謝光凡

（中山斯瑞德環(huán)?？萍加邢薰?，廣東中山 528403）

0 引言

隨著我國城市化不斷加速，城市建設過程中產(chǎn)生大量建筑垃圾。建筑垃圾亂堆亂放的粗放式處理導致了城鄉(xiāng)交錯帶的農(nóng)業(yè)用地和林地被侵占，嚴重污染了大氣、土壤和水體，破壞了區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。建筑垃圾作為一種“錯置的資源”，對于我國走可持續(xù)發(fā)展的道路，分類處理建筑垃圾并使之資源化是重要措施之一［1］。目前，中國建筑垃圾資源化利用率不超過10%，但是歐美發(fā)達國家利用率為75%，而日韓等鄰國對建筑垃圾的資源化利用率則超過90%［2］。造成我國建筑垃圾資源化低的其中一個重要因素是技術水平低，沒有健全的垃圾資源化工業(yè)設計，導致分選出來的可資源化材料不僅產(chǎn)量少而且不純凈，難以滿足使用的要求。在建筑垃圾進行資源化分選的工藝中，為滿足高產(chǎn)量和高分選效率，使用風選機進行分選是最好的選擇之一。我國目前使用的垃圾風選機存在性能不穩(wěn)定的缺點，而且缺乏對特定垃圾風選工藝技術參數(shù)的研究，現(xiàn)場作業(yè)過程多靠作業(yè)人員經(jīng)驗和感覺來調(diào)控，所以很難達到理想的分選效果。對于這個問題，本文設計制造了建筑垃圾用的轉(zhuǎn)鼓風選機，并對該風選機進行空載性能試驗和物料為建筑垃圾的風選試驗［3］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理

轉(zhuǎn)鼓風選機是由擴散室總成、吹氣總成、氣流總成、除塵器總成和電氣控制總成組成，如圖1所示。進料輸送機、支架和擴散室構(gòu)成擴散室總成；分離鼓單元、吹嘴、支架和進料輸送機構(gòu)成吹氣總成；風機、回風管路、分流閥和回風閥構(gòu)成氣流總成；除塵器及其附屬電路氣路系統(tǒng)組成集塵器總成；所有連接風選機各個部件的控制電纜和控制電柜構(gòu)成電氣控制總成。

圖1 轉(zhuǎn)鼓風選機結(jié)構(gòu)

機器作業(yè)過程：物料通過提升機直接進入吹氣總成，經(jīng)過進料輸送機，建筑垃圾被推送以拋物線的運動軌跡落到分離鼓單元的轉(zhuǎn)鼓后被打散，然后被吹嘴吹來的風分離，分離出來的重物料直接掉到重物料收集處或進入下一個處理環(huán)節(jié)［4］；輕物料則隨著氣流帶進擴散室內(nèi)部，氣流在擴散室內(nèi)會被擴散，使得空氣和物料分離后的輕物料因重力落到出料輸送機上，然后進入下一個垃圾處理點［5］；擴散室內(nèi)部的擴散后的氣流將通過上方的吸氣箱進入到回風管路，通過回風管路的回風閥進入風機，然后風機會通過分流閥分離出少部分的空氣進入到除塵器除塵后排出，分流閥分離的大部分空氣將隨著氣流進入新的風選循環(huán)［6］。

風選機風選的主要參數(shù)為氣流流速，風選中的氣流流速必須是可以符合大幅度調(diào)節(jié)的，在需要分選輕和重建筑垃圾時，設定的調(diào)速范圍為5～25 m／s［7］。在性能試驗時，在風機進風口處增加一個直徑為600 mm的回風閥來進行風量調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。在風機進風管內(nèi)部設有一個可轉(zhuǎn)動的風門，在風門中心線上按一定的角度設有角度定位尺，通過螺釘將風門在固定風管內(nèi)部。風門開度角面積和風門開度角是正相關的，風門開度角增大，風通過管道的面積增大，風選機吹嘴的風速也增大，所以在空機性能試驗和物載風選試驗過程中，通過轉(zhuǎn)動此風門來調(diào)節(jié)該風選機的氣流流速，從而得出理想的數(shù)據(jù)。

圖2 回風閥結(jié)構(gòu)

