基于EDEM-Fluent仿真的餐廚垃圾渣液分離機設(shè)計與試驗

王浩璇 果 霖 王一鳴 張永華 毛新兵 張?zhí)鞎?/p>

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，云南 昆明 650201；2.河南工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

餐廚垃圾是城市固體垃圾的主要組成部分之一，截至目前堆存量高達70億t，占地5.3萬hm2[1]。餐廚垃圾屬于高油脂固液混合型有機物，在被清除的同時仍可以對其進行資源化回收利用，中國現(xiàn)有的餐廚垃圾處理方法主要包括焚燒、填埋及機械化處理方式。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，餐廚垃圾機械化處理方式包括大型餐廚垃圾處理生產(chǎn)線以及小型餐廚垃圾處理設(shè)備。大型餐廚垃圾處理生產(chǎn)線以餐廚垃圾的集中處理為前提，資金投入較大，設(shè)備運維成本較高。當(dāng)餐廚垃圾處理量較少時，往往無法在保證成本的前提下進行集中作業(yè)[2]。小型餐廚垃圾處理設(shè)備體積較小，具有便攜性和簡易性的特點，但其作業(yè)形式單一，多采用粉碎直排的方式處理餐廚垃圾，無法對餐廚垃圾中豐富的有機物料進行資源化利用，處理效果十分有限。

當(dāng)前，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者對新型餐廚垃圾處理設(shè)備展開了研究：黃將誠等[3]設(shè)計了一種食物垃圾處理器，但是該設(shè)備在控制系統(tǒng)的設(shè)計上存在不足，導(dǎo)致垃圾處理不夠徹底，資源浪費現(xiàn)象較嚴(yán)重；金榮通等[4]設(shè)計了一款廚余垃圾預(yù)處理器，使得居民可以在家中對廚房食物垃圾進行初步的處理，但是無法實現(xiàn)有效的固液分離；劉芳霞[5]設(shè)計了一種食物垃圾處理器，利用電機帶動研磨刀盤進行高速旋轉(zhuǎn)來粉碎食物垃圾，但是粉碎后的餐廚垃圾直接排入下水管道，造成了餐廚資源的浪費；李靜等[6]設(shè)計了一款日處理量600 kg的餐廚垃圾處理器，但是不具備雜物篩選功能，無法有效篩選餐廚垃圾中所含有的玻璃、鐵器等硬物，對機器會造成較大的損傷。

針對目前餐廚垃圾處理設(shè)備所存在的缺陷，筆者擬設(shè)計一種高集成化、高自動化、低能耗和低運行成本的集送料、粉碎、壓縮、脫水于一體的餐廚垃圾渣液分離機。同時，通過EDEM軟件建立相應(yīng)的顆粒模型，并結(jié)合Fluent軟件中的重整化群RNGk—ε湍流模型對餐廚垃圾粒子運動進行仿真分析，以優(yōu)化設(shè)備各個重要參數(shù)，使得設(shè)備對餐廚垃圾的固液分離處理效率達到最優(yōu)，以期為新型餐廚垃圾處理設(shè)備的設(shè)計和優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)。

1 工藝流程圖

根據(jù)中國人餐飲習(xí)慣和餐廚垃圾的特點，該餐廚垃圾渣液分離機以實現(xiàn)餐廚垃圾資源化利用為目的，符合中國餐廚廢棄物的回收現(xiàn)狀，且通用于社區(qū)街道、學(xué)校、食堂、酒店以及垃圾處理廠。該設(shè)備對餐廚垃圾進行處理后得到液態(tài)和固態(tài)兩種形式的物質(zhì)，液態(tài)可進一步收集然后集中處理，減少了污水直排對環(huán)境造成的污染。被減容的固態(tài)殘渣可以烘干、打包，便于儲存和運輸。根據(jù)使用環(huán)境的要求，編制如圖1所示的餐廚垃圾渣液分離機工作過程工藝流程圖[7]。

2 主體結(jié)構(gòu)

該餐廚垃圾渣液分離機包括主體結(jié)構(gòu)及輔助送料裝置，主體結(jié)構(gòu)由粉碎裝置和固液分離裝置組合而成，應(yīng)用SolidWorks軟件繪制出主體部分的結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

