基于EDEM-Fluent仿真的餐廚垃圾渣液分離機設計與試驗

王浩璇 果 霖 王一鳴 張永華 毛新兵 張天會

(1.云南農業大學機電工程學院，云南 昆明 650201；2.河南工程學院土木工程學院，河南 鄭州 451191)

餐廚垃圾是城市固體垃圾的主要組成部分之一，截至目前堆存量高達70億t，占地5.3萬hm2[1]。餐廚垃圾屬于高油脂固液混合型有機物，在被清除的同時仍可以對其進行資源化回收利用，中國現有的餐廚垃圾處理方法主要包括焚燒、填埋及機械化處理方式。隨著工業自動化的發展，餐廚垃圾機械化處理方式包括大型餐廚垃圾處理生產線以及小型餐廚垃圾處理設備。大型餐廚垃圾處理生產線以餐廚垃圾的集中處理為前提，資金投入較大，設備運維成本較高。當餐廚垃圾處理量較少時，往往無法在保證成本的前提下進行集中作業[2]。小型餐廚垃圾處理設備體積較小，具有便攜性和簡易性的特點，但其作業形式單一，多采用粉碎直排的方式處理餐廚垃圾，無法對餐廚垃圾中豐富的有機物料進行資源化利用，處理效果十分有限。

當前，相關領域的學者對新型餐廚垃圾處理設備展開了研究：黃將誠等[3]設計了一種食物垃圾處理器，但是該設備在控制系統的設計上存在不足，導致垃圾處理不夠徹底，資源浪費現象較嚴重；金榮通等[4]設計了一款廚余垃圾預處理器，使得居民可以在家中對廚房食物垃圾進行初步的處理，但是無法實現有效的固液分離；劉芳霞[5]設計了一種食物垃圾處理器，利用電機帶動研磨刀盤進行高速旋轉來粉碎食物垃圾，但是粉碎后的餐廚垃圾直接排入下水管道，造成了餐廚資源的浪費；李靜等[6]設計了一款日處理量600 kg的餐廚垃圾處理器，但是不具備雜物篩選功能，無法有效篩選餐廚垃圾中所含有的玻璃、鐵器等硬物，對機器會造成較大的損傷。

針對目前餐廚垃圾處理設備所存在的缺陷，筆者擬設計一種高集成化、高自動化、低能耗和低運行成本的集送料、粉碎、壓縮、脫水于一體的餐廚垃圾渣液分離機。同時，通過EDEM軟件建立相應的顆粒模型，并結合Fluent軟件中的重整化群RNGk—ε湍流模型對餐廚垃圾粒子運動進行仿真分析，以優化設備各個重要參數，使得設備對餐廚垃圾的固液分離處理效率達到最優，以期為新型餐廚垃圾處理設備的設計和優化提供一定的參考依據。

1 工藝流程圖

根據中國人餐飲習慣和餐廚垃圾的特點，該餐廚垃圾渣液分離機以實現餐廚垃圾資源化利用為目的，符合中國餐廚廢棄物的回收現狀，且通用于社區街道、學校、食堂、酒店以及垃圾處理廠。該設備對餐廚垃圾進行處理后得到液態和固態兩種形式的物質，液態可進一步收集然后集中處理，減少了污水直排對環境造成的污染。被減容的固態殘渣可以烘干、打包，便于儲存和運輸。根據使用環境的要求，編制如圖1所示的餐廚垃圾渣液分離機工作過程工藝流程圖[7]。

2 主體結構

該餐廚垃圾渣液分離機包括主體結構及輔助送料裝置，主體結構由粉碎裝置和固液分離裝置組合而成，應用SolidWorks軟件繪制出主體部分的結構圖，如圖2所示。

2.1 工作原理

在進行餐廚垃圾處理時，首先啟動破碎機和驅動電機對餐廚垃圾中較大或較硬的物料進行粉碎處理。破碎機采用雙齒輥式破碎機，當兩個齒輪嚙合時，餐廚垃圾被研磨粉碎。餐廚垃圾顆粒通過調節齒間隙與齒頂隙達到粉碎所需顆粒大小的要求，在餐廚垃圾顆粒自身重力的作用下，通過齒輪磨輥的轉動，逐漸脫離粉碎室，圖3為粉碎機理示意圖。

