小型餐廚廢棄物處置設(shè)施的研發(fā)設(shè)計(jì)

陳超

摘 ?要：為解決餐廚廢棄物的小型化、輕量化處理問(wèn)題，通過(guò)引入某小型處置設(shè)施采購(gòu)項(xiàng)目進(jìn)行餐廚廢棄物處理工藝要求、基本處理流程的分析，采用高強(qiáng)度研磨器、熱過(guò)載保護(hù)器與密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行廢棄物研磨工藝優(yōu)化，圍繞攪拌器、攪拌容器兩部分進(jìn)行連續(xù)反應(yīng)釜內(nèi)部反應(yīng)條件控制，基于高溫發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行加熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采用新型過(guò)濾分離材料進(jìn)行油水分離機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾處置設(shè)施的小型化、高性能、可靠性設(shè)計(jì)，滿足垃圾就地處置需求。將該項(xiàng)目研發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，能夠?yàn)橥?lèi)項(xiàng)目中裝置設(shè)計(jì)及采購(gòu)環(huán)節(jié)提供重要參考。

關(guān)鍵詞：餐廚廢棄物;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);控制系統(tǒng)

近年來(lái)餐廚垃圾無(wú)害化處理與回收利用成為環(huán)保行業(yè)新興業(yè)務(wù)點(diǎn)，然而現(xiàn)有廢棄物處置設(shè)施因存在占地空間大、處置效率低、運(yùn)行過(guò)程不穩(wěn)定、續(xù)航能力差等普遍問(wèn)題，嚴(yán)重影響環(huán)保政策普及效率。基于此，亟需對(duì)現(xiàn)有廢棄物處置設(shè)施進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，滿足小規(guī)模、就地處置需求，為同類(lèi)處置設(shè)施的應(yīng)用推廣提供現(xiàn)實(shí)借鑒意義。

1 工藝流程研究

以某小型餐廚廢棄物就地處置設(shè)施采購(gòu)項(xiàng)目為例，根據(jù)餐廚廢棄物基本成分與環(huán)保部門(mén)處置要求，其處理目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)對(duì)餐廚廢棄物的破碎、脫渣及脫水處理[1]。具體來(lái)說(shuō)，由專(zhuān)用運(yùn)輸車(chē)輛將餐廚廢棄物集中收集、投放至進(jìn)料口內(nèi)，經(jīng)由一級(jí)提升機(jī)運(yùn)送至分流器內(nèi)，完成物料分離處理，并分別輸送至5個(gè)一級(jí)反應(yīng)釜內(nèi);在反應(yīng)釜內(nèi)完成物料處理，分別通過(guò)兩級(jí)絞龍、分揀裝置將未完全粉碎的固體物料剔除;剩余液體物料經(jīng)由二級(jí)提升機(jī)進(jìn)入二級(jí)反應(yīng)釜，經(jīng)由化合反應(yīng)后完成產(chǎn)品生產(chǎn);再將余下物料運(yùn)送至粉碎機(jī)內(nèi)，將沉淀物質(zhì)粉碎成末，余下液態(tài)物料則經(jīng)由三級(jí)提升機(jī)運(yùn)送至分離器中，留待后續(xù)實(shí)現(xiàn)油水分離?；谏鲜隽鞒蹋苫緦?shí)現(xiàn)對(duì)餐廚廢棄物的減量化處理，在此基礎(chǔ)上整合客戶要求與以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)，整體處置設(shè)施由主體框架、固液分離機(jī)、破碎機(jī)、反應(yīng)釜、加熱器、油水分離機(jī)等設(shè)備組成，并利用自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過(guò)程控制。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 破碎機(jī)設(shè)計(jì)

