城市生活垃圾气流分选研究.pdf

1、江苏科技大学 硕士学位论文 城市生活垃圾气流分选研究 姓名：何小庆 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：刘芳华 2011 摘 要 I 城市生活垃圾气流分选研究 作者：何小庆 导师：刘芳华教授 江苏科技大学硕士论文 摘 要 城市生活垃圾是指在城市日常生活中产生的固体废物，如废纸、废塑料、厨房垃 圾、建筑垃圾等。随着经济和社会的快速发展，城市规模不断扩大，城市生活垃圾产 生量也在不断增加，而且城市生活垃圾的成分日趋复杂。 从资源学的观点来看，城市生活垃圾是目前世界上不断增长的潜在资源，所以城 市生活垃圾是“放错位置的资源” 。目前国内处理垃圾的工艺比较落后，尚未完全达到 城市垃圾处理无害化、减量

2、化和资源化的要求。因此，研究和开发适宜的处理技术以 解决垃圾的环境污染问题就显得十分重要。 本文正是在以上背景下，对城市生活垃圾的气流分选技术进行了一些研究。城市 生活垃圾的气流分选是一种新型的垃圾处理技术。与常规的垃圾处理方法相比，气流 分选处理技术具有高效的能源利用率和良好的环保特性，从根本上解决了二噁英和重 金属等二次污染问题，具有广阔的发展前景。 本文首先详细分析气流分选的工作原理，设计了卧式气流分选机，利用三维设计 软件 Pro/E 建立卧式气流分选机主要零件的三维模型。然后建立卧式气流分选机内部 气体流场的数学模型，采用专用的 CFD 前端处理器 Gambit 生成网格，采用 Fl

3、uent 进 行数值模拟，并且对模拟结果进行了分析。 关键词 城市生活垃圾；气流分选；FLUENT；数值模拟 Abstract II Abstract Municipal solid waste is produced in daily life, such as waste paper, waste plastics, kitchen waste and building waste. With the rapid development of economy and society, city scale expands unceasingly, the amount of municip

4、al solid waste increases rapidly and the composition of MSW is more complex than before. From the view of resource study, municipal solid waste is potential resource increasing rapidly in the world, so municipal solid waste is called “resource in the wrong position”. At present domestic garbage disp

5、osal process is relatively backward, and has not completely met the requirement of harmless, reduction and recycling. So it is very important to research and develop appropriate processing technology in order to solve the environmental pollution problems of garbage. Based on these backgrounds, this

6、paper does some research on air separation of MSW. Air separation of MSW is a new kind of waste treatment technologies. Compared with conventional method of waste treatment, air separation technology has high-efficiency energy utilization and good environmental characteristics, fundamentally solve s

7、econdary pollution problems of dioxin, heavy mental and so on, has a broad development prospects. This paper first analyses working principle of air separation, designs horizontal air separator, establishes the three-dimensional models of main components of horizontal airflow sorting machine using t

8、hree-dimensional design software Pro/E. Then establishes the mathematical model of gas flow field, and generates grid using gambit, which is specified preprocessor of CFD, and does numerical simulation using fluent, analyses the simulation results. Key words MSW; air separation; FLUENT; numerical si

9、mulation 第 1 章 绪论 1 第1章 绪论 1.1 课题研究背景和意义 随着城市人口的增加，城市垃圾产量越来越大，对环境的危害也日益严重。就我 国而言，不仅固体废弃物的问题形势严峻，资源形势也令人担忧，人均资源低于世界 水平，利用率也很低1。 目前城市生活垃圾处理技术主要可归纳为三类： 填埋(Landfill)、 堆肥(Composing)、 焚烧(Incineration)。卫生填埋法有投资少，技术要求不高，处理费用低和便于操作的优 点，因而得到广泛应用。但是该方法运输成本高，浪费可回收利用资源及占地面积大， 而且生活垃圾容易产生有毒液体，经过雨淋、风化、地表径流渗入土壤中，杀死土

10、壤 中的微生物，破坏土壤的腐解能力，改变土壤的性质和结构，阻碍植物根系的生长和 发育；残留毒害物还能破坏生态环境，使毒害物质积存在人体内，危机人身生命。堆 肥处理效率低，容易产生恶臭，工艺条件难以控制，肥效低，而且由于缺少有效的生 活垃圾预处理手段， 导致肥料中包含大量的碎塑料和重金属， 堆肥产品质量难以把握， 容易对农作物产生污染2。生活垃圾的焚烧存在缺陷，部分环保专家对焚烧垃圾提出 了异议：垃圾焚烧的同时产生许多重金属、氯有机化合物、氰化物、氮化物，对环境 特别是对大气的污染非常严重；其中最可怕的是，在焚烧生活垃圾的过程中产生能够 导致人和动物患上癌症的二恶英气体。 2009 年 11 月

