淺析基于EDEM仿真的陳腐垃圾滾筒篩建模和參數優化

葉志敏，黃超，肖仲華，趙雪媛，張彪,，王松林

（1.深圳同創環?？萍加邢薰荆瑥V東 深圳 518051；2.華中科技大學環境科學與工程學院；3.湖北省工業建筑集團公司，湖北 武漢 430074）

填埋是我國主要的城市生活垃圾處理處置方式。通過垃圾填埋場開挖、篩分利用和污染治理，實現塑料回收、腐殖土回收、建筑骨料回收和土地資源開發利用，達到節能減污降碳協同增效。滾筒篩是填埋場開挖資源化工藝過程中的常用設備。在滾筒篩工程設計、結構及工況條件優化中，存在篩分設備設計條件模糊、工作參數過度依賴工程經驗的問題。EDEM軟件是基于DEM離散元理論開發的數值仿真軟件，可模擬滾筒篩的運行工況，并對設計、結構及工況條件進行參數優化，減少設備研發及改進成本。本文通過EDEM模擬實際工程中垃圾滾筒篩的篩分過程，并對滾筒篩工況條件進行優化。

1 整機結構及工作條件

陳腐垃圾在滾筒篩篩分前，需經歷上料、布料、人工分選、磁選和振動篩分等過程，去除大件干擾物、金屬和建筑骨料等。

滾筒篩主要由上料裝置、擋料板、滾筒篩框架、滾筒篩支撐架、帶孔篩筒、收集裝置、電機等組成。課題研究依托的滾筒篩電機功率為11kW，篩孔孔徑為40mm。垃圾滾筒篩作業時，通過調節電機功率實現滾筒轉速的調節。

2 垃圾顆粒仿真及參數確定

2.1 物料特性分析

為獲取陳腐垃圾特征，依據《生活垃圾采樣和物理分析方法（CJ/T313-2009）》，采用四分法對陳腐垃圾進行成分分析，共獲得20個垃圾樣本。通過數據分析，主要成分為塑料，占比約45.47%；紙張類占比約5.07%；其他有機類占比約19.71%；其他無機類占比約26.92%；金屬質及玻璃類含量較少，分別占比1.36%和1.46%。陳腐垃圾容重平均值為244.50kg/m3。

采用標準篩對滾筒篩進出料進行顆粒級配實驗。結果顯示，經人工分選、磁選、振動篩后垃圾進料依然以橡塑類為主，占比53.65%，其次為小顆?；旌项愓急?1.08%，金屬類經磁選后明顯減少，僅占比0.9%。在滾筒篩進料中，90%的橡塑類顆粒分布在40mm以上，經滾筒篩篩分后橡塑的含量明顯的降低，橡塑類占篩下物比重8.42%。紡織、木竹、灰土及磚瓦陶瓷類占比也有小幅度下降。篩下物主要成分為小粒徑混合類，占比74.45%。滾筒篩進料粒徑集中在＞10mm，占篩上物的86.83%，其中＞60mm最多占比33.97%。經垃圾滾筒篩篩分后，篩下物粒徑集中分布在2mm-40mm，占篩下物的86.88%。篩下物中仍有0.86%的粒徑大于40mm的垃圾顆粒。

2.2 垃圾顆粒建模

根據上述物理特性分析結果，將垃圾顆粒按照組成成分及粒徑進行建模。經過預處理后，滾筒篩進料成分中金屬類、廚余類和紙類占比極少，不對該三類垃圾進行建模。顆粒模型按生活垃圾進料主要組成分為7類，分別為灰土類、混合類、橡塑類、磚瓦陶瓷類、木竹類、紡織類和玻璃類，編號為A1-A6（圖1），其中灰土類和混合類共用A1球狀模型。模型類別及粒徑設置如表1所示。根據粒徑級配實驗結果，分別選用10mm、15mm、30mm、50mm、80mm等尺寸對生活垃圾各組成成分進行建模。建模依據為粒徑級配實驗中各組份的粒徑分布，如表1所示進料中橡塑類分布于10～20mm、20～40mm、40～60mm、＞60mm四個區間，占比分別為1.85%、6.14%、24.76%和67.25%，根據滾筒篩進料物理成分分析橡塑類占比53.65%，由此可將模型尺寸設為15mm、30mm、50mm、80mm四個部分，各尺寸模型總質量按照粒徑級配比例設置。

表1 生活垃圾顆粒模型設置及參數

圖1 建模設置

2.3 主要參數設置

根據垃圾滾筒篩的整機結構進行等比例建模。滾筒長度為8m，半徑1.2m，出料口安裝高度1.5m。篩孔為長條形方孔，展開尺寸為40mm×900mm，篩孔密度排布為8×91。在Rhino 7中進行模型構建，滾筒篩模型如圖2所示，導入EDEM中進行求解運算。