2.1 工作原理

在進行餐廚垃圾處理時，首先啟動破碎機和驅(qū)動電機對餐廚垃圾中較大或較硬的物料進行粉碎處理。破碎機采用雙齒輥式破碎機，當(dāng)兩個齒輪嚙合時，餐廚垃圾被研磨粉碎。餐廚垃圾顆粒通過調(diào)節(jié)齒間隙與齒頂隙達到粉碎所需顆粒大小的要求，在餐廚垃圾顆粒自身重力的作用下，通過齒輪磨輥的轉(zhuǎn)動，逐漸脫離粉碎室，圖3為粉碎機理示意圖。

圖1 工藝流程圖Figure 1 Process flow chart

1.進料口 2.防護板 3.破碎機 4.驅(qū)動電機 5.防漏網(wǎng) 6.通液孔 7.出液管 8.閥門 9.支撐腳 10.螺旋葉片 11.螺桿 12.箱體 13.出料口 14.出料導(dǎo)軌 15.減震彈簧 16.滑桿 17.滑筒圖2 主體結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Structure of main part

被粉碎后的餐廚殘渣向下落入輸送桶中，在螺桿的旋轉(zhuǎn)以及螺旋葉片的推動作用下，餐廚碎渣在輸送桶內(nèi)由左往右進行移動，隨著空間逐漸變狹窄而慢慢被擠壓。在擠壓過程中，水分通過通液孔落在設(shè)備內(nèi)的底部，最后從出液管流出。被擠壓的固態(tài)渣塊則從出料口出料，之后可進行固態(tài)殘渣的收集，從而實現(xiàn)了高效的渣液分離。

2.2 顆粒的動力學(xué)分析

當(dāng)螺旋軸轉(zhuǎn)動時，螺旋葉片會給予餐廚顆粒一個法向推力N1，同時由于顆粒與螺旋葉片接觸面的切線方向存在切向摩擦力f1，故顆粒受力為N1和f1的合力F。合力F可分解為沿螺旋軸的軸向分力Fz，以及圓周方向分力Ft。顆粒在軸向分力Fz的作用下，在輸送桶內(nèi)沿水平方向移動。同時，在圓周方向分力Ft的作用下，在輸送桶內(nèi)沿螺旋軸翻動。顆粒的受力圖如圖4所示。

1.齒輪磨輥 2.餐廚垃圾 3.垃圾顆粒圖3 粉碎機理示意圖Figure 3 Principle of comminution

圖4 顆粒受力圖Figure 4 Particle stress diagram

2.3 螺旋葉片的參數(shù)計算

粉碎后的餐廚垃圾進入到固態(tài)殘渣輸送桶內(nèi)，在螺旋葉片的作用下從左往右移動。由于螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)速度會對垃圾粒子的運動情況產(chǎn)生影響，而這直接關(guān)系到固液分離的效果，所以需要對這一關(guān)鍵部件進行參數(shù)計算。考慮到設(shè)備工作時，螺旋葉片會受到較大的壓力以及摩擦力，因此選用耐磨性較高的材料作為螺旋葉片的制作材料。同時考慮到設(shè)備的造價成本，擬采用普通碳鋼作為螺旋葉片的制作材料。

螺旋葉片的直徑D按經(jīng)驗式(1)計算[8]：

(1)

式中：

K——特性參數(shù)，取0.165；

Q——餐廚垃圾在輸送桶內(nèi)的運送能力，設(shè)計為1 t/h；

φ——餐廚垃圾在輸送桶內(nèi)可以填滿螺旋葉片間距的系數(shù)，取0.8；

ρ——餐廚垃圾的密度，取1 t/m3；

C——餐廚垃圾在傾斜的螺旋葉片輸送作用下的校正系數(shù)，取1。

代入式(1)，得螺旋葉片的直徑D為0.18 m。

3 輔助送料裝置

現(xiàn)有的大部分餐廚垃圾處理設(shè)備無法有效地分離出垃圾中含有的鐵器等金屬硬物，對機器會造成較大的損傷。與現(xiàn)有方法不同的是，該設(shè)備增加了一個帶有預(yù)處理的輔助送料裝置，包含自動送料桶以及可伸縮導(dǎo)入槽兩個機構(gòu)，主要實現(xiàn)自動送料與篩選金屬硬物的功能。應(yīng)用SolidWorks軟件繪制出自動送料桶以及可伸縮導(dǎo)入槽的結(jié)構(gòu)圖，如圖5、6所示，設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

