垃圾氣力輸送管路輸運(yùn)特性試驗(yàn)研究

楊 非，楊磊鋒，李加文，馬殿旗

（機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

垃圾氣力輸送管路輸運(yùn)特性試驗(yàn)研究

楊 非，楊磊鋒，李加文，馬殿旗

（機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

垃圾氣力輸送是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ睦占绞?，眾多城市開始關(guān)注并建設(shè)類似系統(tǒng)。依托中新天津生態(tài)城正在投入使用的垃圾氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量，獲得該系統(tǒng)的風(fēng)速、壓力、速度等關(guān)鍵參數(shù)，研究系統(tǒng)的輸運(yùn)特性，為垃圾氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供參考。

垃圾氣力輸送；試驗(yàn)研究；壓力；速度

引言

垃圾氣力輸送系統(tǒng)由瑞典的Envac集團(tuán)于1961年發(fā)明，最早用于醫(yī)院垃圾收集，從1967年開始在住宅區(qū)使用。目前已推廣至美國(guó)、德國(guó)、丹麥、日本、新加坡、香港等三十多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，安裝運(yùn)行達(dá)數(shù)千套[1、2]。主要用于高層公寓樓房、現(xiàn)代化住宅密集區(qū)、商業(yè)密集區(qū)及一些對(duì)環(huán)境要求較高地區(qū)。其對(duì)提高環(huán)境質(zhì)量的作用已逐漸被認(rèn)可，被譽(yù)為是一種新型、綠色、智能、高效的垃圾收運(yùn)方法，是實(shí)現(xiàn)垃圾“減量化、資源化、無(wú)害化”，提高城市垃圾處理水平的有效途徑。

管路輸運(yùn)特性是垃圾氣力輸送系統(tǒng)工作運(yùn)行的核心，反應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各種參數(shù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。本文依托中新天津生態(tài)城南部片區(qū)正在投入使用的垃圾氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，研究了該系統(tǒng)的管路輸運(yùn)特性。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

在垃圾的氣力輸送過(guò)程中，風(fēng)機(jī)為垃圾氣力輸送系統(tǒng)提供動(dòng)力，使管道內(nèi)產(chǎn)生高速負(fù)壓氣流，通過(guò)氣流推動(dòng)實(shí)現(xiàn)垃圾在管道中的輸送。系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)風(fēng)量、管道壓力損失及垃圾的輸運(yùn)速度是系統(tǒng)至關(guān)重要的特性參數(shù)，直接影響到垃圾氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、管道排布等方面。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量，獲得垃圾氣力輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，研究系統(tǒng)的輸運(yùn)特性，揭示系統(tǒng)各關(guān)鍵參數(shù)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)垃圾氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)核心、關(guān)鍵技術(shù)的消化吸收。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

管路輸運(yùn)特性試驗(yàn)測(cè)量主要分為三部分：1）系統(tǒng)空載（管道無(wú)垃圾）狀態(tài)下，管路的沿程壓力測(cè)量；2）系統(tǒng)負(fù)載（管道有垃圾）狀態(tài)下，管路的沿程壓力測(cè)量；3）系統(tǒng)負(fù)載（管道有垃圾）狀態(tài)下，垃圾的輸送速度測(cè)量。通過(guò)這三部分的試驗(yàn)測(cè)量，獲得系統(tǒng)的輸運(yùn)特性參數(shù)。

3 試驗(yàn)測(cè)量方案

3.1 試驗(yàn)測(cè)量管路

垃圾氣力管道輸送系統(tǒng)的管道鋪設(shè)，與自來(lái)水管、煤氣管和排水管等其它城市基礎(chǔ)設(shè)施類似。輸送管道埋于地下，在管道的彎管前后及直管上設(shè)置有檢修口，用于管道堵塞時(shí)的檢修疏通。試驗(yàn)選取中新天津生態(tài)城南部片區(qū)2#垃圾氣力輸送系統(tǒng)的一條完整的氣力輸送管線進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，該氣力管路全長(zhǎng)1210m，管道的末端是進(jìn)氣口和垃圾投放口，管道的首端通過(guò)一個(gè)22.5°的彎頭從地下連接到地表的中央垃圾收集站，管路走向如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)測(cè)量管路