11、 08 日中国广播网上的一篇文章广州番禹拟在人口稠密区建垃圾焚 烧厂引争议引起关注。争议的热点主要集中在周边市民认为在如此稠密的居住区建 垃圾焚烧厂的气体排放等环保指标无法过关等。还有市民认为，焚烧厂周边居民的癌 症发病率明显高于其他地区，并且认为用焚烧的方式处理垃圾是发达国家早已淘汰的 处理方式，不应该再在广州运用。 从资源学的观点来看， 城市生活垃圾是 “放错位置的资源” 。 对已产生的城市垃圾， 最佳的处理方法是从垃圾中回收物质和能源，即垃圾的资源化，从而实现垃圾的减量 化和无害化。垃圾资源化的首要工作就是垃圾的分选。国外有些国家把城市垃圾分选 工作让市民来做，也就是在垃圾收集的首端就实

12、现垃圾的分选，当然这种方法比较经 济，对环境的影响也小，资源化较容易。但目前就我国而言，这种方法并不适用，城 市垃圾的分选工作只能主要由垃圾处理厂来做。在垃圾分选的过程中，分选效率是决 定垃圾回收物质价值和市场销路的重要因素，以往最广泛采用的垃圾分选方法是从传 送带上进行手选，然而这种方法效率低，劳动强度高，不适合工业化生产的要求。因 此，开发大规模混合城市垃圾的分选技术势在必行。 江苏科技大学工学硕士学位论文 2 垃圾分选的目的就是把无机物和有机物分离，从而更好地回收能源与物质。我国 城市垃圾成分复杂，与发达国家相比，无机物含量高1。目前垃圾分选技术主要有筛 选、重力分选、磁力分选、风力分选

13、、电力分选、光电分选、摩擦及弹跳分选、浮选、 溶剂分选等。固体重物重力分选的方法很多，按作用原理可分为气流分选、惯性分选、 重介质分选、摇床分选等。 气流分选的方法具有工艺简单的特点，作为一种传统的分选方式，被许多国家广 泛地使用在城市垃圾的分选中。70年代初期在美国就广泛使用将垃圾破碎以后用气流 分选的方法分离可燃性物料为主要成分轻组分和以无机物为主要成分的重组分1。气 流分选在许多国家都得到了广泛的应用。 1.2 课题国内外研究现状 1.2.1 气流分选的国外研究概况 根据美国“新型预测委员会”和日本科技厅的专家预测，在未来 30 年内，全球在 能源、环境、农业、食品、信息技术、制造业和医

14、学等领域将出现十大新兴技术，其 中有关“垃圾处理的新兴技术”被排在第二位。随着这类新兴技术的出现、成熟和产 业化，在 21 世纪头十年内，发达国家日常生活垃圾中的 50%将被回收利用4。 风力分选城市生活垃圾是目前垃圾处理最具有发展前景、而且也是垃圾处理的最 佳技术途径。目前该项研究在一些经济发达国家已经展开，如美国、德国等国家都正 积极开展该方面的研究工作，并得到了政府等方面的大力支持。 气流分选工艺简单， 作为一种传统的分选方式， 在国外主要用于城市垃圾的分选， 将城市垃圾中以可燃性物料为主的轻组分和以无机物为主的重组分分离，以便分别回 收利用和处置。 按气流吹入分选设备的方向不同， 气流

15、分选设备可分为两种类型:水平 气流风选机(又称为卧式风力分选机)和上升气流风选机(又称为立式风力分选机)。研 究表明，要使物料在分选机内达到较好的分选效果，就要使气流在分选筒内产生湍流 和剪切力，从而把物料团块进行分散，有利于各物料的分选。 美国犹他大学对锯齿型气流风选机的结构作了进一步的改善15。他们将每个转折 点的下斜面去掉， 并将风选筒体改成上大下小的锥形， 使气流速度从上到下逐渐降低。 逐渐变小的气流速度大大减小了由上升气流所夹带的重颗粒的数量。 为了取得更好的分选效果，国外的一些专家对立式风选机进行了改造，将其他分 选手段与气流分选组合在一个设备中，如振动式气流分选机和回转式气流分选

16、机20， 如图 1.1 和 1.2 所示。 前者兼有振动和气流分选的作用， 能够使所给的垃圾沿着一个斜 面振动，较轻的物料集中于表面层由气流带走，实现分选；后者兼有滚筒筛的筛分作 用和气流分选的双重作用，当滚筒筛旋转时，较轻的垃圾颗粒悬浮在气流中而被带到 第 1 章 绪论 3 集料槽，较重和较小的颗粒则通过滚筒筛壁上的筛孔落入集料槽，较重的大颗粒则在 滚筒筛的下端排出。 图 1.1 振动式气流分选 Fig.1.1 vibrating type air separation 图 1.2 回转式气流分选 Fig.1.2 rotary air separation 德国的G 提墨尔12介绍了6种不同

