垃圾氣力輸送管路輸運特性試驗研究

楊 非，楊磊鋒，李加文，馬殿旗

（機科發展科技股份有限公司，北京 100044）

垃圾氣力輸送管路輸運特性試驗研究

楊 非，楊磊鋒，李加文，馬殿旗

（機科發展科技股份有限公司，北京 100044）

垃圾氣力輸送是一種具有發展潛力的垃圾收集方式，眾多城市開始關注并建設類似系統。依托中新天津生態城正在投入使用的垃圾氣力輸送系統進行現場試驗測量，獲得該系統的風速、壓力、速度等關鍵參數，研究系統的輸運特性，為垃圾氣力輸送系統的設計、運營維護提供參考。

垃圾氣力輸送；試驗研究；壓力；速度

引言

垃圾氣力輸送系統由瑞典的Envac集團于1961年發明，最早用于醫院垃圾收集，從1967年開始在住宅區使用。目前已推廣至美國、德國、丹麥、日本、新加坡、香港等三十多個國家和地區，安裝運行達數千套[1、2]。主要用于高層公寓樓房、現代化住宅密集區、商業密集區及一些對環境要求較高地區。其對提高環境質量的作用已逐漸被認可，被譽為是一種新型、綠色、智能、高效的垃圾收運方法，是實現垃圾“減量化、資源化、無害化”，提高城市垃圾處理水平的有效途徑。

管路輸運特性是垃圾氣力輸送系統工作運行的核心，反應系統運行過程中的各種參數的內在關聯。本文依托中新天津生態城南部片區正在投入使用的垃圾氣力輸送系統進行試驗測量，研究了該系統的管路輸運特性。

1 試驗目的

在垃圾的氣力輸送過程中，風機為垃圾氣力輸送系統提供動力，使管道內產生高速負壓氣流，通過氣流推動實現垃圾在管道中的輸送。系統中的風機風量、管道壓力損失及垃圾的輸運速度是系統至關重要的特性參數，直接影響到垃圾氣力輸送系統的設計、管道排布等方面。通過現場試驗測量，獲得垃圾氣力輸送系統的關鍵參數，研究系統的輸運特性，揭示系統各關鍵參數的內在關聯，從而實現對垃圾氣力輸送系統設計核心、關鍵技術的消化吸收。

2 試驗內容

管路輸運特性試驗測量主要分為三部分：1）系統空載（管道無垃圾）狀態下，管路的沿程壓力測量；2）系統負載（管道有垃圾）狀態下，管路的沿程壓力測量；3）系統負載（管道有垃圾）狀態下，垃圾的輸送速度測量。通過這三部分的試驗測量，獲得系統的輸運特性參數。

3 試驗測量方案

3.1 試驗測量管路

垃圾氣力管道輸送系統的管道鋪設，與自來水管、煤氣管和排水管等其它城市基礎設施類似。輸送管道埋于地下，在管道的彎管前后及直管上設置有檢修口，用于管道堵塞時的檢修疏通。試驗選取中新天津生態城南部片區2#垃圾氣力輸送系統的一條完整的氣力輸送管線進行試驗測量，該氣力管路全長1210m，管道的末端是進氣口和垃圾投放口，管道的首端通過一個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 試驗測量管路

試驗管道的戶外地埋部分共設置有14個檢修口，試驗測量時在管道上的檢修口中打孔安裝儀器儀表進行數據測量。儀器儀表的安裝位置見圖1，管路上共設置17個壓力測量點、22個速度測量點、1個壓差測量點。

3.2 試驗數據采集系統

（1）硬件系統

試驗測量的傳感器主要包括壓力傳感器和速度傳感器兩類，通過電纜將傳感器信號輸入電腦進行采集。由于測試管線長度較大，無法將全部傳感器通過電纜與測試電腦相連，故采用PLC1200主從站方式，即在中央垃圾收集站內設置主站，沿測量管線設置四個從站，主從站間通過無線傳輸通信，主站及從站均使用24V/15Ah鋰電池供電。上位機軟件Wincc進行組態界面與數據處理，主站與上位機（筆記本電腦）通過總線進行通信。

