城市生活垃圾卧式气流分选特性研究.pdf

城市生活垃圾卧式气流分选特性研究 * 李兵 1 董志颖 1 赵由才 2 陈宇辉 1 朱建林 1 1. 宁波大学建筑工程与环境学院， 浙江 宁波 315211; 2. 同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室， 上海 200092 摘要 利用处理能力 100 kg/h 的卧式气流分选机开展生活垃圾中塑料分选实验。实验结果表明 进风角度为 10、 15 时， 分别对应存在 ＞ 8. 5 m/s、 7. 7 ～ 9. 3 m/s 的风速范围， 使塑料的纯度和分选效率达到 80 以上; 利用 Fluent 软件模 拟， 结果表明 进风角度 ＞ 15时， 分选机内气流复杂， 塑料纯度和分选效率的波动性大， 仅存在较窄的风速范围可使总 纯度和分选效率同时达到 80 以上。 关键词 城市生活垃圾; 纯度; 分选效率; 卧式气流机; 塑料 STUDY ON CHARACTERISTICS OF THE HORIZONTAL AIR SEPARATION FOR MUNICIPAL SOLID WASTE Li Bing1Dong Zhiying1Zhao Youcai2Chen Yuhui1Zhu Jianlin1 1. Faculty of Architectural Civil Engineering and Environment of Ningbo University，Ningbo 315211，China; 2. The State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji University，Shanghai 200092，China AbstractA horizontal air-separator with a separation capacity of 100 kg MSW municipal solid wasteper hour was used to separate out plastics in MSW. It is found that 80 of plastic can be separated from the MSW and the purity of plastic in the plastic bin can also be above 80 with 10，15 of air inlet angle under conditions of air-inflow velocity being over 8. 5 m/s， 7. 7 ～ 9. 3 m/s，respectively. Simulated results by Fluent showed that air pressure varieties were comparatively complicated with above 15 of air inlet angle in spite of good air velocity gradients，which resulting in above 80 of plastics purity and separation efficiency with narrow ranges of air inflow velocities Keywordsmunicipal solid waste;purity;separation efficiency;horizontal air-separator;plastic *国 家 科 技 支 撑 计 划 课 题 2008BAC46B06 ; 浙 江 省 科 技 厅 项 目 2009C33065 ; 宁波市科技局项目 2010C50022 。 0引言 目前我国提倡生活垃圾的源头分类， 这种举措能 够从根本上实现城市生活垃圾的“减量化、 无害化、 资 源化” ， 但由于法律法规不健全、 居民生活习惯及普遍 意识不高等原因， 实施起来非常困难 ［1- 2］。因而要将生 活垃圾中资源化潜力大的物质较好地分离出来， 必须 进行垃圾的预处理， 即垃圾处理前的机械分选。 