17、类型的气流分选机：Z字形气流分选机、圆锥气 流分选机、带有轻物料气动输送的横向气流分选机、不带轻物料气动输送的横向气流 分选机、冲击式气流分选机、拱形皮带气流分选机。这6种类型的气流分选机被广泛用 于不同的领域。 江苏科技大学工学硕士学位论文 4 1.2.2 气流分选的国内研究概况 我国的城市生活垃圾处理处置起步比较晚，始于 20 世纪 80 年代初期。近年来， 由于政府的支持和人民对环保意识的增强，我国的城市生活垃圾资源化技术得到了快 速发展， 引进和开发了一些生活垃圾资源化技术和设备， 利用生活垃圾进行焚烧发电、 堆制有机复合肥料、制砖、塑料再生、制作建筑材料等技术已经应用于多个省市，但

18、是实际上我国城市生活垃圾资源化的效益却一直不高，影响了上述技术的大力推广应 用，同时也影响了我国城市生活垃圾资源化水平的提高。究其原因，是因为我国对城 市生活垃圾资源化的认识不够，缺乏城市生活垃圾预处理的技术和设备。所以，研究 适合我国国情的城市生活垃圾资源化技术和预处理的技术及设备，是提高我国城市生 活垃圾资源化水平的有效手段。 这些年，我国各地政府和环境卫生部门越来越重视城市生活垃圾的综合处理。如 将生活垃圾通过资源综合利用、焚烧、填埋方法三种垃圾处理技术优化整合，即“三 位一体”综合处置，已成为浙江省正在兴起和发展中的垃圾处理新方法10。该方法的 核心是通过垃圾的机械分选技术分选出垃圾中

19、的可再生资源、可发酵的有机物、不能 回收利用的可燃物和固态残余物，分别加以处置。 从近几年国内新建的生活垃圾处理厂及一些科技文献资料来看， 除了磁选技术外， 国内对生活垃圾机械分选技术的研究与专用设备的开发起步较晚，处理手段落后，难 以实现机械化作业14。目前处理工艺主要有以下三种： 第一种方式为直接进行人工初选，然后进行筛选和人工分选。这种方法的水平比 较低，主要用于国内生活垃圾处理厂比较简陋的工艺方式； 第二种方式为先对袋装生活垃圾进行破袋，再进行筛选和人工分选。该方式主要 是参照欧美发达国家的设备进行生活垃圾处理。但由于国外发达国家的生活垃圾分类 收集情况进行得比较好，我国的生活垃圾则是

20、混合收集，因此国外的生活垃圾处理方 式并不适合我国的国情； 第三种方式为在对袋装垃圾进行破袋的同时，对生活垃圾中的大块物料进行选择 性破碎和分选，再进行筛分和人工分选。 从以上可以看出，在这些工艺中筛分和破碎技术在生活垃圾处理过程中是常用的 技术，风力分选技术的研究和利用较少。国内有一些高校与企业合作，进行气流分选 方面的研究工作。 上海同济大学的李兵4等人通过在自行设计的分选机上做实验，对卧式气流分选 机分选基本规律进行研究。西安理工大学的杨先海5等人提出对生活垃圾中回收价值 高的废旧塑料进行优化分选的新工艺，研究塑料分选的工作机理，建立垃圾分选成分 在分选设备中运动的数学模型。研究垃圾堆密

21、度、气流速度、气流倾角、分选区高度 第 1 章 绪论 5 与分选率的关系，确定了比较理想的参数取值范围。研制塑料分选试验台，并采集生 活垃圾进行大量试验，验证了理论分析结果的合理性。辽宁工程技术大学的郭仁宁6 等人进行了城市生活垃圾风力分选效率研究。他们应用流体力学的基本原理，提出了 城市生活垃圾风力分选流场的数学模型， 并采用流体力学分析软件 FLUENT 进行数值 模拟，发现影响风力分选效果的最主要的因素是城市生活垃圾各组分的密度和气流的 流动速度。 公司的一些技术人员也进行了相关研究。高根树7等人进行了城市生活垃圾塑料 风选系统的研究。他们认为风力分选设备应从工艺设计角度优先考虑在垃圾腐

22、熟后阶 段设置；在系统设计上，应力求物料厚度、抛撒速度、落差与风选机相匹配；通过在 风选室内设置接力滚筒，可以大大改善风力作用衰减、延长轻料输送距离角度；采用 新型转子离心分离机，可以大幅度缩小分选设备占地面积、高度、循环风量和环境粉 尘排放。王永昌20的专利（专利号 200520104709.2）是为了解决生活垃圾处理装置不 能使降解后的可燃物与固体废弃物完全分离的问题而提供一种生活垃圾气流分选装 置。 ZQGF 系列生活垃圾滚筒式破碎烘干气流分选机是江阴市中庆机械有限公司的产 品。该机主要将原生、混装城市生活垃圾分类，是城市生活垃圾填埋、堆肥、焚烧、 高温高压催化降解等各类型垃圾处理厂处理

