正压转鼓垃圾风选机设计和性能试验

谢光凡

（中山斯瑞德环保科技有限公司，广东中山 528403）

0 引言

随着我国城市化不断加速，城市建设过程中产生大量建筑垃圾。建筑垃圾乱堆乱放的粗放式处理导致了城乡交错带的农业用地和林地被侵占，严重污染了大气、土壤和水体，破坏了区域的生态环境。建筑垃圾作为一种“错置的资源”，对于我国走可持续发展的道路，分类处理建筑垃圾并使之资源化是重要措施之一［1］。目前，中国建筑垃圾资源化利用率不超过10%，但是欧美发达国家利用率为75%，而日韩等邻国对建筑垃圾的资源化利用率则超过90%［2］。造成我国建筑垃圾资源化低的其中一个重要因素是技术水平低，没有健全的垃圾资源化工业设计，导致分选出来的可资源化材料不仅产量少而且不纯净，难以满足使用的要求。在建筑垃圾进行资源化分选的工艺中，为满足高产量和高分选效率，使用风选机进行分选是最好的选择之一。我国目前使用的垃圾风选机存在性能不稳定的缺点，而且缺乏对特定垃圾风选工艺技术参数的研究，现场作业过程多靠作业人员经验和感觉来调控，所以很难达到理想的分选效果。对于这个问题，本文设计制造了建筑垃圾用的转鼓风选机，并对该风选机进行空载性能试验和物料为建筑垃圾的风选试验［3］。

1 系统结构及其工作原理

转鼓风选机是由扩散室总成、吹气总成、气流总成、除尘器总成和电气控制总成组成，如图1所示。进料输送机、支架和扩散室构成扩散室总成；分离鼓单元、吹嘴、支架和进料输送机构成吹气总成；风机、回风管路、分流阀和回风阀构成气流总成；除尘器及其附属电路气路系统组成集尘器总成；所有连接风选机各个部件的控制电缆和控制电柜构成电气控制总成。

图1 转鼓风选机结构

机器作业过程：物料通过提升机直接进入吹气总成，经过进料输送机，建筑垃圾被推送以抛物线的运动轨迹落到分离鼓单元的转鼓后被打散，然后被吹嘴吹来的风分离，分离出来的重物料直接掉到重物料收集处或进入下一个处理环节［4］；轻物料则随着气流带进扩散室内部，气流在扩散室内会被扩散，使得空气和物料分离后的轻物料因重力落到出料输送机上，然后进入下一个垃圾处理点［5］；扩散室内部的扩散后的气流将通过上方的吸气箱进入到回风管路，通过回风管路的回风阀进入风机，然后风机会通过分流阀分离出少部分的空气进入到除尘器除尘后排出，分流阀分离的大部分空气将随着气流进入新的风选循环［6］。

风选机风选的主要参数为气流流速，风选中的气流流速必须是可以符合大幅度调节的，在需要分选轻和重建筑垃圾时，设定的调速范围为5～25 m／s［7］。在性能试验时，在风机进风口处增加一个直径为600 mm的回风阀来进行风量调节，结构如图2所示。在风机进风管内部设有一个可转动的风门，在风门中心线上按一定的角度设有角度定位尺，通过螺钉将风门在固定风管内部。风门开度角面积和风门开度角是正相关的，风门开度角增大，风通过管道的面积增大，风选机吹嘴的风速也增大，所以在空机性能试验和物载风选试验过程中，通过转动此风门来调节该风选机的气流流速，从而得出理想的数据。

图2 回风阀结构

2 性能试验

2.1 空载性能试验

风选通道中的吹嘴气流流速是转鼓风选机的主要参数，为了解回风阀的开启角度对风选通道气流流速影响，风机由圆管变方形的吹嘴中部横向方向放置3个测风点，来测定吹嘴气流流速，研究正压风选系统气流速度的变化情况。

风选机的空载试验是采用离心风机，气流通过圆形的风管，由于离心风机蜗壳结构原因，气体压力在蜗壳出口处基本为稳定状态，所以在同一圆形截面的风速经过一段直管后风速相差不大。当风经过圆管变方形的吹嘴后，风速会因管壁的不规则出现偏置，一般中间流速最高。风选机的使用性能与吹嘴的风速和气流分布有关，所以本实验在矩形吹嘴内取3个测试点的几何平均值来近似计算圆形风管的平均气流流速。图3所示为风选机矩形吹嘴的测点分布。

图3 风选机矩形吹嘴的测点分布

回风阀的风门调节按角度定位尺定开度角分别设定为0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，其中0°为回风阀全关闭状态，90°为全开启状态。在上述7个开度角状态下测定各点的气流流速，由于气流存在不稳定性，风速仪读数会产生一定波动，测定时待读数相对稳定后每个测点记录读数多次，仪器会以算术平均值作为该点的气流流速测试值。为了准确完成此次试验工作，使用了热敏式风速仪，其优点是精度高，而且此设备的细长的探头可以测量狭窄的通风管道、较高较小的通风出口等。

