葉志敏，黃超，肖仲華，趙雪媛，張彪,，王松林

（1.深圳同創(chuàng)環(huán)?？萍加邢薰?，廣東 深圳 518051；2.華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院；3.湖北省工業(yè)建筑集團(tuán)公司，湖北 武漢 430074）

填埋是我國主要的城市生活垃圾處理處置方式。通過垃圾填埋場(chǎng)開挖、篩分利用和污染治理，實(shí)現(xiàn)塑料回收、腐殖土回收、建筑骨料回收和土地資源開發(fā)利用，達(dá)到節(jié)能減污降碳協(xié)同增效。滾筒篩是填埋場(chǎng)開挖資源化工藝過程中的常用設(shè)備。在滾筒篩工程設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及工況條件優(yōu)化中，存在篩分設(shè)備設(shè)計(jì)條件模糊、工作參數(shù)過度依賴工程經(jīng)驗(yàn)的問題。EDEM軟件是基于DEM離散元理論開發(fā)的數(shù)值仿真軟件，可模擬滾筒篩的運(yùn)行工況，并對(duì)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及工況條件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，減少設(shè)備研發(fā)及改進(jìn)成本。本文通過EDEM模擬實(shí)際工程中垃圾滾筒篩的篩分過程，并對(duì)滾筒篩工況條件進(jìn)行優(yōu)化。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作條件

陳腐垃圾在滾筒篩篩分前，需經(jīng)歷上料、布料、人工分選、磁選和振動(dòng)篩分等過程，去除大件干擾物、金屬和建筑骨料等。

滾筒篩主要由上料裝置、擋料板、滾筒篩框架、滾筒篩支撐架、帶孔篩筒、收集裝置、電機(jī)等組成。課題研究依托的滾筒篩電機(jī)功率為11kW，篩孔孔徑為40mm。垃圾滾筒篩作業(yè)時(shí)，通過調(diào)節(jié)電機(jī)功率實(shí)現(xiàn)滾筒轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

2 垃圾顆粒仿真及參數(shù)確定

2.1 物料特性分析

為獲取陳腐垃圾特征，依據(jù)《生活垃圾采樣和物理分析方法（CJ/T313-2009）》，采用四分法對(duì)陳腐垃圾進(jìn)行成分分析，共獲得20個(gè)垃圾樣本。通過數(shù)據(jù)分析，主要成分為塑料，占比約45.47%；紙張類占比約5.07%；其他有機(jī)類占比約19.71%；其他無機(jī)類占比約26.92%；金屬質(zhì)及玻璃類含量較少，分別占比1.36%和1.46%。陳腐垃圾容重平均值為244.50kg/m3。

采用標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)滾筒篩進(jìn)出料進(jìn)行顆粒級(jí)配實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，經(jīng)人工分選、磁選、振動(dòng)篩后垃圾進(jìn)料依然以橡塑類為主，占比53.65%，其次為小顆粒混合類占比11.08%，金屬類經(jīng)磁選后明顯減少，僅占比0.9%。在滾筒篩進(jìn)料中，90%的橡塑類顆粒分布在40mm以上，經(jīng)滾筒篩篩分后橡塑的含量明顯的降低，橡塑類占篩下物比重8.42%。紡織、木竹、灰土及磚瓦陶瓷類占比也有小幅度下降。篩下物主要成分為小粒徑混合類，占比74.45%。滾筒篩進(jìn)料粒徑集中在＞10mm，占篩上物的86.83%，其中＞60mm最多占比33.97%。經(jīng)垃圾滾筒篩篩分后，篩下物粒徑集中分布在2mm-40mm，占篩下物的86.88%。篩下物中仍有0.86%的粒徑大于40mm的垃圾顆粒。

