正壓轉(zhuǎn)鼓垃圾風(fēng)選機(jī)設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)

謝光凡

（中山斯瑞德環(huán)?？萍加邢薰?，廣東中山 528403）

0 引言

隨著我國城市化不斷加速，城市建設(shè)過程中產(chǎn)生大量建筑垃圾。建筑垃圾亂堆亂放的粗放式處理導(dǎo)致了城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶的農(nóng)業(yè)用地和林地被侵占，嚴(yán)重污染了大氣、土壤和水體，破壞了區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。建筑垃圾作為一種“錯(cuò)置的資源”，對(duì)于我國走可持續(xù)發(fā)展的道路，分類處理建筑垃圾并使之資源化是重要措施之一［1］。目前，中國建筑垃圾資源化利用率不超過10%，但是歐美發(fā)達(dá)國家利用率為75%，而日韓等鄰國對(duì)建筑垃圾的資源化利用率則超過90%［2］。造成我國建筑垃圾資源化低的其中一個(gè)重要因素是技術(shù)水平低，沒有健全的垃圾資源化工業(yè)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致分選出來的可資源化材料不僅產(chǎn)量少而且不純凈，難以滿足使用的要求。在建筑垃圾進(jìn)行資源化分選的工藝中，為滿足高產(chǎn)量和高分選效率，使用風(fēng)選機(jī)進(jìn)行分選是最好的選擇之一。我國目前使用的垃圾風(fēng)選機(jī)存在性能不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，而且缺乏對(duì)特定垃圾風(fēng)選工藝技術(shù)參數(shù)的研究，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過程多靠作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)和感覺來調(diào)控，所以很難達(dá)到理想的分選效果。對(duì)于這個(gè)問題，本文設(shè)計(jì)制造了建筑垃圾用的轉(zhuǎn)鼓風(fēng)選機(jī)，并對(duì)該風(fēng)選機(jī)進(jìn)行空載性能試驗(yàn)和物料為建筑垃圾的風(fēng)選試驗(yàn)［3］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理

轉(zhuǎn)鼓風(fēng)選機(jī)是由擴(kuò)散室總成、吹氣總成、氣流總成、除塵器總成和電氣控制總成組成，如圖1所示。進(jìn)料輸送機(jī)、支架和擴(kuò)散室構(gòu)成擴(kuò)散室總成；分離鼓單元、吹嘴、支架和進(jìn)料輸送機(jī)構(gòu)成吹氣總成；風(fēng)機(jī)、回風(fēng)管路、分流閥和回風(fēng)閥構(gòu)成氣流總成；除塵器及其附屬電路氣路系統(tǒng)組成集塵器總成；所有連接風(fēng)選機(jī)各個(gè)部件的控制電纜和控制電柜構(gòu)成電氣控制總成。

圖1 轉(zhuǎn)鼓風(fēng)選機(jī)結(jié)構(gòu)

機(jī)器作業(yè)過程：物料通過提升機(jī)直接進(jìn)入吹氣總成，經(jīng)過進(jìn)料輸送機(jī)，建筑垃圾被推送以拋物線的運(yùn)動(dòng)軌跡落到分離鼓單元的轉(zhuǎn)鼓后被打散，然后被吹嘴吹來的風(fēng)分離，分離出來的重物料直接掉到重物料收集處或進(jìn)入下一個(gè)處理環(huán)節(jié)［4］；輕物料則隨著氣流帶進(jìn)擴(kuò)散室內(nèi)部，氣流在擴(kuò)散室內(nèi)會(huì)被擴(kuò)散，使得空氣和物料分離后的輕物料因重力落到出料輸送機(jī)上，然后進(jìn)入下一個(gè)垃圾處理點(diǎn)［5］；擴(kuò)散室內(nèi)部的擴(kuò)散后的氣流將通過上方的吸氣箱進(jìn)入到回風(fēng)管路，通過回風(fēng)管路的回風(fēng)閥進(jìn)入風(fēng)機(jī)，然后風(fēng)機(jī)會(huì)通過分流閥分離出少部分的空氣進(jìn)入到除塵器除塵后排出，分流閥分離的大部分空氣將隨著氣流進(jìn)入新的風(fēng)選循環(huán)［6］。