圖1 工藝流程圖Figure 1 Process flow chart

1.進料口 2.防護板 3.破碎機 4.驅動電機 5.防漏網 6.通液孔 7.出液管 8.閥門 9.支撐腳 10.螺旋葉片 11.螺桿 12.箱體 13.出料口 14.出料導軌 15.減震彈簧 16.滑桿 17.滑筒圖2 主體結構圖Figure 2 Structure of main part

被粉碎后的餐廚殘渣向下落入輸送桶中，在螺桿的旋轉以及螺旋葉片的推動作用下，餐廚碎渣在輸送桶內由左往右進行移動，隨著空間逐漸變狹窄而慢慢被擠壓。在擠壓過程中，水分通過通液孔落在設備內的底部，最后從出液管流出。被擠壓的固態渣塊則從出料口出料，之后可進行固態殘渣的收集，從而實現了高效的渣液分離。

2.2 顆粒的動力學分析

當螺旋軸轉動時，螺旋葉片會給予餐廚顆粒一個法向推力N1，同時由于顆粒與螺旋葉片接觸面的切線方向存在切向摩擦力f1，故顆粒受力為N1和f1的合力F。合力F可分解為沿螺旋軸的軸向分力Fz，以及圓周方向分力Ft。顆粒在軸向分力Fz的作用下，在輸送桶內沿水平方向移動。同時，在圓周方向分力Ft的作用下，在輸送桶內沿螺旋軸翻動。顆粒的受力圖如圖4所示。

1.齒輪磨輥 2.餐廚垃圾 3.垃圾顆粒圖3 粉碎機理示意圖Figure 3 Principle of comminution

圖4 顆粒受力圖Figure 4 Particle stress diagram

2.3 螺旋葉片的參數計算

粉碎后的餐廚垃圾進入到固態殘渣輸送桶內，在螺旋葉片的作用下從左往右移動。由于螺旋葉片的旋轉速度會對垃圾粒子的運動情況產生影響，而這直接關系到固液分離的效果，所以需要對這一關鍵部件進行參數計算。考慮到設備工作時，螺旋葉片會受到較大的壓力以及摩擦力，因此選用耐磨性較高的材料作為螺旋葉片的制作材料。同時考慮到設備的造價成本，擬采用普通碳鋼作為螺旋葉片的制作材料。

螺旋葉片的直徑D按經驗式(1)計算[8]：

(1)

式中：

K——特性參數，取0.165；

Q——餐廚垃圾在輸送桶內的運送能力，設計為1 t/h；

φ——餐廚垃圾在輸送桶內可以填滿螺旋葉片間距的系數，取0.8；

ρ——餐廚垃圾的密度，取1 t/m3；

C——餐廚垃圾在傾斜的螺旋葉片輸送作用下的校正系數，取1。

代入式(1)，得螺旋葉片的直徑D為0.18 m。

3 輔助送料裝置

現有的大部分餐廚垃圾處理設備無法有效地分離出垃圾中含有的鐵器等金屬硬物，對機器會造成較大的損傷。與現有方法不同的是，該設備增加了一個帶有預處理的輔助送料裝置，包含自動送料桶以及可伸縮導入槽兩個機構，主要實現自動送料與篩選金屬硬物的功能。應用SolidWorks軟件繪制出自動送料桶以及可伸縮導入槽的結構圖，如圖5、6所示，設備整體結構如圖7所示。

