1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
我国是传统的农业大国，同时也是世界第一畜产大国，以世界 7%的耕地保障了世界20%以上人口的粮食需求。同时，肉类、禽蛋和养殖水产品总产量均居世界首位[1]。农牧业高速发展的同时也带来了大量的农村有机固体废弃物(固体垃圾)，其中以农作物秸秆、畜禽粪便为首。据统计，截止到 2015 年，我国秸秆总量 10.4 亿 t，畜禽粪污总量 38 亿 t[2-5]，大量的废弃物被随意堆放，焚烧，偷排入水，对当地造成了严重环境污染和资源浪费[6]。农业废弃物带来的问题已经成为制约我国农业农村经济发展，人居环境改善的重要因素。
2013-2019 年，政府分别发布《农业农村部办公厅关于全面做好秸秆综合利用相关通知》、《畜禽规模养殖污染防治条例》、《开展果菜茶有机肥代替化肥行动方案》等相关政策法规，要求加速推进农村有机固体废弃物资源化，肥料化利用，提高农村人居环境，全面开展有机肥代替化肥行动，保证化肥使用量零增长，加快推进农业绿色发展，切实可行的促进农业农村经济发展，提高农民经济收入[6]。
在农村固体废弃物亟需解决与国家政策法规积极疏导的情况下，畜禽粪污与秸秆混合堆肥化处理生产有机肥工艺应运而生，切实实现了种养结合，做到了产之于农用之于农，最大限度的实现了固体废弃物的减量化、资源化利用。在我国，大力推行农村有机废弃物堆肥化处理生产有机肥模式，具有很大的资源优势、政策优势和市场缺口[7]。
众所周知，农村固体废弃物堆肥化处理生产肥料在我国发展由来已久，在中国人几千年的农业发展史中占有举足轻重的地位。农村畜禽废弃物中不仅含有大量的营养元素还富含大量的矿物元素，农村有机固体废弃物养分含量[8-10]如表 1-1 所示。堆肥化处理可以将固体废弃物中大量的营养元素回收利用，生产的有机肥施还土壤，具有改良土壤结构、增加养分、提升微生物活性、培肥地力、提高土壤蓄水保熵能力等诸多优点。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 混合理论研究现状
物料混合是一个极其复杂的运动过程，随着混料的进行，物料特性在不断发生改变，很难通过某一种成熟理论将其准确表达。目前，关于混料设备的理论研究进展较慢，主要着重于物料的流体模型、混合设备功耗和物料混合特性等方面进行研究。
在国外，Niedzielska.A 等人从热量传递与能耗损失角度对单螺旋混合设备的混合效率进行了研究，构建了适用于高粘度物料的螺旋叶片的结构模型[16]。Reichert 等人对螺带式混料设备的机械特征进行了研究，重点对其设备功耗，物料涡流形态和混合时间进行了分析，为混合设备的放大生产提供了无量纲相关性的参考依据[17-18]。Cooker 等人首次通过对无线电球示踪系统的应用，对混合设备的运行循环次数的概率分布情况进行了研究，提出了一种新的示踪方法。Janssen 等人建立了混合物料的力学模型对混合设备的功耗与物料流动速率进行了预测[19-20]。
综合国内外现有理论研究发现，目前研究一般将待混合物料看做连续介质进行宏观力学行为分析，往往忽略了物料的的离散性特征，在试验过程中很难直观准确的对物料颗粒实际运动情况进行跟踪研究，同时在现有文献中尚未发现针对堆肥物料的预混合设备的理论研究。
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2 物料特性研究及混料系统结构参数设计
2.1 堆肥原料配比
堆肥生产中，如果仅仅通过感官或者经验来判断原料搭配是否合理、水分调节是否适宜，往往偏差较大，特别是当原料或者工艺发生变化时，差异会更大，这也是造成堆肥物料不稳定的重要原因[53]。优化堆肥条件和配方，必需按照原料理化参数，通过科学合理的计算来确定。堆肥配比的形成就是对 C/N 比和水分的平衡过程，目的就是使他们处于合理范围内。通常一个指标先调整合适后，堆肥的配方就可以基本确定下来，若需要进一步调整比例，则一般要在不明显影响第一个指标的情形下对第二个指标进行优化[54]。堆肥常见固体废弃物各 C/N 比、含水率及物料配比，如表 2-1 所示[55]。
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2.2 物料特性试验
