除臭处理下的生活垃圾气力输送系统多模块化设计

2021-10-26杨永健刘志华

机械与电子 2021年10期

杨永健，何鹏，刘志华

(1.天津津生环境科技有限公司，天津 102208；2.北京天吴科技有限公司，北京 102200)

0 引言

生活垃圾气力输送系统指的是在真空管道的基础上，设计全封闭式的垃圾输送装置，通过气流将垃圾从一端运送到另一端[1]。基于真空的垃圾处理装置不仅可以避免生活垃圾的异味，还可以减少污渍对垃圾箱周边环境的污染，进而减少垃圾车的运行频次，减少垃圾处理的经济成本。因此，作为一种新型的垃圾处理方式，生活垃圾气力输送系统受到了学者的广泛关注。

文献[2]设计了螺杆泵-管道输送系统，通过选用最佳的泵-管道输送系统污泥泵形式和配套的管件管材，解决了常规运输系统产生的臭气外逸、洒落、漏滴等二次污染问题，取得了较好的环境效益。文献[3]分析了垃圾运输的影响因素，设计了垃圾运输的辊道及水泥储存传输固定系统，为探索垃圾运输方式及途径提供了必要的数据。文献[4]通过引入CAD/CAE技术，改造扫盘、吸嘴体、箱体等部件，设计了垃圾清扫车的气力输送系统，有效提高了垃圾输送效率。

本文基于以上文献研究成果和不足之处，进行除臭处理下的生活垃圾气力输送系统多模块设计，考虑了经济的最优化模型，实现了生活垃圾气力输送系统建立与运行过程中经济效益的最大化。

1 生活垃圾气力输送系统硬件设计

在设计生活垃圾气力输送系统电路的过程中，首先需要确定系统对于电力消耗的需求。本文基于经济价值，设计新的生活垃圾气力输送系统，在安全、稳定的基础上，设计经济成本最低的电路如图1所示。

图1 生活垃圾气力输送系统电路设计

如图1所示，在电路设计中，可以根据先行稳定电压之间的输入电压与输出电压设计最大的电压差，适当调整3个电源接口之间的损耗比，确保电路系统的稳定运行[5]。将整个电源芯片大致分为线性电源与开关电源，其中，线性电源主要通过输入电压与输出电压之间的电压差进行低效率运行，此时的电压压差较小，适合进行元件较少、电流较小的操作，且此时的电功率需求量较少，电费成本降低。开关电源可以分为AC和DC 2大类开关设备，最高的电压输出效率比为80%～85%，虽然占地面积较小，但是电能的利用率极大，很多地方的电压纹波可以达到5 mV以下，此时的电磁干扰效果最佳[6]。因为生活垃圾气力输送系统的电源通常采用电池供电的方式，所以该系统的电池电压会随着电能的消耗而逐渐降低，其波动范围大致在3～5 V之间，且为了保证生活垃圾气力输送系统的稳定运行，其内部的电源芯片只包括TPS35426和TPS52637。2种电池芯片均拥有最大输出电流，可以达到120 mA，且承载电力系统稳定运行的能力更强。很多芯片会根据自身的需求发生相应的电压变化，如图2所示。

图2 电源芯片电压变化

如图2所示，由于该系统硬件的供电系统具备一定的稳定性，且输入与输出电源的电压差具有减少系统功耗的能力，对开关电源电路具有很好的实现能力，在抑制大功率噪声的过程中，能够保证硬件设备的正常工作[7]。

2 生活垃圾气力输送系统软件多模块设计

2.1 垃圾投放运输模块

生活垃圾气力输送系统通常使用空气作为垃圾传输的介质，利用发动机作用下的空气压力推动空气流动，将垃圾从一端输送至另一端，根据单位系统内的垃圾输送量，可以得到公式

(1)

Id+n为平均每昼夜内生活垃圾气力输送系统将垃圾从一端输送至另一端的输送量；I0为一昼夜的垃圾输送量；ki为生活垃圾气力输送系统在运行后期的发展系数，通常取值范围为[0，1.02]；T为生活垃圾气力输送系统的实际工作时间[8]。在输送垃圾的过程中，可以通过吸气式或呼气式的空气传输方式，选择具体的输送方向，确定其最佳气力输送比例，如表1所示。