試驗(yàn)管道的戶外地埋部分共設(shè)置有14個(gè)檢修口，試驗(yàn)測(cè)量時(shí)在管道上的檢修口中打孔安裝儀器儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。儀器儀表的安裝位置見圖1，管路上共設(shè)置17個(gè)壓力測(cè)量點(diǎn)、22個(gè)速度測(cè)量點(diǎn)、1個(gè)壓差測(cè)量點(diǎn)。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

（1）硬件系統(tǒng)

試驗(yàn)測(cè)量的傳感器主要包括壓力傳感器和速度傳感器兩類，通過(guò)電纜將傳感器信號(hào)輸入電腦進(jìn)行采集。由于測(cè)試管線長(zhǎng)度較大，無(wú)法將全部傳感器通過(guò)電纜與測(cè)試電腦相連，故采用PLC1200主從站方式，即在中央垃圾收集站內(nèi)設(shè)置主站，沿測(cè)量管線設(shè)置四個(gè)從站，主從站間通過(guò)無(wú)線傳輸通信，主站及從站均使用24V/15Ah鋰電池供電。上位機(jī)軟件Wincc進(jìn)行組態(tài)界面與數(shù)據(jù)處理，主站與上位機(jī)（筆記本電腦）通過(guò)總線進(jìn)行通信。

（2）軟件系統(tǒng)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用兩套軟件分別為Step7及博圖Wincc（256點(diǎn)）。Step7主要完成下位機(jī)程序編制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線通訊、定時(shí)通訊等功能；Wincc主要完成上位機(jī)試驗(yàn)工藝組態(tài)，具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并打印等功能。

（3）測(cè)量原理

壓力測(cè)量采用壓力變送器，垃圾速度測(cè)量采用反射型光電開關(guān)，管道內(nèi)的風(fēng)速通過(guò)文丘里管的壓差進(jìn)行測(cè)量。垃圾運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量原理如圖2所示：1#與2#光電傳感器布置于長(zhǎng)度為L(zhǎng)的管路上，垃圾在管路中運(yùn)動(dòng)，當(dāng)被投放的垃圾通過(guò)1#光電傳感器時(shí)，CPU接受到1#光電傳感器信號(hào)并計(jì)下當(dāng)前時(shí)刻t0，當(dāng)被投放的垃圾通過(guò)2#光電傳感器時(shí)，CPU接受到2#光電傳感器信號(hào)并計(jì)下當(dāng)前時(shí)刻t1，CPU通過(guò)公式V = L/（t1 - t0）求得被投放的垃圾通過(guò)L長(zhǎng)度管段時(shí)的平均速度。管路的沿程壓力及垃圾的輸送速度，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量如圖3所示。

圖2 垃圾速度測(cè)量原理

圖3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

3.3 試驗(yàn)物料

由于生活垃圾的體積、密度不好控制，試驗(yàn)時(shí)采用打包好的物料包模擬生活垃圾進(jìn)行測(cè)量。城市生活垃圾是居民生活中產(chǎn)生的固體廢物，主要包括居民生活垃圾、清掃垃圾和社會(huì)團(tuán)體垃圾。根據(jù)天津市環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院對(duì)天津市城市生活垃圾排放現(xiàn)狀及成分的分析，城市生活垃圾成分統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1。

廚房垃圾是居民生活垃圾的主要成分，重量百分比達(dá)60%～65%，其次是塑料、橡膠等物品，重量百分比為12%～15%，紙類廢棄物重量百分比為12%～15%，玻璃重量百分比為5%～6%，紡織物重量百分比為4%，木塊和無(wú)機(jī)物重量百分比均為2%，金屬重量百分比為1.5%。城市生活垃圾的組分及比例統(tǒng)計(jì)見表2。

表1 天津市2001～2010年城市生活垃圾組分（濕重%）[3]

表2 城市生活垃圾組分比例及密度統(tǒng)計(jì)表

基于以上調(diào)研分析，試驗(yàn)物料包的密度分別為400kg/m3、600kg/m3、800kg/m3、1000kg/m3、1200kg/m3、1600kg/m3，物料包的密度涵蓋生活垃圾密度的93%左右。

根據(jù)垃圾氣力輸送系統(tǒng)垃圾投放口的尺寸400×400（cm），居民投放垃圾的垃圾體積3～10L。為模擬不同迎風(fēng)面積對(duì)垃圾輸送的影響，設(shè)置4種不同迎風(fēng)面積的物料包，分別占管道橫截面的1/3、1/4、1/5、1/9，對(duì)應(yīng)體積為12L、7L、5L、2.5L；將6種密度的物料裝入40×60（cm）規(guī)格的麻袋并打包成球形，對(duì)應(yīng)直徑為141mm、122mm、109mm、81mm，氣力輸送管道內(nèi)徑為488mm。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在空載（管道無(wú)垃圾）狀況下，測(cè)量管道內(nèi)6種風(fēng)速下的管路沿程壓力值分布，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

