顏克源

影響輕物料空氣分選機(jī)分離效果的因素

Factors Affecting Separation Effect of Air Separator for Light Materials

顏克源

建筑垃圾分選技術(shù)是實(shí)現(xiàn)建筑垃圾資源化處理、提高資源再生利用率的前提和關(guān)鍵。利用建筑垃圾中物質(zhì)密度之間的差異進(jìn)行物料分選是輕物料分選技術(shù)的基本原理，分選效率的高低是由許多因素共同作用的結(jié)果，筆者利用ANSYS fluent軟件對(duì)影響分選機(jī)分選效率的因素進(jìn)行計(jì)算仿真分析，為工業(yè)化實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)。

ANSYS fluent；建筑垃圾；輕物料分選；影響因素

1 前言

輕物料空氣分選機(jī)是建筑垃圾分選流程中至關(guān)重要的設(shè)備，其工作原理是利用建筑垃圾中物質(zhì)密度之間的差異，將輕物料與其他重物質(zhì)進(jìn)行分離。根據(jù)實(shí)際處理垃圾的不同特性，影響分選效率的因素也多種多樣，如分選機(jī)阻流板長(zhǎng)度、氣流噴嘴角度、氣流噴嘴風(fēng)速、喂料點(diǎn)、喂料速度等參數(shù)。筆者通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真分析了不同阻流板長(zhǎng)度、進(jìn)風(fēng)氣流角度、氣流噴嘴風(fēng)速、喂料點(diǎn)、喂料速度等工況下空氣分選機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的分選特性，以探求合理的分選工藝技術(shù)參數(shù)和分選機(jī)結(jié)構(gòu)特性。

2 輕物料空氣分選機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

TLMS型輕物料空氣分選機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)分選機(jī)）主要由基礎(chǔ)支架、殼體、皮帶輸送機(jī)、匯風(fēng)箱、循環(huán)風(fēng)管、可調(diào)式氣流噴嘴、可調(diào)式整流板、旋轉(zhuǎn)鼓、阻流板、沉降室、風(fēng)機(jī)、變頻電機(jī)等組成，如圖1所示。

在基礎(chǔ)支架上的殼體前端喂料進(jìn)口的下部裝配有一個(gè)皮帶輸送機(jī)，粉碎后的建筑垃圾混合料經(jīng)由喂料口處全寬度均勻撒落在行進(jìn)的皮帶上，皮帶將待選的混合物料喂到分選區(qū)中。在加速皮帶頭輪拋出點(diǎn)的下方安裝有一個(gè)可調(diào)節(jié)的狹縫式氣流噴嘴，它將分選空氣流沿著與混合物料流拋落軌跡垂直的方向吹向物料流。輕物料和其他沉降速度小的組分物料被橫向吹送到旋轉(zhuǎn)鼓的上方，進(jìn)入松散沉降室后作為輕物料產(chǎn)品排出。重物料（如磚石瓦礫和混凝土塊）及具有中等沉降速度的組分物料直接下落或從旋轉(zhuǎn)鼓面反彈下落，作為重物料產(chǎn)品從重物料出口排出。軟質(zhì)且可變形組分的物料（如包裝紙板、編織物和泥土）則保持與旋轉(zhuǎn)鼓面接觸而被刮料板刮離，從輕物料出口排出。

圖1 TLMS型輕物料空氣分選機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

TLMS型輕物料空氣分選機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)采用殼體內(nèi)部負(fù)壓環(huán)境，空氣外循環(huán)接正壓氣流噴嘴噴吹的方式，機(jī)體內(nèi)的空氣壓力可調(diào)，氣流噴嘴的氣體流速可控。圖2所示為分選機(jī)內(nèi)部壓力云圖。

圖2 輕物料空氣分選機(jī)內(nèi)部壓力云圖

3 影響分選效率的幾種因素

由于建筑垃圾粒度組成成分比較復(fù)雜，不能進(jìn)行較為精確的設(shè)計(jì)計(jì)算，具體設(shè)備的最終參數(shù)的選擇必須根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定。分選效率是由一系列因素共同作用的結(jié)果，以下內(nèi)容均是采用控制變量法對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性仿真分析的結(jié)果。

3.1 不同阻流板長(zhǎng)度對(duì)分選效果的影響

阻流板位于沉降室的上部殼體內(nèi)壁上，其作用是阻礙和攔擋部分上升氣流，使得氣流受阻，在沉降室區(qū)域自然形成旋轉(zhuǎn)渦流，輕物料在強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)渦流的驅(qū)使下和在邊壁效應(yīng)的作用下沿沉降室縮口內(nèi)壁滑落至輕物料出口。圖3、4、5、6、7所示的阻流板分別為0mm、300mm、450mm、500mm、800mm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的輕物料在分選機(jī)內(nèi)的運(yùn)行軌跡和停留時(shí)間。