卧式气流分选机是生活垃圾机械分选中常用的 设备 ［3- 4］。通过调节风机的角度、 进风速度， 定量给料 的垃圾在下降过程中被送入的气流吹散， 各种组分按 不同运动轨迹分别落入重质、 中重、 轻质组分的收集 槽内， 从而达到分选目的 ［5- 7］。但国内针对生活垃圾 卧式气流分选的研究较少。 有研究表明 ［8- 9］ 风机角度的增大、 风速的提高， 可能有利于轻物质进入轻物质槽中， 并加强抵御垃圾 高持水率的能力。因此， 本研究以实际生活垃圾为研 究对象， 探讨风机进风角度的增大过程 30以内 中 存在的最佳分选角度， 以期为卧式气流分选设备的设 计提供理论依据。 1实验材料与方法 1. 1设备 生活垃圾卧式气流分选机设备结构见图 1。 1 － 进料斗; 2 － 风机; 3 － 进风口; 4 － 轻物质槽; 5 － 中重物质槽; 6 － 重物质槽; 7 － 出料口; 8 － 出风口 图 1生活垃圾卧式气流分选机设备示意 69 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 卧式气流分选机的处理量依然为 100 kg/h， 分选 机总体长 宽 高 2. 2 m 0. 6 m 1. 8 m， 进料口 宽 高 0. 45 m 0. 20 m， 进风口宽 高 0. 5 m 0. 2 m， 轻物质槽、 重物质槽和中重物质槽的长度均为 0. 6 m。DBF － Ⅱ型变风量风机功率为 1. 5 kW， 风量 为 3660 m3/h， 风压为 629 Pa， 风速为 6 ～ 15 m/s， 风 速通过风机后页板控制， 由 AR826 型风速测定仪测 定风速， 进风角度可调范围为 0 ～ 30。 1. 2材料 所用生活垃圾均取自上海市某居民小区。该居 民小区人口数量大约 1 万， 且居民小区未实行生活垃 圾的分类收集措施， 所取生活垃圾样品具有一定代表 性， 其主要成分见表 1。 表 1生活垃圾中各组分质量分数 湿基 有机物 塑料纸类玻璃纤维 剩余物 木块矿物金属橡胶 59. 219. 89. 93. 14. 52. 30. 30. 40. 50. 0 由表 1 可知 该生活垃圾中塑料含量较高， 资源 化潜力相对也较大。实验中选取其中塑料为分选对 象， 以期获得较高的分选效率。 1. 3方法 每天生活垃圾取回后 采样量约 75 kg ， 先进行 破包， 人工分出垃圾中的轻质塑料 塑料袋、 塑料膜 等 进行称重， 然后再与其他垃圾混合。实验过程 中， 混合后的垃圾采取振动式进料， 风机的进风角度 在 0 ～ 25之间以 5的步长增长。每固定一个角度 时， 逐步分级增大风速。每一风速条件下， 分选过程 重复 3 次， 分别进行称重， 结果取平均值。风机每一 角度下的分选， 均采用同一天的垃圾， 以保证分选结 果的精确性。实验中， 由于风力的作用， 塑料不会进 入重物质槽。 实验中塑料纯度和筛分效率的计算方法如下 假设生活垃圾中塑料总量为 A， 风选后进入中重 物质槽中生活垃圾量为 B， 其中塑料的质量为 b， 而进 入轻物质槽中生活垃圾量为 C， 其中塑料的质量为 c， 则塑料的总纯度 P b c / B C 100 ; 塑料 的总分选效率 E b c /A 100 ; 轻物质槽内塑料纯度 P1 c/C; 轻物质槽内塑料 分选效率 E1 c/A; 中重物质槽内塑料纯度 P2 b/B; 中重物质槽内 塑料分选效率 E2 b/A; 塑料进入重物质槽即表示没有被分选出来。 1. 4气流场模拟方法 由于气流场的复杂性， 本文采用 Gambit 软件来 生成网格， Fluent 软件来进行数值计算和分析。网格 划分时采用二维模型， 边界的长度和实际风力分选机 一样。以风机角度为 0时生成的网格为例， 如图 2 所示。 图 2进风角度为 0时的网格划分 风力分选机边界面包括进风面、 出风面、 出料槽 面及风箱边壁面。在定义边界节点密度时， 依据边界 的长度选 取 相应 的 节点 数， 节 点 之 间 的 距 离 公 比 Ratio 取 1， 参数选好之后， 系统自动生成四边形网格。 