使用時，將收集的餐廚垃圾放入垃圾桶中，垃圾桶在底部凹槽和上部護欄的共同作用下被穩(wěn)定地固定。啟動驅(qū)動電機，推桿帶動提升架緩慢上升，垃圾桶隨著垃圾桶座墊同步平穩(wěn)上升。當(dāng)上升到最高位置后，垃圾桶在皮帶和滾輪的共同作用下，完成傾倒動作。當(dāng)餐廚垃圾流經(jīng)帶有強磁場的導(dǎo)入槽時，餐廚垃圾中的金屬硬物會被吸附在導(dǎo)入槽上，從而達到篩除餐廚垃圾中含有的金屬硬物的目的，如圖8所示。

1.底座 2.垃圾桶座墊 3.垃圾桶 4.護圈 5.滾輪 6.皮帶 7.滾輪架 8.驅(qū)動電機 9.提升架 10.電動推桿圖5 自動送料桶Figure 5 Automatic feeding barrel

1.支架 2.可調(diào)傾角塊 3.螺旋調(diào)微桿 4.齒輪 5.齒條 6.導(dǎo)管 7.導(dǎo)管固定塊圖6 可伸縮導(dǎo)入槽Figure 6 Retractable guide slot

圖7 整體結(jié)構(gòu)圖Figure 7 Overall structure

考慮到設(shè)備使用一段時間后，導(dǎo)入槽上吸附的金屬硬物較多時，會影響后續(xù)餐廚垃圾的流入，故需要對導(dǎo)入槽進行定期的清理。由于導(dǎo)入槽為可伸縮結(jié)構(gòu)設(shè)計，方向可自由調(diào)節(jié)，故在清理導(dǎo)入槽上吸附的金屬硬物時可將槽口調(diào)整方向，以防清理的金屬硬物通過進料口落入設(shè)備內(nèi)部。考慮到每桶泔水桶內(nèi)的餐廚垃圾中金屬硬物含量不均勻，故不能將設(shè)備使用次數(shù)作為衡量篩除出的金屬硬物多少的標(biāo)準(zhǔn)，因此采用可視化原則。當(dāng)被吸附的金屬硬物占比達到導(dǎo)入槽面積的1/5時，由于導(dǎo)入槽上吸附的金屬硬物較少，可通過人工采用鋼絲刷除去導(dǎo)入槽上的金屬硬物，并用自來水將導(dǎo)入槽沖洗干凈。當(dāng)被吸附的金屬硬物占比達到導(dǎo)入槽面積的1/3時，此時導(dǎo)入槽內(nèi)吸附的金屬硬物較多，可將經(jīng)高壓泵加壓后的水，按照一定的射流流速和角度進行分流且加速噴到導(dǎo)入槽的表面來進行清理。通過多次試驗可知，將水流速度加壓至312 m/s，噴嘴與導(dǎo)入槽水平面之間夾角為50°～60°時，清理效果最好。

4 EDEM離散元仿真

4.1 前處理

EDEM軟件是世界上第一個用現(xiàn)代化離散元模型設(shè)計的用來模擬和分析顆粒處理和生產(chǎn)操作的通用CAE軟件，通過模擬散狀物料加工處理過程中顆粒體系的行為特征，協(xié)助設(shè)計人員對各類散料處理設(shè)備進行設(shè)計、測試和優(yōu)化[9-11]。考慮到粉碎后的餐廚顆粒在輸送桶內(nèi)的運動是由移動和轉(zhuǎn)動兩種運動組合而成，記單個顆粒為i，顆粒之間的相互作用力為控制方程[12]式(2)和式(3)，相互作用力矩為式(4)和式(5)。由于離散元法是利用經(jīng)典牛頓第二定律來求解顆粒在運動瞬間的速度、受力、運動軌跡等運動狀態(tài)[13]，因此利用EDEM離散元仿真，可以對粉碎后的餐廚垃圾在輸送桶內(nèi)部的運動過程進行高精度的模擬并進行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析。

(2)

(3)

圖8 工作示意圖Figure 8 Working diagram

Mtij=Rij×Ftij，

(4)

(5)

式中：

Fnij——顆粒i、j之間的法向接觸力，N；

Ftij——顆粒i、j之間的切向接觸力，N；

Mtij——切向力Ftij產(chǎn)生的力矩，N·mm；

Mrij——顆粒i、j之間的滾動摩擦力矩，N·mm。

選取富含纖維的芹菜，較硬的骨頭，日常主食之一的大米等具有代表性的食物，進行餐廚垃圾的粉碎試驗，并對其進行取樣，記錄相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)取樣記錄的試驗數(shù)據(jù)，在EDEM軟件中插入顆粒模型并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，如圖9所示。

同時，設(shè)置螺桿運動為圖10所示的沿軸心的往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動，設(shè)定轉(zhuǎn)速為150 r/min。

