基于EDEM 和Fluent 的廢電路板顆粒氣流靜電分選仿真研究

孔 佳 戴國洪 周自強

（1.江蘇理工學院機械工程學院；2.江蘇省機電產品循環利用技術重點建設實驗室；3.常州大學）

隨著科技的進步， 電子產品更新換代加速，那些跟不上時代的、 幾乎快要報廢的電子產品（簡稱電子廢棄物）該如何處理是一個技術難題，也是一個環境保護問題。

研究表明我國電子廢棄物的年增長率為13%～15%，遠高于歐盟地區的2.5%～2.7%［1，2］。電子廢棄物會對環境造成污染，且其中金屬含量豐富，有很高的回收利用價值［3］。目前被廣泛使用的分選技術有高壓靜電分選技術、渦電流分選技術［4］和氣流分選技術［5］。溫雪峰等已對用靜電分選技術從廢舊電子廢棄物中回收金屬富集體進行了研究［6］，Beom-uk Kim 等更是對電子廢棄物中存在量較多的銅和玻璃顆粒進行了軌跡分析［7］。這些分選理論為筆者所在課題組進行的氣流靜電復合分選技術提供了理論基礎。

為了探討電子廢棄物在氣流靜電復合場中的分選效率，筆者所在課題組選用離散元仿真軟件EDEM 和有限元仿真軟件Fluent 的耦合仿真進行模擬實驗。 氣流分選技術一般都采用旋風氣流， 而本課題采用的是一道垂直向上的氣流，同時與靜電場結合，形成氣流靜電復合場。

1 氣流靜電分選機物理模型的建立

如圖1 所示， 氣流靜電分選機由分選倉、電暈電極、正負電極、擋板和風管組成，分選倉規格為100mm×100mm×500mm，壁厚為4mm，正負極板規格為80mm×200mm×1mm， 入風口直徑為44mm，擋板規格為92mm×4mm×100mm，電暈電極的直徑為0.15mm。

圖1 氣流靜電分選機三維模型

氣流靜電分選機的原理：電暈電極和正負電極分別與30kV 和100kV 的直流高壓電源相連。當電暈電極通電后空氣被極化，產生一塊被電離的區域，正負電極通電后在正負極板之間形成勻強電場。 首先，將銅顆粒和玻璃顆粒送入振動給料機中，與此同時打開風機輸送一道垂直向上的氣流。 當顆粒進入荷電區域后，由于金屬顆粒和非金屬顆粒的導電性能存在差異，金屬顆粒在進入荷電區域時帶上正電荷，非金屬顆粒則帶上負電荷。 分別帶上正負電荷的金屬顆粒和非金屬顆粒在進入勻強電場后，受到垂直向上的風力帶來的托舉力，顆粒的下落速度將會減緩，根據同性相斥、異性相吸的原理，金屬顆粒也就是銅顆粒往負極偏移，玻璃顆粒往正極偏移，偏移后的顆粒分別從落料口進入收集箱中。

2 仿真條件及參數設置

2.1 EDEM 參數設置

根據氣流靜電分選機的結構尺寸建立其數學模型，并利用ANSYS 里的mesh 模塊進行網格劃分，考慮到模型結構相對簡單，所以在mesh 模塊里采用自動劃分網格的方式。 網格劃分完畢后將模型導入離散元軟件EDEM 中， 在EDEM 的Particle to particle 選項中采用Hertz Mindlin（no slip）接觸模型計算顆粒間接觸作用［8］， Particle to Geometr 中采用Tribocharging 接觸模型計算顆粒和兩極板之間的接觸作用，同時，單擊設置按鈕配置模型并將Alpha 值設置為－1，這將確保顆粒擁有獲得和失去電荷的能力，Particle Body Force中采用Electrostatics 用于配置顆粒間的靜電力。仿真時的材料特性參數和材料間的碰撞接觸參數見表1、2。其中玻璃、銅、有機玻璃的剪切模量、泊松比、密度以及銅和銅的靜摩擦系數、動摩擦系數、碰撞恢復系數參考《機械設計實用手冊第三版》，玻璃和玻璃的靜摩擦系數、動摩擦系數、碰撞恢復系數參考《玻璃工藝學》，銅和玻璃的靜摩擦系數、動摩擦系數、碰撞恢復系數以及銅顆粒、玻璃顆粒和兩極板之間的靜摩擦系數、動摩擦系數、碰撞恢復系數，正負極板的參數參考上海海基科技公司提供的資料。 在輸入正極板參數時，將正極板的Work Function 值設置為1。 定義分選倉的材料為有機玻璃。