表1 生活垃圾气力输送系统气体输送比

如表1所示，不同的气体输送方式可以产生不同的压力表现形式以及气力输送比，在实际选择中，可以通过具体的输送方向，选择最适合的气体输送方式，且尽量将气体输送比调整为最佳区间[9]，二者相对应的风速设置可以表示为

vw=civt

(2)

vw为输送风力的速度；ci为风力计算的经验系数，具体数值如表2所示；vt为空气中垃圾的悬浮速度。一般情况下vw会大于civt，然后以此选定大面积传送垃圾最适合的风速。而通常情况下vt不会直接得到，因此需要通过式(3)进行计算。

(3)

vi为空气中垃圾的悬浮速度；λf为生活垃圾在悬浮过程中的经验系数，具体的数值如表2所示；θi为生活垃圾的重度。

表2 公式计算参数

整合上述分析结果，完成生活垃圾运输过程中的速度以及力学特性计算，进而完成生活垃圾投放运输模块的设计。

2.2 垃圾除臭处理模块

在处理生活垃圾气力输送系统的除臭模块时，首先要考虑生活垃圾的除尘。此时，可采用机械除尘、电除尘和布袋除尘等方法[10]，或直接通过湿度除尘，在除尘室内喷洒部分水，将垃圾中的灰尘全部分离，再将垃圾送入除臭室，如图3所示。

图3 生活垃圾除臭物理处理方法

如图3所示，生活垃圾气力输送系统中废弃垃圾的气体成分主要包括H2S、NH3等无机气体，以及一部分有味道的有机废气，对于这些废气，可以通过活性炭的吸附作用去除，或者将一些具有香味的物质与废气混合，以达到除臭的作用[11]。一般情况下，需要将这道工序重复3～4次，以便将生活垃圾中的废气真正地清除干净。此外，若活性炭吸附效果较差，还可以通过图4进行化学方法的除臭处理。

图4 生活垃圾除臭化学处理方法

如图4所示，为了保证最大效果的废气净化以及垃圾除臭，将3个化学除臭的处理箱密封处理，以便化学药品能够更好地完成化学反应。

2.3 垃圾处理回收模块

生活垃圾气力输送系统的回收模块涉及到垃圾的气液固分离技术，因此，需要在回收口的中央处理系统中设置1个公式，用来识别生活垃圾中气体、液体和固体[12]。

(4)

ρf为生活垃圾在空气中的具体重力密度；Pi为标准大气压下的空气密度，设定为1.205 kg/m3；Mu为气体的摩尔体积；Re生活垃圾的质量常数，通常取值为8.3～8.4 J/mol；Tf为热力学常数。通常情况下，若ρf的数据为[0，1]，则该生活垃圾被识别为气态；若ρf的数据为(1，10]，则该生活垃圾被识别为液态；若ρf的数据大于10，则该生活垃圾被识别为固态[13-15]。

通过这种垃圾识别方法，可以将垃圾有效分类。

3 实验研究

3.1 实验准备

结合现实生活中的生活垃圾气力输送系统，通过优化其设备的技术参数，设计了如表3所示的生活垃圾气力输送模拟系统配置表。

表3 生活垃圾气力输送模拟系统配置表

通过文中所示的结构设计生活垃圾气力输送系统后，以同样的方法建设现有的3种生活垃圾气力输送系统(将文献[2]方法设为对照1、文献[3]方法设为对照2、文献[4]方法设为对照3)，并通过式(5)比较这4种系统运行过程中需要使用的功率。

(5)

Fl为生活垃圾气力输送系统对于垃圾袋的推力；Ca为生活垃圾气力输送系统的水平坡度；Ty为垃圾袋中垃圾的平均质量；v0为空气中的极限状态下的平均风速；Ps为输送单位质量下的生活垃圾所需要消耗的功耗[14]。在得到功率计算结果后，将运输成本与人工成本全部纳入到预算中，计算这4个系统在运行过程中的经济成本。