通过 Fluent 软件内置的网格检测， 显示为合格网格。 2实验结果 2. 1进风角度为 0时生活垃圾分选 进风角度为 0时塑料的纯度和分选率见图 3。 a － 中、 轻槽内塑料纯度和分选效率; b － 总体分选纯度和分选效率 图 3进风角度为 0时塑料的纯度和分选效率 图 3a 表明 随着风速从 7. 6 m/s 增大至12. 6 m/s， 轻物质槽中塑料的分选效率从 23. 9 上升至 46. 3 ， 而风速增大至 13. 2 m/s 时， 轻物质槽塑料的分选效率 79 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 却下降至 41. 6 ， 这是因为有些塑料片被高速气流裹 夹从出风口带出。同时， 由于风速的增大， 进入中重物 质槽的塑料越来越少， 导致中重物质槽内塑料的分选 效率却从 42. 2 波动下降至 36. 8 。在整个速度区 间内， 轻物质槽和中重物质槽内塑料的纯度分别由 98. 1 和 89. 1 下降至 93. 2 和 75. 9 ， 这更能说明 高风速将更多的非塑料轻物质裹夹到两槽中。而且， 风力的增大会在中重物质槽上方形成漩涡气流， 将已 落入中重物质槽的物质重新带起来， 去向不定， 因此中 重物质槽内的塑料分选效率呈现波动性。当进风角度 为 0时， 气流为水平， 相对较多的塑料会进入重物质槽 内而不被分选出， 使中物质槽和轻物质槽内塑料的分 选效率都较低， 未超过 50 。 图 3b 表明， 在设定的风速区间内， 随着风速的增 大， 塑料总分选效率由 66. 2 上升至 83. 2 ， 而总纯 度却由 92. 2 下降至 84. 2 。从实际应用的经济性 角度考察， 进风角度为 0时， 塑料的分选效率基本都小 于 80 。尽管纯度在 80 以上， 回收过程所消耗的能 量和时间将会更多， 因此水平气流风力分选不经济。 2. 2进风角度为 10时生活垃圾的分选 进风角度为 10时塑料的纯度和分选效率见图 4。 风速为 8． 5 m/s 时气体流场风压和风速模拟见图 5。 a － 中、 轻槽内塑料纯度和分选效率; b － 总体分选纯度和分选效率 图 4进风角度为 10时塑料的纯度和分选效率 图 4a 表明， 随着风速从 7. 7 m/s 增加至 9. 9 m/s， a － 风压模拟;b － 风速模拟 图 5风速为 8. 5 m/s 时气体流场风压和风速模拟 轻物质槽内塑料的分选效率从 25. 6 上升至 51. 61 ， 而中重物质槽的分选效率则从 39. 3 下降至 32. 7 ; 与此同时， 轻物质槽、 中重物质槽中塑料的纯度均有降 低。因而当进风角度变为 10时， 随着风速的增加， 在 水平和上升气流双重裹夹作用下， 越来越多的塑料被 吹得更远， 从而大部分进入轻物质槽， 小部分进入中重 物质槽， 而且进入重物质槽中的部分塑料能够重新被 气流带起而进入中重物质槽。甚至依然有一些塑料从 出风口被吹出。图 4a 同时表明， 当风速为 8. 5 m/s 时， 两槽塑料的纯度都较为波动。虽然风速 图 5b 表 现为依次向出风口递减的趋势， 但分选机内部形态并 不规则， 在重物质槽和中重物质槽交汇处上方 图 5a 形成的高压导致塑料在此处的运动无序， 即落入槽中 又可能被重新带起。 图 4b 表明 随着风速的增大， 塑料总分选效率总 上体由 64. 8 波动上升到 84. 3 ， 而总纯度却由 92. 8 波动下降至 83. 5 ， 规律与图 3b 基本相似; 当风速 ＞ 8. 5 m/s 时， 塑料的纯度和分选效率都高于 80 ， 具有经济性。 2. 3进风角度为 15时生活垃圾的分选 进风角度为 15 ℃时塑料的纯度和分选效率见图 6。 风速为 9. 9 m/s 时气体流物风压和风速模拟见图 7。 图 6a 表 明随 着 风 速 由 6. 3 m/s 增 加 至 9. 9 m/s， 轻物质槽内塑料的分选效率从 25. 2 上升 至 50. 6 ， 而中重物质槽的分选效率则从 43. 3 下 降至 25. 0 ， 与此同时， 两槽中塑料纯度均有下降。 除了风速为 9. 