23、垃圾中不可缺少的工艺环节。为下一道工 序的垃圾细破碎、精分选打下坚实基础，不会因分选不彻底损害下一道工序的设备。 该分选机的特点是采用活动分选板，便于调节；全封闭的工作环境，确保无粉尘溢出； 根据分选机应用的不同工艺阶段外置旋转式清扫毛刷或气流反吹式清扫装置，防止堵 塞，提高分选机的分选效率。 1.3 本文主要工作和论文结构 1.3.1 本文主要工作 风力分选垃圾处理方法研究在我国还处在探索阶段。本文主要开展以下几个方面 的研究工作。 详细分析气流分选的工作原理， 分析水平气流分选和垂直气流分选各自的优缺点， 结合两者的优点提出倾斜气流两区组合分选。 设计卧式气流分选机，采用三维设计软件 Pr

24、o/E 进行卧式气流分选机主要零件的 三维建模。 对气流分选机内部气体流场做了一些简化和假设，建立气体流场的数学模型，列 出气体流场的连续性方程、动量守恒方程、能量方程和耗散率方程。 以卧式气流分选机的对称中心平面为研究对象， 采用专用的 CFD 前处理器 Gambit 江苏科技大学工学硕士学位论文 6 生成网格，将网格文件导入 FLUENT 进行数值计算。研究影响分选效果的几个因素， 如气流入口速度等。 1.3.2 论文结构 本文一共六章，各章主要内容如下： 第 1 章：主要阐述了本课题的选题背景以及研究意义，概括总结了气流分选技术 在国内外的研究现状和发展趋势； 第 2 章：主要阐述了气流

25、分选的工作原理，介绍了气流分选机的几种类型； 第 3 章：设计了卧式气流分选机的零部件，采用 Pro/E 进行三维建模； 第 4 章：对气体流场做了一些简化和假设，列出连续性方程、动量守恒方程、能 量方程和耗散率方程； 第 5 章： 对卧式气流分选机气体流场进行数值模拟。 采用前处理器 Gambit 生成网 格，采用 FLUENT 进行数值计算； 第 6 章：对论文已做的工作进行总结，并提出了还需要解决的问题。 第 2 章 气流分选的原理及设备 7 第2章 气流分选的原理及设备 2.1 气流分选的原理 气流分选是重力分选的一种常用方法，又称风选或风力分选，是以空气为分选介 质，在气流作用下使固

26、体废物按密度和粒度大小进行分选的方法，基本原理是气流能 将较轻的物料向上带走或水平方向带向较远的地方，而重物料则由于上升气流不能支 持它们而沉降，或由于惯性在水平方向抛出较近的距离，被气流带走的轻物料再进一 步从气流中分离出来。因而，风力分选过程是以各种固体颗粒在空气中的沉降规律为 基础的。 固体颗粒在静止的介质中的沉降速度主要取决于自身的所受的重力和介质的阻 力。 重力指颗粒在介质中的重量，其值可表示为： () 3 6 s d Gmgg = （2.1） 其中：d代表固体颗粒的粒度； s 代表颗粒的密度；代表空气的密度。 介质阻力是指颗粒对介质作相对运动时，作用于颗粒上，并与颗粒相对运动方向

27、相反的力。对于球形颗粒的介质阻力可用下式表示： 22 Rd = （2.2） 式中：为阻力系数，为渣粒在介质中的运动速度。阻力系数的确定比较复杂，影 响的因素很多，特别是与表征介质流动状态的雷诺数有关，() e f R=，从中计算出 不同的粒度的颗粒在介质中受到的介质阻力。 通常认为介质作用在颗粒上的介质阻力可以分为两类：惯性阻力 N R 和粘性阻力 S R 。当颗粒较大或以较大的速度运动时，介质会形成紊流，产生惯性阻力；而颗粒较 小或以较慢速度运动时介质会形成层流从而产生粘性阻力。 惯性阻力可按下式计算： 2 16 N Rd = （2.3） 其中 16 为从() e f R=曲线中计算出的值。

28、此式即为牛顿阻力公式。 粘性阻力可表示为： 3 S Rd = （2.4） 江苏科技大学工学硕士学位论文 8 其中： S R为介质的粘性阻力；为介质粘度。此式即为斯托克斯公式。 另外，颗粒在介质中沉降时所受的介质阻力还与颗粒朝向地面的形状有关。为此 在阻力公式中引入形状系数x来体现颗粒形状对阻力的影响， 形状系数可按下式求出： 0 0 x = 粒 球 （2.5） 式中， 0 粒 为颗粒在介质中自由沉降的末速度， 0 球 为与颗粒同体积、同密度的 球体在介质中自由沉降的末速度。 在前面的两种阻力公式中引入形状系数则得到牛顿阻力公式： 2 2 16 N Rd x = （2.6） 斯托克斯阻力公式：

29、2 3 S Rd x = （2.7） 当颗粒较大，则根据牛顿阻力公式： () 2 3 2 0 616 s d gd x = （2.8） 求得： () 0 51.1/ s xdx= 当颗粒粒度较小，沉降速度慢，则由斯托克斯阻力公式： () 2 3 0 3 6 s d gd x = （2.9） 求得： () 2 0 54.5/ s dx= 空气与水相比较，其密度和粘度都较小，并且有可压缩性。当压力为1MPa及温度 为 0 20 C时，空气的密度为 63 1.18 10/kg m ，粘度为 6 18 10 a P s 。因为在风选过程中 应用的风压不超过1MPa，所以，实际上可以忽略空气的压缩性，而

