EDEM數值模擬在垃圾處理機械滾筒篩中的應用

施 昱，王慶海，葉 偉

（常州大學，常州 213164）

0 引言

滾筒篩是城市生活垃圾處理中的重要設備。其主要作用是將破碎的生活垃圾按粒度大小進行分類，篩下物進行資源化再利用，篩上物進入磁選，彈跳選等后續處理工序。垃圾廢棄物中的玻璃片，玻璃渣，廢舊金屬塊，紙張，塑料薄膜等都可以重新利用[1]。如果滾筒篩的參數設計合理，能顯著增強整個篩分系統的分選性能，最大限度的將垃圾中可利用資源篩選出來，達到了垃圾處理的“減量化，資源化，無害化”的目標[2]。因此滾筒篩是否高效就變得尤為重要。

生活垃圾成分十分復雜，目前尚無根據生活垃圾成分特點設計的模擬軟件，但運用計算機進行制造前的模擬計算已經成為未來機械設備制造業的趨勢，故嘗試運用其他行業軟件對垃圾篩分進行模擬實驗降低成本。

煤礦機械，砂石篩分行業的離散元分析軟件EDEM是全球首個采用離散元素理論開發的軟件，主要用于工業大顆粒的模擬處理和分析，采用顆粒堆積的方式形成各種不同形狀的模型，且可設定每一個顆粒的密度，速度等物理屬性，最大限度的模擬實際工作狀態[3]。

本文針對某一地區的生活垃圾特征，對垃圾成分簡要分類，采用EDEM模擬實際篩分狀況，在篩分處理量，篩分角度一定的前提下逐步確定篩筒的合理轉速，篩孔尺寸和篩孔形狀幾個參數，節約制造資本。

1 模型建立

1.1 生活垃圾成分在EDEM中的簡化

首先將生活垃圾成分按照顆粒大小進行分類，并對每一類的的質量進行稱重，將所含的垃圾成分劃分為四個粒度范圍，如表1所示[5]。

表1 生活垃圾成分分析

表1中的1類垃圾成分比較復雜，主要有土質顆粒，塑料瓶蓋，橡膠塞，紙團，金屬小零件，玻璃渣，煤塊，石塊，陶瓷，碎瓦片等。2類成分主要有碎布片，小包裝盒，飲料盒，清潔劑瓶等。3類成分主要有電路板，小玩具，碎稻草，樹枝，泡沫飯盒等。4類包括大件垃圾，如飲料瓶，書本，竹簽，塑料玩具，花盆托 盤等[4]。

由于生活垃圾成分極其復雜，完全按照外形進行建模仿真難度巨大，因此，本次模擬是按照顆粒大小進行簡化，并根據每種尺寸的顆粒所占質量比例設定密度，在EDEM中建立了對應的4類垃圾模型，然后根據4類垃圾成分的尺寸大小，分別建立模型，第1、2、3類分別建立3種模型，編號為101，102，103，201，202，203，301，302，303；第4類為溢出類，故只建立1種模型，編號為401。每一種模型的粒度及形狀如表2所示。

初步設定滾筒篩的處理量為25t/h，約為7Kg/s，10種垃圾模型的質量、形狀、密度及每秒下落數量如表2所示。4類垃圾成分大致符合生活垃圾的粒徑范圍。

表2 模擬垃圾成分的顆粒造型及參數

1.2 滾筒篩在Pro-E中的建模

根據滾筒篩的處理量，初步設定篩筒長度為2m，直徑為1m，篩筒的傾角設定為6°，篩筒內部采用三段孔徑不同的篩孔，篩孔直徑由小到大分別為Φ60、Φ100、Φ150。滾筒篩的三維模型如圖1所示。