2.2 垃圾顆粒建模

根據(jù)上述物理特性分析結(jié)果，將垃圾顆粒按照組成成分及粒徑進(jìn)行建模。經(jīng)過預(yù)處理后，滾筒篩進(jìn)料成分中金屬類、廚余類和紙類占比極少，不對(duì)該三類垃圾進(jìn)行建模。顆粒模型按生活垃圾進(jìn)料主要組成分為7類，分別為灰土類、混合類、橡塑類、磚瓦陶瓷類、木竹類、紡織類和玻璃類，編號(hào)為A1-A6（圖1），其中灰土類和混合類共用A1球狀模型。模型類別及粒徑設(shè)置如表1所示。根據(jù)粒徑級(jí)配實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別選用10mm、15mm、30mm、50mm、80mm等尺寸對(duì)生活垃圾各組成成分進(jìn)行建模。建模依據(jù)為粒徑級(jí)配實(shí)驗(yàn)中各組份的粒徑分布，如表1所示進(jìn)料中橡塑類分布于10～20mm、20～40mm、40～60mm、＞60mm四個(gè)區(qū)間，占比分別為1.85%、6.14%、24.76%和67.25%，根據(jù)滾筒篩進(jìn)料物理成分分析橡塑類占比53.65%，由此可將模型尺寸設(shè)為15mm、30mm、50mm、80mm四個(gè)部分，各尺寸模型總質(zhì)量按照粒徑級(jí)配比例設(shè)置。

表1 生活垃圾顆粒模型設(shè)置及參數(shù)

圖1 建模設(shè)置

2.3 主要參數(shù)設(shè)置

根據(jù)垃圾滾筒篩的整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行等比例建模。滾筒長(zhǎng)度為8m，半徑1.2m，出料口安裝高度1.5m。篩孔為長(zhǎng)條形方孔，展開尺寸為40mm×900mm，篩孔密度排布為8×91。在Rhino 7中進(jìn)行模型構(gòu)建，滾筒篩模型如圖2所示，導(dǎo)入EDEM中進(jìn)行求解運(yùn)算。

圖2 滾筒篩建模圖

在EDEM參數(shù)設(shè)置時(shí)，涉及進(jìn)料的剪切模量等參數(shù)設(shè)置，鑒于生活垃圾各組成成分復(fù)雜，測(cè)得混合組分的力學(xué)性能困難，力學(xué)參數(shù)設(shè)置為常規(guī)材料的力學(xué)性能，如混合塑料類采用聚乙烯材料的力學(xué)性能參數(shù)。同時(shí)含水率是影響篩分效率的關(guān)鍵因素，不同含水率的顆粒碰撞恢復(fù)系數(shù)和摩擦系數(shù)會(huì)有變化，如濕潤(rùn)土壤碰撞系數(shù)接近為0，碎石之間碰撞系數(shù)為0.38～0.68，在EDEM參數(shù)設(shè)置時(shí)，應(yīng)考慮含水率和顆粒種類對(duì)碰撞恢復(fù)系數(shù)的影響。以進(jìn)料成分及粒徑分布為依據(jù)，對(duì)垃圾顆粒進(jìn)行建模，模型類別及粒徑級(jí)配具體參數(shù)見表1。采用Hertz-Mandlin（no slip）基本接觸模型，通過設(shè)定各組成成分總量控制進(jìn)料時(shí)間為10s。

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同傾斜角度對(duì)滾筒篩篩分效率的影響

顆粒質(zhì)量流速控制在1.16kg/s，進(jìn)料時(shí)間10s，滾筒篩轉(zhuǎn)速設(shè)為18r/min，探究滾筒篩傾斜角度對(duì)篩分效率的影響，傾斜角度梯度設(shè)置為1°～15°。進(jìn)料模型中，小于40mm的質(zhì)量占比為42.34%～45.26%，與實(shí)際粒徑級(jí)配測(cè)得的結(jié)果相近。通過顆粒累計(jì)曲線判斷，選取篩下物累積質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)，作為篩分效率的計(jì)算依據(jù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)料量一定時(shí)，當(dāng)傾斜角度改變，篩下物累積質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間差距不大，均在13.5s左右。且當(dāng)傾斜角度增大時(shí)，篩下物累積速率降低。

