大物質(zhì)分選機(jī)在餐廚垃圾預(yù)處理中的應(yīng)用

鄭云鋒，黃興剛，張力，劉翠，朱麗可，吳元，劉建亮，姚聰

(維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司，江蘇 常州 213125)

餐廚垃圾成分復(fù)雜，是油、水、果皮、蔬菜、米、面、魚、肉、骨頭以及塑料、紙巾等多種物質(zhì)的混合物[1-4]，其特點(diǎn)是含水率高，水分占餐廚垃圾總量的80%～90%，有機(jī)物、油脂、鹽分含量高，極易腐爛變質(zhì)、易發(fā)酵、易發(fā)臭、易滋生病原微生物和霉菌毒素等有害物質(zhì)。餐廚垃圾處理工藝主要采用機(jī)械預(yù)處理[5]—三相提油—厭氧消化[6]的路線。餐廚垃圾若不經(jīng)專門分選處理，大件的雜物進(jìn)入后端設(shè)備，會(huì)造成管道堵塞、設(shè)備卡死、設(shè)備磨損加快等問(wèn)題，對(duì)后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)很大壓力。

餐廚垃圾預(yù)處理[7-8]有破袋、人工分選、滾筒篩分、彈跳分選、風(fēng)力分選、攪拌掄錘式分選等。大物質(zhì)分選機(jī)包括滾筒篩式和攪拌掄錘式[9-10]，目前，關(guān)于大物質(zhì)分選試驗(yàn)的研究較少[11-13]。本文以公司自主研發(fā)的大物質(zhì)分選機(jī)(型號(hào)FXJ-20)為對(duì)象，研究此設(shè)備預(yù)處理餐廚垃圾的效果。通過(guò)觀察在不同進(jìn)料頻率和不同分選機(jī)運(yùn)行頻率下分選機(jī)的電流變化、分選料通量變化及物料組分變化，確定分選機(jī)的較優(yōu)運(yùn)行參數(shù)范圍，可以為后續(xù)設(shè)備優(yōu)化和工藝提升提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和材料

大物質(zhì)分選機(jī)(以下稱分選機(jī))由常州金源機(jī)械設(shè)備有限公司制造，型號(hào)FXJ-20，功率11 kW，運(yùn)行頻率為30～70 Hz，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。其工作原理為：餐廚垃圾經(jīng)過(guò)螺旋輸送從進(jìn)料口進(jìn)入分選機(jī)內(nèi)部，分選機(jī)主軸通過(guò)旋轉(zhuǎn)把餐廚垃圾打散并進(jìn)行輸送，其中尺寸大于3 cm的物料，如塑料、骨頭、木頭、織物等無(wú)法通過(guò)篩網(wǎng)(孔徑為3 cm)，只能從分選料出口排出，成為分選料，由于無(wú)法再次利用，隨后進(jìn)行填埋或焚燒處理；而尺寸小于3 cm的物料通過(guò)鋼質(zhì)篩網(wǎng)從漿料出口排出，成為漿料，隨后經(jīng)固液分離處理后，進(jìn)行昆蟲養(yǎng)殖或堆肥等資源化處理。

圖1 大物質(zhì)分選機(jī)結(jié)構(gòu)示意

其他設(shè)備：電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9246A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；電子天平(FA2004，上海恒平科學(xué)儀器有限公司)；電子秤(0～200 kg，上海恒剛儀器儀表有限公司)。

以餐廚廢棄物綜合處置工程收運(yùn)的餐廚垃圾作為試驗(yàn)原料，主體采用預(yù)處理—油脂提取—厭氧消化工藝。餐廚垃圾組分見(jiàn)表1。

表1 餐廚廢棄物組分質(zhì)量分布

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)控制分選機(jī)運(yùn)行頻率(70 Hz)不變，改變進(jìn)料頻率(11、13、15、17、19、21、23 Hz)，并取分選料和漿料進(jìn)行物理分揀及測(cè)試研究，探究進(jìn)料頻率變化對(duì)分選機(jī)電流、分選料通量、分選料及漿料組分的影響。

試驗(yàn)控制進(jìn)料頻率(11 Hz)不變，改變分選機(jī)的運(yùn)行頻率(30、40、50、60、70 Hz)，并取分選料和漿料進(jìn)行物理分揀及測(cè)試研究，探究分選機(jī)運(yùn)行頻率變化對(duì)分選機(jī)電流、分選料通量、分選料及物料組分的影響。

分選料為分選機(jī)的篩上物，其組分主要包括：塑料、織物、骨頭、木頭、金屬、有機(jī)質(zhì)(剩余物)等，還含有其他少量物質(zhì)如陶瓷、玻璃、橡膠、羽毛等。漿料為分選機(jī)的篩下物，其組分主要包括：塑料、骨頭、木頭、金屬、有機(jī)質(zhì)(剩余物和果皮)等，還含有其他少量物質(zhì)如橡膠、陶瓷、玻璃等。