風(fēng)選機(jī)風(fēng)選的主要參數(shù)為氣流流速，風(fēng)選中的氣流流速必須是可以符合大幅度調(diào)節(jié)的，在需要分選輕和重建筑垃圾時(shí)，設(shè)定的調(diào)速范圍為5～25 m／s［7］。在性能試驗(yàn)時(shí)，在風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處增加一個(gè)直徑為600 mm的回風(fēng)閥來進(jìn)行風(fēng)量調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。在風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)管內(nèi)部設(shè)有一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)門，在風(fēng)門中心線上按一定的角度設(shè)有角度定位尺，通過螺釘將風(fēng)門在固定風(fēng)管內(nèi)部。風(fēng)門開度角面積和風(fēng)門開度角是正相關(guān)的，風(fēng)門開度角增大，風(fēng)通過管道的面積增大，風(fēng)選機(jī)吹嘴的風(fēng)速也增大，所以在空機(jī)性能試驗(yàn)和物載風(fēng)選試驗(yàn)過程中，通過轉(zhuǎn)動(dòng)此風(fēng)門來調(diào)節(jié)該風(fēng)選機(jī)的氣流流速，從而得出理想的數(shù)據(jù)。

圖2 回風(fēng)閥結(jié)構(gòu)

2 性能試驗(yàn)

2.1 空載性能試驗(yàn)

風(fēng)選通道中的吹嘴氣流流速是轉(zhuǎn)鼓風(fēng)選機(jī)的主要參數(shù)，為了解回風(fēng)閥的開啟角度對(duì)風(fēng)選通道氣流流速影響，風(fēng)機(jī)由圓管變方形的吹嘴中部橫向方向放置3個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)，來測(cè)定吹嘴氣流流速，研究正壓風(fēng)選系統(tǒng)氣流速度的變化情況。

風(fēng)選機(jī)的空載試驗(yàn)是采用離心風(fēng)機(jī)，氣流通過圓形的風(fēng)管，由于離心風(fēng)機(jī)蝸殼結(jié)構(gòu)原因，氣體壓力在蝸殼出口處基本為穩(wěn)定狀態(tài)，所以在同一圓形截面的風(fēng)速經(jīng)過一段直管后風(fēng)速相差不大。當(dāng)風(fēng)經(jīng)過圓管變方形的吹嘴后，風(fēng)速會(huì)因管壁的不規(guī)則出現(xiàn)偏置，一般中間流速最高。風(fēng)選機(jī)的使用性能與吹嘴的風(fēng)速和氣流分布有關(guān)，所以本實(shí)驗(yàn)在矩形吹嘴內(nèi)取3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的幾何平均值來近似計(jì)算圓形風(fēng)管的平均氣流流速。圖3所示為風(fēng)選機(jī)矩形吹嘴的測(cè)點(diǎn)分布。

圖3 風(fēng)選機(jī)矩形吹嘴的測(cè)點(diǎn)分布

回風(fēng)閥的風(fēng)門調(diào)節(jié)按角度定位尺定開度角分別設(shè)定為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°，其中0°為回風(fēng)閥全關(guān)閉狀態(tài)，90°為全開啟狀態(tài)。在上述7個(gè)開度角狀態(tài)下測(cè)定各點(diǎn)的氣流流速，由于氣流存在不穩(wěn)定性，風(fēng)速儀讀數(shù)會(huì)產(chǎn)生一定波動(dòng)，測(cè)定時(shí)待讀數(shù)相對(duì)穩(wěn)定后每個(gè)測(cè)點(diǎn)記錄讀數(shù)多次，儀器會(huì)以算術(shù)平均值作為該點(diǎn)的氣流流速測(cè)試值。為了準(zhǔn)確完成此次試驗(yàn)工作，使用了熱敏式風(fēng)速儀，其優(yōu)點(diǎn)是精度高，而且此設(shè)備的細(xì)長的探頭可以測(cè)量狹窄的通風(fēng)管道、較高較小的通風(fēng)出口等。