表1 材料特性參數

表2 材料間的碰撞接觸參數

仿真條件和參數設置完畢后， 進入Partical模板設置顆粒的粒徑分別為3、4、5mm （圖2）。完成顆粒的建模后， 在Geometry 中導入幾何模型， 在Starting surface charge 中輸入正負極板的庫侖力。 在EDEM 的Geometry 面板中創建一個顆粒工廠平面，并設置該面為虛擬面。 因為有兩種顆粒，所以設置兩個顆粒工廠，尺寸為60mm×30mm，高度為300mm。進入EDEM 的Factories 面板，顆粒工廠采用動態生成方式生成銅顆粒和玻璃顆粒。 初始速度設置為-0.5m/s，受重力加速度為-9.81m/s2。 在Charge 里設置顆粒帶電屬性，銅顆粒為1nC，玻璃顆粒為-1nC。

圖2 不同粒徑的顆粒

進入EDEM 的simulator 模塊，設定時間步長是Rayleigh 時間步長的30%。 仿真區域的網格尺寸設置為顆粒半徑的3 倍，即4.5mm。

2.2 Fluent 參數設置

在EDEM 中參數設置完畢后打開Fluent，在Fluent 中的General 選項里，在Solver 面板下選擇Pressure-Based 壓 力 求 解，Time 選 擇 Steady，Materials 設置為氣流， 參數為默認值即可。 在Model 里選擇計算模型為k-ε，里面的參數為默認值即可。 再定義邊界條件Boundary Conditions，在inlet 里設置氣流參數，將out 設置為outflow。之后添加耦合文件， 在Run calculation 面板中設置fluent 的 時 間 步，Time Step Size 設 置 為0.003，Number of Time Steps 設置為200，Max Iterations/Time step 設置為20 或40。 然后點擊calculate，EDEM 和Fluent 會同時工作進行仿真求解。

3 仿真結果分析

固定兩極板間距為90mm， 顆粒粒徑分別為3、4、5mm，兩極板的庫侖力為±1.7×105nC，設置仿真時間為0.6s，顆粒總數為1 800 顆。靜電分選的綜合分選效率如圖3 所示。 從圖3 可知在給定庫侖力為±1.7×105nC 時，3 種顆粒的綜合分選效率都較高，但較高的庫侖力會降低綜合分選效率。

在此基礎上， 加入氣流并考察綜合分選效率。固定兩極板間距為90mm，顆粒粒徑分別為3、4、5mm， 在有限元仿真軟件Fluent 中添加氣流。氣流分選與沉降末速有關，通過計算得到銅顆粒和玻璃顆粒的沉降末速分別為20、15m/s。 因此課題組從15m/s 開始逐步增大風速進行仿真實驗。 氣流靜電分選的綜合分選效率如圖4 所示。

圖3 靜電分選的綜合分選效率

圖4 氣流靜電分選的綜合分選效率

由圖4 可知當風速為35m/s 時，3 種粒徑顆粒的綜合分選效率都達到最高，但是粒徑偏小的顆粒其綜合分選效率大于大粒徑顆粒的綜合分選效率。 而過大的風速會將顆粒往上吹，繼而破壞分選。 在最佳組合參數 （兩極板庫侖力±1.7×105nC、風速35m/s）下，3 種粒徑的顆粒求解后的速度分布云圖和壓力分布云圖如圖5 所示。

圖5 風速35m/s 時3 種粒徑顆粒的速度、壓力分布云圖

4 結束語

課題組運用自制的氣流靜電分選機， 利用EDEM 和Fluent 的耦合對金屬銅顆粒和非金屬玻璃顆粒進行了模擬仿真，直觀地再現了兩種顆粒在靜電氣流作用下的綜合分選效率。 仿真結果表明，在現有的建模條件下，能較好地實現顆粒在靜電氣流復合場中的分選。 通過數據分析軟件Origin 對導出的仿真實驗數據進行處理后可知，當兩極板庫侖力為±1.7×105nC 時，3 種顆粒的綜合分選效率達到最大； 當兩極板庫倫力為±1.7×105nC， 風速為35m/s 時，3 種顆粒的分選效率都達到最高。 對于粒徑不同的顆粒來說，在庫侖力和風速一定的情況下，小粒徑顆粒比大粒徑顆粒更容易被分選出來，在高壓靜電分選的基礎上加入氣流能夠提高分選效率。