相同控制條件下分別取分選料3次，每次至少取10 kg(鮮重)進(jìn)行分揀；同樣地，相同控制條件下分別取漿料3次，每次至少取5 kg(鮮重)進(jìn)行分揀。分揀完成后，對(duì)每種組分進(jìn)行稱重，計(jì)算分揀后每種組分的占比，取其平均值，盡量降低偶然性因素的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同進(jìn)料頻率和運(yùn)行頻率下分選機(jī)電流變化

變頻器上的實(shí)時(shí)電流變化可以反映分選機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，電流值低且起伏平穩(wěn)表示分選機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，電流值高、起伏波動(dòng)大則表示分選機(jī)處于高負(fù)荷狀態(tài)或處于異常狀態(tài)，需要降低處理負(fù)荷或者停機(jī)檢查設(shè)備，長(zhǎng)時(shí)間處于高負(fù)荷狀態(tài)會(huì)縮短設(shè)備的使用壽命。

保持分選機(jī)運(yùn)行頻率(70 Hz)不變，依次調(diào)節(jié)進(jìn)料頻率，電流變化如圖2所示。進(jìn)料在低頻率(小于17 Hz)運(yùn)行時(shí)，分選機(jī)運(yùn)行較為穩(wěn)定，設(shè)備電流波動(dòng)較為平緩，且電流數(shù)值較低，當(dāng)進(jìn)料頻率繼續(xù)增大時(shí)，分選機(jī)處理能力逐漸跟不上前端進(jìn)料速度，負(fù)荷逐漸升高，從而導(dǎo)致分選機(jī)電流的波動(dòng)起伏較大，且電流數(shù)值普遍偏高。因此，當(dāng)分選機(jī)在70 Hz的頻率下運(yùn)行時(shí)，進(jìn)料頻率宜控制在17 Hz以下。進(jìn)料頻率的調(diào)節(jié)應(yīng)根據(jù)當(dāng)日的生產(chǎn)情況而定，當(dāng)生產(chǎn)壓力較大時(shí)，調(diào)節(jié)進(jìn)料頻率為17 Hz；當(dāng)生產(chǎn)壓力較小時(shí)，調(diào)節(jié)進(jìn)料頻率在17 Hz以下即可，確保能完成當(dāng)日的生產(chǎn)任務(wù)。

圖2 不同進(jìn)料頻率下分選機(jī)的實(shí)時(shí)電流變化

保持進(jìn)料頻率(11 Hz)不變，依次調(diào)節(jié)分選機(jī)運(yùn)行頻率，電流變化如圖3所示。分選機(jī)在低頻率運(yùn)行時(shí)，設(shè)備電流波動(dòng)較大，電流數(shù)值較高，隨著分選機(jī)運(yùn)行頻率的逐漸增大，設(shè)備電流波動(dòng)逐漸趨于平穩(wěn)，電流數(shù)值逐漸變低，當(dāng)分選機(jī)頻率達(dá)到70 Hz時(shí)，設(shè)備達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。因此，當(dāng)進(jìn)料頻率(11 Hz)不變時(shí)，分選機(jī)的運(yùn)行頻率宜調(diào)節(jié)為70 Hz。

圖3 分選機(jī)在不同運(yùn)行頻率下的實(shí)時(shí)電流變化

2.2 不同進(jìn)料頻率和運(yùn)行頻率對(duì)分選料通量的影響

不同工況下分選料通量變化如圖4所示，分選料通量是指1 h內(nèi)產(chǎn)生分選料的質(zhì)量。由圖可知，當(dāng)分選機(jī)運(yùn)行頻率在70 Hz不變時(shí)，隨著進(jìn)料頻率增加，分選料通量呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì)，進(jìn)料量的增加必然會(huì)造成分選料通量的增加。當(dāng)進(jìn)料頻率在11 Hz不變時(shí)，隨著分選機(jī)運(yùn)行頻率逐漸升高，分選料通量呈現(xiàn)不斷降低的趨勢(shì)，說(shuō)明分選機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)與進(jìn)料頻率不匹配，部分物料沒(méi)有經(jīng)過(guò)篩分就被后端物料頂出而從分選料出口跑出，當(dāng)分選機(jī)運(yùn)行頻率達(dá)到70 Hz時(shí)，分選料通量最低，分選效果最好。