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，隨著風(fēng)門開度角增大，風(fēng)選通道的氣流流速先是線性增加，達(dá)到開度角為75°后呈非線性緩慢增加。

圖4 氣流流速與風(fēng)門開度角的散點(diǎn)

通過使用Minitab數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)風(fēng)選機(jī)的吹嘴氣流流速與風(fēng)門開度角進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，擬合函數(shù)分別采用一次函數(shù)、二次函數(shù)、三次函數(shù)，擬合結(jié)果分別如表1及圖5所示。從擬合結(jié)果看，三次函數(shù)曲線能很好地反映氣流流速與風(fēng)門開度角的關(guān)系，而且擬合度R2高于0.98?？諜C(jī)狀態(tài)下的氣流流速與風(fēng)門開度角的三次擬合關(guān)系式，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境的干擾因素過多，實(shí)際上并不能很精確地反映物載帶料狀態(tài)下的氣流特性，但是擬合函數(shù)對(duì)實(shí)際的風(fēng)選工作依然具有一定的指導(dǎo)性，可以用來對(duì)帶料載荷工作狀態(tài)下風(fēng)選的吹嘴氣流流速進(jìn)行估算，并可根據(jù)主要分選物料本身臨界速度來選定合適的風(fēng)門開度角。

表1 氣流流速與風(fēng)門開度角的擬合關(guān)系式

圖5 風(fēng)選機(jī)吹嘴氣流流速的擬合曲線

在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，因?yàn)槊總€(gè)建筑垃圾分選單位的需要分選的物料基本不一樣，可以跟現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定風(fēng)力系數(shù)β，然后結(jié)合三次擬合關(guān)系式可以得出實(shí)際帶料作業(yè)狀態(tài)，風(fēng)選機(jī)的風(fēng)嘴風(fēng)速的估算式為［3］：

式中：v1為帶料作業(yè)狀態(tài)下風(fēng)選機(jī)吹嘴氣流流速，m／s；v2為空載狀態(tài)下風(fēng)選機(jī)吹嘴氣流流速，m／s；X為風(fēng)門開度角，（°）；β為現(xiàn)場(chǎng)帶料估算出的風(fēng)力系數(shù)。

2.2 物料風(fēng)選試驗(yàn)

建筑垃圾是指建造方、施工方或個(gè)人對(duì)各類建筑物、構(gòu)筑物等新建、擴(kuò)建、修繕或拆除過程中殘留下來的余泥、棄料、渣土、砂石及廢鋼材、廢木料等其他廢棄物［9］。

建筑垃圾種類非常多，按組成的成分進(jìn)行分類，建筑垃圾可分為廢渣土、砼塊、磚瓦碎塊、碎石塊、廢砂漿、廢水泥漿、廢塑料、廢金屬、廢竹木等［10］。但80%以上是由磚瓦、混凝土、砂漿、木塊、包裝材料組成，施工過程中的廢混凝土、散落的砂漿等占常見建筑垃圾的比例其實(shí)不是很大，只有5%左右，除此之外建設(shè)經(jīng)常用到的鋼鐵、玻璃等材料占比反而更少［11］。

本試驗(yàn)以木材、石頭為主，模擬建筑垃圾中占比較大的混凝土、砂漿、磚塊、木塊，并在試驗(yàn)物料加入適量的布料、塑料和紙張模擬建筑包裝材料［12］。當(dāng)所有的物料混合均勻后，物料密度約為1 500 kg／m3，通過輸送機(jī)按0.5 m3／min進(jìn)料速度對(duì)入料輸送機(jī)進(jìn)行喂料，并開始物載試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中使用同批次的試驗(yàn)物料，每完成一組試驗(yàn)，記錄并分析完材料比重，就把風(fēng)選試驗(yàn)分離出來的重物料和輕物料重新混合，調(diào)整調(diào)風(fēng)閥風(fēng)門開度角后開始下一輪試驗(yàn)使用。

調(diào)節(jié)風(fēng)門開度角的行程為30°～90°，同一入料檢查質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如表2所示。

