浅析基于EDEM仿真的陈腐垃圾滚筒筛建模和参数优化

叶志敏，黄超，肖仲华，赵雪媛，张彪,，王松林

（1.深圳同创环保科技有限公司，广东 深圳 518051；2.华中科技大学环境科学与工程学院；3.湖北省工业建筑集团公司，湖北 武汉 430074）

填埋是我国主要的城市生活垃圾处理处置方式。通过垃圾填埋场开挖、筛分利用和污染治理，实现塑料回收、腐殖土回收、建筑骨料回收和土地资源开发利用，达到节能减污降碳协同增效。滚筒筛是填埋场开挖资源化工艺过程中的常用设备。在滚筒筛工程设计、结构及工况条件优化中，存在筛分设备设计条件模糊、工作参数过度依赖工程经验的问题。EDEM软件是基于DEM离散元理论开发的数值仿真软件，可模拟滚筒筛的运行工况，并对设计、结构及工况条件进行参数优化，减少设备研发及改进成本。本文通过EDEM模拟实际工程中垃圾滚筒筛的筛分过程，并对滚筒筛工况条件进行优化。

1 整机结构及工作条件

陈腐垃圾在滚筒筛筛分前，需经历上料、布料、人工分选、磁选和振动筛分等过程，去除大件干扰物、金属和建筑骨料等。

滚筒筛主要由上料装置、挡料板、滚筒筛框架、滚筒筛支撑架、带孔筛筒、收集装置、电机等组成。课题研究依托的滚筒筛电机功率为11kW，筛孔孔径为40mm。垃圾滚筒筛作业时，通过调节电机功率实现滚筒转速的调节。

2 垃圾颗粒仿真及参数确定

2.1 物料特性分析

为获取陈腐垃圾特征，依据《生活垃圾采样和物理分析方法（CJ/T313-2009）》，采用四分法对陈腐垃圾进行成分分析，共获得20个垃圾样本。通过数据分析，主要成分为塑料，占比约45.47%；纸张类占比约5.07%；其他有机类占比约19.71%；其他无机类占比约26.92%；金属质及玻璃类含量较少，分别占比1.36%和1.46%。陈腐垃圾容重平均值为244.50kg/m3。

采用标准筛对滚筒筛进出料进行颗粒级配实验。结果显示，经人工分选、磁选、振动筛后垃圾进料依然以橡塑类为主，占比53.65%，其次为小颗粒混合类占比11.08%，金属类经磁选后明显减少，仅占比0.9%。在滚筒筛进料中，90%的橡塑类颗粒分布在40mm以上，经滚筒筛筛分后橡塑的含量明显的降低，橡塑类占筛下物比重8.42%。纺织、木竹、灰土及砖瓦陶瓷类占比也有小幅度下降。筛下物主要成分为小粒径混合类，占比74.45%。滚筒筛进料粒径集中在＞10mm，占筛上物的86.83%，其中＞60mm最多占比33.97%。经垃圾滚筒筛筛分后，筛下物粒径集中分布在2mm-40mm，占筛下物的86.88%。筛下物中仍有0.86%的粒径大于40mm的垃圾颗粒。

2.2 垃圾颗粒建模

根据上述物理特性分析结果，将垃圾颗粒按照组成成分及粒径进行建模。经过预处理后，滚筒筛进料成分中金属类、厨余类和纸类占比极少，不对该三类垃圾进行建模。颗粒模型按生活垃圾进料主要组成分为7类，分别为灰土类、混合类、橡塑类、砖瓦陶瓷类、木竹类、纺织类和玻璃类，编号为A1-A6（图1），其中灰土类和混合类共用A1球状模型。模型类别及粒径设置如表1所示。根据粒径级配实验结果，分别选用10mm、15mm、30mm、50mm、80mm等尺寸对生活垃圾各组成成分进行建模。建模依据为粒径级配实验中各组份的粒径分布，如表1所示进料中橡塑类分布于10～20mm、20～40mm、40～60mm、＞60mm四个区间，占比分别为1.85%、6.14%、24.76%和67.25%，根据滚筒筛进料物理成分分析橡塑类占比53.65%，由此可将模型尺寸设为15mm、30mm、50mm、80mm四个部分，各尺寸模型总质量按照粒径级配比例设置。

表1 生活垃圾颗粒模型设置及参数

图1 建模设置

2.3 主要参数设置

根据垃圾滚筒筛的整机结构进行等比例建模。滚筒长度为8m，半径1.2m，出料口安装高度1.5m。筛孔为长条形方孔，展开尺寸为40mm×900mm，筛孔密度排布为8×91。在Rhino 7中进行模型构建，滚筒筛模型如图2所示，导入EDEM中进行求解运算。