(a)分選機(jī)運(yùn)行頻率70 Hz (b)進(jìn)料頻率11 Hz

2.3 不同進(jìn)料頻率和運(yùn)行頻率對(duì)物料組分的影響

2.3.1 分選料組分變化情況

分選機(jī)分選料分揀情況如圖5所示。不同運(yùn)行工況下，分選料組分變化如圖6所示。由圖6(a)可知，當(dāng)分選機(jī)運(yùn)行頻率不變，進(jìn)料頻率超過(guò)17 Hz時(shí)，分選料中有機(jī)質(zhì)占比上升。部分漿料還沒(méi)來(lái)得及通過(guò)篩網(wǎng)就被后續(xù)的物料推著向分選料出口排出，而有機(jī)質(zhì)是餐廚垃圾資源化利用的重要組成部分，控制有機(jī)質(zhì)的損失是有必要的。結(jié)合圖4分析，當(dāng)進(jìn)料頻率超過(guò)17 Hz時(shí)，分選料中有機(jī)質(zhì)的含量明顯增多，為盡可能地控制有機(jī)質(zhì)損失，進(jìn)料頻率控制在17 Hz以下時(shí)較為合適。

圖5 分選料分揀情況

由圖6(b)可知，當(dāng)進(jìn)料頻率不變時(shí)，隨著分選機(jī)運(yùn)行頻率的增大，有機(jī)質(zhì)占比呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，在分選機(jī)頻率達(dá)到70 Hz時(shí)，分選效果達(dá)到最佳狀態(tài)。由于分選機(jī)在低頻率下，主軸旋轉(zhuǎn)較慢，對(duì)物料的分選作用跟不上進(jìn)料速度，部分漿料未通過(guò)篩網(wǎng)就被后續(xù)的物料推著從分選料出口排出，所以當(dāng)進(jìn)料頻率不變時(shí)，分選機(jī)頻率控制在70 Hz時(shí)較為合適。

(a)分選機(jī)運(yùn)行頻率不變 (b)進(jìn)料頻率不變

2.3.2 漿料組分變化情況

分選機(jī)漿料分揀效果如圖7所示。不同運(yùn)行工況下，漿料組分變化如圖8所示。運(yùn)行工況的變化對(duì)漿料的組分質(zhì)量分布影響很小。漿料中果皮、骨頭、剩余物的占比較高，占比總和在98% 以上且各自分布不呈現(xiàn)規(guī)律性，而塑料、木頭、金屬、陶瓷和橡膠的占比很小，占比總和不超過(guò)2%，主要是因?yàn)椴蛷N垃圾中尺寸較大的塑料、木頭、金屬、陶瓷、玻璃和橡膠等物質(zhì)難以通過(guò)篩網(wǎng)，已從分選料出口排出。

圖7 漿料分揀情況

(a)分選機(jī)運(yùn)行頻率不變 (b)進(jìn)料頻率不變

3 結(jié)論

(1)分選機(jī)運(yùn)行頻率為70 Hz，進(jìn)料頻率在17 Hz以下時(shí)，分選機(jī)電流值低且波動(dòng)穩(wěn)定，分選效果較好；進(jìn)料頻率超過(guò)17 Hz時(shí)，分選機(jī)電流值高且波動(dòng)起伏較大，分選效果較差，存在漿料從分選料出口跑出的情況，長(zhǎng)期運(yùn)行易縮短設(shè)備使用壽命；分選料通量變化與進(jìn)料頻率成正比；分選料中有機(jī)質(zhì)占比與進(jìn)料頻率成正比，其他組分變化無(wú)規(guī)律；在實(shí)際應(yīng)用中，進(jìn)料頻率一般控制在17 Hz以下。

(2)進(jìn)料頻率為11 Hz，分選機(jī)運(yùn)行頻率在70 Hz運(yùn)行時(shí)，設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷最小，電流值最低，電流波動(dòng)最平穩(wěn)，分選效果最好；分選機(jī)運(yùn)行頻率低于70 Hz時(shí)，設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷較大，電流值較高，電流波動(dòng)起伏較大，且存在漿料從分選料出口跑出的情況；分選料通量與分選機(jī)運(yùn)行頻率成反比；分選料中有機(jī)質(zhì)占比與分選機(jī)運(yùn)行頻率成反比，其他組分變化無(wú)規(guī)律；在實(shí)際應(yīng)用中，分選機(jī)運(yùn)行頻率應(yīng)為70 Hz。

(3)運(yùn)行工況的變化不會(huì)對(duì)漿料的組成成分造成影響；漿料中剩余物、果皮和骨頭質(zhì)量占比較大，三者占比總和在98%以上，其他雜物質(zhì)量占比不超過(guò)2%。

(4)后續(xù)還需對(duì)設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，如研究增大分選機(jī)篩網(wǎng)的孔徑對(duì)餐廚垃圾的處理效果的影響、處理效率與分選準(zhǔn)確性的平衡等。