表2 建筑垃圾的風(fēng)選試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在風(fēng)門開度角為75°～90°時(shí)，垃圾中可燃物和不可燃物被風(fēng)選機(jī)分選得非常分明。當(dāng)風(fēng)門開度角為60°時(shí)，重物質(zhì)中還摻雜著顆粒大小大于或等于80 mm的木頭，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，進(jìn)入風(fēng)選機(jī)的顆粒大小都有要求的，一般待分選的物料顆粒分20～80 mm和80 mm以上兩個(gè)級(jí)別，所以顆粒大小大于或等于80 mm的木頭在分選車間中，進(jìn)入風(fēng)選機(jī)的上一級(jí)設(shè)備的篩分機(jī)里面被篩分掉，然后是20～80 mm大小的顆粒會(huì)進(jìn)入風(fēng)選機(jī)進(jìn)行分選，所以當(dāng)風(fēng)選機(jī)的風(fēng)門開度角為60°的時(shí)候，不僅處理量大，而且能夠很好地分出塑料、紙張、布料和木頭等可燃物，在這個(gè)工況下，風(fēng)選機(jī)的吹嘴氣流流速為21 m／s。如果只分選出塑料和布料等可回收利用的物質(zhì)，則需要把風(fēng)門開度角設(shè)為30°～45°之間則可，此時(shí)的風(fēng)速不超過14 m／s。

3 結(jié)束語

（1）正壓轉(zhuǎn)鼓垃圾風(fēng)選機(jī)將物料通過撞擊轉(zhuǎn)鼓便于打散徹底清除輕雜；回風(fēng)閥采用內(nèi)部可轉(zhuǎn)動(dòng)的風(fēng)門的結(jié)構(gòu)形式，有效避免了工作過程中風(fēng)閥的進(jìn)風(fēng)、漏風(fēng)從而影響整個(gè)風(fēng)選系統(tǒng)的分選效果。

（2）空載性能試驗(yàn)表明，風(fēng)選系統(tǒng)的氣流流速隨著風(fēng)門開度角的增大呈線性增長，但是當(dāng)風(fēng)門開度角達(dá)到75°后變?yōu)橹饾u緩慢的非線性增長，且風(fēng)選通道內(nèi)的氣流流速與風(fēng)門開度角呈三次擬合函數(shù)，這些數(shù)據(jù)和資料對(duì)以后風(fēng)選機(jī)的調(diào)試有很大的幫助。

（3）物料風(fēng)選試驗(yàn)表明，正壓轉(zhuǎn)鼓垃圾風(fēng)選機(jī)對(duì)塑料、紙等可燃物清除效果明顯。在45 t／h進(jìn)料建筑垃圾時(shí)候，對(duì)區(qū)分可回收的塑料的適宜風(fēng)門開度角為30°，此時(shí)風(fēng)選機(jī)吹嘴的空氣流速為7.5 m／s；區(qū)分塑料、紙張和小木塊等可燃物的適宜風(fēng)門開度角為45°，此時(shí)風(fēng)選機(jī)吹嘴的空氣流速為14 m／s，區(qū)分大塊木頭、石頭等可作再生骨料的風(fēng)門開度角為60°，此時(shí)風(fēng)選機(jī)吹嘴的氣流流速平均為21 m／s。

（4）通過建立風(fēng)選機(jī)的設(shè)計(jì)并進(jìn)行試驗(yàn)，得到了相關(guān)設(shè)備運(yùn)行的參數(shù)，表明了風(fēng)選機(jī)在建筑垃圾分選的使用上是沒有問題的。將風(fēng)力分選技術(shù)作用于建筑廢棄資源化行業(yè)，并做出物料使用試驗(yàn)，為解決建筑垃圾骨料分選的不純凈等難題提供了數(shù)字化的參考依據(jù)［13］，不僅有利于對(duì)風(fēng)選設(shè)備的氣流控制和設(shè)計(jì)提升，更是提高建筑垃圾的利用率，形成建筑垃圾資源化產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)環(huán)保行業(yè)進(jìn)一步轉(zhuǎn)型升級(jí)和發(fā)展［14］。