圖1 滾筒篩三維模型

如圖1所示，左側為垃圾成分的入口；右側為不可篩分物的溢出口，不可篩分物進入后續的磁選和浮選等處理環節。

滾筒篩下側設有三個收集盒，分別收集三段篩孔下落的垃圾成分，待收集滿后將其移出，放入空收集盒繼續收集。在實際制造中，可以安裝三條傳送帶進行不間斷收集，運輸，此處為方便模擬后期計算收集垃圾成分的數量，故采用收集盒裝置。

2 EDEM中的主要參數設定

2.1 通用設置（globals）

假設10種模型自身不可分解，無自身的相對滑動，所以將particle to particle和particle to Geometry設置為無滑動接觸模Hertz-Mindin(no-slip)；查詢文獻資料[6～8]，可得到鋼材、塑料、玻璃等的恢復系數，其他材料暫無法查到恢復系數，暫將Coefficient of restitution 設置為0.5；同時，根據不同顆粒的靜摩擦系數和滾動摩擦系數，分別將10種模型的靜摩擦系數(coefficient of static friction)設置為0.3～0.5之間[9]，滾動摩擦系數(coefficient of rolling friction)設置為0.01～0.05之間。

2.2 篩筒旋轉設置

2.2.1 篩筒臨界轉速的計算

當篩筒轉速大于臨界轉速時，垃圾物料下落的重力被離心力克服，物料不再脫離篩面，此時，垃圾物料沿篩筒軸線方向的運動不再發生，即不能繼續被篩分下來。故篩筒轉速應小于臨界轉速[10]。臨界轉速的計算如下：

當達到臨界轉速時，物料的重力和離心力平衡，即：

m為任一物料質量；

v為物料的圓周速度；

R為篩筒半徑；

α為脫離角。

由

可以得到，當α=0時，物料達到最高點。此時臨界轉速為：

因此，當R=500mm時，代入公式得到臨界轉速n=42.3r/min。

2.2.2 篩筒轉速的取值及設置

計算得知該尺寸篩筒的臨界轉速為42.3r/min，即桶內垃圾物料不會發生離心運動的最大轉速，初步設定5種不同轉速，逐一研究垃圾物料篩分情況，5種轉速分別為18r/min、24r/min、30r/min、36r/min、42r/min。

在EDEM中，設置篩筒繞定軸旋轉需要將旋轉軸向坐標軸投影，計算旋轉分量，EDEM再將旋轉分量合成幾何的旋轉運動，旋轉方向符合“右手定則”，即食指為旋轉軸指向，其余四指為幾何旋轉方向。由于旋轉軸投影落在xoz平面內，且與x軸角度為6°，以P0點為原點，做旋轉軸的延長線示意圖，向坐標軸投影得到ωx，ωy。如圖2所示。

圖2 旋轉軸坐標投影

則有：

若轉速為18r/min，由公式：

ω為角速度（rad/s）；

n為轉速（n/min）；

得：ωx=1.874588rad/s

ωz= -0.1969779rad/s

將ωx，ωy的數值以及P0點坐標值分別輸入到圖3中。其余四組數據如表3所示。

圖3 篩筒旋轉設置

表3 篩筒的5種不同轉速分量值

2.3 顆粒工廠設置

設置仿真時間為10s，每一種垃圾組分的下落速率按照表2的數值進行設置。固定時間步長設置為30%。以5組不同的轉速進行5次模擬實驗，利用EDEM觀察最后的模擬結果[11]。

3 模擬過程及優化設計

經過EDEM仿真之后，垃圾顆粒篩分情況如圖4所示，不同粒徑的垃圾顆粒掉落到下側的三個收集盒中。

圖4 垃圾顆粒篩分分布圖

3.1 篩筒轉速對篩分效率的影響

通過統計三個收集盒內垃圾顆粒的數量來研究篩筒的轉速對于滾筒篩的篩分效率。5種不同轉速情況下，統計區域的垃圾顆粒數量如圖5所示。

圖5 不同轉速下的顆粒統計量總和

由圖5可知，隨著滾筒篩轉速的不斷變化，篩下物的數量也是不同的，在速度上升的初期，篩下物的數量隨之上升，當超過36r/min之后，篩下物數量不再上升，即當滾筒篩轉速在36r/min時，篩下物數量最多，由此可以初步確定滾筒篩在該轉速下篩分效率最高，因此將篩筒轉速定為36r/min。

