除臭處理下的生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)多模塊化設(shè)計(jì)

楊永健，何 鵬，劉志華

(1.天津津生環(huán)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(tǒng)指的是在真空管道的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)全封閉式的垃圾輸送裝置，通過(guò)氣流將垃圾從一端運(yùn)送到另一端[1]?；谡婵盏睦幚硌b置不僅可以避免生活垃圾的異味，還可以減少污漬對(duì)垃圾箱周邊環(huán)境的污染，進(jìn)而減少垃圾車的運(yùn)行頻次，減少垃圾處理的經(jīng)濟(jì)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(tǒng)受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注。

文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了螺桿泵-管道輸送系統(tǒng)，通過(guò)選用最佳的泵-管道輸送系統(tǒng)污泥泵形式和配套的管件管材，解決了常規(guī)運(yùn)輸系統(tǒng)產(chǎn)生的臭氣外逸、灑落、漏滴等二次污染問(wèn)題，取得了較好的環(huán)境效益。文獻(xiàn)[3]分析了垃圾運(yùn)輸?shù)挠绊懸蛩?，設(shè)計(jì)了垃圾運(yùn)輸?shù)妮伒兰八鄡?chǔ)存?zhèn)鬏敼潭ㄏ到y(tǒng)，為探索垃圾運(yùn)輸方式及途徑提供了必要的數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[4]通過(guò)引入CAD/CAE技術(shù)，改造掃盤、吸嘴體、箱體等部件，設(shè)計(jì)了垃圾清掃車的氣力輸送系統(tǒng)，有效提高了垃圾輸送效率。

本文基于以上文獻(xiàn)研究成果和不足之處，進(jìn)行除臭處理下的生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)多模塊設(shè)計(jì)，考慮了經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)了生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)建立與運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

1 生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)電路的過(guò)程中，首先需要確定系統(tǒng)對(duì)于電力消耗的需求。本文基于經(jīng)濟(jì)價(jià)值，設(shè)計(jì)新的生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)，在安全、穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)成本最低的電路如圖1所示。

圖1 生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，在電路設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)先行穩(wěn)定電壓之間的輸入電壓與輸出電壓設(shè)計(jì)最大的電壓差，適當(dāng)調(diào)整3個(gè)電源接口之間的損耗比，確保電路系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[5]。將整個(gè)電源芯片大致分為線性電源與開關(guān)電源，其中，線性電源主要通過(guò)輸入電壓與輸出電壓之間的電壓差進(jìn)行低效率運(yùn)行，此時(shí)的電壓壓差較小，適合進(jìn)行元件較少、電流較小的操作，且此時(shí)的電功率需求量較少，電費(fèi)成本降低。開關(guān)電源可以分為AC和DC 2大類開關(guān)設(shè)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(dá)到5 mV以下，此時(shí)的電磁干擾效果最佳[6]。因?yàn)樯罾鴼饬斔拖到y(tǒng)的電源通常采用電池供電的方式，所以該系統(tǒng)的電池電壓會(huì)隨著電能的消耗而逐漸降低，其波動(dòng)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(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，其內(nèi)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(dá)到120 mA，且承載電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力更強(qiáng)。很多芯片會(huì)根據(jù)自身的需求發(fā)生相應(yīng)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(tǒng)硬件的供電系統(tǒng)具備一定的穩(wěn)定性，且輸入與輸出電源的電壓差具有減少系統(tǒng)功耗的能力，對(duì)開關(guān)電源電路具有很好的實(shí)現(xiàn)能力，在抑制大功率噪聲的過(guò)程中，能夠保證硬件設(shè)備的正常工作[7]。

2 生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)軟件多模塊設(shè)計(jì)

2.1 垃圾投放運(yùn)輸模塊

生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)通常使用空氣作為垃圾傳輸?shù)慕橘|(zhì)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)作用下的空氣壓力推動(dòng)空氣流動(dòng)，將垃圾從一端輸送至另一端，根據(jù)單位系統(tǒng)內(nèi)的垃圾輸送量，可以得到公式

(1)

Id+n為平均每晝夜內(nèi)生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)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(tǒng)在運(yùn)行后期的發(fā)展系數(shù)，通常取值范圍為[0，1.02]；T為生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)的實(shí)際工作時(shí)間[8]。在輸送垃圾的過(guò)程中，可以通過(guò)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(tǒng)氣體輸送比

如表1所示，不同的氣體輸送方式可以產(chǎn)生不同的壓力表現(xiàn)形式以及氣力輸送比，在實(shí)際選擇中，可以通過(guò)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(diào)整為最佳區(qū)間[9]，二者相對(duì)應(yīng)的風(fēng)速設(shè)置可以表示為

vw=civt

(2)

vw為輸送風(fēng)力的速度；ci為風(fēng)力計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，具體數(shù)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(huì)大于civt，然后以此選定大面積傳送垃圾最適合的風(fēng)速。而通常情況下vt不會(huì)直接得到，因此需要通過(guò)式(3)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

vi為空氣中垃圾的懸浮速度；λf為生活垃圾在懸浮過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，具體的數(shù)值如表2所示；θi為生活垃圾的重度。