试验结果如图4所示，从图中可以看出，随着风门开度角增大，风选通道的气流流速先是线性增加，达到开度角为75°后呈非线性缓慢增加。

图4 气流流速与风门开度角的散点

通过使用Minitab数据分析软件对风选机的吹嘴气流流速与风门开度角进行数据拟合，拟合函数分别采用一次函数、二次函数、三次函数，拟合结果分别如表1及图5所示。从拟合结果看，三次函数曲线能很好地反映气流流速与风门开度角的关系，而且拟合度R2高于0.98。空机状态下的气流流速与风门开度角的三次拟合关系式，因为现场使用环境的干扰因素过多，实际上并不能很精确地反映物载带料状态下的气流特性，但是拟合函数对实际的风选工作依然具有一定的指导性，可以用来对带料载荷工作状态下风选的吹嘴气流流速进行估算，并可根据主要分选物料本身临界速度来选定合适的风门开度角。

表1 气流流速与风门开度角的拟合关系式

图5 风选机吹嘴气流流速的拟合曲线

在实际生产作业中，因为每个建筑垃圾分选单位的需要分选的物料基本不一样，可以跟现场情况设定风力系数β，然后结合三次拟合关系式可以得出实际带料作业状态，风选机的风嘴风速的估算式为［3］：

式中：v1为带料作业状态下风选机吹嘴气流流速，m／s；v2为空载状态下风选机吹嘴气流流速，m／s；X为风门开度角，（°）；β为现场带料估算出的风力系数。

2.2 物料风选试验

建筑垃圾是指建造方、施工方或个人对各类建筑物、构筑物等新建、扩建、修缮或拆除过程中残留下来的余泥、弃料、渣土、砂石及废钢材、废木料等其他废弃物［9］。

建筑垃圾种类非常多，按组成的成分进行分类，建筑垃圾可分为废渣土、砼块、砖瓦碎块、碎石块、废砂浆、废水泥浆、废塑料、废金属、废竹木等［10］。但80%以上是由砖瓦、混凝土、砂浆、木块、包装材料组成，施工过程中的废混凝土、散落的砂浆等占常见建筑垃圾的比例其实不是很大，只有5%左右，除此之外建设经常用到的钢铁、玻璃等材料占比反而更少［11］。

本试验以木材、石头为主，模拟建筑垃圾中占比较大的混凝土、砂浆、砖块、木块，并在试验物料加入适量的布料、塑料和纸张模拟建筑包装材料［12］。当所有的物料混合均匀后，物料密度约为1 500 kg／m3，通过输送机按0.5 m3／min进料速度对入料输送机进行喂料，并开始物载试验。

试验过程中使用同批次的试验物料，每完成一组试验，记录并分析完材料比重，就把风选试验分离出来的重物料和轻物料重新混合，调整调风阀风门开度角后开始下一轮试验使用。

调节风门开度角的行程为30°～90°，同一入料检查质量分数，如表2所示。

表2 建筑垃圾的风选试验结果

从试验结果可以看出，在风门开度角为75°～90°时，垃圾中可燃物和不可燃物被风选机分选得非常分明。当风门开度角为60°时，重物质中还掺杂着颗粒大小大于或等于80 mm的木头，但是在实际生产中，进入风选机的颗粒大小都有要求的，一般待分选的物料颗粒分20～80 mm和80 mm以上两个级别，所以颗粒大小大于或等于80 mm的木头在分选车间中，进入风选机的上一级设备的筛分机里面被筛分掉，然后是20～80 mm大小的颗粒会进入风选机进行分选，所以当风选机的风门开度角为60°的时候，不仅处理量大，而且能够很好地分出塑料、纸张、布料和木头等可燃物，在这个工况下，风选机的吹嘴气流流速为21 m／s。如果只分选出塑料和布料等可回收利用的物质，则需要把风门开度角设为30°～45°之间则可，此时的风速不超过14 m／s。

3 结束语

（1）正压转鼓垃圾风选机将物料通过撞击转鼓便于打散彻底清除轻杂；回风阀采用内部可转动的风门的结构形式，有效避免了工作过程中风阀的进风、漏风从而影响整个风选系统的分选效果。

（2）空载性能试验表明，风选系统的气流流速随着风门开度角的增大呈线性增长，但是当风门开度角达到75°后变为逐渐缓慢的非线性增长，且风选通道内的气流流速与风门开度角呈三次拟合函数，这些数据和资料对以后风选机的调试有很大的帮助。

（3）物料风选试验表明，正压转鼓垃圾风选机对塑料、纸等可燃物清除效果明显。在45 t／h进料建筑垃圾时候，对区分可回收的塑料的适宜风门开度角为30°，此时风选机吹嘴的空气流速为7.5 m／s；区分塑料、纸张和小木块等可燃物的适宜风门开度角为45°，此时风选机吹嘴的空气流速为14 m／s，区分大块木头、石头等可作再生骨料的风门开度角为60°，此时风选机吹嘴的气流流速平均为21 m／s。

（4）通过建立风选机的设计并进行试验，得到了相关设备运行的参数，表明了风选机在建筑垃圾分选的使用上是没有问题的。将风力分选技术作用于建筑废弃资源化行业，并做出物料使用试验，为解决建筑垃圾骨料分选的不纯净等难题提供了数字化的参考依据［13］，不仅有利于对风选设备的气流控制和设计提升，更是提高建筑垃圾的利用率，形成建筑垃圾资源化产业链，促进环保行业进一步转型升级和发展［14］。