3.2 篩孔孔形對篩分效率的影響

確定篩筒轉速后還需要分析篩孔形狀、大小與篩分效率的關系，下一步擬采用四種不同的篩孔來進行實驗，此次實驗所用的篩筒如圖6所示。

圖6 實驗所用的篩筒示意圖

篩筒1為三段直徑分別為60、100、150的圓孔篩；篩筒2的篩孔直徑與篩筒1相同，篩孔密集度比前者有所增加。篩筒3為三段正方形的篩孔，邊長分別為60、100、150。篩筒4篩孔邊長與篩筒3相同，同樣增加篩孔密集度。

這四種不同的篩筒開孔率由計算公式：

φ為開孔率；

A為孔面積；

A0為總面積；

可得，具體如表4所示。

表4 四種篩筒的開孔率

篩筒1已經模擬完畢，只需模擬其余三個，故將篩筒2、篩筒3、篩筒4分別建模，導入EDEM中進行參數設置，模擬計算。

經過一段時間的計算，設置與前述同樣的一個統計區域，進行垃圾組分數量的統計，可以得出圖7的數據。

圖7 不同篩筒篩下物數量比較

由圖7可知，篩筒2的數值比篩筒1的數值大，篩筒3的數值比篩筒1數值大，篩筒4比篩筒3數值大。即表示當最大尺寸相同時，篩孔做成方孔比圓孔篩分數量多；篩孔孔型同為圓孔或者同為方孔時，篩孔越密集，篩分數量越多。

3.3 確定最終設備參數

通過上述EDEM的模擬計算，分別確定了篩筒轉速、篩孔孔型、篩孔開孔率四者與篩分效率的關系。最后的決定采用方孔密集型篩筒，并且將轉速設定為36r/min。

4 結論

通過計算機模擬實際工作狀況，可以為制造滾筒篩提供模擬依據，有效減少設備制造成本以及實驗的成本，提高設備的利用率[12]。通過以上仿真數據，可以得出：

1）相同尺寸條件下，方孔比圓孔的篩分效率高。

2）模擬計算中，當篩筒轉速設置為36r/min時，篩分效率最高，最大轉速與合理轉速二者之間的比值為：。由此可推斷，滾筒篩的實際轉速與臨界轉速比值為0.85左右較為合適。

[1] 魏殿英.城市袋裝垃圾處理系統的研究[J].當代化工,2012,41(5)： 498-529.

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[3] 胡國明.顆粒系統的離散元素法分析仿真[M].武漢：武漢理工大學出版社.2010.

[4] 中華人民共和國國家統計局編2014中國統計年鑒[M].北京：中國統計出版社.2014.

[5] 馬喜君.王慧.朱凱.淮安市生活垃圾篩分特性研究[J].安徽農業科技.2010.38(25)：3977-13978,13980.

[6] A.O.Jaji.Discrete Element Modeling of Deformation of Bulk Agricultural Particulates[J].Department of Agricult-ural and Environmental Sciences at the University of Newcastle upon Tyne,1999.

[7] C.T.Jayasundara,et al.Discrete Partic-la Simulation of Particle Flow in Isa Mill Effect of Grinding Medium Pro-perties[J].Chemical Engineering Journa-l,Volumen135,Issues 1-2,15 January,2008,103-112.

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[9] 機械設計手冊編寫委員會.機械設計手冊.新版[M].北京：機械工業出版社,2004.

[10] 李愛國,趙愛華,張益.城市生活垃圾處理工程[M].北京：科學出版社.3011.

[11] http：//www.dem-solution.com(DEM-solution公司官方網站)

[12] 施昱,沈惠平,徐斌.食物垃圾的處理及其綜合利用[J].糧食與飼料工業,2005(2)：32-33.