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1、影响轻物料空气分选机分离效果的因素 颜克源 中材装备集团有限公司 摘 要： 建筑垃圾分选技术是实现建筑垃圾资源化处理、提高资源再生利用率的前提和关键。利用建筑垃圾中物质密度之间的差异进行物料分选是轻物料分选技术的基本原理, 分选效率的高低是由许多因素共同作用的结果, 笔者利用 ANSYS fluent 软件对影响分选机分选效率的因素进行计算仿真分析, 为工业化实践提供理论基础和结构参数数据。关键词： ANSYS fluent; 建筑垃圾; 轻物料分选; 影响因素; 收稿日期：2017-03-23Factors Affecting Separation Effect of Air Separat
2、or for Light MaterialsReceived： 2017-03-231 前言轻物料空气分选机是建筑垃圾分选流程中至关重要的设备, 其工作原理是利用建筑垃圾中物质密度之间的差异, 将轻物料与其他重物质进行分离。根据实际处理垃圾的不同特性, 影响分选效率的因素也多种多样, 如分选机阻流板长度、气流喷嘴角度、气流喷嘴风速、喂料点、喂料速度等参数。笔者通过计算机模拟仿真分析了不同阻流板长度、进风气流角度、气流喷嘴风速、喂料点、喂料速度等工况下空气分选机内部流场的分选特性, 以探求合理的分选工艺技术参数和分选机结构特性。2 轻物料空气分选机的基本结构与工作原理TLMS 型轻物料空气分选机
3、 (以下简称分选机) 主要由基础支架、壳体、皮带输送机、汇风箱、循环风管、可调式气流喷嘴、可调式整流板、旋转鼓、阻流板、沉降室、风机、变频电机等组成, 如图 1 所示。在基础支架上的壳体前端喂料进口的下部装配有一个皮带输送机, 粉碎后的建筑垃圾混合料经由喂料口处全宽度均匀撒落在行进的皮带上, 皮带将待选的混合物料喂到分选区中。在加速皮带头轮抛出点的下方安装有一个可调节的狭缝式气流喷嘴, 它将分选空气流沿着与混合物料流抛落轨迹垂直的方向吹向物料流。轻物料和其他沉降速度小的组分物料被横向吹送到旋转鼓的上方, 进入松散沉降室后作为轻物料产品排出。重物料 (如砖石瓦砾和混凝土块) 及具有中等沉降速度的
4、组分物料直接下落或从旋转鼓面反弹下落, 作为重物料产品从重物料出口排出。软质且可变形组分的物料 (如包装纸板、编织物和泥土) 则保持与旋转鼓面接触而被刮料板刮离, 从轻物料出口排出。图 1 TLMS 型轻物料空气分选机结构示意图 下载原图1-基础支架;2-皮带输送机;3-汇风箱;4-物料进口;5-气体均布板;6-气流喷嘴;7-密封帘;8-调节手轮;9-可调式整流板;10-旋转鼓;11-循环风出口;12-阻流板;13-刮料板;14-沉降室;15-轻物料出口;16-循环风管;17-重物料出口;18-分选区TLMS 型轻物料空气分选机的运转采用壳体内部负压环境, 空气外循环接正压气流喷嘴喷吹的方式,
5、 机体内的空气压力可调, 气流喷嘴的气体流速可控。图 2所示为分选机内部压力云图。图 2 轻物料空气分选机内部压力云图 下载原图3 影响分选效率的几种因素由于建筑垃圾粒度组成成分比较复杂, 不能进行较为精确的设计计算, 具体设备的最终参数的选择必须根据试验结果确定。分选效率是由一系列因素共同作用的结果, 以下内容均是采用控制变量法对设备结构进行定性仿真分析的结果。3.1 不同阻流板长度对分选效果的影响阻流板位于沉降室的上部壳体内壁上, 其作用是阻碍和拦挡部分上升气流, 使得气流受阻, 在沉降室区域自然形成旋转涡流, 轻物料在强制旋转涡流的驱使下和在边壁效应的作用下沿沉降室缩口内壁滑落至轻物料出
