光伏餐廚垃圾處理設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)

王現(xiàn)軍 鄧雨晴 朱楊楊 張嘉誠(chéng) 季韋曄 陳 敏

（南通理工學(xué)院電氣與能源工程學(xué)院，江蘇 南通 226001）

0 引言

目前，城鎮(zhèn)生活垃圾中餐廚垃圾占比日益增加[1]。2022年，我國(guó)生活垃圾清運(yùn)量為24869.2×105t，餐廚垃圾占比約為40%～50%[2]，以餐廚垃圾占比40%計(jì)算，2021 年我國(guó)餐廚垃圾產(chǎn)量可達(dá)9404.68×105t。與其他生活垃圾相比，餐廚垃圾具有產(chǎn)量大、來(lái)源廣泛、危害明顯和可回收利用價(jià)值高等特點(diǎn)。如果餐廚垃圾處理不得當(dāng)，容易造成環(huán)境污染，破壞人們的生活環(huán)境。餐廚垃圾含水率較高（70%～90%）[3]，目前餐廚垃圾的主要處理方法有填埋、焚燒、厭氧發(fā)酵、好氧堆肥、飼料化、生物轉(zhuǎn)化以及蒸煮提取廢棄生物油脂等。將餐廚垃圾做成有機(jī)肥，可以替代傳統(tǒng)化肥，改良土壤，生產(chǎn)出有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品，還可以減少對(duì)環(huán)境的破壞，因此該設(shè)備具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，市面上用于餐廚垃圾的螺旋擠壓脫水機(jī)功能較單一，功率、體積較大，不適合一般餐飲場(chǎng)所使用。為了有效完成餐廚垃圾清運(yùn)工作，減少末端處理總量，防止城市環(huán)境污染，筆者設(shè)計(jì)了一種小型的餐廚垃圾處理設(shè)備，采用光伏發(fā)電，協(xié)同螺旋擠壓、轉(zhuǎn)筒烘干，對(duì)固體和液體進(jìn)行分離處理，實(shí)現(xiàn)從源頭對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行減量化和資源化處理的功能。

1 設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)備整體設(shè)計(jì)

餐廚垃圾處理設(shè)備主要由電能供應(yīng)系統(tǒng)、螺旋擠壓系統(tǒng)、轉(zhuǎn)筒烘干系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)組成，設(shè)備功能系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示，電能供應(yīng)系統(tǒng)、螺旋擠壓系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)筒烘干系統(tǒng)在智能控制系統(tǒng)的作用下工作，當(dāng)光伏發(fā)電和蓄電池儲(chǔ)能不足以支持系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可接入家用220 V 交流電進(jìn)行供電，也可通過(guò)220 V 交流電直接為蓄電池充電，確保設(shè)備可以穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行，智能控制系統(tǒng)可以對(duì)電流進(jìn)行整流、升壓，將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為可供電機(jī)使用的220 V 交流電?？刂葡到y(tǒng)也可以檢測(cè)和調(diào)節(jié)螺旋軸的轉(zhuǎn)速，對(duì)不同種類餐廚垃圾進(jìn)行處理。通過(guò)監(jiān)測(cè)PTC 加熱溫度，可以保證轉(zhuǎn)筒內(nèi)溫度正常，避免出現(xiàn)溫度過(guò)高、線路起火等安全隱患。

圖1 餐廚垃圾處理設(shè)備功能系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

當(dāng)光照條件較好時(shí)，太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能并存儲(chǔ)在蓄電池內(nèi)，給負(fù)載提供電能。當(dāng)光照條件較差、蓄電池未充滿電時(shí)，可以通過(guò)家用220 V 交流電給蓄電池充電。家用220 V 交流電也可以直接給電機(jī)供電。太陽(yáng)能板和蓄電池通過(guò)智能控制器連接，智能控制器可以防止蓄電池過(guò)充或過(guò)放，起到保護(hù)蓄電池、延長(zhǎng)蓄電池使用壽命的作用，逆變器將蓄電池內(nèi)部存儲(chǔ)的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀蝗喈惒诫妱?dòng)機(jī)使用的交流電。

通過(guò)螺旋擠壓機(jī)除去餐廚垃圾中的水分、油類，濾液透過(guò)濾網(wǎng)流入濾液收集器。利用絮凝-沉降和膜分離技術(shù)處理油脂，對(duì)油脂進(jìn)行分離。隨著螺旋軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，餐廚垃圾沿著葉片向出料口移動(dòng)，被壓縮的垃圾在螺旋軸的末端料塞管處形成濾餅，完成連續(xù)的擠壓脫水過(guò)程。

固態(tài)物經(jīng)過(guò)螺旋擠壓后進(jìn)入圓筒內(nèi)，在圓筒的上端使用PTC 加熱器加熱周圍空氣，風(fēng)機(jī)將熱空氣從右往左吹進(jìn)轉(zhuǎn)筒，實(shí)現(xiàn)固態(tài)物的除濕干燥，圓筒的中間部位在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)的抄板將物料抄起并落下，在轉(zhuǎn)筒的最低處設(shè)置容器，收集固態(tài)物，容器底部設(shè)置通風(fēng)口，以排出烘干的水汽。

1.2 電能供應(yīng)系統(tǒng)