使用時，將收集的餐廚垃圾放入垃圾桶中，垃圾桶在底部凹槽和上部護欄的共同作用下被穩定地固定。啟動驅動電機，推桿帶動提升架緩慢上升，垃圾桶隨著垃圾桶座墊同步平穩上升。當上升到最高位置后，垃圾桶在皮帶和滾輪的共同作用下，完成傾倒動作。當餐廚垃圾流經帶有強磁場的導入槽時，餐廚垃圾中的金屬硬物會被吸附在導入槽上，從而達到篩除餐廚垃圾中含有的金屬硬物的目的，如圖8所示。

1.底座 2.垃圾桶座墊 3.垃圾桶 4.護圈 5.滾輪 6.皮帶 7.滾輪架 8.驅動電機 9.提升架 10.電動推桿圖5 自動送料桶Figure 5 Automatic feeding barrel

1.支架 2.可調傾角塊 3.螺旋調微桿 4.齒輪 5.齒條 6.導管 7.導管固定塊圖6 可伸縮導入槽Figure 6 Retractable guide slot

圖7 整體結構圖Figure 7 Overall structure

考慮到設備使用一段時間后，導入槽上吸附的金屬硬物較多時，會影響后續餐廚垃圾的流入，故需要對導入槽進行定期的清理。由于導入槽為可伸縮結構設計，方向可自由調節，故在清理導入槽上吸附的金屬硬物時可將槽口調整方向，以防清理的金屬硬物通過進料口落入設備內部。考慮到每桶泔水桶內的餐廚垃圾中金屬硬物含量不均勻，故不能將設備使用次數作為衡量篩除出的金屬硬物多少的標準，因此采用可視化原則。當被吸附的金屬硬物占比達到導入槽面積的1/5時，由于導入槽上吸附的金屬硬物較少，可通過人工采用鋼絲刷除去導入槽上的金屬硬物，并用自來水將導入槽沖洗干凈。當被吸附的金屬硬物占比達到導入槽面積的1/3時，此時導入槽內吸附的金屬硬物較多，可將經高壓泵加壓后的水，按照一定的射流流速和角度進行分流且加速噴到導入槽的表面來進行清理。通過多次試驗可知，將水流速度加壓至312 m/s，噴嘴與導入槽水平面之間夾角為50°～60°時，清理效果最好。

4 EDEM離散元仿真

4.1 前處理

EDEM軟件是世界上第一個用現代化離散元模型設計的用來模擬和分析顆粒處理和生產操作的通用CAE軟件，通過模擬散狀物料加工處理過程中顆粒體系的行為特征，協助設計人員對各類散料處理設備進行設計、測試和優化[9-11]。考慮到粉碎后的餐廚顆粒在輸送桶內的運動是由移動和轉動兩種運動組合而成，記單個顆粒為i，顆粒之間的相互作用力為控制方程[12]式(2)和式(3)，相互作用力矩為式(4)和式(5)。由于離散元法是利用經典牛頓第二定律來求解顆粒在運動瞬間的速度、受力、運動軌跡等運動狀態[13]，因此利用EDEM離散元仿真，可以對粉碎后的餐廚垃圾在輸送桶內部的運動過程進行高精度的模擬并進行準確的數據分析。

(2)

(3)

圖8 工作示意圖Figure 8 Working diagram

Mtij=Rij×Ftij，

(4)

(5)

式中：

Fnij——顆粒i、j之間的法向接觸力，N；

Ftij——顆粒i、j之間的切向接觸力，N；

Mtij——切向力Ftij產生的力矩，N·mm；

Mrij——顆粒i、j之間的滾動摩擦力矩，N·mm。

選取富含纖維的芹菜，較硬的骨頭，日常主食之一的大米等具有代表性的食物，進行餐廚垃圾的粉碎試驗，并對其進行取樣，記錄相關的試驗數據如表1所示。根據取樣記錄的試驗數據，在EDEM軟件中插入顆粒模型并設置相關參數，如圖9所示。