以上圖示為阻流板長(zhǎng)短和有無(wú)狀態(tài)的模擬仿真云圖，其初始數(shù)據(jù)建模是在保證喂料點(diǎn)位置、喂料速度、風(fēng)速、氣流噴嘴角度（即噴射角度）為一定值的情況下，通過(guò)改變阻流板長(zhǎng)度分析的分選效果。

圖3 無(wú)阻流板

圖4 阻流板長(zhǎng)度300mm

圖5 阻流板長(zhǎng)度450mm

圖6 阻流板長(zhǎng)度500mm

圖7 阻流板長(zhǎng)度800mm

通過(guò)云圖分析可以清晰地看出，當(dāng)沒(méi)有安裝阻流板時(shí)，圖3所示，輕質(zhì)物料與重質(zhì)物料分離之后，在沉降室區(qū)域是一種無(wú)序的狀態(tài)，運(yùn)行軌跡雜亂無(wú)章，部分輕質(zhì)物料被氣流裹帶至循環(huán)出風(fēng)口處，嚴(yán)重時(shí)可能堵塞出風(fēng)口，這種狀況造成輕質(zhì)物料外排困難，在機(jī)體內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，部分輕質(zhì)物料滯留在沉降室區(qū)域內(nèi)。當(dāng)增設(shè)阻流板后，阻流板懸長(zhǎng)在300mm時(shí)，比沒(méi)有掛設(shè)阻流板的情況好，但是仍然有部分輕質(zhì)物料吹離沉降室向循環(huán)風(fēng)出口處滯留的趨勢(shì)，亦即沉降室的旋轉(zhuǎn)沉降渦流沒(méi)有形成最佳的分離旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。當(dāng)阻流板懸長(zhǎng)加大至450mm，前述情況有所好轉(zhuǎn)，物料的運(yùn)行軌跡有所下壓至沉降室區(qū)域。當(dāng)阻流板懸長(zhǎng)加長(zhǎng)至500mm時(shí)，輕質(zhì)物料壓縮至沉降室區(qū)域旋轉(zhuǎn)分離，并迅速排出機(jī)外，收集效果很好。當(dāng)阻流板懸長(zhǎng)再增加后，收集排出效果沒(méi)有太大的變化，為此我們注意到不是阻流板懸長(zhǎng)越長(zhǎng)越好，懸長(zhǎng)偏長(zhǎng)會(huì)增加設(shè)備的空氣阻力，風(fēng)機(jī)的能耗會(huì)加大。

通過(guò)各組數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，無(wú)阻流板或者阻流板較短時(shí)，輕物料會(huì)在殼體內(nèi)部沉降區(qū)上部區(qū)域回旋，而且會(huì)有較多輕物料夾雜在重物料中從重物料出口排出；阻流板太長(zhǎng)時(shí)也會(huì)有部分輕物料從重物料出口排出，分選效果不理想。因此應(yīng)根據(jù)分選物料的特性合理選擇阻流板懸長(zhǎng)，確保物料順暢地從輕物料出口排出，取得較好的分選效率，如表1所示。

表1 不同阻流板長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的分選效率

3.2 喂料速度對(duì)分選效果的影響

粉碎后的建筑垃圾混合料，經(jīng)由喂料口處全寬度均勻撒落在行進(jìn)的輸送皮帶上，皮帶將待選的混合物料喂到分選區(qū)中。皮帶的運(yùn)行速度對(duì)輕重物料的分選脫離至關(guān)重要，為此，我們利用計(jì)算機(jī)模擬仿真進(jìn)行分析，以確定最佳的輸送皮帶的行進(jìn)速度。如圖8、9、10所示，設(shè)定帶速分別為1m/s、1.5m/s、2m/s時(shí)的輕質(zhì)、重物料分離前后的運(yùn)行軌跡和停留時(shí)間，分離效率分別為88%、91.2%、76.5%。

通過(guò)上述的云圖計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)以1m/s的帶速將物料輸送進(jìn)喂料口時(shí)，輕物料在機(jī)內(nèi)的停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，而且有部分輕物料沒(méi)有被分離出來(lái)，混入重物料料流內(nèi)被帶至重物料排出口。當(dāng)帶速設(shè)定在1.5m/s時(shí)，輕物料沒(méi)有混入重物料流的現(xiàn)象，而且在機(jī)體內(nèi)的停留時(shí)間縮短了很多。當(dāng)帶速設(shè)定在2m/s時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)部分輕物料混夾在重物料里面不能分離的現(xiàn)象，導(dǎo)致分離效率下降。另外，也有部分重物料越過(guò)分選區(qū)旋轉(zhuǎn)鼓進(jìn)入到沉降室區(qū)域的現(xiàn)象。通過(guò)三種帶速參數(shù)設(shè)定的模擬分析結(jié)果，我們了解到給料速度過(guò)慢，可能會(huì)造成物料初速度不夠而提前下落，也可能會(huì)造成料層過(guò)厚，那就需要較大的風(fēng)速才能將輕物料帶到分選區(qū)。分選效率如表2所示。