9 m/s 时， 中重物质槽内塑料分选效率 和纯度表现异常外， 在其它速度节点情况下， 曲线变 化都显示出良好规律性。由图 7b 可以看出 当风速 为 9. 9 m/s 时， 虽然速度表现较好的梯度， 但在重物 质槽和中重物质槽上方 图 7a 均形成高压， 这导致 塑料在此处的运动规律无序， 导致曲线有异常波动。 图 6b 表明 随着风速的增大， 塑料总分选效率总 89 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 a － 中、 轻槽内塑料纯度和分选效率; b － 总体分选纯度和分选效率 图 6进风角度为 15时塑料的纯度和分选效率 a － 风压模拟;b － 风速模拟 图 7风速为 9. 9 m/s 时气体流场风压和风速模拟 体由 68. 6 波 动 上 升 到 86. 8 ， 而 总 纯 度 却 由 94. 1 波动下降至 78. 1 ， 且曲线变化有较好规律 性; 当进风风速达 9. 9 m/s 时， 对塑料总纯度影响较 大。风速在 7. 7 ～ 9. 3 m/s 范围内， 塑料的纯度和分 选效率都达到 80 以上。 2. 4进风角度为 20时生活垃圾的分选 进风角度为 20时塑料的纯度和分选效率见图 8。 风速为 9．6 m/s 时， 气体流物风压和风速模拟见图 9。 图 8a 表明 随风速由 7. 4 m/s 上升到9. 9 m/s， 轻物 质 槽 内 塑 料 分 选 效 率 先 由 31. 7 上 升 至 56. 1 ， 再波动下降至 50. 9 ， 而中重物质槽内塑料 的分选效率则由 36. 7 下降至 25. 8 ， 再波动上至 29. 2 。与 此 同 时，轻 物 质 槽 内 塑 料 的 纯 度 由 98. 6 下降至 89. 2 ， 而中重物质槽内塑料的纯度 则由 88. 9 波动下降至 69. 5 。图 9b 表明 尽管随 a － 中、 轻槽内塑料纯度和分选效率; b － 总体分选纯度和分选效率 图 8进风角度为 20时塑料的纯度和分选效率 a － 风压模拟;b － 风速模拟 图 9风速为 9. 6 m/s 时气体流场风压和风速模拟 着风速的增加， 风选机内部有较好的风速梯度， 但物 质槽上方的气流压力场较为复杂， 高压强出现在出风 口附近 图 9a ， 这意味着沿气流方向， 风压趋势倒 挂， 虽然物质会在气流裹带下向出气口移动， 但倒挂 的气压场会使物质在风选机内的运行规律杂乱无章。 因而分选效率和纯度曲线均显示出不同程度的波动。 而且， 由于风机的角度为 20时产生的上升气流造成 了极强的漩涡， 风速越大， 风力越强， 导致分选效率的 波动性就越大。 图 8b 表明 由于中重物质槽和轻物质槽内塑料 分选效率和纯度的波动表现， 导致塑料总纯度和分选 效率在风速为 9. 23 ～ 9. 65 m/s 狭窄范围内， 才都达 到 80 ， 在实际应用中卧式气流分选机进风角度为 20时不适合对生活垃圾中塑料的风选。 2. 5进风角度为 25时生活垃圾的分选 进风角度为 25时塑料的纯度和分选效率见图 10。 99 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 风速为 9. 1 m/s 时气体流场风压和风速模拟见图 11。 a － 中、 轻槽内塑料纯度和分选效率; b － 总体分选纯度和分选效率 图 10进风角度为 25时塑料的纯度和分选效率 a － 风压模拟;b － 风速模拟 图 11风速为 9. 1 m/s 时气体流场风压和风速模拟 图 10a 表明 随着风速由 7. 4 m/s 增加至 10. 9 m/s， 轻物质槽内塑料的分选效率从 43. 2 上升至 66. 9 ， 而中重物质槽的分选效率则从 33. 0 波动 下降至 27. 9 ， ; 与此同时， 轻物质槽中塑料的纯度 由 95. 2 下降至 87. 8 ， 而中重物质槽中塑料的纯 度则由 76. 5 下降至 63. 7 。图 11 表明， 与进风角 度为 20相比， 风速梯度表现规律基本一致， 但气流 风压场变化较为简单， 因而分选效率和纯度变化曲线 较为平滑。 图 10b 表明 随着风速的增大， 塑料总分选效率 总体由 76. 