同時，設置螺桿運動為圖10所示的沿軸心的往復旋轉運動，設定轉速為150 r/min。

4.2 離散元求解

進入Simulation模塊設置仿真變量，其中固定時間步為30%，總計仿真時間為5 s，采樣頻率為0.05 s。點擊Progress進行仿真分析，仿真過程如圖11所示。

表1 餐廚垃圾碎渣取樣記錄表Table 1 Sampling record of kitchen waste mm

圖9 插入顆粒模型Figure 9 Insert particle model

圖10 軸心Figure 10 Center of axis

進入Analysis界面進行數據后處理，選擇Display中的Particles模塊。在Color By中選擇Velocity，獲得顆粒在輸送桶內隨螺桿運動時的速度云圖及相對應的速度變化數據；在Color By中選擇Force，獲得顆粒在輸送桶內隨螺桿運動時的力場云圖及相對應的受力變化數據。

4.3 數據與分析

經過計算，得到顆粒在輸送桶內運動時的顆粒速度圖、顆粒受力圖、顆粒運動軌跡圖，如圖12～16所示。

由圖12、13可知，餐廚碎渣在輸送桶的整個運動過程中速度保持在0.05～0.07 m/s，說明餐廚碎渣在輸送桶內運轉穩定。在4.75 s時，顆粒的運動速度達到最大值0.14 m/s，此時餐廚碎渣運動到輸送桶的最右端即出料口處。由圖14、15可知，餐廚殘渣在輸送桶內運動的過程中，隨著時間的增加，受到的力也逐漸增大。在4.9 s時，餐廚碎渣受到的力最大(1.49 N)，此時餐廚碎渣從出料口出料。由圖16可知，當餐廚殘渣在輸送桶內運動時，餐廚殘渣多在輸送桶的下半部運動，隨著螺桿的往復轉動在出口處完成出料。

圖11 離散元仿真Figure 11 Discrete element simulation

圖12 顆粒速度Figure 12 Particle velocity

圖13 顆粒速度變化圖Figure 13 Change of particle velocity

5 Fluent流體仿真

5.1 建模及網格劃分

為了可以高精度還原餐廚垃圾粉碎后，垃圾粒子的運動情況，將垃圾殘渣的運動擬合為一種流體運動[14-15]。同時，為了有效降低仿真模型算法的復雜度，對主體裝置進行流體域的抽取，僅保留流體流經的部分。經過簡化，得到的流體域模型如圖17所示。設置四面體網格數量為508.38萬個，導入Fluent轉化成多面體網格為111.076 9萬個，網格節點數量為96.003 2萬個。網格質量最小0.14，最高為1.00，網格劃分如圖18所示。

5.2 參數及邊界條件的設定

根據裝置的特點，粉碎后的餐廚垃圾在輸送桶內隨螺桿同步運轉，考慮到餐廚垃圾中含有的油水混合物，故餐廚殘渣所做的是一種復雜的、無規則的、隨機的非定常的紊流運動。為了可以高精度還原該運動情況，將餐廚殘渣的運動擬合為RNGk—ε湍流模型，該模型來源于瞬態n—s方程，采用重整化群(Renormalization Group，RNG)的數學方法來計算湍流流態，輸運方程為式(6)和(7)，其適用于求解旋轉流動。

圖14 顆粒受力Figure 14 Particle stress

圖15 顆粒受力變化圖Figure 15 Change of particle stress

圖16 顆粒運動軌跡圖Figure 16 Particle trajectory

(6)

(7)

在Fluent軟件中選擇旋轉流動算法，壁面附近采用標準壁面函數。啟用DPM模型(Discrete Phase Model)即拉格朗日離散相模型，創建入口噴射粒子模型，顆粒直徑為5 mm，顆粒噴射流量為0.1 kg/s。壓力速度耦合方式采用SIMPLE算法，梯度采用最小二乘法。連續相材料選擇液態水，離散相選擇固體顆粒。入口選擇質量流量入口，質量流量值為0.1 kg/s。出口選擇壓力出口，出口壓力為0。旋轉域采用MRF滑移網格模型，轉速為150 r/min，旋轉方向選擇x軸方向。