（2）軟件系統

試驗數據采集系統使用兩套軟件分別為Step7及博圖Wincc（256點）。Step7主要完成下位機程序編制實現數據采集、無線通訊、定時通訊等功能；Wincc主要完成上位機試驗工藝組態，具有試驗數據實時顯示，試驗數據存儲并打印等功能。

（3）測量原理

壓力測量采用壓力變送器，垃圾速度測量采用反射型光電開關，管道內的風速通過文丘里管的壓差進行測量。垃圾運動速度的測量原理如圖2所示：1#與2#光電傳感器布置于長度為L的管路上，垃圾在管路中運動，當被投放的垃圾通過1#光電傳感器時，CPU接受到1#光電傳感器信號并計下當前時刻t0，當被投放的垃圾通過2#光電傳感器時，CPU接受到2#光電傳感器信號并計下當前時刻t1，CPU通過公式V = L/（t1 - t0）求得被投放的垃圾通過L長度管段時的平均速度。管路的沿程壓力及垃圾的輸送速度，現場試驗測量如圖3所示。

圖2 垃圾速度測量原理

圖3 試驗數據現場測量

3.3 試驗物料

由于生活垃圾的體積、密度不好控制，試驗時采用打包好的物料包模擬生活垃圾進行測量。城市生活垃圾是居民生活中產生的固體廢物，主要包括居民生活垃圾、清掃垃圾和社會團體垃圾。根據天津市環境工程設計研究院對天津市城市生活垃圾排放現狀及成分的分析，城市生活垃圾成分統計結果如表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%，木塊和無機物重量百分比均為2%，金屬重量百分比為1.5%。城市生活垃圾的組分及比例統計見表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計表

基于以上調研分析，試驗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。

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

4 試驗數據分析

4.1 試驗數據

在空載（管道無垃圾）狀況下，測量管道內6種風速下的管路沿程壓力值分布，試驗數據見表3。

在負載（管道有垃圾）狀況下，同時測量管路的沿程壓力值分布及垃圾的輸送速度。試驗測量6種風速工況下，4種體積、6種密度的物料包，共144組壓力、速度數據，本文選取其中有代表性的幾組進行說明。

表3 空載試驗數據

在管道風速為37m/s時，7L、600kg/m3的物料包在管道內輸運時，管路的沿程壓力值分布數據見表4。

表4 負載試驗數據（壓力）

在管道風速為33.28m/s、35.55m/s、36.79m/s時，7L、400kg/m3的物料包的輸運速度數據見表5。

4.2 試驗數據分析

根據試驗數據，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。當管路中的氣體通過彎頭、爬坡等組件時，其壓力會有明顯減小的現象，即壓力損失比較明顯（見圖4）。

根據試驗數據，系統空載運行和負載運行時，管路的壓力變化很小，壓力波動最大為6%，因此垃圾在管路中的運動對整管壓力影響非常小，可忽略不計，這也說明該垃圾氣力輸送系統工作運營時的余量很大（見圖5）。

表5 負載實驗數據（速度）

圖4 不同工況下管路沿程壓力分布

圖5 空載和負載通過時管路沿程壓力分布

根據試驗數據，在同體積同密度下，風速越大，物料包的跟隨性越好，其中管路中的22.5°大爬升和90°彎頭對垃圾的速度影響最為突出（見圖6）。

圖6 負載7L、400kg/m3物料包速度分布

5 結語

由于垃圾氣力管道輸運特性試驗受到試驗工況和測量位置的限制，能夠測得的數據有限，建議采用數值仿真的方法進行大量補充計算，為掌握系統的運行特性及規律，積累足夠的數據量，從而進一步研究垃圾氣力輸運機理，為系統的設計運營、工藝參數的優化、設備效率的提高創造條件。

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

[2] 林洪，周敬宣，段金明.氣力管道輸送系統在垃圾收運領域的應用研究[J].環境保護科學，2006，32（4）：36-37.

[3] 彭衛國，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].環境衛生工程，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：1006-5377（2017）07-0066-04