馬譽(yù)軒，劉婉兒，馬東旭

（蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

1 項(xiàng)目研究背景

隨著經(jīng)濟(jì)和城市人口的快速發(fā)展，我國每年城市生活垃圾清運(yùn)量已達(dá)1.4 億噸，并且以8%～10%的速度遞增，垃圾污染問題已成為一個十分嚴(yán)重的環(huán)境問題。同時，大量研究已表明垃圾資源開發(fā)具有較大的能源潛力和市場前景。資源化是我國城市生活垃圾的發(fā)展方向之一，而垃圾分選是垃圾資源化的關(guān)鍵步驟之一。風(fēng)力分選機(jī)是垃圾分選的常用設(shè)備，風(fēng)力分選是以空氣為分選介質(zhì)，在氣流作用下，使固體廢物顆粒按密度和粒度大小進(jìn)行分選。分選設(shè)備在結(jié)構(gòu)上有立式和臥式兩種。目前，臥式風(fēng)力分選機(jī)是工業(yè)中廣泛使用的設(shè)備，工作原理是利用物質(zhì)密度之間的差異，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的角度、風(fēng)速、物料槽間擋板的相互高度，達(dá)到較好的分選效果。臥式風(fēng)力分選機(jī)由于分選時內(nèi)部流場非常復(fù)雜，氣、固兩相流動軌跡難于監(jiān)測，故風(fēng)力分選機(jī)往往達(dá)不到預(yù)期分選效果。因此，在風(fēng)力分選機(jī)設(shè)計(jì)階段弄清風(fēng)力分選機(jī)分選流場及垃圾混合物分離規(guī)律，進(jìn)行風(fēng)力分選機(jī)分選性能預(yù)測具有重要意義。

2 項(xiàng)目研究目標(biāo)及主要內(nèi)容

（1）本文以氣固兩相流理論為基礎(chǔ)，建立風(fēng)力分選機(jī)分選流場的數(shù)學(xué)模型，利用Fluent 軟件對臥式風(fēng)力風(fēng)選機(jī)分選流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到風(fēng)力分選機(jī)內(nèi)部垃圾顆粒混合物分離規(guī)律，同時，預(yù)測了臥式風(fēng)力分選機(jī)對垃圾混合物的分選性能。本文的數(shù)值模擬方法對風(fēng)力分選機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要理論指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。（2）風(fēng)力分選機(jī)內(nèi)部流場控制方程及數(shù)值模擬：

2.1 控制方程

生活垃圾經(jīng)破碎后，以不同粒徑顆粒形式進(jìn)入風(fēng)力分選機(jī)，盡管生活垃圾成分非常復(fù)雜，但對于進(jìn)入風(fēng)力分選機(jī)的垃圾混合物來說，在分選機(jī)內(nèi)部運(yùn)動過程可視為多組分氣固兩相流流動。模擬時對兩相流體做如下基本假設(shè)：（1）進(jìn)入風(fēng)力分選機(jī)的垃圾固體顆粒視為均勻球形顆粒；（2）垃圾固體顆粒與空氣在風(fēng)力分選機(jī)入口處混合均勻；本文采用歐拉雙流體模型進(jìn)行計(jì)算。將空氣作為第1 相，固體垃圾按不同粒徑范圍的顆粒作為第i 相（i= 2,3,4…）。在臥式風(fēng)力分選機(jī)內(nèi)，垃圾固體顆粒與氣體混合運(yùn)動，存在顆粒的集聚與分散；顆粒依靠氣體的流動實(shí)現(xiàn)分選。從空間結(jié)構(gòu)來看屬于異型管道的氣力輸運(yùn)與運(yùn)移現(xiàn)象?？諝庠诜诌x機(jī)內(nèi)部是連續(xù)相（主相），顆粒相為第二相。在內(nèi)部，分散相有積聚的可能，即：流動中有相混合或分離；分散相的體積分?jǐn)?shù)超過10%。據(jù)此，應(yīng)當(dāng)使用Eulerian 模型。同時，本文選用Eulerian 模型還基于以下幾點(diǎn)：①具有更好的計(jì)算精度；②采用相耦合輸運(yùn)方程，可以應(yīng)用于氣體、固體任意相聯(lián)合；動量和連續(xù)性方程是對一項(xiàng)相求解。③可模擬多相分離流，及相間的相互作用；壓力各項(xiàng)相共享；④可以采用摩擦黏性；適用于所有的κ-ε紊流模型，并可應(yīng)用于所有相或者混合相。本文同時也采用了Eulerian-Lagrangian 處理用于離散相模型，進(jìn)一步地刻畫顆粒在分選機(jī)內(nèi)的運(yùn)動軌跡。雖然顆粒物的運(yùn)動是一種隨機(jī)運(yùn)動，但是，在一定程度上可以解釋分選機(jī)內(nèi)的宏觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

2.2 動量守恒方程

式中，α 為體積分?jǐn)?shù)，ρ 為密度，u 為速度，τ 為黏性應(yīng)力，P 為氣體壓力，Ps為固體壓力，g 為重力加速度，β 為拖曳系數(shù)，用來描述氣固兩相間動量交換的物理量，下標(biāo)g 表示氣象，s 表示固相。由式（1）可得出垃圾顆粒混合物多組分氣固兩相流動控制方程的通用形式為：