6、口。图3、4、5、6、7 所示的阻流板分别为 0mm、300mm、450mm、500mm、800mm 时, 所对应的轻物料在分选机内的运行轨迹和停留时间。以上图示为阻流板长短和有无状态的模拟仿真云图, 其初始数据建模是在保证喂料点位置、喂出口排出;阻流板太长时也会有料速度、风速、气流喷嘴角度 (即喷射角度) 为一定值的情况下, 通过改变阻流板长度分析的分选效果。通过云图分析可以清晰地看出, 当没有安装阻流板时, 图 3 所示, 轻质物料与重质物料分离之后, 在沉降室区域是一种无序的状态, 运行轨迹杂乱无章, 部分轻质物料被气流裹带至循环出风口处, 严重时可能堵塞出风口, 这种状况造成轻质物料外
7、排困难, 在机体内停留时间长, 部分轻质物料滞留在沉降室区域内。当增设阻流板后, 阻流板悬长在 300mm 时, 比没有挂设阻流板的情况好, 但是仍然有部分轻质物料吹离沉降室向循环风出口处滞留的趋势, 亦即沉降室的旋转沉降涡流没有形成最佳的分离旋转状态。当阻流板悬长加大至 450mm, 前述情况有所好转, 物料的运行轨迹有所下压至沉降室区域。当阻流板悬长加长至 500mm 时, 轻质物料压缩至沉降室区域旋转分离, 并迅速排出机外, 收集效果很好。当阻流板悬长再增加后, 收集排出效果没有太大的变化, 为此我们注意到不是阻流板悬长越长越好, 悬长偏长会增加设备的空气阻力, 风机的能耗会加大。通过各
8、组数据对比可以看出, 无阻流板或者阻流板较短时, 轻物料会在壳体内部沉降区上部区域回旋, 而且会有较多轻物料夹杂在重物料中从重物料出口排出;阻流板太长时也会有部分轻物料从重物料出口排出, 分选效果不理想。因此应根据分选物料的特性合理选择阻流板悬长, 确保物料顺畅地从轻物料出口排出, 取得较好的分选效率, 如表 1 所示。表 1 不同阻流板长度所对应的分选效率 下载原表 3.2 喂料速度对分选效果的影响粉碎后的建筑垃圾混合料, 经由喂料口处全宽度均匀撒落在行进的输送皮带上, 皮带将待选的混合物料喂到分选区中。皮带的运行速度对轻重物料的分选脱离至关重要, 为此, 我们利用计算机模拟仿真进行分析,
9、以确定最佳的输送皮带的行进速度。如图 8、9、10 所示, 设定带速分别为 1m/s、1.5m/s、2m/s 时的轻质、重物料分离前后的运行轨迹和停留时间, 分离效率分别为88%、91.2%、76.5%。通过上述的云图计算结果可见, 当以 1m/s 的带速将物料输送进喂料口时, 轻物料在机内的停留时间相对较长, 而且有部分轻物料没有被分离出来, 混入重物料料流内被带至重物料排出口。当带速设定在 1.5m/s 时, 轻物料没有混入重物料流的现象, 而且在机体内的停留时间缩短了很多。当带速设定在 2m/s 时, 又会出现部分轻物料混夹在重物料里面不能分离的现象, 导致分离效率下降。另外, 也有部分
10、重物料越过分选区旋转鼓进入到沉降室区域的现象。通过三种带速参数设定的模拟分析结果, 我们了解到给料速度过慢, 可能会造成物料初速度不够而提前下落, 也可能会造成料层过厚, 那就需要较大的风速才能将轻物料带到分选区。分选效率如表 2 所示。表 2 不同喂料速度所对应的分选效率 下载原表 过大的给料速度有助于轻物料进入分选区, 但可能会造成重物料也被带到轻物料分选区, 因此根据物料属性以及料层的厚度选择合理的给料皮带速度也能在一定程度上提高分离效率。3.3 喂料点位置对分选效果的影响喂料点是指输送皮带的带头抛撒点, 喂料点的位置则泛指物料抛撒点与分选区旋转鼓之间的相对距离, 通常我们可以将输送皮带
11、的带头抛撒点沿料流方向前后移动和调整, 也可以水平调整移动旋转鼓的位置, 那么相对距离是多少才是最合适的呢?我们希望通过模拟仿真技术手段, 可以找到这个答案。如图 11 所示, 喂料点靠后 (相对远离旋转鼓) 的情况下, 轻物料的运行轨迹和停留时间, 通过云图和模块数据计算结果, 分离效率在 91.2%。如图 12 所示, 喂料点靠前 (相对接近旋转鼓) 的情况下, 轻物料的运行轨迹和停留时间, 通过云图和模块数据计算结果, 分离效率在 97%。通过模拟实验可以看出, 如果抛撒点与旋转鼓的距离远, 就必须调整气流喷嘴的喷射角度和加大气流的速度, 系统空气阻力相应增加, 这样就必须提高循环风量和