4.2 離散元求解

進入Simulation模塊設(shè)置仿真變量，其中固定時間步為30%，總計仿真時間為5 s，采樣頻率為0.05 s。點擊Progress進行仿真分析，仿真過程如圖11所示。

表1 餐廚垃圾碎渣取樣記錄表Table 1 Sampling record of kitchen waste mm

圖9 插入顆粒模型Figure 9 Insert particle model

圖10 軸心Figure 10 Center of axis

進入Analysis界面進行數(shù)據(jù)后處理，選擇Display中的Particles模塊。在Color By中選擇Velocity，獲得顆粒在輸送桶內(nèi)隨螺桿運動時的速度云圖及相對應(yīng)的速度變化數(shù)據(jù)；在Color By中選擇Force，獲得顆粒在輸送桶內(nèi)隨螺桿運動時的力場云圖及相對應(yīng)的受力變化數(shù)據(jù)。

4.3 數(shù)據(jù)與分析

經(jīng)過計算，得到顆粒在輸送桶內(nèi)運動時的顆粒速度圖、顆粒受力圖、顆粒運動軌跡圖，如圖12～16所示。

由圖12、13可知，餐廚碎渣在輸送桶的整個運動過程中速度保持在0.05～0.07 m/s，說明餐廚碎渣在輸送桶內(nèi)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。在4.75 s時，顆粒的運動速度達到最大值0.14 m/s，此時餐廚碎渣運動到輸送桶的最右端即出料口處。由圖14、15可知，餐廚殘渣在輸送桶內(nèi)運動的過程中，隨著時間的增加，受到的力也逐漸增大。在4.9 s時，餐廚碎渣受到的力最大(1.49 N)，此時餐廚碎渣從出料口出料。由圖16可知，當(dāng)餐廚殘渣在輸送桶內(nèi)運動時，餐廚殘渣多在輸送桶的下半部運動，隨著螺桿的往復(fù)轉(zhuǎn)動在出口處完成出料。

圖11 離散元仿真Figure 11 Discrete element simulation

圖12 顆粒速度Figure 12 Particle velocity

圖13 顆粒速度變化圖Figure 13 Change of particle velocity

5 Fluent流體仿真

5.1 建模及網(wǎng)格劃分

為了可以高精度還原餐廚垃圾粉碎后，垃圾粒子的運動情況，將垃圾殘渣的運動擬合為一種流體運動[14-15]。同時，為了有效降低仿真模型算法的復(fù)雜度，對主體裝置進行流體域的抽取，僅保留流體流經(jīng)的部分。經(jīng)過簡化，得到的流體域模型如圖17所示。設(shè)置四面體網(wǎng)格數(shù)量為508.38萬個，導(dǎo)入Fluent轉(zhuǎn)化成多面體網(wǎng)格為111.076 9萬個，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為96.003 2萬個。網(wǎng)格質(zhì)量最小0.14，最高為1.00，網(wǎng)格劃分如圖18所示。

5.2 參數(shù)及邊界條件的設(shè)定

根據(jù)裝置的特點，粉碎后的餐廚垃圾在輸送桶內(nèi)隨螺桿同步運轉(zhuǎn)，考慮到餐廚垃圾中含有的油水混合物，故餐廚殘渣所做的是一種復(fù)雜的、無規(guī)則的、隨機的非定常的紊流運動。為了可以高精度還原該運動情況，將餐廚殘渣的運動擬合為RNGk—ε湍流模型，該模型來源于瞬態(tài)n—s方程，采用重整化群(Renormalization Group，RNG)的數(shù)學(xué)方法來計算湍流流態(tài)，輸運方程為式(6)和(7)，其適用于求解旋轉(zhuǎn)流動。

圖14 顆粒受力Figure 14 Particle stress

圖15 顆粒受力變化圖Figure 15 Change of particle stress

圖16 顆粒運動軌跡圖Figure 16 Particle trajectory

(6)

(7)

在Fluent軟件中選擇旋轉(zhuǎn)流動算法，壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。啟用DPM模型(Discrete Phase Model)即拉格朗日離散相模型，創(chuàng)建入口噴射粒子模型，顆粒直徑為5 mm，顆粒噴射流量為0.1 kg/s。壓力速度耦合方式采用SIMPLE算法，梯度采用最小二乘法。連續(xù)相材料選擇液態(tài)水，離散相選擇固體顆粒。入口選擇質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量值為0.1 kg/s。出口選擇壓力出口，出口壓力為0。旋轉(zhuǎn)域采用MRF滑移網(wǎng)格模型，轉(zhuǎn)速為150 r/min，旋轉(zhuǎn)方向選擇x軸方向。

