风力分选机垃圾分选流场的数值模拟研究

马誉轩，刘婉儿，马东旭

（兰州城市学院，甘肃 兰州 730000）

1 项目研究背景

随着经济和城市人口的快速发展，我国每年城市生活垃圾清运量已达1.4 亿吨，并且以8%～10%的速度递增，垃圾污染问题已成为一个十分严重的环境问题。同时，大量研究已表明垃圾资源开发具有较大的能源潜力和市场前景。资源化是我国城市生活垃圾的发展方向之一，而垃圾分选是垃圾资源化的关键步骤之一。风力分选机是垃圾分选的常用设备，风力分选是以空气为分选介质，在气流作用下，使固体废物颗粒按密度和粒度大小进行分选。分选设备在结构上有立式和卧式两种。目前，卧式风力分选机是工业中广泛使用的设备，工作原理是利用物质密度之间的差异，通过调节风机的角度、风速、物料槽间挡板的相互高度，达到较好的分选效果。卧式风力分选机由于分选时内部流场非常复杂，气、固两相流动轨迹难于监测，故风力分选机往往达不到预期分选效果。因此，在风力分选机设计阶段弄清风力分选机分选流场及垃圾混合物分离规律，进行风力分选机分选性能预测具有重要意义。

2 项目研究目标及主要内容

（1）本文以气固两相流理论为基础，建立风力分选机分选流场的数学模型，利用Fluent 软件对卧式风力风选机分选流场进行了数值模拟，得到风力分选机内部垃圾颗粒混合物分离规律，同时，预测了卧式风力分选机对垃圾混合物的分选性能。本文的数值模拟方法对风力分选机进一步优化设计具有重要理论指导意义和实用价值。（2）风力分选机内部流场控制方程及数值模拟：

2.1 控制方程

生活垃圾经破碎后，以不同粒径颗粒形式进入风力分选机，尽管生活垃圾成分非常复杂，但对于进入风力分选机的垃圾混合物来说，在分选机内部运动过程可视为多组分气固两相流流动。模拟时对两相流体做如下基本假设：（1）进入风力分选机的垃圾固体颗粒视为均匀球形颗粒；（2）垃圾固体颗粒与空气在风力分选机入口处混合均匀；本文采用欧拉双流体模型进行计算。将空气作为第1 相，固体垃圾按不同粒径范围的颗粒作为第i 相（i= 2,3,4…）。在卧式风力分选机内，垃圾固体颗粒与气体混合运动，存在颗粒的集聚与分散；颗粒依靠气体的流动实现分选。从空间结构来看属于异型管道的气力输运与运移现象。空气在分选机内部是连续相（主相），颗粒相为第二相。在内部，分散相有积聚的可能，即：流动中有相混合或分离；分散相的体积分数超过10%。据此，应当使用Eulerian 模型。同时，本文选用Eulerian 模型还基于以下几点：①具有更好的计算精度；②采用相耦合输运方程，可以应用于气体、固体任意相联合；动量和连续性方程是对一项相求解。③可模拟多相分离流，及相间的相互作用；压力各项相共享；④可以采用摩擦黏性；适用于所有的κ-ε紊流模型，并可应用于所有相或者混合相。本文同时也采用了Eulerian-Lagrangian 处理用于离散相模型，进一步地刻画颗粒在分选机内的运动轨迹。虽然颗粒物的运动是一种随机运动，但是，在一定程度上可以解释分选机内的宏观结构特点。

2.2 动量守恒方程

式中，α 为体积分数，ρ 为密度，u 为速度，τ 为黏性应力，P 为气体压力，Ps为固体压力，g 为重力加速度，β 为拖曳系数，用来描述气固两相间动量交换的物理量，下标g 表示气象，s 表示固相。由式（1）可得出垃圾颗粒混合物多组分气固两相流动控制方程的通用形式为：

式中，γi，ρi分别代表各相的体积含量和密度；Гi和Si分别为交换系数和源项；φ代表任意的守恒特性。对两相紊流进行模拟时，必须引入Г，S 并考虑速度、密度、φ以及其他量之间的关系，从而求解各变量的时均值。

2.3 分选参数方程

中重物质槽内塑料分选效率µ2：

式中，M 是生活垃圾中某组分总量；B 是中重物质槽中生活垃圾量；b，其中该组分的质量；C，轻物质槽中生活垃圾量；c，其中该组分的质量。

2.4 模拟参数设置及边界条件

通过计算，可得出异型管道内的气体流动的雷诺数大于1.0×105，因而风力分选机内的空气流动属于紊流流动。分选特性体现了紊流流动层与层之间的相互干扰，层与层之间既有质量传递又有动量传递。由于风力分选机内的空气流为低马赫数压缩性流体的流动，因而采用Fluent 中非耦合隐式求解方式。边界条件设置时，进料口设置为velocityinlet 速度进口，四个出口设置为outflow(三个出料槽与一个出气口)。气相采用壁面无滑移条件和标准壁面函数处理。在入口处设定混合物的速度、温度、体积分数和其他相关物性参数。

3 两种分选机分选流场静压和风速变化规律

普通型风力分选机在漩流下部和右侧风速很低，因而生活垃圾颗粒中较重的物质，重力较大，极易掉入下部的物质槽中，而较轻的物质易在中心的漩流作用下发生返混而回流到风选机前部，随机地落入三个出料槽中。普通型风力分选集中无风区和弱风区较多，加之出风口小。当生活垃圾进入此风力场中时，出现正压和负压交错的现象，风力分选机中心地带产生高速和低速气流，垃圾颗粒与气流一起旋转，就很可能导致漩流的产生。当脱离气流裹挟时，在惯性和重力双重作用下运行。改进型风力分选机风压由入口向出口逐渐减小，中间并未出现大的返混和紊乱，压力值变化较平缓，这样更有利于垃圾分选；空气（phase-1）的风速矢量分布均匀由入口向出口逐渐减小，也没有出现较大的紊乱及漩涡，这与实验规律相一致，由此证明该数值模拟的正确性。改进后风力分选机内部气流状态比改造前平稳，不仅风速是从进风口向出风口逐渐递减，而且气流压力也出现这种状态。风压场没有出现大规模的正压和负压交错的情况，而且风速基本由进风口向出风口逐步递减，曲线变化规律性很强。另外，在中质槽和轻质槽出口处出现气流压力异常、风速变化较为紊乱的状态，模拟发现在这两个出料槽中易有漩流产生。

4 实验数据与模拟结果对比分析

由于生活垃圾中具有资源化利用潜力的物质，主要是塑料、金属、玻璃和有机物及纸、化学纤维、包装物等的混合物。经破碎筛分试验后发现塑料等集中在40 ～120mm 的粒径范围，几位模拟中的phase-3 组分。所以仅就该组分的分选性能进行实验分析。一方面，总分选效率和纯度均在80%以上，说明该改进型风选机的性能良好，对具有经济利用价值的phase-3 组分有较高得分选效率。另一方面，phase-3 在中重物质槽中的分选效率高于其在轻物质槽中的分选效率。这与图2 中体现的结果相一致，体现了中重物质槽对中等质量物质的较高回收效果和对phase-3 的分选性能。phase-3 在轻物质槽内的纯度远高于其在中重物质槽内的纯度。说明分选机在该风速条件下，对颗粒群按质量筛分性能良好，同时，在某种程度上来讲，也与垃圾的组成成分有关。