在餐廚廢棄物處置設(shè)施進(jìn)料口下方設(shè)計(jì)一個(gè)破碎裝置，基于物理研磨工藝進(jìn)行固體廢棄物的研磨、粉碎處理[2]。在破碎機(jī)結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)上，選用鎳鉻合金作為研磨器制造原料，提高研磨器切割強(qiáng)度，并有效改善其耐腐蝕效果;在感應(yīng)馬達(dá)設(shè)計(jì)上，將其轉(zhuǎn)速設(shè)為1725r/min，支持破碎硬度大、纖維結(jié)構(gòu)、粘性強(qiáng)的多種物料，可沿正、反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，延長(zhǎng)研磨器使用壽命，并且在馬達(dá)內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)熱過(guò)載保護(hù)器，起到保護(hù)馬達(dá)作用;在破碎機(jī)內(nèi)部設(shè)有3層密封結(jié)構(gòu)，中間層采用彈簧油封形式設(shè)計(jì)，用于同步防范進(jìn)水、漏油;在研磨腔頂端連接部位增設(shè)一個(gè)橡膠墊圈，選用雙圓錐滾子軸承與密封圈形成組合結(jié)構(gòu)，用于發(fā)揮減噪、降震作用。

2.2 反應(yīng)釜設(shè)計(jì)

在連續(xù)攪拌反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，主要由攪拌機(jī)、攪拌容器兩部分組成，其中攪拌機(jī)采用電動(dòng)馬達(dá)、轉(zhuǎn)軸、密封裝置、攪拌組件及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接形式設(shè)計(jì)，攪拌容器采用釜體、構(gòu)件及換熱元件連接形式設(shè)計(jì)。釜體選用不銹鋼制成罐形結(jié)構(gòu)，容器內(nèi)襯銀，供物料反應(yīng);將夾套以鋼結(jié)構(gòu)形式焊接在反應(yīng)釜外壁上，將試劑注入夾套中，經(jīng)由內(nèi)壁起到傳熱作用，形成相對(duì)密閉空間，并經(jīng)由管道與電磁閥連接，通過(guò)控制電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)注入試劑每秒流量值的調(diào)控，用于調(diào)節(jié)容器內(nèi)的反應(yīng)溫度;將電動(dòng)馬達(dá)作為攪拌器的驅(qū)動(dòng)裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)馬達(dá)功率實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌器運(yùn)轉(zhuǎn)速率的控制，保證實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜內(nèi)物料的均勻攪拌。在完成反應(yīng)釜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在工藝運(yùn)行過(guò)程中結(jié)合溫度變化與反應(yīng)速率進(jìn)行反應(yīng)釜內(nèi)惰性物料的及時(shí)處理，維持容器內(nèi)物料的平衡狀態(tài);在補(bǔ)充反應(yīng)釜內(nèi)物料時(shí)，選擇在反應(yīng)釜入口處加裝一個(gè)溫度傳感器，保證入口處與釜內(nèi)溫度處于平衡狀態(tài)，避免因加入物料過(guò)量或偏少影響到反應(yīng)狀態(tài)。

2.3 加熱器設(shè)計(jì)

基于菌種生物降解法進(jìn)行餐廚廢棄物處理，主要利用高溫發(fā)酵過(guò)程提高廢棄物發(fā)酵速率，使菌種進(jìn)入活躍狀態(tài)、與餐廚廢棄物發(fā)生反應(yīng)，借此有效縮短廢棄物降解時(shí)長(zhǎng)、提高處理效率[3]。在加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，待餐廚廢棄物從反應(yīng)釜運(yùn)出后進(jìn)入加熱器中，滾筒內(nèi)物料僅占筒體容積的2/3左右，將加熱空氣注入余下1/3空間中，利用氣體與廢棄物間的溫差形成強(qiáng)制對(duì)流條件，促成熱量交換與傳遞。在加熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，筒體內(nèi)部沿縱向劃分為三層結(jié)構(gòu)，底層放置菌種，上方設(shè)置不銹鋼網(wǎng)孔隔離鋼板，在鋼板上方設(shè)計(jì)多組刀片、以垂直狀態(tài)插入鋼板表面，用于承接上方餐廚廢棄物;筒體右側(cè)連通加溫度傳感器與加熱板，對(duì)連接管道轉(zhuǎn)彎處設(shè)有骨架密封結(jié)構(gòu)，與筒體接口處設(shè)置擋風(fēng)罩;筒體左側(cè)上方還設(shè)有液體過(guò)濾塞，依次連接球形噴淋管、溫濕度傳感器與除臭裝置，并通過(guò)與電磁閥連接實(shí)現(xiàn)設(shè)備溫度控制，最終經(jīng)由過(guò)濾網(wǎng)孔將滾筒內(nèi)空氣排出。