30、将其视为具有液体 性质的介质1。颗粒在水中的沉降规律也同样适用于在空气中的沉降。由于空气的密 度甚小，与颗粒密度相比可以忽略不计。颗粒在水中的沉降规律也同样适用于在空气 中的沉降，且空气的密度很小，与颗粒密度相比可忽略不计，球颗粒在空气中的沉降 末速() 2 为： 2 6 s d g = （2.10） 第 2 章 气流分选的原理及设备 9 式中：d为颗粒的直径，m； s 为颗粒的密度， 3 /kg m；为空气的密度， 3 /kg m； 为阻力系数；g为重力加速度， 2 /m s。 当施加水平气流时，球形颗粒在水平气流中的运动分析如图2.1所示。 图2.1 球形颗粒在水平气流中的运动分析 Fig

31、.2.1 the motion of spherical particle in the horizontal air current 固体颗粒的实际运动方向： 2 6 tan s d g = （2.11） 式中：v为气流的速度，/m s； 当气流速度一定时，对窄级别的固体颗粒，其密度 s 越大，沉降距离离出发点越 近，沿气流运动方向的固体颗粒的密度逐渐减小。因此通过控制水平气流速度，就可 控制不同密度颗粒的沉降位置，从而有效地分离不同密度的固体颗粒。 风力分选是利用各种垃圾分选成分在空气介质中不同受力下的沉降规律差异而将 它们分离的。风力分选装置在国外的物料分选系统中已得到广泛应用。在对垃圾

32、的分 选处理中，按工作气流的主流向一般将它们分为水平、垂直分选两种类型。 水平气流分选机又称为卧式风力分选机。水平分选设备结构组成简单，工作室内 没有活动部件，分选效率较高，但横向结构尺寸较大。水平气流风力分选装置中，气 流沿水平方向稳定运动。垃圾分选成分受重力和气流作用力的共同作用，向着两者合 力的方向运动，其轨迹为一抛物线。重质组分（如金属、砖头等）沉降位置离出发点 较近，落入重质收集槽中，轻质组分（如塑料薄膜、纸张等）沉降位置离出发点较远， 落入轻质组分收集槽中，其它垃圾成分如木块落入中重质组分收集槽中。卧式风力分 选机的结构示意图如图2.2所示。 江苏科技大学工学硕士学位论文 10 图

33、2.2 卧式风力分选机示意图 Fig.2.2 the schematic plot of horizontal air separator 垂直分选设备结构组成复杂，纵向尺寸较大，分选率比水平分选设备高，分离柱 的数量根据垃圾分选成分所需分离纯度确定，分离纯度越高，分离柱的数量越多。垃 圾分选成分处于稳定的上升气流中，受重力和气流作用力的共同作用。当气流作用力 大于重力时垃圾分选成分向上运动， 当气流作用力小于重力时垃圾分选成分向下运动， 当二力相等时垃圾分选成分既不上升也不下降，处于悬浮状态。立式曲折形风力分选 机示意图如图2.3所示。 图 2.3 立式曲折形风力分选机示意图 Fig.2.3

34、 the schematic plot of vertical air separator 第 2 章 气流分选的原理及设备 11 生活垃圾风力分选设备所采用的垂直气流、水平气流分选形式各有自己的特点， 融合它们的优点，提出了对垃圾分选的倾斜气流两区组合分选形式。垃圾两区分选运 动示意图如图2.4所示。 图 2.4 垃圾两区分选运动示意图 Fig.2.4 schematic diagram of two regions 当为零时，即为水平气流分选；当 0 90=时，即为垂直气流分选；其它情况为 倾斜气流分选。设垃圾分选成分的重量为G，质量为m，在气流中垃圾分选成分受气 流的作用力P为： 2 a

35、 PFV= （2.12） 式中，为阻力系数； a 为空气密度， 3 /kg m；F为垃圾分选成分的受风面积， 2 m； V为垃圾分选成分与气流的相对运动速度，m/s。 气流沿倾斜方向运动，垃圾分选成分在气流中受重力和气流作用力的共同作用， 向着两者合力的方向运动，其轨迹也为一抛物线。合力与重力之间夹角的正切称为该 垃圾分选成分的飞行系数，该值愈大，垃圾分选成分被气流带走的距离愈大，反之则 愈小。在倾斜气流中垃圾分选成分的飞行系数较大，从而使得垃圾成分容易分选。合 理的选择气流速度、气流倾斜角度和垃圾分选成分下落高度会得到较好的分选效果。 将垃圾分选成分落下过程分为有风区和无风区两个区间，垃圾先

