油水分離自動(dòng)控制技術(shù)研究

馮永具

摘 要： 針對餐廚垃圾處理后的油水混合物取油困難的問題，本文提出了一套系統(tǒng)的解決方案，根據(jù)水和油的密度差及不相溶性的原理實(shí)現(xiàn)油、水分層，利用水和油導(dǎo)電性不同的原理，通過電極檢測其微弱電信號送給比較器芯片作比較判斷，從而實(shí)現(xiàn)對油、水分界面的檢測，同時(shí)利用負(fù)壓原理設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)對油層進(jìn)行收集儲存，較好的解決了取油難的問題。

關(guān)鍵詞： 密度差；導(dǎo)電性；電極檢測；負(fù)壓原理

1 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市生活水平的提高和人口的增長，城市垃圾排放量急劇上升，與其他垃圾相比，餐廚垃圾具有含水量、油脂含量、有機(jī)物含量及鹽分含量高等特點(diǎn)，具有很大的處理回收價(jià)值。但目前在餐廚垃圾處理設(shè)備研制過程對餐廚垃圾廢棄油的收集方法主要是將收集到的油水混合物靜置后分層，通過人工觀察判斷分層情況再將油水分離器里分層后的水放出或油放出。這種方法不僅自動(dòng)化程度低，收集到的油中仍然含有較多的水，含油量只有70%左右，再次提取的成本仍然較高，且該方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力；同時(shí)，對于廢油也無法有效的集中收集并進(jìn)行其流向的管控和追溯，無法保證其資源化合理利用。因此，針對目前餐廚垃圾處理設(shè)備處理后油水分離提取困難的問題，本文提出了一套系統(tǒng)的油水自動(dòng)分離控制技術(shù)方案。

2 分系統(tǒng)技術(shù)研究

2.1 油水分離器的設(shè)計(jì)

為使收集到的油、水、渣實(shí)現(xiàn)有效分層，將油水分離器分為集渣格、集油格和溢水格，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1所示。此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠有選擇性的進(jìn)行油水收集，將油水與渣相對分離，保證油水分離器內(nèi)的油水相對純凈，有利于分層；同時(shí)，在油水分離器集油格里設(shè)置油面檢測裝置，其作用是將檢測到油層位置以電信號的方式傳遞給控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對空氣泵的自動(dòng)控制提油。

2.2油位檢測原理

油水的分離采用物理分離的方式，即在油水分離箱裝滿油水后，延時(shí)一定時(shí)間，使油水充分靜置分層，采用電極自動(dòng)判斷油水分層。電極在油中和水中的導(dǎo)電性不同，電極在水中具有一定的導(dǎo)電性，而在油中幾乎呈絕緣狀態(tài)。利用油與水的導(dǎo)電率不同可區(qū)分油與水，根據(jù)這一原理，提出了油水分層檢測方法。

2.2.1 電極電路

待油水靜置分層后，利用電極在水中導(dǎo)通而在油中不導(dǎo)通的原理，通過判斷電極的通斷狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對油層或水層的判斷。根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)了如圖2所示的電極檢測電路。

如圖2所示，把一對電極和一個(gè)電阻串聯(lián)起來加電，電極放在油水混合物中，電極一端接電源負(fù)極，電極正極接電阻，同時(shí)從電極的正極引出一個(gè)電壓信號檢測點(diǎn)。電極在油中和水中的導(dǎo)電性不同，電極在水中具有一定的導(dǎo)電性，而在油中幾乎呈絕緣狀態(tài)。那么，電極在不同油水成分中時(shí)，信號檢測點(diǎn)的電壓值就不同。當(dāng)電極之間全是水層時(shí)，電極導(dǎo)通形成一定的電阻，與電阻R分壓，當(dāng)R足夠大，那么電壓就主要降落在R上，檢測點(diǎn)的信號就會是一個(gè)小電壓（低電平）；當(dāng)電極之間全是油層或是油層與水層的混合層時(shí)，電極呈開路狀態(tài)，檢測點(diǎn)的電壓就是電源電壓Vcc（高電平），從而判斷信號檢測點(diǎn)的電壓就能把油水區(qū)分出來。

用一對電極來檢測油水界面，會受到油水突然波動(dòng)的影響。如果油水波動(dòng)，電極處于油層或水層的狀態(tài)就不穩(wěn)定。為了消除這種影響，同一層采用3對電極同時(shí)工作。上電極的3片正極處于同一水平，下電極的3片正極處于同一水平；且同一層電極之間也保持1mm至2mm的高度差，兩層電極之間有一定的距離；公共負(fù)極處于油水分離箱底部并保證始終浸沒在水中，通過該方式可解決在油水分層臨界狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)的波動(dòng)問題。