表2 公式計(jì)算參數(shù)

整合上述分析結(jié)果，完成生活垃圾運(yùn)輸過(guò)程中的速度以及力學(xué)特性計(jì)算，進(jìn)而完成生活垃圾投放運(yùn)輸模塊的設(shè)計(jì)。

2.2 垃圾除臭處理模塊

在處理生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)的除臭模塊時(shí)，首先要考慮生活垃圾的除塵。此時(shí)，可采用機(jī)械除塵、電除塵和布袋除塵等方法[10]，或直接通過(guò)濕度除塵，在除塵室內(nèi)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(tǒng)中廢棄垃圾的氣體成分主要包括H2S、NH3等無(wú)機(jī)氣體，以及一部分有味道的有機(jī)廢氣，對(duì)于這些廢氣，可以通過(guò)活性炭的吸附作用去除，或者將一些具有香味的物質(zhì)與廢氣混合，以達(dá)到除臭的作用[11]。一般情況下，需要將這道工序重復(fù)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(guò)圖4進(jìn)行化學(xué)方法的除臭處理。

圖4 生活垃圾除臭化學(xué)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(gè)化學(xué)除臭的處理箱密封處理，以便化學(xué)藥品能夠更好地完成化學(xué)反應(yīng)。

2.3 垃圾處理回收模塊

生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)的回收模塊涉及到垃圾的氣液固分離技術(shù)，因此，需要在回收口的中央處理系統(tǒng)中設(shè)置1個(gè)公式，用來(lái)識(shí)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣密度，設(shè)定為1.205 kg/m3；Mu為氣體的摩爾體積；Re生活垃圾的質(zhì)量常數(shù)，通常取值為8.3～8.4 J/mol；Tf為熱力學(xué)常數(shù)。通常情況下，若ρf的數(shù)據(jù)為[0，1]，則該生活垃圾被識(shí)別為氣態(tài)；若ρf的數(shù)據(jù)為(1，10]，則該生活垃圾被識(shí)別為液態(tài)；若ρf的數(shù)據(jù)大于10，則該生活垃圾被識(shí)別為固態(tài)[13-15]。

通過(guò)這種垃圾識(shí)別方法，可以將垃圾有效分類。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

結(jié)合現(xiàn)實(shí)生活中的生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)，通過(guò)優(yōu)化其設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)了如表3所示的生活垃圾氣力輸送模擬系統(tǒng)配置表。

表3 生活垃圾氣力輸送模擬系統(tǒng)配置表

通過(guò)文中所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)后，以同樣的方法建設(shè)現(xiàn)有的3種生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)(將文獻(xiàn)[2]方法設(shè)為對(duì)照1、文獻(xiàn)[3]方法設(shè)為對(duì)照2、文獻(xiàn)[4]方法設(shè)為對(duì)照3)，并通過(guò)式(5)比較這4種系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中需要使用的功率。

(5)

Fl為生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)對(duì)于垃圾袋的推力；Ca為生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)的水平坡度；Ty為垃圾袋中垃圾的平均質(zhì)量；v0為空氣中的極限狀態(tài)下的平均風(fēng)速；Ps為輸送單位質(zhì)量下的生活垃圾所需要消耗的功耗[14]。在得到功率計(jì)算結(jié)果后，將運(yùn)輸成本與人工成本全部納入到預(yù)算中，計(jì)算這4個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)成本。

3.2 不同質(zhì)量垃圾傳送功率測(cè)試

通過(guò)以上公式得到4種系統(tǒng)所需功率，將文中系統(tǒng)得到的數(shù)值作為實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)，將已有的3種系統(tǒng)得到的數(shù)值作為對(duì)照組1、對(duì)照組2、對(duì)照組3。

如圖5所示，不同質(zhì)量下4種生活垃圾氣力傳送系統(tǒng)所需要的功率是不同的，隨著垃圾質(zhì)量的不斷增加，所需要使用的功率也在不斷上升，而實(shí)驗(yàn)組的功率需求遠(yuǎn)小于3個(gè)對(duì)照組[15]。

圖5 不同質(zhì)量垃圾傳送功率測(cè)試

以生活垃圾的質(zhì)量作為變量，計(jì)算相應(yīng)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的總體成本，并得到如表4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表4 4種系統(tǒng)運(yùn)行平均成本

如表4所示，在垃圾質(zhì)量不斷增長(zhǎng)的同時(shí)，4種系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中所需要的平均成本也在不斷增加。實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)的平均運(yùn)行成本達(dá)到了243.9元，成本最低。由此可知，本文設(shè)計(jì)的生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)較運(yùn)行成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先設(shè)計(jì)了除臭處理下的生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，完成電源電壓的優(yōu)化，然后設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的軟件模塊，判斷該系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)成本上的優(yōu)化能力，使其減少運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)了生活垃圾氣力輸送系統(tǒng)的優(yōu)化。