiàn)存的厭氧發(fā)酵過程中發(fā)酵不徹底、沼氣純度和產(chǎn)率較低等諸多問題，提供新的解決途徑。