36、通过有风区获得 向前运动的初速度，然后经过无风区的自由运动，通过水平漂移距离的差异实现不同 物质的分离。采用两区组合的分选方法，选择合适的参数配合，可以有效减小设备的 结构尺寸。采用倾斜气流进行风选，建立不同区域的运动方程。 江苏科技大学工学硕士学位论文 12 2.2 气流分选机的类型 我国垃圾分选设备开发较晚，尤其气流分选机几乎是空白，一直以来主要靠购买 国外的成品设备，这样存在的问题：一方面成本增加，另一方面由于国情的不同，垃 圾的成分也不同，直接引进不适合我国的国情1。 风选设备按气流在设备内吹入的方向不同，可分为两类：水平气流风选机（又称 卧式风力分选机）和上升气流分选机（又称立式风力

37、分选机） 。下面介绍6种不同类型 的气流分选机。 2.2.1 Z字形气流分选机 Z字形气流分选机可视为是由一系列横向气流分选机串级而成(图2.5)。给料混合 物沿分选机内的向下倾斜面下滑或下滚，被横向而来的气流吹动。分选出的轻物料到 达通道的对面(其上部的倾斜板面)并向上滑动或滚动， 直到在空气流中重新被分选。 Z 字形气流分选机已被有效地应用于废弃物处理的许多领域， 例如处理废电缆、 废冰箱、 废汽车和建筑废料，并且已成为一些专项研究的内容。在残余废弃物处理中，Z字形气 流分选机可分选： 1)从生产废料(给料粒度200 mm)中除去薄膜； 3)从生物干燥法处理的废弃物中产出高热值组分(如粒度

38、为1060和65250 mm， 或为1535和3585 mm)。 图2.9 带有转鼓的不带轻物料气动输送的横向气流分选机 Fig.2.9 horizontal air separator without air delivering (roller) 2.2.5 冲击式气流分选机 冲击式气流分选机是一种特殊的横向气流分选机(图2.10)。它综合了横向气流分 选和基于废弃物料块弹性行为的分选。用一台振动给料机将待选的废弃物给到分级腔 中。给料机出口边缘下方装一个可调的狭缝状喷嘴，它将分选空气流沿着与废弃物料 流抛落轨迹垂直的方向吹向物料流。塑料薄膜、纸类和其它沉降速度小的组分被横向 吹送到转鼓的

39、上方并在进入松散腔后作为轻物料产品排出。重物料及具有中等沉降速 度的组分落到转鼓上，硬且形状固定的料块如砖和混凝土块从转鼓上弹回并作为重物 江苏科技大学工学硕士学位论文 16 料产品下落排出，软且可变形的组分如包装纸板和织物则保持与转鼓的接触而被排入 轻物料产品中。这种综合两种原理的分选可在改善产品质量的同时，提高轻物料产品 的产率。冲击式气流分选机可用于以下分选： 1)从半自磨粉碎处理的残余废弃物(粒度340mm 和4080mm)中分离出高热值组 分； 2)从建筑场地的混合废料中分离出惰性组分。 图2.10 冲击式气流分选机 Fig.2.10 impacted air separator 分

40、选空气负荷量的范围是0.20.8 kg废弃物 3 m分选空气。 2.2.6 弯曲皮带气流分选机 像冲击式气流分选机一样，拱形皮带气流分选机也是综合了两种分选原理(图 2.11)。待选的废弃物通过一条加速皮带给人弯曲皮带气流分选机中。一个可调的狭缝 喷气嘴安装在皮带尾轮的下方。与在冲击式气流分选机中一样，沉降速度低的组分沿 横向被直接排人沉降腔作为轻物料产品。高密度的大块物料如金属板包装物直接落下 作为重物料产品排出。所有其它组分首先落到弯曲皮带上，可变形的或扁平状的物料 如饮料包装纸壳落在皮带上，然后随皮带输送到轻物料产品中，致密块状物如石头则 滚落到重物料产品中。根据应用的需要，弯曲皮带的倾

41、斜度和位置可以调节。这种气 流分选机可用于以下分选： 1)从较粗的残余废弃物中分离出高热值组分(粒度为60300 mm，且对燃料产品要 求较低)； 2)从工业废料中回收高热值的组分(粒度060mm)。 第 2 章 气流分选的原理及设备 17 图2.11 弯曲皮带气流分选机 Fig.2.11 bending belt air separator 2.3 本章小结 本章详细阐述了气流分选的工作原理。垂直气流、水平气流分选形式各有自己的 特点，融合它们的优点，提出了对垃圾分选的倾斜气流两区组合分选形式。介绍了6 种类型的气流分选机：Z 字形气流分选机、圆锥气流分选机、带有轻物料气动输送的 横向气流分

42、选机、不带轻物料气动输送的横向气流分选机、冲击式气流分选机、拱形 皮带气流分选机。 第 3 章 气流分选机的结构设计 18 第3章 气流分选机的结构设计 气流分选机有两种，即卧式气流分选机和立式气流分选机。立式气流分选机工艺 相对较复杂，而我国在气流分选机研究方面基本处于空白状态。因此，本论文选择了 工艺水平相对简单的卧式气流分选机作为研究对象。 在现有的卧式气流分选机的基础之上，采用三维设计软件Pro/E建立卧式气流分 选机的三维模型。首先对卧式气流分选机各个零部件进行三维建模，然后进行装配。 3.1 Pro/E 软件简介 Pro/E是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简

