除臭處理下的生活垃圾氣力輸送系統多模塊化設計

楊永健，何 鵬，劉志華

(1.天津津生環境科技有限公司，天津 102208；2.北京天吳科技有限公司，北京 102200)

0 引言

生活垃圾氣力輸送系統指的是在真空管道的基礎上，設計全封閉式的垃圾輸送裝置，通過氣流將垃圾從一端運送到另一端[1]。基于真空的垃圾處理裝置不僅可以避免生活垃圾的異味，還可以減少污漬對垃圾箱周邊環境的污染，進而減少垃圾車的運行頻次，減少垃圾處理的經濟成本。因此，作為一種新型的垃圾處理方式，生活垃圾氣力輸送系統受到了學者的廣泛關注。

文獻[2]設計了螺桿泵-管道輸送系統，通過選用最佳的泵-管道輸送系統污泥泵形式和配套的管件管材，解決了常規運輸系統產生的臭氣外逸、灑落、漏滴等二次污染問題，取得了較好的環境效益。文獻[3]分析了垃圾運輸的影響因素，設計了垃圾運輸的輥道及水泥儲存傳輸固定系統，為探索垃圾運輸方式及途徑提供了必要的數據。文獻[4]通過引入CAD/CAE技術，改造掃盤、吸嘴體、箱體等部件，設計了垃圾清掃車的氣力輸送系統，有效提高了垃圾輸送效率。

本文基于以上文獻研究成果和不足之處，進行除臭處理下的生活垃圾氣力輸送系統多模塊設計，考慮了經濟的最優化模型，實現了生活垃圾氣力輸送系統建立與運行過程中經濟效益的最大化。

1 生活垃圾氣力輸送系統硬件設計

在設計生活垃圾氣力輸送系統電路的過程中，首先需要確定系統對于電力消耗的需求。本文基于經濟價值，設計新的生活垃圾氣力輸送系統，在安全、穩定的基礎上，設計經濟成本最低的電路如圖1所示。

圖1 生活垃圾氣力輸送系統電路設計

如圖1所示，在電路設計中，可以根據先行穩定電壓之間的輸入電壓與輸出電壓設計最大的電壓差，適當調整3個電源接口之間的損耗比，確保電路系統的穩定運行[5]。將整個電源芯片大致分為線性電源與開關電源，其中，線性電源主要通過輸入電壓與輸出電壓之間的電壓差進行低效率運行，此時的電壓壓差較小，適合進行元件較少、電流較小的操作，且此時的電功率需求量較少，電費成本降低。開關電源可以分為AC和DC 2大類開關設備，最高的電壓輸出效率比為80%～85%，雖然占地面積較小，但是電能的利用率極大，很多地方的電壓紋波可以達到5 mV以下，此時的電磁干擾效果最佳[6]。因為生活垃圾氣力輸送系統的電源通常采用電池供電的方式，所以該系統的電池電壓會隨著電能的消耗而逐漸降低，其波動范圍大致在3～5 V之間，且為了保證生活垃圾氣力輸送系統的穩定運行，其內部的電源芯片只包括TPS35426和TPS52637。2種電池芯片均擁有最大輸出電流，可以達到120 mA，且承載電力系統穩定運行的能力更強。很多芯片會根據自身的需求發生相應的電壓變化，如圖2所示。

圖2 電源芯片電壓變化

如圖2所示，由于該系統硬件的供電系統具備一定的穩定性，且輸入與輸出電源的電壓差具有減少系統功耗的能力，對開關電源電路具有很好的實現能力，在抑制大功率噪聲的過程中，能夠保證硬件設備的正常工作[7]。

2 生活垃圾氣力輸送系統軟件多模塊設計

2.1 垃圾投放運輸模塊

生活垃圾氣力輸送系統通常使用空氣作為垃圾傳輸的介質，利用發動機作用下的空氣壓力推動空氣流動，將垃圾從一端輸送至另一端，根據單位系統內的垃圾輸送量，可以得到公式

(1)

Id+n為平均每晝夜內生活垃圾氣力輸送系統將垃圾從一端輸送至另一端的輸送量；I0為一晝夜的垃圾輸送量；ki為生活垃圾氣力輸送系統在運行后期的發展系數，通常取值范圍為[0，1.02]；T為生活垃圾氣力輸送系統的實際工作時間[8]。在輸送垃圾的過程中，可以通過吸氣式或呼氣式的空氣傳輸方式，選擇具體的輸送方向，確定其最佳氣力輸送比例，如表1所示。

表1 生活垃圾氣力輸送系統氣體輸送比

如表1所示，不同的氣體輸送方式可以產生不同的壓力表現形式以及氣力輸送比，在實際選擇中，可以通過具體的輸送方向，選擇最適合的氣體輸送方式，且盡量將氣體輸送比調整為最佳區間[9]，二者相對應的風速設置可以表示為

vw=civt

(2)

vw為輸送風力的速度；ci為風力計算的經驗系數，具體數值如表2所示；vt為空氣中垃圾的懸浮速度。一般情況下vw會大于civt，然后以此選定大面積傳送垃圾最適合的風速。而通常情況下vt不會直接得到，因此需要通過式(3)進行計算。