5.3 數據與分析

經過計算，得到了流體域模型的速度云圖、旋轉域速度矢量圖，如圖19、20所示。

由圖19、20可知，餐廚碎渣在輸送桶內部沿螺桿旋轉運動時速度較穩定，與EDEM離散元仿真分析中得到的結論一致。在出液管處，流體的速度達到最大值，表明從餐廚垃圾中分離出的油水混合物從出液管口處快速流出。結合EDEM離散元與Fluent流體仿真分析，餐廚碎渣在輸送桶的整個運動過程中，速度保持恒定。在出液管處，油水混合物的速度達到最大值。當油水混合物從出液管流出后可對其進行收集然后集中處理，減少了污水直排[16-18]對環境造成的污染。在出料口處，餐廚殘渣的速度達到最大值，此時受力也達到最大值。當固態殘渣從出料口出料后，可對固態殘渣進行收集，再烘干、打包，便于儲存和運輸,滿足了對餐廚垃圾“無害化、減量化、資源化”的處理要求[19-20]。

圖17 流體域模型Figure 17 Fluid domain model

圖18 網格劃分Figure 18 Grid generation

5.4 實驗驗證

制出該餐廚垃圾渣液分離設備的樣機，試驗采用學校食堂泔水桶的餐廚垃圾作為原始物料，通過測量出料口擠出物料的產量Me，式(8)所示；擠出物含水率W；原始餐廚垃圾物料的含水率W0；過濾液產量Ml，式(9)所示；以及設備的處理量M，式(10)所示，5個指標來測試設備的性能。在設備穩定運轉的情況下，擠出物料在出料口的出料速度，以及出液管口處過濾液的流出速度應保持勻速。采用WL-01T型餐廚垃圾含水率測定儀測量擠出物料的含水率W，以及原始餐廚垃圾物料的含水率W0，試驗數據記錄如表2所示。

(8)

(9)

M=Me+Ml，

(10)

式中：

Me——擠出物料在出料口處單位時間產量，kg/h；

M1——擠出物料的產量，kg；

T1——在出料口處接取擠出物料的時間，s；

Ml——過濾液在出液管口處單位時間產量，kg/h；

圖19 速度云圖Figure 19 Velocity cloud

圖20 旋轉域速度矢量圖Figure 20 Velocity vector diagram in rotation domain

表2 試驗數據表Table 2 Test data

M2——在出液管口處接取的濾液的重量，kg；

T2——在出液管口處接取濾液的時間，s；

M——設備的處理量，kg/h。

多次試驗結果為：樣機平均處理量為1 142.34 kg/h，擠出物料的平均產量為519.04 kg/h，過濾液的平均產量為623.3 kg/h，擠出物料含水率均值為56.3%，相較于原始餐廚垃圾物料的含水率均值73.64%，含水率減少了17.34%。設備運轉穩定，擠出物料在出料口處的出料速度，以及出液管口處過濾液的流出速度均保持勻速。

6 結論

試驗設計的餐廚垃圾渣液分離機集送料、粉碎、壓縮、脫水于一體，通用于社區街道、學校、食堂、酒店以及垃圾處理廠，可實現餐廚垃圾的資源化利用，且符合中國餐廚廢棄物的回收現狀。

通過EDEM和Fluent軟件，對其進行了離散元及流體建模仿真分析以優化螺桿及螺旋葉片的運動，進而提高餐廚垃圾固液分離的效率。仿真分析以及樣機試驗結果表明：餐廚碎渣在輸送桶內的整個運動過程中，速度保持恒定。在出料口處，餐廚殘渣的速度達到最大值，此時受力也達到最大值。在出液管處，油水混合物的速度達到最大值。該設備較好地實現了將餐廚垃圾固液兩相分離的目標，達到了預期的設計效果。