堆肥原料的各组成成分原料物理特性及物料容重等对混料机的混合效果影响显著，物料在混料箱内部的混合流动过程和物料与混料箱内壁的摩擦系数有很大的关系。由于堆肥原料一般粘性较大，易于附着在混料箱内壁，从而减缓物料在混料箱内部的流动，不能实现混合物料运动的一致。因此，对混合物及各组成成分的物理特性研究尤为重要。主要涉及容重、含水率、堆积角、粒径等物理特性研究。本研究主要以产出时间在 48h 内的猪粪和粉碎后水稻秸秆为主要堆肥原料进行研究。猪粪取自北京市东华山粪污回收站，秸秆来源于黑龙江省建三江农场。
2.2.1 试验方案及设备
（1）本研究对原料含水率、容重、堆积角、粒径进行了试验研究确定了堆肥原料物理参数范围。
（2）试验仪器试验所需仪器设备主要包括：1.电热鼓风干燥箱（101-OA 型）2.角度测量仪（TN-IP65）3.电子称（JCS-31002W）4.环刀（50.46mm*50mm）5.20~200 目标准检验筛一套（绍兴薄纬仪器设备有限公司）如图 2-2 所示：
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3 基于 EDEM 物料混合过程仿真分析.............................................34
3.1 离散元基本原理.......................................... 34
3.2 EDEM 软件介绍.......................................34
3.3 仿真模型的建立................................... 35
4 物理样机试制与试验.......................................... 51
4.1 物理样机的试制.................................................. 51
4.2 混料均匀度性能试验............................................ 51
5 结论与展望................................... 59
5.1 结论.......................................... 59
5.2 展望..................................... 60
4 物理样机试制与试验
4.1 物理样机的试制
通过对卧式螺旋堆肥原料预混试验装置的设计，三维模型装配及前期物料混合仿真分析，试制物理样机一台如图 4-1 所示。混料机由变频减速电机提供动力，经带传动、链传动三级传动机构，经链传动机构减速增扭后，驱动混料轴转动，通过混料轴与混料箱的配合完成对堆肥物料的均匀混合。
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5 结论与展望
5.1 结论
本文对卧式螺旋堆肥原料预混试验装置展开研究，根据堆肥对原料预混合工艺要求，研制了混料箱体、混料系统、传动系统、控制系统等，并对关键参数进行了研究与仿真优化设计，测定了混料机预混性能，开展了猪粪、秸秆混合堆肥试验，测定了混合后物料腐熟特性。文章主要结论如下：
（1）分析了猪粪与秸秆理化特性确定了猪粪与秸秆堆肥质量配比范围 1~7。进行了猪粪、秸秆物理特性试验，确定了 48h 内产出猪粪平均含水率为 73%，猪粪平均容重为1017kg/m3，秸秆平均容重为 98 kg/m3，猪粪平均堆积角为 32.35°，秸秆平均堆积角为 53.01°猪粪、秸秆粒径范围 0~5mm。
（2）通过参数标定试验确定了猪粪离散元接触参数，并确定了堆肥原料猪粪与秸秆的离散元模型，明确了 EDEM 中物料模型的建立方法。运用 EDEM 软件对混料机混合过程进行了仿真计算，结果表明螺管式混料轴对原料有极强的适应性。通过混合变异系数方法对物料混合均匀度进行了分析，确定了当前设计参数下最佳工作参数组合为 A4B3C1。分别为混料时间 90s 主轴转速 30rpm 螺旋升角 10°。
（3）进行了混料机性能试验：分别以混合物料 C/N 比，含水率、PH 值为评价指标采用统计学方法进行计算物料混合均匀度。试验结果表明混料机对堆肥原料的混合效果皆满足设计要求，可以为堆肥原料预混提供设备支持。使用混合混匀的堆肥物料开展好氧堆肥试验，考察了混料机混合后物料经堆肥化处理能否满足堆肥腐熟标准，通过监测堆体温度、含水率、挥发分、种子发芽指数等指标，分析指标变化趋势，确定堆体符合堆肥标准，腐熟后物料各项指标满足国家有机肥无害化标准。
参考文献（略）