2.4 油水分離機(jī)設(shè)計(jì)

在過(guò)濾網(wǎng)正下方設(shè)計(jì)油水分離機(jī)，基于波紋板聚結(jié)法進(jìn)行裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在新型波紋板材的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)上，主要根據(jù)液體、固體界面張力平衡原理在材料表面設(shè)計(jì)一個(gè)接觸角，將固體與氣體、液體與氣體、固體與液體之間的表面張力分別設(shè)為γsv、γlv和γsl，各界面接觸角設(shè)為θ，其中當(dāng)θ>90°時(shí)即可有效發(fā)揮疏水作用，則接觸角與界面張力的關(guān)系可表示為：

將上述疏水材料制成的過(guò)濾網(wǎng)安裝在污水處理箱前端和內(nèi)部，待油水混合物從加熱器中排出后，經(jīng)由污水進(jìn)口進(jìn)入污水處理箱中，在攔截板上開(kāi)設(shè)一排洗孔，使污水勻速流經(jīng)油水分離網(wǎng)，將油直接送入油隔離層中，其余水則進(jìn)入水隔離層中，借此有效延長(zhǎng)油水分離時(shí)間，保證實(shí)現(xiàn)對(duì)混合污染物的高效分離。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，選用MCS-51單片機(jī)、AT89S51控制器實(shí)現(xiàn)具體控制功能。在核心單元與元件選型設(shè)計(jì)上，單片機(jī)內(nèi)部包含8位CPU、128B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、4KB Flash ROM程序存儲(chǔ)器、4個(gè)8位并行I/O口、1個(gè)全雙工異步串行口、2個(gè)可編程16位定時(shí)器、1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器、中斷系統(tǒng)、26個(gè)特殊功能寄存器以及3個(gè)程序加密定位鎖;溫濕度控制系統(tǒng)由DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)，用于檢測(cè)滾筒內(nèi)的溫濕度數(shù)值;TFT顯示模塊設(shè)有液晶顯示器，用于實(shí)現(xiàn)萬(wàn)溫濕度、重量數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)顯示;搭配三相交流電機(jī)中設(shè)置的Fuzzy-PID控制器進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)閉合回路的變頻調(diào)速功能。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)上，表現(xiàn)為：系統(tǒng)啟動(dòng)、開(kāi)始進(jìn)料，電機(jī)啟動(dòng)，分別完成重量、溫濕度數(shù)值的設(shè)置與檢測(cè)，將獲取傳感器參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，判斷是否加料或啟動(dòng)噴淋裝置、風(fēng)機(jī)及加熱裝置等，待系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)超過(guò)24h后，控制系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，完成整體控制流程的自動(dòng)化。其中步進(jìn)電機(jī)由加減速調(diào)節(jié)、正反轉(zhuǎn)控制、步進(jìn)角測(cè)試三項(xiàng)程序?qū)崿F(xiàn)控制功能，利用傳感器將采集的溫濕度數(shù)據(jù)顯示在觸摸屏端，通過(guò)與設(shè)定值比較判斷是否需觸發(fā)相應(yīng)程序及功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱時(shí)長(zhǎng)、溫度的控制，并依托安裝在出口部位的紅外傳感器進(jìn)行排出物料的檢測(cè)，控制輸送電機(jī)及設(shè)備啟停。

4 結(jié)論

通過(guò)基于環(huán)保行動(dòng)背景進(jìn)行餐廚廢棄物處置設(shè)施研發(fā)設(shè)計(jì)方案的梳理，經(jīng)由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件選型、軟件開(kāi)發(fā)等環(huán)節(jié)完成設(shè)備試制與生產(chǎn)。該設(shè)備投入使用后，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)24h的不間斷處理作業(yè)，一次可支持處理160L體積以上的廚余垃圾，具有處理周期短、處理效率高、無(wú)二次污染、易于拆裝等性能優(yōu)勢(shì)，滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行需求。將該項(xiàng)目中研發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，能夠?yàn)橥?lèi)項(xiàng)目采購(gòu)及處置設(shè)施投入生產(chǎn)提供良好示范價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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