圖8 給料速度1m/s時(shí)

圖9 給料速度1.5m/s時(shí)

圖10 給料速度2m/s時(shí)

表2 不同喂料速度所對(duì)應(yīng)的分選效率

過(guò)大的給料速度有助于輕物料進(jìn)入分選區(qū)，但可能會(huì)造成重物料也被帶到輕物料分選區(qū)，因此根據(jù)物料屬性以及料層的厚度選擇合理的給料皮帶速度也能在一定程度上提高分離效率。

3.3 喂料點(diǎn)位置對(duì)分選效果的影響

喂料點(diǎn)是指輸送皮帶的帶頭拋撒點(diǎn)，喂料點(diǎn)的位置則泛指物料拋撒點(diǎn)與分選區(qū)旋轉(zhuǎn)鼓之間的相對(duì)距離，通常我們可以將輸送皮帶的帶頭拋撒點(diǎn)沿料流方向前后移動(dòng)和調(diào)整，也可以水平調(diào)整移動(dòng)旋轉(zhuǎn)鼓的位置，那么相對(duì)距離是多少才是最合適的呢？我們希望通過(guò)模擬仿真技術(shù)手段，可以找到這個(gè)答案。如圖11所示，喂料點(diǎn)靠后（相對(duì)遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)鼓）的情況下，輕物料的運(yùn)行軌跡和停留時(shí)間，通過(guò)云圖和模塊數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，分離效率在91.2%。如圖12所示，喂料點(diǎn)靠前（相對(duì)接

近旋轉(zhuǎn)鼓）的情況下，輕物料的運(yùn)行軌跡和停留時(shí)間，通過(guò)云圖和模塊數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果，分離效率在97%。

通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)可以看出，如果拋撒點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)鼓的距離遠(yuǎn)，就必須調(diào)整氣流噴嘴的噴射角度和加大氣流的速度，系統(tǒng)空氣阻力相應(yīng)增加，這樣就必須提高循環(huán)風(fēng)量和風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)能耗。若拋撒點(diǎn)相對(duì)旋轉(zhuǎn)鼓的距離較近，還需要調(diào)整氣流噴嘴的噴射角度，但是噴射氣流速度可以降低一些。

3.4 噴射風(fēng)速對(duì)分選效果的影響

氣流噴嘴的斷面是一個(gè)可調(diào)節(jié)裝置，可通過(guò)調(diào)節(jié)氣流噴出的噴口斷面面積來(lái)改變氣體噴射的速度。如圖13、14、15所示，設(shè)定了氣流通過(guò)氣體分布板后所產(chǎn)生的氣流速度為7m/s、9m/s、11m/s時(shí)的輕物料的運(yùn)行軌跡和停留時(shí)間。

通過(guò)上述云圖分析我們可以看出，當(dāng)噴射風(fēng)速在7m/s時(shí)，有部分輕物料裹帶在重物料內(nèi)沿重物料下料口排出機(jī)外，這種情況使得分離效果不佳。而當(dāng)風(fēng)速加大到9m/s時(shí)，取得較好的分選效果。當(dāng)噴射風(fēng)速到達(dá)11m/s時(shí)，反而又出現(xiàn)混料分離不清的現(xiàn)象，但重物料下落暢通。分選效率結(jié)果如表3所示。噴射風(fēng)速的大小對(duì)于分離效率的影響較為明顯，過(guò)小的風(fēng)速會(huì)造成輕物料夾雜在重物料中分離不開(kāi)，過(guò)大風(fēng)速又可能造成重物料在排料腔中折返不能順暢排料，部分輕物料也會(huì)被帶到重物料排料口，這樣不僅會(huì)降低分離效率，而且還會(huì)造成能量的浪費(fèi)。因此，針對(duì)物料的不同物理屬性，調(diào)整好氣流噴嘴的風(fēng)速，對(duì)于分離效率的提高是至關(guān)重要的。

表3 不同的氣體噴射速度所對(duì)應(yīng)的分選效率

3.5 氣流噴射角度對(duì)分選效果的影響

圖11 喂料點(diǎn)靠后的情況

圖13 氣體均布板出口風(fēng)速7m/s時(shí)

圖14 氣體均布板出口風(fēng)速9m/s時(shí)