式中，γi，ρi分別代表各相的體積含量和密度；Гi和Si分別為交換系數(shù)和源項(xiàng)；φ代表任意的守恒特性。對兩相紊流進(jìn)行模擬時，必須引入Г，S 并考慮速度、密度、φ以及其他量之間的關(guān)系，從而求解各變量的時均值。

2.3 分選參數(shù)方程

中重物質(zhì)槽內(nèi)塑料分選效率μ2：

式中，M 是生活垃圾中某組分總量；B 是中重物質(zhì)槽中生活垃圾量；b，其中該組分的質(zhì)量；C，輕物質(zhì)槽中生活垃圾量；c，其中該組分的質(zhì)量。

2.4 模擬參數(shù)設(shè)置及邊界條件

通過計(jì)算，可得出異型管道內(nèi)的氣體流動的雷諾數(shù)大于1.0×105，因而風(fēng)力分選機(jī)內(nèi)的空氣流動屬于紊流流動。分選特性體現(xiàn)了紊流流動層與層之間的相互干擾，層與層之間既有質(zhì)量傳遞又有動量傳遞。由于風(fēng)力分選機(jī)內(nèi)的空氣流為低馬赫數(shù)壓縮性流體的流動，因而采用Fluent 中非耦合隱式求解方式。邊界條件設(shè)置時，進(jìn)料口設(shè)置為velocityinlet 速度進(jìn)口，四個出口設(shè)置為outflow(三個出料槽與一個出氣口)。氣相采用壁面無滑移條件和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理。在入口處設(shè)定混合物的速度、溫度、體積分?jǐn)?shù)和其他相關(guān)物性參數(shù)。

3 兩種分選機(jī)分選流場靜壓和風(fēng)速變化規(guī)律

普通型風(fēng)力分選機(jī)在漩流下部和右側(cè)風(fēng)速很低，因而生活垃圾顆粒中較重的物質(zhì)，重力較大，極易掉入下部的物質(zhì)槽中，而較輕的物質(zhì)易在中心的漩流作用下發(fā)生返混而回流到風(fēng)選機(jī)前部，隨機(jī)地落入三個出料槽中。普通型風(fēng)力分選集中無風(fēng)區(qū)和弱風(fēng)區(qū)較多，加之出風(fēng)口小。當(dāng)生活垃圾進(jìn)入此風(fēng)力場中時，出現(xiàn)正壓和負(fù)壓交錯的現(xiàn)象，風(fēng)力分選機(jī)中心地帶產(chǎn)生高速和低速氣流，垃圾顆粒與氣流一起旋轉(zhuǎn)，就很可能導(dǎo)致漩流的產(chǎn)生。當(dāng)脫離氣流裹挾時，在慣性和重力雙重作用下運(yùn)行。改進(jìn)型風(fēng)力分選機(jī)風(fēng)壓由入口向出口逐漸減小，中間并未出現(xiàn)大的返混和紊亂，壓力值變化較平緩，這樣更有利于垃圾分選；空氣（phase-1）的風(fēng)速矢量分布均勻由入口向出口逐漸減小，也沒有出現(xiàn)較大的紊亂及漩渦，這與實(shí)驗(yàn)規(guī)律相一致，由此證明該數(shù)值模擬的正確性。改進(jìn)后風(fēng)力分選機(jī)內(nèi)部氣流狀態(tài)比改造前平穩(wěn)，不僅風(fēng)速是從進(jìn)風(fēng)口向出風(fēng)口逐漸遞減，而且氣流壓力也出現(xiàn)這種狀態(tài)。風(fēng)壓場沒有出現(xiàn)大規(guī)模的正壓和負(fù)壓交錯的情況，而且風(fēng)速基本由進(jìn)風(fēng)口向出風(fēng)口逐步遞減，曲線變化規(guī)律性很強(qiáng)。另外，在中質(zhì)槽和輕質(zhì)槽出口處出現(xiàn)氣流壓力異常、風(fēng)速變化較為紊亂的狀態(tài)，模擬發(fā)現(xiàn)在這兩個出料槽中易有漩流產(chǎn)生。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比分析

由于生活垃圾中具有資源化利用潛力的物質(zhì)，主要是塑料、金屬、玻璃和有機(jī)物及紙、化學(xué)纖維、包裝物等的混合物。經(jīng)破碎篩分試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)塑料等集中在40 ～120mm 的粒徑范圍，幾位模擬中的phase-3 組分。所以僅就該組分的分選性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。一方面，總分選效率和純度均在80%以上，說明該改進(jìn)型風(fēng)選機(jī)的性能良好，對具有經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值的phase-3 組分有較高得分選效率。另一方面，phase-3 在中重物質(zhì)槽中的分選效率高于其在輕物質(zhì)槽中的分選效率。這與圖2 中體現(xiàn)的結(jié)果相一致，體現(xiàn)了中重物質(zhì)槽對中等質(zhì)量物質(zhì)的較高回收效果和對phase-3 的分選性能。phase-3 在輕物質(zhì)槽內(nèi)的純度遠(yuǎn)高于其在中重物質(zhì)槽內(nèi)的純度。說明分選機(jī)在該風(fēng)速條件下，對顆粒群按質(zhì)量篩分性能良好，同時，在某種程度上來講，也與垃圾的組成成分有關(guān)。