圖3反映了滾筒篩傾斜角度與篩分效率之間的關(guān)系。當(dāng)滾筒篩的傾斜角度在6°～9°時(shí)，篩分效率較高，在傾斜角度為7°時(shí)，篩分效率最高為98.47%。當(dāng)傾斜角度小于等于3°時(shí)，觀察到物料在滾筒篩的前端堆積，在滾筒內(nèi)的停留時(shí)間長(zhǎng)，篩上物收集效率極低。當(dāng)傾斜角度大于9°時(shí)，生活垃圾顆粒在滾筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度較高，生活垃圾未充分經(jīng)過滾筒篩的篩分，直接從篩筒末端流出，篩分效率降低。當(dāng)傾斜角度為10°時(shí)，篩分效率仍有84.6%，其原因是滾筒篩長(zhǎng)度較長(zhǎng)，給物料提供了足夠的過篩時(shí)間。當(dāng)傾斜角度大于14°時(shí)，滾筒篩的效率急劇下降，此時(shí)，顆粒水平方向的速度影響遠(yuǎn)大與水平方向的速度。滾筒篩傾斜角度綜上所述，7°為該滾筒篩的最佳傾斜角度。

圖3 不同傾斜角度滾筒篩分效率

在連續(xù)進(jìn)料50s過程中，觀察不同傾斜角度滾筒篩的篩分情況。在傾斜角度小于3°時(shí)，滾筒篩前端顆粒出現(xiàn)堆積，篩分效率低。當(dāng)傾斜角度逐漸增加，傾斜角度為5°～7°，在前端累積顆粒減少，篩分效果較好。當(dāng)傾斜角度過大，可以明顯觀察到前端累積物料進(jìn)一步減少，但篩下物收集率低，物料未經(jīng)過篩選便運(yùn)動(dòng)到篩上物收集處。

3.2 不同傾斜角度和轉(zhuǎn)速對(duì)過篩時(shí)間的影響

根據(jù)物理成分分析實(shí)驗(yàn)，進(jìn)料中橡塑類占比53.65%，密度大的無機(jī)混合類占比約38%，可將入射顆粒簡(jiǎn)化為橡塑類和無機(jī)混合類兩種類型。設(shè)置傾斜角度分別為1°～15°，初步計(jì)算時(shí)長(zhǎng)100s，每0.1s記錄一次數(shù)據(jù)，對(duì)過篩時(shí)間超過100s的進(jìn)行延長(zhǎng)計(jì)算，記錄篩上物全部從篩筒分離出所用的時(shí)間。

如圖4所示，在轉(zhuǎn)速為18r/min，進(jìn)料量為11.6kg/s時(shí)，過篩時(shí)間隨傾斜角度的增大而減小。傾斜角度為1°和2°時(shí)，停留時(shí)間超過180s，物料在滾筒篩前端堆積。傾斜角度為7°，轉(zhuǎn)速為18mm時(shí)，過篩時(shí)間為49.7s，篩分效率為98.47%，是本垃圾滾筒篩的最佳工況。綜合考慮篩分效率，角度設(shè)置為5°～9°，可以使篩分效率在86%～98%，過篩時(shí)間為43.4～69.8s。

圖4 過篩時(shí)間與傾斜角度的關(guān)系

當(dāng)傾斜角度為7°時(shí)，探究不同轉(zhuǎn)速對(duì)物料過篩時(shí)間的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，物料過篩時(shí)間逐漸減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速為9r/min時(shí)，篩分效率為82.99%，物料在滾筒內(nèi)做小幅度滾落運(yùn)動(dòng)，但過篩時(shí)間超過150s，持續(xù)進(jìn)料時(shí)物料易發(fā)生堆積。在轉(zhuǎn)速9～18r/min，滾筒篩轉(zhuǎn)速增大，過篩時(shí)間大幅減??；在轉(zhuǎn)速大于27r/min時(shí)，過篩時(shí)間減小幅度放緩，其原因是轉(zhuǎn)速增加離力增大，部分物料做近似圓周運(yùn)動(dòng)前進(jìn)速度放緩。

4 結(jié)語

（1）通過物理成分分析實(shí)驗(yàn)和粒徑級(jí)配實(shí)驗(yàn)，得出滾筒篩進(jìn)料主要成分為橡塑類、磚瓦陶瓷類及小顆粒混合類，分別占比53.65%，16.79%及11.08%；出料主要成分為無機(jī)混合類占比74.45%。進(jìn)料粒徑主要分布于大于40mm，占比57.57%；出料粒徑主要分布于2～40mm，占比71.02%。

（2）綜合考慮篩分效率和過篩時(shí)間，傾角7°及轉(zhuǎn)速18r/min，篩分效率98.47%，停留時(shí)間49.9s，是該工程滾筒篩的最佳工況點(diǎn)。