(3)

vi為空氣中垃圾的懸浮速度；λf為生活垃圾在懸浮過程中的經驗系數，具體的數值如表2所示；θi為生活垃圾的重度。

表2 公式計算參數

整合上述分析結果，完成生活垃圾運輸過程中的速度以及力學特性計算，進而完成生活垃圾投放運輸模塊的設計。

2.2 垃圾除臭處理模塊

在處理生活垃圾氣力輸送系統的除臭模塊時，首先要考慮生活垃圾的除塵。此時，可采用機械除塵、電除塵和布袋除塵等方法[10]，或直接通過濕度除塵，在除塵室內噴灑部分水，將垃圾中的灰塵全部分離，再將垃圾送入除臭室，如圖3所示。

圖3 生活垃圾除臭物理處理方法

如圖3所示，生活垃圾氣力輸送系統中廢棄垃圾的氣體成分主要包括H2S、NH3等無機氣體，以及一部分有味道的有機廢氣，對于這些廢氣，可以通過活性炭的吸附作用去除，或者將一些具有香味的物質與廢氣混合，以達到除臭的作用[11]。一般情況下，需要將這道工序重復3～4次，以便將生活垃圾中的廢氣真正地清除干凈。此外，若活性炭吸附效果較差，還可以通過圖4進行化學方法的除臭處理。

圖4 生活垃圾除臭化學處理方法

如圖4所示，為了保證最大效果的廢氣凈化以及垃圾除臭，將3個化學除臭的處理箱密封處理，以便化學藥品能夠更好地完成化學反應。

2.3 垃圾處理回收模塊

生活垃圾氣力輸送系統的回收模塊涉及到垃圾的氣液固分離技術，因此，需要在回收口的中央處理系統中設置1個公式，用來識別生活垃圾中氣體、液體和固體[12]。

(4)

ρf為生活垃圾在空氣中的具體重力密度；Pi為標準大氣壓下的空氣密度，設定為1.205 kg/m3；Mu為氣體的摩爾體積；Re生活垃圾的質量常數，通常取值為8.3～8.4 J/mol；Tf為熱力學常數。通常情況下，若ρf的數據為[0，1]，則該生活垃圾被識別為氣態；若ρf的數據為(1，10]，則該生活垃圾被識別為液態；若ρf的數據大于10，則該生活垃圾被識別為固態[13-15]。

通過這種垃圾識別方法，可以將垃圾有效分類。

3 實驗研究

3.1 實驗準備

結合現實生活中的生活垃圾氣力輸送系統，通過優化其設備的技術參數，設計了如表3所示的生活垃圾氣力輸送模擬系統配置表。

表3 生活垃圾氣力輸送模擬系統配置表

通過文中所示的結構設計生活垃圾氣力輸送系統后，以同樣的方法建設現有的3種生活垃圾氣力輸送系統(將文獻[2]方法設為對照1、文獻[3]方法設為對照2、文獻[4]方法設為對照3)，并通過式(5)比較這4種系統運行過程中需要使用的功率。

(5)

Fl為生活垃圾氣力輸送系統對于垃圾袋的推力；Ca為生活垃圾氣力輸送系統的水平坡度；Ty為垃圾袋中垃圾的平均質量；v0為空氣中的極限狀態下的平均風速；Ps為輸送單位質量下的生活垃圾所需要消耗的功耗[14]。在得到功率計算結果后，將運輸成本與人工成本全部納入到預算中，計算這4個系統在運行過程中的經濟成本。

3.2 不同質量垃圾傳送功率測試

通過以上公式得到4種系統所需功率，將文中系統得到的數值作為實驗組數據，將已有的3種系統得到的數值作為對照組1、對照組2、對照組3。

如圖5所示，不同質量下4種生活垃圾氣力傳送系統所需要的功率是不同的，隨著垃圾質量的不斷增加，所需要使用的功率也在不斷上升，而實驗組的功率需求遠小于3個對照組[15]。

圖5 不同質量垃圾傳送功率測試

以生活垃圾的質量作為變量，計算相應系統在運行過程中的總體成本，并得到如表4所示的實驗結果。

表4 4種系統運行平均成本

如表4所示，在垃圾質量不斷增長的同時，4種系統在運行過程中所需要的平均成本也在不斷增加。實驗組系統的平均運行成本達到了243.9元，成本最低。由此可知，本文設計的生活垃圾氣力輸送系統較運行成本低，能夠實現經濟效益的最大化。

4 結束語

本文首先設計了除臭處理下的生活垃圾氣力輸送系統硬件結構，完成電源電壓的優化，然后設計了該系統的軟件模塊，判斷該系統在經濟成本上的優化能力，使其減少運行成本，實現了生活垃圾氣力輸送系統的優化。