图2 滚筒筛建模图

在EDEM参数设置时，涉及进料的剪切模量等参数设置，鉴于生活垃圾各组成成分复杂，测得混合组分的力学性能困难，力学参数设置为常规材料的力学性能，如混合塑料类采用聚乙烯材料的力学性能参数。同时含水率是影响筛分效率的关键因素，不同含水率的颗粒碰撞恢复系数和摩擦系数会有变化，如湿润土壤碰撞系数接近为0，碎石之间碰撞系数为0.38～0.68，在EDEM参数设置时，应考虑含水率和颗粒种类对碰撞恢复系数的影响。以进料成分及粒径分布为依据，对垃圾颗粒进行建模，模型类别及粒径级配具体参数见表1。采用Hertz-Mandlin（no slip）基本接触模型，通过设定各组成成分总量控制进料时间为10s。

3 仿真试验结果与分析

3.1 不同倾斜角度对滚筒筛筛分效率的影响

颗粒质量流速控制在1.16kg/s，进料时间10s，滚筒筛转速设为18r/min，探究滚筒筛倾斜角度对筛分效率的影响，倾斜角度梯度设置为1°～15°。进料模型中，小于40mm的质量占比为42.34%～45.26%，与实际粒径级配测得的结果相近。通过颗粒累计曲线判断，选取筛下物累积质量达到稳定状态时的数据，作为筛分效率的计算依据。结果发现，在进料量一定时，当倾斜角度改变，筛下物累积质量达到稳定状态所需的时间差距不大，均在13.5s左右。且当倾斜角度增大时，筛下物累积速率降低。

图3反映了滚筒筛倾斜角度与筛分效率之间的关系。当滚筒筛的倾斜角度在6°～9°时，筛分效率较高，在倾斜角度为7°时，筛分效率最高为98.47%。当倾斜角度小于等于3°时，观察到物料在滚筒筛的前端堆积，在滚筒内的停留时间长，筛上物收集效率极低。当倾斜角度大于9°时，生活垃圾颗粒在滚筒内运动速度较高，生活垃圾未充分经过滚筒筛的筛分，直接从筛筒末端流出，筛分效率降低。当倾斜角度为10°时，筛分效率仍有84.6%，其原因是滚筒筛长度较长，给物料提供了足够的过筛时间。当倾斜角度大于14°时，滚筒筛的效率急剧下降，此时，颗粒水平方向的速度影响远大与水平方向的速度。滚筒筛倾斜角度综上所述，7°为该滚筒筛的最佳倾斜角度。

图3 不同倾斜角度滚筒筛分效率

在连续进料50s过程中，观察不同倾斜角度滚筒筛的筛分情况。在倾斜角度小于3°时，滚筒筛前端颗粒出现堆积，筛分效率低。当倾斜角度逐渐增加，倾斜角度为5°～7°，在前端累积颗粒减少，筛分效果较好。当倾斜角度过大，可以明显观察到前端累积物料进一步减少，但筛下物收集率低，物料未经过筛选便运动到筛上物收集处。

3.2 不同倾斜角度和转速对过筛时间的影响

根据物理成分分析实验，进料中橡塑类占比53.65%，密度大的无机混合类占比约38%，可将入射颗粒简化为橡塑类和无机混合类两种类型。设置倾斜角度分别为1°～15°，初步计算时长100s，每0.1s记录一次数据，对过筛时间超过100s的进行延长计算，记录筛上物全部从筛筒分离出所用的时间。

如图4所示，在转速为18r/min，进料量为11.6kg/s时，过筛时间随倾斜角度的增大而减小。倾斜角度为1°和2°时，停留时间超过180s，物料在滚筒筛前端堆积。倾斜角度为7°，转速为18mm时，过筛时间为49.7s，筛分效率为98.47%，是本垃圾滚筒筛的最佳工况。综合考虑筛分效率，角度设置为5°～9°，可以使筛分效率在86%～98%，过筛时间为43.4～69.8s。

图4 过筛时间与倾斜角度的关系

当倾斜角度为7°时，探究不同转速对物料过筛时间的影响。结果发现，当转速增大时，物料过筛时间逐渐减小。当转速为9r/min时，筛分效率为82.99%，物料在滚筒内做小幅度滚落运动，但过筛时间超过150s，持续进料时物料易发生堆积。在转速9～18r/min，滚筒筛转速增大，过筛时间大幅减小；在转速大于27r/min时，过筛时间减小幅度放缓，其原因是转速增加离力增大，部分物料做近似圆周运动前进速度放缓。

4 结语

（1）通过物理成分分析实验和粒径级配实验，得出滚筒筛进料主要成分为橡塑类、砖瓦陶瓷类及小颗粒混合类，分别占比53.65%，16.79%及11.08%；出料主要成分为无机混合类占比74.45%。进料粒径主要分布于大于40mm，占比57.57%；出料粒径主要分布于2～40mm，占比71.02%。

（2）综合考虑筛分效率和过筛时间，倾角7°及转速18r/min，筛分效率98.47%，停留时间49.9s，是该工程滚筒筛的最佳工况点。