圖15 氣體均布板出口風(fēng)速11m/s時(shí)

氣流噴嘴的噴射方向和角度是可以調(diào)整的，一般情況這個(gè)銳角角度在15°～40°（以下所述角度均表示為氣流噴射方向與水平線之間的夾角），該噴射角度的確定與物料本身的物化性能、分選區(qū)的結(jié)構(gòu)形式、輸送皮帶的帶速、旋轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速以及噴嘴與拋料點(diǎn)和旋轉(zhuǎn)鼓之間的相對(duì)位置等多重因素有關(guān)，這些因素制約著氣流噴嘴的噴射角度。我們綜合了各相關(guān)因素，初步確定了一個(gè)最佳匹配方案，設(shè)定了噴射氣流的角度，這樣就把問(wèn)題簡(jiǎn)化了。圖16、17、18、19、20、21所示為將噴射氣流角度分別設(shè)定為22°、27°、32°、35°、37°、42°時(shí)，輕物料的運(yùn)行軌跡和停留時(shí)間。

幾個(gè)不同角度的云圖清晰地展示給我們一個(gè)結(jié)果，當(dāng)角度為22°時(shí)，輕重物料根本就分離不了，而且?guī)缀跛休p物料都沒(méi)有分離進(jìn)入到沉降室區(qū)域，這也說(shuō)明噴射角度過(guò)低（即仰角太?。．?dāng)仰角加大到27°時(shí)分離情況有所好轉(zhuǎn)，但是效果不明顯，仍然有很多輕物料混雜在重物料中。當(dāng)仰角增至32°時(shí)，情況大有改善。仰角為35°時(shí)，輕重物料分離效果最好，但當(dāng)繼續(xù)加大仰角至37°甚至42°時(shí)，分離效果反而下降，我們分析這種現(xiàn)象可能與其他的因素干擾有關(guān)，因此，我們認(rèn)為噴射氣流的角度與自身的結(jié)構(gòu)形式和運(yùn)行參數(shù)有一定關(guān)系。如表4所示。

圖16 噴射氣流角度22°時(shí)

圖17 噴射氣流角度27°時(shí)

圖18 噴射氣流角度32°時(shí)

圖19 噴射氣流角度35°時(shí)

圖20 噴射氣流角度37°時(shí)

圖21 噴射氣流角度42°時(shí)

表4 不同氣流噴射角度所產(chǎn)生的分選效率結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用控制變量法對(duì)影響分選效率的幾個(gè)可能因素進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

（1）分選機(jī)腔體內(nèi)部全負(fù)壓工作環(huán)境，可有效避免設(shè)備在工作過(guò)程中出現(xiàn)揚(yáng)塵污染，保護(hù)大氣環(huán)境，不需要額外增加收塵裝置，節(jié)省了系統(tǒng)投資成本，證實(shí)了該設(shè)備整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性和合理性。

（2）在同樣的給料速度和相同的風(fēng)速條件下，保證重物料有足夠的下落空間，將喂料點(diǎn)前移能夠有效地提高分選效率，將給料裝置以及旋轉(zhuǎn)鼓做成可移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，方便調(diào)整喂料點(diǎn)以及物料的下落空間。

（3）在喂料點(diǎn)確定的前提下，合理調(diào)整喂料速度，控制輸送皮帶上的料層厚度，也能夠在一定程度上提高分離效率。

（4）在合理的喂料位置、適宜的喂料速度和足夠的重物料下料空間的條件下，風(fēng)速對(duì)分離效率的影響是最明顯的，通過(guò)改變氣流噴嘴的角度（氣流噴嘴角度可調(diào)）或者控制風(fēng)量的大?。ㄍㄟ^(guò)變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)），來(lái)調(diào)節(jié)氣流速度以及方向（即風(fēng)速），噴射氣流的角度要盡可能保證氣流能夠在旋轉(zhuǎn)鼓切線以上，出風(fēng)口的大小要綜合考慮能耗以及分離效率的因素，還要根據(jù)物料的物化屬性來(lái)定。

（5）通過(guò)配備變頻電機(jī)調(diào)整風(fēng)機(jī)風(fēng)量，變頻電機(jī)控制喂料裝置喂料速度，將喂料點(diǎn)調(diào)整到合適位置，根據(jù)不同物料的物理屬性，設(shè)置不同長(zhǎng)度的阻流板來(lái)取得較高的分離效率。

由于建筑垃圾中物料的物理屬性較為復(fù)雜，要根據(jù)實(shí)際物料情況不斷地反復(fù)試驗(yàn)，調(diào)整各影響因素之間的關(guān)系，以取得較為合理的分選效率?！?/p>

TQ172.633

A

1001-6171（2017）06-0019-07

2017-03-23； 編輯：呂 光