43、称。Pro/E（Pro/Engineer 操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重 要产品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型 软件领域中占有着重要地位， 并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得 到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。 Pro/E最早进入中国市场的版本是Pro/E 18版， 其后经过十几年的发展和完善， 逐 渐发行了下列的后续主版本。当然，其中每个主版本中间还会有发现一些小改动的日 期代码变化的小版本。 Pro/E 2000i

44、1996 Pro/E 200i-2 1998 Pro/E 2001 2000 Wildfire 2001 Wildfire 2.0 2003 Wildfire 3.0 2005 Wildfire 4.0 2007 Wildfire 5.0 2008 Pro/ENGINEER Wildfire野火版5.0提供许多增强功能，可帮助用户克服影 响设计效率的重大障碍。Pro/ENGINEER Wildfire野火版5.0为CAD互操作性树 立了标准。该软件增强了自身对其他CAD系统和非几何数据交换的支持，从而 使设计师可以应对因处理来自不同系统的CAD数据而造成的费时且易于出错的 难题。Pro/ENG

45、INEER Wildfire野火版5.0是首个支持社会化产品开发的CAD解 决方案，它将帮助用户消除妨碍他们在适当的时间找到适当的人员和资源的沟通 障碍。Pro/ENGINEER与Windchill ProductPoint之间无缝地集成（利用了 Microsoft SharePoint的社会化计算技术） ，将帮助用户找到和重复使用设计群体 江苏科技大学工学硕士学位论文 19 的共有知识，并改善流程效率。 3.2 卧式气流分选机零部件的设计 卧式气流分选机的总体结构示意图如图3.1所示。 1-风机 2-物料槽 3-分选室 4-旋风分离器 5 、7 、9 、11-机架 6-轻质组分收集槽 8-中

46、重质组分收集槽 10-重质组分收集槽 图 3.1 卧式气流分选机结构示意图 Fig.3.1 structure diagram of horizontal air separator 卧式气流分选机的零部件包括风机、分选室、机架、旋风分离器、物料槽等。对 它们分别进行设计。 3.2.1 风机 风机是风网系统中最重要的设备，在很大程度上决定着风网系统效能的优劣。合 理选择风机在风选的设计过程中是非常重要的，其具体要点如下： 1.为了使所选风机的型号不致过大，在网路较多时，每一个网路所需要的风量又 较大的场合下，以采用单独风网，分别配置风机较为适宜。 2.为了减小嗓音和振动，在满足性能的要求的前提

47、下，应尽量选用转速较低的风 机类型。 3.在条件允许的情况下， 电机和风机应尽量采用A式或D式连接， 以提高传动效率， 使安装位置紧凑。 风量可以按下面的公式计算： G Q = 算 （3.1） 第 3 章 气流分选机的结构设计 20 式中，Q为所需风量， 3 /mh；G算为作为计算依据的每小时垃圾的输送量，/kg h； 为空气的比重，取 3 1.2/kg m；为浓度比。 本课题选用离心通风机的型号为T472， 它的转速为2880 / minr， 风压为1578 2890Pa，功率为3 KW，风量为26645268 3 /mh。它的三维模型如图3.2所示。 图 3.2 风机 Fig.3.2 fa

48、n 3.2.2 分选室 预先把城市生活垃圾破碎到一定粒度，经自然干燥，使其含水率低于45%，然后 定量输入卧式风力分选机。 在气流的作用下， 城市生活垃圾中各组分按密度差异分选， 粗选为重质组分（金属、瓦块等） 、中重质组分（木块、硬塑料等）和轻质组分（塑料 薄膜、纸类等） 。分选过程在分选室内完成。分选室的三维模型如图3.3所示。 图 3.3 分选室 Fig.3.3 separation chamber 江苏科技大学工学硕士学位论文 21 3.2.3 机架 机架包括安装风机的机架、安装3个收集槽的机架。安装风机的机架的三维模型 如图3.4所示。 图 3.4 安装风机的机架 Fig.3.4 r

49、ack for fan 安装3个收集槽的机架如图3.5、图3.6、图3.7所示。 图 3.5 安装轻质组分收集槽的机架 Fig.3.5 rack for collecting tank of light components 第 3 章 气流分选机的结构设计 22 图 3.6 安装中重质组分收集槽的机架 Fig.3.6 rack for collecting tank of middle heavy components 图 3.7 安装重质组分收集槽的机架 Fig.3.7 rack for collecting tank of heavy components 3.2.4 旋风分离器 旋风分