2 波动上升到 86. 7 ， 而 总纯度 却由 86. 1 波动下降至 78. 3 。另外， 只有风速在 8. 6 ～ 9. 5 m/s 的较窄范围内， 塑料的纯度和分选效率才均 达到 80 ， 较为不合理。 2. 6进风角度为 30时生活垃圾的分选 进风角度为 30时塑料的纯度和分选效率见图 12。 风速为 7. 2 m/s 时气体流场风压和风速模拟见图 13。 a － 中、 轻槽内塑料纯度和分选效率; b － 总体分选纯度和分选效率 图 12进风角度为 30时塑料的纯度和分选效率 a － 风压模拟;b － 风速模拟 图 13风速为 7. 2m/s 时气体流场风压和风速模拟 图 12a 表明 随着风速由 6. 7 m/s 增加至 9. 9 m/ s， 轻物质槽内塑料的分选效率先由 44. 1 降低至 32. 0 此时风速为 7. 2 m/s ， 然后再波动上升到 62. 5 ; 而 中 重 物 质 槽 内 塑 料 的 分 选 效 率 则 由 36. 1 下降至 20. 1 此时风速为 9. 5 m/s ， 然后再 上升到 28. 0 。与此同时， 轻物质槽内塑料的纯度 由 93. 3 下降至 87. 5 ， 而中重物质槽内塑料的纯 度则 70. 1 波动下降至 56. 4 。从图 13 可以看出， 尽管风速梯度有良好的规律， 进风角度为 30时， 上 升气流易吹到分选机上边壁上， 从而加大气流在分选 机内的复杂性， 导致纯度和分选效率的不正常波动。 图 12b 表明 随着风速的增大， 塑料的总分选效 率由 80. 2 下降至 68. 5 ， 再上升至 90. 2 ; 而塑料 001 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 的总纯度则呈现由 81. 6 波动下降至 74. 5 的趋 势。由于只在风速为 8. 58 ～ 9. 47 m/s 的较窄范围 内， 塑料的纯度和分选效率才都大于 80 ， 30的进 风角度较为不合理。 3结论 1 由分选实验可知 当风机的进风角度为 10、 15， 都存在一个较宽的风速范围， 分别为 8. 5 m/s 以 上、 7. 7 ～ 9. 3 m/s， 能够使塑料的纯度和分选效率都 达到 80 以上， 符合经济性和可控性。 2 随着风速的增大， 塑料的总纯度和总分选效 率基本呈现相反的变化规律。 3 进风角度为 0时， 轻物质槽和中重物质槽内 塑料的分选效率都小于 50 ， 导致总的分选效率相 对偏低。 4 进风角度超过 15时， 分选机内部气流场变得 更加复杂， 甚至风压倒挂， 尤其是当角度达到 30时， 气流会吹到分选机上边壁上， 均不合理。 参考文献 ［1］应俊辉． 我国和日本垃圾分类及处理比较分析［J］． 丽水师范 专科学校学报，2003， 25 5 73- 76． ［2］聂永丰． 我国生活垃圾处理技术现状及发展方向探讨［J］． 环 境经济杂志， 2005， 22 10 30- 37． ［3］赵由才， 宋立杰， 张华． 实用环境工程手册固体废物污染控 制与资源化［M］． 北京 化学工业出版社，2002， 26- 28． ［4］Woodard R，HarderMK，BenchM，etal．uatingthe perance of a fortnightly collection of household waste separated into compostables，recyclates and refuse in the south of England［ J］ ． Resources，Conservation and Recycling， 2001， 31 3 265- 284． ［5］Mason I G， Oberender A， Brooking A K．Source separation and potential re-use of resource residuals at a university campus ［J］． Resources，Conservation and Recycling，2004， 40 2 155- 172． ［6］聂永丰． 