2.2.2 電極設(shè)計(jì)

經(jīng)過原理性的分析和實(shí)驗(yàn)比較得知：針狀電極從油中進(jìn)入水中時(shí)，其表面會附著一層油，導(dǎo)致比較器誤翻轉(zhuǎn)；豎直放置的電極檢測的分層厚度等于電極的豎直方向的高度，檢測效果不佳；而水平放置的矩形片狀電極不僅解決了附油問題而且檢測準(zhǔn)確；所以電極最理想的檢測狀態(tài)是水平安裝的片狀物。通過對常用材料銅、鐵、不銹鋼、石墨實(shí)驗(yàn)分析可知。銅電極會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)變黑，容器里有藍(lán)色沉淀物；鐵主要是氧化生銹；不銹鋼和石墨都能滿足要求，但石墨加工性不如不銹鋼，所以最終選定水平放置的不銹鋼薄片作電極。

2.3 油的管控設(shè)計(jì)

為便于對分離好的油的收集進(jìn)行管控，需要設(shè)計(jì)一套自動(dòng)管控系統(tǒng)。主要包括：身份識別模塊、流量采集模塊、數(shù)據(jù)處理存儲和讀取模塊。通過存儲下來的數(shù)據(jù)信息，可追溯油的去向，從而實(shí)現(xiàn)對地溝油的管控。

管控電路是以液位計(jì)和流量計(jì)作為采樣元件。以ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換芯片設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將傳感器變化產(chǎn)生的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再送經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。液位計(jì)檢測的是儲油箱內(nèi)油的高度，信號經(jīng)程序處理換算為儲油量；流量計(jì)檢測儲油箱放油口放油的速度，信號經(jīng)過單片機(jī)轉(zhuǎn)換為用于監(jiān)測放油量。

取油采用智能IC卡身份識別系統(tǒng)對收油人員進(jìn)行身份識別，只有身份識別正確后，設(shè)備才能放油，放油量通過流量計(jì)監(jiān)測記錄。放完油后設(shè)備自動(dòng)將本次放油量、放油時(shí)間和剩余油量實(shí)時(shí)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)通過專用檢測軟件將接收到的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表打印等。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在單獨(dú)進(jìn)行了各部分技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套完整的油水分離自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由油水分離器、儲油箱和電氣控制系統(tǒng)組成；電氣控制系統(tǒng)又包括油水分層檢測電路，抽油、放油控制，管控電路等。油水分離系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

系統(tǒng)工作流程包括：油水的收集沉降，油水分層的檢測，抽油，油的儲存，刷卡放油。具體運(yùn)行過程如下：

系統(tǒng)的初始狀態(tài)：油水分離器中注滿水，液面維持在出水口位置；上電極和下電極都在水里；通氣電磁閥、放油電磁閥和加水電磁閥都關(guān)閉，抽氣泵停止，上、下浮球均導(dǎo)通，放油和油滿指示燈滅。

油水的收集沉降：油水混合物不斷流入油水分離器的集油格自然沉降，油層開始變厚，但液面不變，多余的水由出水口排出。隨著油水混合物的不斷收集，油層不斷變厚。

分層檢測及抽油控制：隨著油層不斷變厚，當(dāng)油層漫過下電極時(shí)（油層漫過上電極不抽油），抽氣泵啟動(dòng)抽油；同時(shí)加水電磁閥工作，往油水分離箱溢水格里加水。抽油后，油層開始變薄，當(dāng)上電極進(jìn)入水中時(shí)（下電極進(jìn)入水中，泵不停止，繼續(xù)抽油），單片機(jī)會發(fā)出信號使泵停止抽油，同時(shí)關(guān)閉加水電磁閥。

放油：當(dāng)儲油箱里的下浮球浸入油中時(shí)，控制面板上的放油指示燈亮，同時(shí)給身份識別系統(tǒng)供電，身份識別系統(tǒng)工作。此時(shí)刷IC卡進(jìn)行身份識別，身份識別通過后，控制通氣電磁閥和電動(dòng)球閥工作，開始放油，通過流量計(jì)監(jiān)測記錄取油量。放油時(shí)通過讀取時(shí)鐘模塊的時(shí)間信息，記錄放油時(shí)間，并將該信息存入數(shù)據(jù)存儲模塊。

4 結(jié)束語

本文提出的油水分離自動(dòng)控制技術(shù)方案經(jīng)過了原理驗(yàn)證及工程樣機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)過程中浮閥判斷可靠性高，電極檢測準(zhǔn)確，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，最終取得的油純度較高，達(dá)到95%以上，較好地解決了餐廚垃圾處理后油水提取的技術(shù)難題，具有較高的實(shí)用價(jià)值和市場前景。

參考文獻(xiàn)

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