5.3 數(shù)據(jù)與分析

經(jīng)過計算，得到了流體域模型的速度云圖、旋轉(zhuǎn)域速度矢量圖，如圖19、20所示。

由圖19、20可知，餐廚碎渣在輸送桶內(nèi)部沿螺桿旋轉(zhuǎn)運動時速度較穩(wěn)定，與EDEM離散元仿真分析中得到的結(jié)論一致。在出液管處，流體的速度達到最大值，表明從餐廚垃圾中分離出的油水混合物從出液管口處快速流出。結(jié)合EDEM離散元與Fluent流體仿真分析，餐廚碎渣在輸送桶的整個運動過程中，速度保持恒定。在出液管處，油水混合物的速度達到最大值。當(dāng)油水混合物從出液管流出后可對其進行收集然后集中處理，減少了污水直排[16-18]對環(huán)境造成的污染。在出料口處，餐廚殘渣的速度達到最大值，此時受力也達到最大值。當(dāng)固態(tài)殘渣從出料口出料后，可對固態(tài)殘渣進行收集，再烘干、打包，便于儲存和運輸,滿足了對餐廚垃圾“無害化、減量化、資源化”的處理要求[19-20]。

圖17 流體域模型Figure 17 Fluid domain model

圖18 網(wǎng)格劃分Figure 18 Grid generation

5.4 實驗驗證

制出該餐廚垃圾渣液分離設(shè)備的樣機，試驗采用學(xué)校食堂泔水桶的餐廚垃圾作為原始物料，通過測量出料口擠出物料的產(chǎn)量Me，式(8)所示；擠出物含水率W；原始餐廚垃圾物料的含水率W0；過濾液產(chǎn)量Ml，式(9)所示；以及設(shè)備的處理量M，式(10)所示，5個指標(biāo)來測試設(shè)備的性能。在設(shè)備穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的情況下，擠出物料在出料口的出料速度，以及出液管口處過濾液的流出速度應(yīng)保持勻速。采用WL-01T型餐廚垃圾含水率測定儀測量擠出物料的含水率W，以及原始餐廚垃圾物料的含水率W0，試驗數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

(8)

(9)

M=Me+Ml，

(10)

式中：

Me——擠出物料在出料口處單位時間產(chǎn)量，kg/h；

M1——擠出物料的產(chǎn)量，kg；

T1——在出料口處接取擠出物料的時間，s；

Ml——過濾液在出液管口處單位時間產(chǎn)量，kg/h；

圖19 速度云圖Figure 19 Velocity cloud

圖20 旋轉(zhuǎn)域速度矢量圖Figure 20 Velocity vector diagram in rotation domain

表2 試驗數(shù)據(jù)表Table 2 Test data

M2——在出液管口處接取的濾液的重量，kg；

T2——在出液管口處接取濾液的時間，s；

M——設(shè)備的處理量，kg/h。

多次試驗結(jié)果為：樣機平均處理量為1 142.34 kg/h，擠出物料的平均產(chǎn)量為519.04 kg/h，過濾液的平均產(chǎn)量為623.3 kg/h，擠出物料含水率均值為56.3%，相較于原始餐廚垃圾物料的含水率均值73.64%，含水率減少了17.34%。設(shè)備運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，擠出物料在出料口處的出料速度，以及出液管口處過濾液的流出速度均保持勻速。

6 結(jié)論

試驗設(shè)計的餐廚垃圾渣液分離機集送料、粉碎、壓縮、脫水于一體，通用于社區(qū)街道、學(xué)校、食堂、酒店以及垃圾處理廠，可實現(xiàn)餐廚垃圾的資源化利用，且符合中國餐廚廢棄物的回收現(xiàn)狀。

通過EDEM和Fluent軟件，對其進行了離散元及流體建模仿真分析以優(yōu)化螺桿及螺旋葉片的運動，進而提高餐廚垃圾固液分離的效率。仿真分析以及樣機試驗結(jié)果表明：餐廚碎渣在輸送桶內(nèi)的整個運動過程中，速度保持恒定。在出料口處，餐廚殘渣的速度達到最大值，此時受力也達到最大值。在出液管處，油水混合物的速度達到最大值。該設(shè)備較好地實現(xiàn)了將餐廚垃圾固液兩相分離的目標(biāo)，達到了預(yù)期的設(shè)計效果。