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(guó)洪 周自強(qiáng)

（1.江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院；2.江蘇省機(jī)電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室；3.常州大學(xué)）

隨著科技的進(jìn)步， 電子產(chǎn)品更新?lián)Q代加速，那些跟不上時(shí)代的、 幾乎快要報(bào)廢的電子產(chǎn)品（簡(jiǎn)稱電子廢棄物）該如何處理是一個(gè)技術(shù)難題，也是一個(gè)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。

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

為了探討電子廢棄物在氣流靜電復(fù)合場(chǎng)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(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。 氣流分選技術(shù)一般都采用旋風(fēng)氣流， 而本課題采用的是一道垂直向上的氣流，同時(shí)與靜電場(chǎng)結(jié)合，形成氣流靜電復(fù)合場(chǎng)。

1 氣流靜電分選機(jī)物理模型的建立

如圖1 所示， 氣流靜電分選機(jī)由分選倉(cāng)、電暈電極、正負(fù)電極、擋板和風(fēng)管組成，分選倉(cāng)規(guī)格為100mm×100mm×500mm，壁厚為4mm，正負(fù)極板規(guī)格為80mm×200mm×1mm， 入風(fēng)口直徑為44mm，擋板規(guī)格為92mm×4mm×100mm，電暈電極的直徑為0.15mm。

圖1 氣流靜電分選機(jī)三維模型

氣流靜電分選機(jī)的原理：電暈電極和正負(fù)電極分別與30kV 和100kV 的直流高壓電源相連。當(dāng)電暈電極通電后空氣被極化，產(chǎn)生一塊被電離的區(qū)域，正負(fù)電極通電后在正負(fù)極板之間形成勻強(qiáng)電場(chǎng)。 首先，將銅顆粒和玻璃顆粒送入振動(dòng)給料機(jī)中，與此同時(shí)打開風(fēng)機(jī)輸送一道垂直向上的氣流。 當(dāng)顆粒進(jìn)入荷電區(qū)域后，由于金屬顆粒和非金屬顆粒的導(dǎo)電性能存在差異，金屬顆粒在進(jìn)入荷電區(qū)域時(shí)帶上正電荷，非金屬顆粒則帶上負(fù)電荷。 分別帶上正負(fù)電荷的金屬顆粒和非金屬顆粒在進(jìn)入勻強(qiáng)電場(chǎng)后，受到垂直向上的風(fēng)力帶來(lái)的托舉力，顆粒的下落速度將會(huì)減緩，根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理，金屬顆粒也就是銅顆粒往負(fù)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(jìn)入收集箱中。

2 仿真條件及參數(shù)設(shè)置

2.1 EDEM 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)氣流靜電分選機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸建立其數(shù)學(xué)模型，并利用ANSYS 里的mesh 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到模型結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，所以在mesh 模塊里采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方式。 網(wǎng)格劃分完畢后將模型導(dǎo)入離散元軟件EDEM 中， 在EDEM 的Particle to particle 選項(xiàng)中采用Hertz Mindlin（no slip）接觸模型計(jì)算顆粒間接觸作用［8］， Particle to Geometr 中采用Tribocharging 接觸模型計(jì)算顆粒和兩極板之間的接觸作用，同時(shí)，單擊設(shè)置按鈕配置模型并將Alpha 值設(shè)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(shí)的材料特性參數(shù)和材料間的碰撞接觸參數(shù)見表1、2。其中玻璃、銅、有機(jī)玻璃的剪切模量、泊松比、密度以及銅和銅的靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)、碰撞恢復(fù)系數(shù)參考《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)第三版》，玻璃和玻璃的靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)、碰撞恢復(fù)系數(shù)參考《玻璃工藝學(xué)》，銅和玻璃的靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)、碰撞恢復(fù)系數(shù)以及銅顆粒、玻璃顆粒和兩極板之間的靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)、碰撞恢復(fù)系數(shù)，正負(fù)極板的參數(shù)參考上海?；萍脊咎峁┑馁Y料。 在輸入正極板參數(shù)時(shí)，將正極板的Work Function 值設(shè)置為1。 定義分選倉(cāng)的材料為有機(jī)玻璃。

表1 材料特性參數(shù)

表2 材料間的碰撞接觸參數(shù)

仿真條件和參數(shù)設(shè)置完畢后， 進(jìn)入Partical模板設(shè)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(dǎo)入幾何模型， 在Starting surface charge 中輸入正負(fù)極板的庫(kù)侖力。 在EDEM 的Geometry 面板中創(chuàng)建一個(gè)顆粒工廠平面，并設(shè)置該面為虛擬面。 因?yàn)橛袃煞N顆粒，所以設(shè)置兩個(gè)顆粒工廠，尺寸為60mm×30mm，高度為300mm。進(jìn)入EDEM 的Factories 面板，顆粒工廠采用動(dòng)態(tài)生成方式生成銅顆粒和玻璃顆粒。 初始速度設(shè)置為-0.5m/s，受重力加速度為-9.81m/s2。 在Charge 里設(shè)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(jìn)入EDEM 的simulator 模塊，設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)是Rayleigh 時(shí)間步長(zhǎng)的30%。 仿真區(qū)域的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為顆粒半徑的3 倍，即4.5mm。

2.2 Fluent 參數(shù)設(shè)置

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

3 仿真結(jié)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(kù)侖力為±1.7×105nC，設(shè)置仿真時(shí)間為0.6s，顆粒總數(shù)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(kù)侖力為±1.7×105nC 時(shí)，3 種顆粒的綜合分選效率都較高，但較高的庫(kù)侖力會(huì)降低綜合分選效率。

在此基礎(chǔ)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(guān)，通過(guò)計(jì)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(fēng)速進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。 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(dāng)風(fēng)速為35m/s 時(shí)，3 種粒徑顆粒的綜合分選效率都達(dá)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(guò)大的風(fēng)速會(huì)將顆粒往上吹，繼而破壞分選。 在最佳組合參數(shù) （兩極板庫(kù)侖力±1.7×105nC、風(fēng)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(fēng)速35m/s 時(shí)3 種粒徑顆粒的速度、壓力分布云圖

4 結(jié)束語(yǔ)

課題組運(yùn)用自制的氣流靜電分選機(jī)， 利用EDEM 和Fluent 的耦合對(duì)金屬銅顆粒和非金屬玻璃顆粒進(jìn)行了模擬仿真，直觀地再現(xiàn)了兩種顆粒在靜電氣流作用下的綜合分選效率。 仿真結(jié)果表明，在現(xiàn)有的建模條件下，能較好地實(shí)現(xiàn)顆粒在靜電氣流復(fù)合場(chǎng)中的分選。 通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件Origin 對(duì)導(dǎo)出的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后可知，當(dāng)兩極板庫(kù)侖力為±1.7×105nC 時(shí)，3 種顆粒的綜合分選效率達(dá)到最大； 當(dāng)兩極板庫(kù)倫力為±1.7×105nC， 風(fēng)速為35m/s 時(shí)，3 種顆粒的分選效率都達(dá)到最高。 對(duì)于粒徑不同的顆粒來(lái)說(shuō)，在庫(kù)侖力和風(fēng)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(lái)，在高壓靜電分選的基礎(chǔ)上加入氣流能夠提高分選效率。