圖2 滾筒篩建模圖

在EDEM參數設置時，涉及進料的剪切模量等參數設置，鑒于生活垃圾各組成成分復雜，測得混合組分的力學性能困難，力學參數設置為常規材料的力學性能，如混合塑料類采用聚乙烯材料的力學性能參數。同時含水率是影響篩分效率的關鍵因素，不同含水率的顆粒碰撞恢復系數和摩擦系數會有變化，如濕潤土壤碰撞系數接近為0，碎石之間碰撞系數為0.38～0.68，在EDEM參數設置時，應考慮含水率和顆粒種類對碰撞恢復系數的影響。以進料成分及粒徑分布為依據，對垃圾顆粒進行建模，模型類別及粒徑級配具體參數見表1。采用Hertz-Mandlin（no slip）基本接觸模型，通過設定各組成成分總量控制進料時間為10s。

3 仿真試驗結果與分析

3.1 不同傾斜角度對滾筒篩篩分效率的影響

顆粒質量流速控制在1.16kg/s，進料時間10s，滾筒篩轉速設為18r/min，探究滾筒篩傾斜角度對篩分效率的影響，傾斜角度梯度設置為1°～15°。進料模型中，小于40mm的質量占比為42.34%～45.26%，與實際粒徑級配測得的結果相近。通過顆粒累計曲線判斷，選取篩下物累積質量達到穩定狀態時的數據，作為篩分效率的計算依據。結果發現，在進料量一定時，當傾斜角度改變，篩下物累積質量達到穩定狀態所需的時間差距不大，均在13.5s左右。且當傾斜角度增大時，篩下物累積速率降低。

圖3反映了滾筒篩傾斜角度與篩分效率之間的關系。當滾筒篩的傾斜角度在6°～9°時，篩分效率較高，在傾斜角度為7°時，篩分效率最高為98.47%。當傾斜角度小于等于3°時，觀察到物料在滾筒篩的前端堆積，在滾筒內的停留時間長，篩上物收集效率極低。當傾斜角度大于9°時，生活垃圾顆粒在滾筒內運動速度較高，生活垃圾未充分經過滾筒篩的篩分，直接從篩筒末端流出，篩分效率降低。當傾斜角度為10°時，篩分效率仍有84.6%，其原因是滾筒篩長度較長，給物料提供了足夠的過篩時間。當傾斜角度大于14°時，滾筒篩的效率急劇下降，此時，顆粒水平方向的速度影響遠大與水平方向的速度。滾筒篩傾斜角度綜上所述，7°為該滾筒篩的最佳傾斜角度。

圖3 不同傾斜角度滾筒篩分效率

在連續進料50s過程中，觀察不同傾斜角度滾筒篩的篩分情況。在傾斜角度小于3°時，滾筒篩前端顆粒出現堆積，篩分效率低。當傾斜角度逐漸增加，傾斜角度為5°～7°，在前端累積顆粒減少，篩分效果較好。當傾斜角度過大，可以明顯觀察到前端累積物料進一步減少，但篩下物收集率低，物料未經過篩選便運動到篩上物收集處。

3.2 不同傾斜角度和轉速對過篩時間的影響

根據物理成分分析實驗，進料中橡塑類占比53.65%，密度大的無機混合類占比約38%，可將入射顆粒簡化為橡塑類和無機混合類兩種類型。設置傾斜角度分別為1°～15°，初步計算時長100s，每0.1s記錄一次數據，對過篩時間超過100s的進行延長計算，記錄篩上物全部從篩筒分離出所用的時間。

如圖4所示，在轉速為18r/min，進料量為11.6kg/s時，過篩時間隨傾斜角度的增大而減小。傾斜角度為1°和2°時，停留時間超過180s，物料在滾筒篩前端堆積。傾斜角度為7°，轉速為18mm時，過篩時間為49.7s，篩分效率為98.47%，是本垃圾滾筒篩的最佳工況。綜合考慮篩分效率，角度設置為5°～9°，可以使篩分效率在86%～98%，過篩時間為43.4～69.8s。

圖4 過篩時間與傾斜角度的關系

當傾斜角度為7°時，探究不同轉速對物料過篩時間的影響。結果發現，當轉速增大時，物料過篩時間逐漸減小。當轉速為9r/min時，篩分效率為82.99%，物料在滾筒內做小幅度滾落運動，但過篩時間超過150s，持續進料時物料易發生堆積。在轉速9～18r/min，滾筒篩轉速增大，過篩時間大幅減小；在轉速大于27r/min時，過篩時間減小幅度放緩，其原因是轉速增加離力增大，部分物料做近似圓周運動前進速度放緩。

4 結語

（1）通過物理成分分析實驗和粒徑級配實驗，得出滾筒篩進料主要成分為橡塑類、磚瓦陶瓷類及小顆?；旌项?，分別占比53.65%，16.79%及11.08%；出料主要成分為無機混合類占比74.45%。進料粒徑主要分布于大于40mm，占比57.57%；出料粒徑主要分布于2～40mm，占比71.02%。

（2）綜合考慮篩分效率和過篩時間，傾角7°及轉速18r/min，篩分效率98.47%，停留時間49.9s，是該工程滾筒篩的最佳工況點。