2 性能試驗

2.1 空載性能試驗

風選通道中的吹嘴氣流流速是轉(zhuǎn)鼓風選機的主要參數(shù)，為了解回風閥的開啟角度對風選通道氣流流速影響，風機由圓管變方形的吹嘴中部橫向方向放置3個測風點，來測定吹嘴氣流流速，研究正壓風選系統(tǒng)氣流速度的變化情況。

風選機的空載試驗是采用離心風機，氣流通過圓形的風管，由于離心風機蝸殼結(jié)構(gòu)原因，氣體壓力在蝸殼出口處基本為穩(wěn)定狀態(tài)，所以在同一圓形截面的風速經(jīng)過一段直管后風速相差不大。當風經(jīng)過圓管變方形的吹嘴后，風速會因管壁的不規(guī)則出現(xiàn)偏置，一般中間流速最高。風選機的使用性能與吹嘴的風速和氣流分布有關，所以本實驗在矩形吹嘴內(nèi)取3個測試點的幾何平均值來近似計算圓形風管的平均氣流流速。圖3所示為風選機矩形吹嘴的測點分布。

圖3 風選機矩形吹嘴的測點分布

回風閥的風門調(diào)節(jié)按角度定位尺定開度角分別設定為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，其中0°為回風閥全關閉狀態(tài)，90°為全開啟狀態(tài)。在上述7個開度角狀態(tài)下測定各點的氣流流速，由于氣流存在不穩(wěn)定性，風速儀讀數(shù)會產(chǎn)生一定波動，測定時待讀數(shù)相對穩(wěn)定后每個測點記錄讀數(shù)多次，儀器會以算術平均值作為該點的氣流流速測試值。為了準確完成此次試驗工作，使用了熱敏式風速儀，其優(yōu)點是精度高，而且此設備的細長的探頭可以測量狹窄的通風管道、較高較小的通風出口等。

試驗結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，隨著風門開度角增大，風選通道的氣流流速先是線性增加，達到開度角為75°后呈非線性緩慢增加。

圖4 氣流流速與風門開度角的散點

通過使用Minitab數(shù)據(jù)分析軟件對風選機的吹嘴氣流流速與風門開度角進行數(shù)據(jù)擬合，擬合函數(shù)分別采用一次函數(shù)、二次函數(shù)、三次函數(shù)，擬合結(jié)果分別如表1及圖5所示。從擬合結(jié)果看，三次函數(shù)曲線能很好地反映氣流流速與風門開度角的關系，而且擬合度R2高于0.98?？諜C狀態(tài)下的氣流流速與風門開度角的三次擬合關系式，因為現(xiàn)場使用環(huán)境的干擾因素過多，實際上并不能很精確地反映物載帶料狀態(tài)下的氣流特性，但是擬合函數(shù)對實際的風選工作依然具有一定的指導性，可以用來對帶料載荷工作狀態(tài)下風選的吹嘴氣流流速進行估算，并可根據(jù)主要分選物料本身臨界速度來選定合適的風門開度角。

表1 氣流流速與風門開度角的擬合關系式

圖5 風選機吹嘴氣流流速的擬合曲線

在實際生產(chǎn)作業(yè)中，因為每個建筑垃圾分選單位的需要分選的物料基本不一樣，可以跟現(xiàn)場情況設定風力系數(shù)β，然后結(jié)合三次擬合關系式可以得出實際帶料作業(yè)狀態(tài)，風選機的風嘴風速的估算式為［3］：

式中：v1為帶料作業(yè)狀態(tài)下風選機吹嘴氣流流速，m／s；v2為空載狀態(tài)下風選機吹嘴氣流流速，m／s；X為風門開度角，（°）；β為現(xiàn)場帶料估算出的風力系數(shù)。

2.2 物料風選試驗

建筑垃圾是指建造方、施工方或個人對各類建筑物、構(gòu)筑物等新建、擴建、修繕或拆除過程中殘留下來的余泥、棄料、渣土、砂石及廢鋼材、廢木料等其他廢棄物［9］。

建筑垃圾種類非常多，按組成的成分進行分類，建筑垃圾可分為廢渣土、砼塊、磚瓦碎塊、碎石塊、廢砂漿、廢水泥漿、廢塑料、廢金屬、廢竹木等［10］。但80%以上是由磚瓦、混凝土、砂漿、木塊、包裝材料組成，施工過程中的廢混凝土、散落的砂漿等占常見建筑垃圾的比例其實不是很大，只有5%左右，除此之外建設經(jīng)常用到的鋼鐵、玻璃等材料占比反而更少［11］。

