基于组分物性差异的城市生活垃圾气力分选数值模拟与优化研究

推荐：针对垃圾焚烧发电厂入炉燃料品质低的问题，研究人员通过数值模拟研究了以热值为导向的MSW（Municipal Solid Waste）气力分选过程。引入杂质率和损失率结合分选效率表征性能，探讨了风速与进风角度、高度及进料速率的耦合效应，提出多级优化参数框架。最优条件下三出料口分选效率均达99.5%以上，杂质率低于2.5%，实现了可燃物高效分离，为垃圾资源化处理提供新思路。

　　

随着城市化进程加速，全球生活垃圾(MSW)年增长率达2%-4.5%，中国作为第二大垃圾产出国，预计203年垃圾量将达4.8亿吨。垃圾焚烧虽是主流处理方式，但存在入炉燃料热值低、灰分高、二噁英排放等问题，其核心矛盾在于非可燃组分混入导致燃烧效率下降。传统湿法分选需脱水干燥且易造成二次污染，而气力分选以空气为介质，通过物理特性差异实现组分分离，具有清洁高效的优势。然而现有研究多关注单一参数影响，缺乏对多因素耦合效应的系统分析，且杂质率指标长期被忽视，难以全面评估分选性能。

贵州某研究团队在《Powder Technology》发表研究，创新性地将MSW按热值结合密度分为高/低热值可燃物与非可燃物三类，采用Barracuda软件基于CPFD（Computational Particle Fluid Dynamics）方法，首次构建包含分选效率、杂质率和损失率的综合评价体系。通过多级优化网络框架，系统解析了风速与进风角度（0°-30°）、高度（±75mm调整）及进料速率（2.53-5.91kg/s）的耦合作用机制，最终确定最优工况参数。关键技术包括：1）基于MP-PIC（Multiphase Particle-in-Cell）方法的颗粒动量方程；2）采用LES（Large Eddy Simulation）湍流模型；3）Wen-Yu曳力模型模拟气固相互作用；4）Harris-Crighton颗粒应力函数；5）多约束优化方案评估三出料口性能指标。

4.1 风速与进风角度的耦合效应
研究发现20°进风角具有最宽的高效风速窗口（25m/s），此时出料口2杂质率仅3.46%，较0°降低15.7%。小角度（<15°）易导致中密度橡胶塑料异常沉降，而大角度（>25°）会使轻质竹木从排气口逃逸。空气动力学分析表明，20°角度下气流对颗粒的水平/垂直分力达到最佳平衡，既延长停留时间又避免涡流耗能。

4.2 风速与进风高度的耦合效应
将基准高度下调50mm至1250mm时，26m/s风速下出料口2杂质率进一步降至2.48%。高度提升会增强出料口1上方的气流偏转，导致重质玻璃陶瓷水平位移过大。模拟显示-50mm调整使颗粒分布更集中于目标区域，较+75mm工况分离效率提升1.8%。

4.3 风速与进料速率的耦合效应
4.22kg/s进料速率可实现三出料口协同优化：低于该值轻质组分分散度增加，高于5.35kg/s时出料口2杂质率反弹。值得注意的是，高进料量（5.91kg/s）虽能提升橡胶塑料富集度，但会降低分选效率至97%以下。

4.4 优化前后性能对比
最优工况（26m/s,20°,1250mm,4.22kg/s）下，三出料口分选效率达99.93%/99.57%/99.72%，较原始条件最高提升2.39个百分点；出料口2杂质率从19.17%降至2.48%，且实现零物料损失。多省份MSW样本验证显示，该方案对食品垃圾占比67%-78%的组分具有普适性，出料口1/3效率稳定在99%以上。

该研究创新性地构建了"效率-纯度-损耗"三维评价体系，突破传统仅关注分离效率的局限。通过多级优化揭示参数间的非线性关系，为水平风箱结构设计提供理论依据。实践层面，分选后的高/低热值可燃物可分别用于发电调控与堆肥，非可燃物直接填埋，预计可使垃圾热值提升20%以上。未来研究可引入机器学习解析参数间复杂关联，并探究非球形颗粒对分选的影响机制。