12、风机的运转能耗。若抛撒点相对旋转鼓的距离较近, 还需要调整气流喷嘴的喷射角度, 但是喷射气流速度可以降低一些。3.4 喷射风速对分选效果的影响气流喷嘴的断面是一个可调节装置, 可通过调节气流喷出的喷口断面面积来改变气体喷射的速度。如图 13、14、15 所示, 设定了气流通过气体分布板后所产生的气流速度为 7m/s、9m/s、11m/s 时的轻物料的运行轨迹和停留时间。通过上述云图分析我们可以看出, 当喷射风速在 7m/s 时, 有部分轻物料裹带在重物料内沿重物料下料口排出机外, 这种情况使得分离效果不佳。而当风速加大到 9m/s 时, 取得较好的分选效果。当喷射风速到达 11m/s 时, 反
13、而又出现混料分离不清的现象, 但重物料下落畅通。分选效率结果如表 3 所示。表 3 不同的气体喷射速度所对应的分选效率 下载原表 喷射风速的大小对于分离效率的影响较为明显, 过小的风速会造成轻物料夹杂在重物料中分离不开, 过大风速又可能造成重物料在排料腔中折返不能顺畅排料, 部分轻物料也会被带到重物料排料口, 这样不仅会降低分离效率, 而且还会造成能量的浪费。因此, 针对物料的不同物理属性, 调整好气流喷嘴的风速, 对于分离效率的提高是至关重要的。3.5 气流喷射角度对分选效果的影响气流喷嘴的喷射方向和角度是可以调整的, 一般情况这个锐角角度在 1540 (以下所述角度均表示为气流喷射方向与水
14、平线之间的夹角) , 该喷射角度的确定与物料本身的物化性能、分选区的结构形式、输送皮带的带速、旋转鼓的转速以及喷嘴与抛料点和旋转鼓之间的相对位置等多重因素有关, 这些因素制约着气流喷嘴的喷射角度。我们综合了各相关因素, 初步确定了一个最佳匹配方案, 设定了喷射气流的角度, 这样就把问题简化了。图16、17、18、19、20、21 所示为将喷射气流角度分别设定为 22、27、32、35、37、42时, 轻物料的运行轨迹和停留时间。几个不同角度的云图清晰地展示给我们一个结果, 当角度为 22时, 轻重物料根本就分离不了, 而且几乎所有轻物料都没有分离进入到沉降室区域, 这也说明喷射角度过低 (即仰
15、角太小) 。当仰角加大到 27时分离情况有所好转, 但是效果不明显, 仍然有很多轻物料混杂在重物料中。当仰角增至 32时, 情况大有改善。仰角为 35时, 轻重物料分离效果最好, 但当继续加大仰角至 37甚至 42时, 分离效果反而下降, 我们分析这种现象可能与其他的因素干扰有关, 因此, 我们认为喷射气流的角度与自身的结构形式和运行参数有一定关系。如表 4 所示。表 4 不同气流喷射角度所产生的分选效率结果 下载原表 4 结语通过运用控制变量法对影响分选效率的几个可能因素进行分析, 得出以下结论:(1) 分选机腔体内部全负压工作环境, 可有效避免设备在工作过程中出现扬尘污染, 保护大气环境,
16、 不需要额外增加收尘装置, 节省了系统投资成本, 证实了该设备整体结构设计的可靠性和合理性。(2) 在同样的给料速度和相同的风速条件下, 保证重物料有足够的下落空间, 将喂料点前移能够有效地提高分选效率, 将给料装置以及旋转鼓做成可移动式结构, 方便调整喂料点以及物料的下落空间。(3) 在喂料点确定的前提下, 合理调整喂料速度, 控制输送皮带上的料层厚度, 也能够在一定程度上提高分离效率。(4) 在合理的喂料位置、适宜的喂料速度和足够的重物料下料空间的条件下, 风速对分离效率的影响是最明显的, 通过改变气流喷嘴的角度 (气流喷嘴角度可调) 或者控制风量的大小 (通过变频电机实现) , 来调节气流速度以及方向 (即风速) , 喷射气流的角度要尽可能保证气流能够在旋转鼓切线以上, 出风口的大小要综合考虑能耗以及分离效率的因素, 还要根据物料的物化属性来定。(5) 通过配备变频电机调整风机风量, 变频电机控制喂料装置喂料速度, 将喂料点调整到合适位置, 根据不同物料