50、离器是利用离心力把固体颗粒从含尘气体中分离出来的机械设备，其内部 无运动部件。在垃圾的分选过程中它作为卸料器使用，同时还起到除尘净化的作用。 它由内外两个圆筒和一个圆锥筒组成，圆筒和圆锥筒用薄钢板卷成，带料气流从长方 形的进料口进入分离器，沿内壁一方面作旋转运动一方面下降，物料由于离心力的作 用被甩向外层，与圆筒壁和圆锥壁不断摩擦，速度逐渐降低，最后在重力作用下滑向 圆锥下端的排料口排出，气流则继续旋转，到达圆锥的下部后开始返升，从上部排出。 江苏科技大学工学硕士学位论文 23 影响旋风分离器性能的因素很多，进口速度的确定是最重要的，对于每一个旋风分离 器都有一个最佳的进口风速范围。旋风分离器

51、的三维模型如图3.8所示。 图 3.8 旋风分离器 Fig.3.8 cyclone separator 3.2.5 其他零件 城市生活垃圾从物料槽进入卧式气流分选机进行分选。 物料槽的三维模型如图3.9 所示。城市生活垃圾中的三种组分按各自的运动轨迹进入重质组分收集槽、中重质组 分收集槽和轻质组分收集槽中。三个收集槽的三维模型如图3.9到图3.12所示。 图 3.9 物料槽 Fig.3.9 supplies tank 第 3 章 气流分选机的结构设计 24 图 3.10 重质组分收集槽 Fig.3.10 collecting tank of heavy components 图 3.11 中重

52、质组分收集槽 Fig.3.11 collecting tank of middle heavy components 图 3.12 轻质组分收集槽 Fig.3.12 collecting tank of light components 江苏科技大学工学硕士学位论文 25 主要零件设计好之后，将它们组装在一起，得到总体装配图，如图3.13所示。 图 3.13 总体装配图 Fig.3.13 assembly drawing 3.3 本章小结 本章首先简单介绍三维设计软件Pro/E。 对卧式气流分选机的零部件进行设计， 包 括风机、分选室、机架、旋风分离器等。风机是风网系统中最重要的设备，在很大程

53、 度上决定着风网系统效能的优劣。旋风分离器是利用离心力把固体颗粒从含尘气体中 分离出来的机械设备，其内部无运动部件。在垃圾的分选过程中它作为卸料器使用， 同时还起到除尘净化的作用。零件设计好之后，将它们组装在一起，得到总体装配图。 第 4 章 城市生活垃圾气流分选流场的数学模型 26 第4章 城市生活垃圾气流分选流场的数学模型 4.1 假设前提 本文应用气固两相流的基本知识对卧式气流分选机内流场进行数值模拟。众所周 知，城市生活垃圾的成分非常复杂。由于气固两相之间相互作用的机理相当复杂，研 究难度极大。为了简化求解过程，在建立数学模型之前，首先根据卧式气流分选机内 气相和城市生活垃圾颗粒相流动

54、的实际情况对其做了一定的简化和假设。 （1） 城市生活垃圾颗粒的成分只有三种：重质组分、中重质组分和轻质组分。 （2） 城市生活垃圾颗粒为大小均匀的球形颗粒。 （3） 城市生活垃圾颗粒相和气相之间没有质量交换。 （4） 卧式气流分选机中风机入口处的气体流速均匀，城市生活垃圾颗粒入口速 度远远小于风速且均匀。 （5） 不考虑城市生活垃圾颗粒之间的碰撞。 （6） 城市生活垃圾风选过程没有热量传递，即温度恒定。 （7） 无外界热源。 4.2 基本控制方程 4.2.1 流场 气体和城市生活垃圾颗粒都是垂直卧式气流分选机壁面进入的。假设气体流入的 方向为x方向，垃圾颗粒进入的方向为 y 方向。以气流方向

55、和垃圾颗粒方向的交点为 坐标原点，建立直角坐标系。 4.2.2 连续性方程 气相 ()()() 0 ffffffff u txy += （4.1） 固相 ()()()0 ssssssss u txy += () 123 ssss=、 、 （4.2） 组分守恒 江苏科技大学工学硕士学位论文 27 1 fs += （4.3） 式（4.1） 、 （4.2）是质量守恒定律在气固两相流中的表达式，式（4.3）是气体和 垃圾颗粒体积分数之和。式（4.1）（4.3）中， f 、 f 、 f u、 f v分别为气体密度、 体积分数、x方向的速度和y方向的速度； s 、 s 、 s u、 s v分别为城市生活垃

56、圾颗粒 的密度、体积分数、x方向的速度和y方向的速度。 123 ssss=、 、表示城市生活垃圾的 三种不同成分。 4.2.3 动量守恒方程 气相 X方向： ()()()() 0 f fffffffffffffft u p uu uv u txyxxx += + ) () 001 f fftsf Cuu yx + （4.4） Y方向： ()()()() 0 f fffffffffffffft u p uv txyyxy += + ) () 002 f fftsf C yy + （4.5） 固相 X方向： ()()()() 0 s sssssssssssssst up uu uv u txyxxx += + )() 001 s sstsf Cuu yx + （4.6） Y方向： ()()()() 0 s s