在負(fù)載（管道有垃圾）狀況下，同時(shí)測(cè)量管路的沿程壓力值分布及垃圾的輸送速度。試驗(yàn)測(cè)量6種風(fēng)速工況下，4種體積、6種密度的物料包，共144組壓力、速度數(shù)據(jù)，本文選取其中有代表性的幾組進(jìn)行說(shuō)明。

表3 空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在管道風(fēng)速為37m/s時(shí)，7L、600kg/m3的物料包在管道內(nèi)輸運(yùn)時(shí)，管路的沿程壓力值分布數(shù)據(jù)見表4。

表4 負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)（壓力）

在管道風(fēng)速為33.28m/s、35.55m/s、36.79m/s時(shí)，7L、400kg/m3的物料包的輸運(yùn)速度數(shù)據(jù)見表5。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，空載情況下，壓力損失主要是管道的沿程阻力損失和局部損失等，壓力變化和流速的平方成正比。當(dāng)管路中的氣體通過(guò)彎頭、爬坡等組件時(shí)，其壓力會(huì)有明顯減小的現(xiàn)象，即壓力損失比較明顯（見圖4）。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)空載運(yùn)行和負(fù)載運(yùn)行時(shí)，管路的壓力變化很小，壓力波動(dòng)最大為6%，因此垃圾在管路中的運(yùn)動(dòng)對(duì)整管壓力影響非常小，可忽略不計(jì)，這也說(shuō)明該垃圾氣力輸送系統(tǒng)工作運(yùn)營(yíng)時(shí)的余量很大（見圖5）。

表5 負(fù)載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（速度）

圖4 不同工況下管路沿程壓力分布

圖5 空載和負(fù)載通過(guò)時(shí)管路沿程壓力分布

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在同體積同密度下，風(fēng)速越大，物料包的跟隨性越好，其中管路中的22.5°大爬升和90°彎頭對(duì)垃圾的速度影響最為突出（見圖6）。

圖6 負(fù)載7L、400kg/m3物料包速度分布

5 結(jié)語(yǔ)

由于垃圾氣力管道輸運(yùn)特性試驗(yàn)受到試驗(yàn)工況和測(cè)量位置的限制，能夠測(cè)得的數(shù)據(jù)有限，建議采用數(shù)值仿真的方法進(jìn)行大量補(bǔ)充計(jì)算，為掌握系統(tǒng)的運(yùn)行特性及規(guī)律，積累足夠的數(shù)據(jù)量，從而進(jìn)一步研究垃圾氣力輸運(yùn)機(jī)理，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)、工藝參數(shù)的優(yōu)化、設(shè)備效率的提高創(chuàng)造條件。

[1] 鐘亞力，楊章印.真空管道垃圾收集系統(tǒng)介紹[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2007，15（2）：21-22.

[2] 林洪，周敬宣，段金明.氣力管道輸送系統(tǒng)在垃圾收運(yùn)領(lǐng)域的應(yīng)用研究[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2006，32（4）：36-37.

[3] 彭衛(wèi)國(guó)，何俊寶，姚慶軍，等.天津市城市生活垃圾物理組成及影響因素分析[J].環(huán)境衛(wèi)生工程，2014，22（3）：12-13.

Experimental Study on Transport Characteristics of Garbage Pneumatic Conveying Pipeline

YANG Fei, YANG Lei-feng, LI Jia-wen, MA Dian-qi
(Machine & Science Development Science and Technology Co., Ltd, Beijing 100044, China)

Garbage pneumatic transportation is one kind of garbage collection modes with development potentiality and many cities begin to pay more attention to the construction of similar systems. Relying on the Sino-Singapore Tianjin Eco-town that is putting into use of the transportation system of garbage pneumatic, the paper carries out the test measurement on site and gains the key parameters of wind speed, pressure and speed of the system. The transport properties of the research system provide the references for the design of transportation system for garbage pneumatic, operation and maintenance.

garbage pneumatic transportation; experimental study; pressure; speed

X705；TH232

A 文章編號(hào)：1006-5377（2017）07-0066-04