本試驗以木材、石頭為主，模擬建筑垃圾中占比較大的混凝土、砂漿、磚塊、木塊，并在試驗物料加入適量的布料、塑料和紙張模擬建筑包裝材料［12］。當所有的物料混合均勻后，物料密度約為1 500 kg／m3，通過輸送機按0.5 m3／min進料速度對入料輸送機進行喂料，并開始物載試驗。

試驗過程中使用同批次的試驗物料，每完成一組試驗，記錄并分析完材料比重，就把風選試驗分離出來的重物料和輕物料重新混合，調(diào)整調(diào)風閥風門開度角后開始下一輪試驗使用。

調(diào)節(jié)風門開度角的行程為30°～90°，同一入料檢查質(zhì)量分數(shù)，如表2所示。

表2 建筑垃圾的風選試驗結(jié)果

從試驗結(jié)果可以看出，在風門開度角為75°～90°時，垃圾中可燃物和不可燃物被風選機分選得非常分明。當風門開度角為60°時，重物質(zhì)中還摻雜著顆粒大小大于或等于80 mm的木頭，但是在實際生產(chǎn)中，進入風選機的顆粒大小都有要求的，一般待分選的物料顆粒分20～80 mm和80 mm以上兩個級別，所以顆粒大小大于或等于80 mm的木頭在分選車間中，進入風選機的上一級設備的篩分機里面被篩分掉，然后是20～80 mm大小的顆粒會進入風選機進行分選，所以當風選機的風門開度角為60°的時候，不僅處理量大，而且能夠很好地分出塑料、紙張、布料和木頭等可燃物，在這個工況下，風選機的吹嘴氣流流速為21 m／s。如果只分選出塑料和布料等可回收利用的物質(zhì)，則需要把風門開度角設為30°～45°之間則可，此時的風速不超過14 m／s。

3 結(jié)束語

（1）正壓轉(zhuǎn)鼓垃圾風選機將物料通過撞擊轉(zhuǎn)鼓便于打散徹底清除輕雜；回風閥采用內(nèi)部可轉(zhuǎn)動的風門的結(jié)構(gòu)形式，有效避免了工作過程中風閥的進風、漏風從而影響整個風選系統(tǒng)的分選效果。

（2）空載性能試驗表明，風選系統(tǒng)的氣流流速隨著風門開度角的增大呈線性增長，但是當風門開度角達到75°后變?yōu)橹饾u緩慢的非線性增長，且風選通道內(nèi)的氣流流速與風門開度角呈三次擬合函數(shù)，這些數(shù)據(jù)和資料對以后風選機的調(diào)試有很大的幫助。

（3）物料風選試驗表明，正壓轉(zhuǎn)鼓垃圾風選機對塑料、紙等可燃物清除效果明顯。在45 t／h進料建筑垃圾時候，對區(qū)分可回收的塑料的適宜風門開度角為30°，此時風選機吹嘴的空氣流速為7.5 m／s；區(qū)分塑料、紙張和小木塊等可燃物的適宜風門開度角為45°，此時風選機吹嘴的空氣流速為14 m／s，區(qū)分大塊木頭、石頭等可作再生骨料的風門開度角為60°，此時風選機吹嘴的氣流流速平均為21 m／s。

（4）通過建立風選機的設計并進行試驗，得到了相關設備運行的參數(shù)，表明了風選機在建筑垃圾分選的使用上是沒有問題的。將風力分選技術作用于建筑廢棄資源化行業(yè)，并做出物料使用試驗，為解決建筑垃圾骨料分選的不純凈等難題提供了數(shù)字化的參考依據(jù)［13］，不僅有利于對風選設備的氣流控制和設計提升，更是提高建筑垃圾的利用率，形成建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)鏈，促進環(huán)保行業(yè)進一步轉(zhuǎn)型升級和發(fā)展［14］。