三废处理工程技术手册固体废物卷［M］． 北京 化学 工业出版社，2000 20- 24． ［7］付王莹 王莹． 城市生活垃圾塑料分选技术及设备研究［D］． 淄 博 山东理工大学，2004． ［8］李兵， 赵由才， 施庆燕， 等． 城市生活垃圾卧式气流分选的设计 研究［J］ ， 宁波大学学报 理工版 ， 2007， 20 2 184- 188． ［9］李兵， 董志颖， 郑琦宏． 城市生活垃圾筛分性质的研究［J］． 山 东建筑大学学报，2008， 13 3 239- 246． 作者通信处李兵315211宁波市风华路 818 号宁波大学建筑工 程与环境学院 E- maillibing nbu． edu． cn 2011 － 11 － 02 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 108 页 ［3］石涓． 轨道交通规划环评声环境影响评价方法与指标［J］． 山 西建筑， 2007， 33 8 351- 352． ［4］刘晶晶， 李小敏， 海热提， 等． 快速轨道交通规划环境影响评价 方法及实例研究［J］． 环境科学研究， 2007， 20 2 136- 140． ［5］王媛． 轨道交通规划环境影响评价指标体系研究及其应用 ［D］． 长春 吉林大学， 2008． ［6］王金波． 规划环境影响评价指标体系的研究及应用［D］． 上 海 东华大学， 2008． ［7］黄夏银， 王华， 夏晶， 等． 城市轨道交通规划环评技术要点与指 标体系的探讨与应用［J］． 环境监测管理与技术， 2008， 20 4 34- 36． ［8］宜慧， 詹存卫， 陈帆， 等． 我国城市轨道交通规划环境影响评价 指标体系初探［J］． 城市环境与城市生态， 2009， 22 5 14- 17． ［9］Kato H，Shibahara N，Osada M，et al． A life cycle assessment for uating environmental impacts of inter-regional high-speed mass transit projects ［J］．Journal of the Eastern Asia Society for Transportation Studies， 2005 6 3211- 3224． ［ 10］Hamed M，Effat W．A GIS-based approach for the screening assessment of noise and vibration impacts from transit projects［J］． Journal of Environmental Management，2007，84 3 305- 313． ［ 11］陈爱侠， 关卫省， 陈宽民． 轨道交通建设对城市生态环境影响 分析 以西安市城市轨道交通 2 号线为例［J］． 安全与环境 学报， 2007，7 3 68- 71． ［ 12］谢伟平，赵伟，陈先平． 关于环境影响评价技术导则城市 轨道交通 中若干问题的探讨［J］． 华中科技大学学报 城市 科学版 ， 2007， 24 4 1- 8． ［ 13］侯炳． 城市轨道交通噪声的评价及控制研究［D］． 成都 西南 交通大学， 2008． ［ 14］韩冰． 规划环境影响评价指标体系研究［D］． 长春 吉林大 学，2007． ［ 15］张雪英， 张春菊， 闾国年． 地理命名实体分类体系的设计与应 用分析［J］． 地球信息科学学报， 2010， 12 2 220- 227． ［ 16］刘咏梅，李谦，江南． 三维地籍与城市立体空间开发的信息技 术应用分析 以南京市为例［J］． 地球信息科学学报， 2010， 12 3 392- 398． 作者通信处潘鹏100101北京朝阳区大屯路甲 11 号 1426 室 电话 010 64889045 E- maildpper 126． com 2011 － 09 － 16 收稿 101 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期