電能供應(yīng)流程如圖2 所示，主要由太陽(yáng)能電池方陣、蓄電池、智能控制器以及逆變器等組成。太陽(yáng)能電池組件可以固定安裝在裝置上方，考慮城市采光等條件的影響，太陽(yáng)能電池板也可以安裝在建筑物屋頂。太陽(yáng)能電池采用單晶硅光伏電池，蓄電池采用閥控鉛酸蓄電池。智能控制器通過(guò)設(shè)置參數(shù)，防止對(duì)蓄電池的過(guò)充、過(guò)放，起到保護(hù)蓄電池的作用，從而延長(zhǎng)其使用壽命。通過(guò)計(jì)算，選擇最大功率點(diǎn)工作電壓為40 V、最大功率點(diǎn)工作電流為10 A 的太陽(yáng)能電池板（36 塊），單組電池通過(guò)18 串2 并焊接而成。蓄電池組工作電壓為36 V，容量為200 Ah。

圖2 電能供應(yīng)流程圖

在太陽(yáng)能板角度設(shè)計(jì)上，采用可調(diào)節(jié)角度的太陽(yáng)能板支架結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w情況來(lái)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能板的傾角，方便攜帶和使用，太陽(yáng)能板與箱體通過(guò)MC4 光伏連接器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能板與箱體的連接和分離。

1.3 螺旋擠壓系統(tǒng)

螺旋擠壓系統(tǒng)由擠壓脫水部分和傳動(dòng)部分組成，擠壓脫水部分由螺旋軸、濾網(wǎng)和密封裝置等組成，傳動(dòng)部分由電機(jī)、減速器等組成，螺旋軸采用變徑變螺距的設(shè)計(jì)。該設(shè)備的螺旋擠壓機(jī)主要用于餐廚垃圾的連續(xù)輸送和擠壓脫水。工作原理如下：當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，連續(xù)地從進(jìn)料倉(cāng)加入餐廚垃圾，隨著螺旋軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，餐廚垃圾沿著濾網(wǎng)向料塞管處移動(dòng)，餐廚垃圾在移動(dòng)過(guò)程中，在變化的螺距作用下形成巨大的擠壓力，使餐廚垃圾不斷被壓縮，餐廚垃圾中的游離液體從濾網(wǎng)的縫隙中流出，被壓縮的垃圾在螺旋軸的末端料塞管處形成料塞。螺旋軸持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，垃圾受到螺旋葉片持續(xù)的推力作用，料塞被連續(xù)推出，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的擠壓脫水過(guò)程。螺旋擠壓系統(tǒng)的三維圖如圖3 所示。

圖3 螺旋擠壓系統(tǒng)三維圖

1.4 轉(zhuǎn)筒烘干系統(tǒng)

烘干系統(tǒng)主要由圓筒、抄板、電機(jī)、PTC 加熱器和風(fēng)機(jī)等組成。烘干系統(tǒng)的主體是傾斜角為30°的圓筒，中間部位是利用電機(jī)、滑動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)筒，轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁上裝有抄板，可將固態(tài)物不斷抄起又灑下。

工作原理如下：固態(tài)物從圓筒的上端落入，在重力和風(fēng)力的作用下從一端向另一端移動(dòng)，與通過(guò)筒內(nèi)的干燥介質(zhì)進(jìn)行有效接觸而被干燥，同時(shí)，轉(zhuǎn)筒內(nèi)壁加裝了抄板，增加了固態(tài)物與干燥介質(zhì)的接觸面積，從而提高了干燥速率。干燥過(guò)程所用的介質(zhì)為熱空氣，烘干系統(tǒng)采用并流式進(jìn)行干燥，并流式是熱風(fēng)與物料均從轉(zhuǎn)筒同一端進(jìn)出，適合黏附性較大的餐廚垃圾。

加熱模塊是PTC 加熱片和風(fēng)機(jī)，PTC 加熱片產(chǎn)生熱量對(duì)空氣進(jìn)行加熱，風(fēng)機(jī)使熱空氣在筒內(nèi)流動(dòng)。加熱器由PTC陶瓷發(fā)熱元件和鋁管組成，具有熱阻小、換熱效率高、安全性高以及升溫迅速等優(yōu)點(diǎn)，是一種自動(dòng)恒溫、省電的電加熱器。在安全性能方面，當(dāng)PTC 加熱器得不到風(fēng)機(jī)的充分散熱時(shí)，其功率會(huì)自動(dòng)下降，不會(huì)產(chǎn)生例如電熱管類加熱器的表面“發(fā)紅”現(xiàn)象，從而減少起火等安全隱患。對(duì)市面上現(xiàn)有的暖風(fēng)機(jī)進(jìn)行選型，選擇NQS-G20A 型暖風(fēng)機(jī)，其總功率為2 kW，同時(shí)利用發(fā)熱元件提高轉(zhuǎn)筒內(nèi)的環(huán)境溫度，也可以對(duì)餐廚垃圾的細(xì)菌進(jìn)行消殺。在圓筒體的下端和靠近風(fēng)機(jī)側(cè)設(shè)置通風(fēng)孔，便于出風(fēng)和進(jìn)風(fēng)，實(shí)現(xiàn)熱空氣在筒內(nèi)的單向流動(dòng)，避免對(duì)設(shè)備其他系統(tǒng)造成影響。烘干系統(tǒng)具有生產(chǎn)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及操作方便等特點(diǎn)，可以滿足餐廚垃圾較多時(shí)的處理需求。

1.5 智能控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要由2 個(gè)部分構(gòu)成。第一部分是控制蓄電池的充/放，防止蓄電池過(guò)充、過(guò)放，造成損壞，智能控制器可以檢測(cè)蓄電池電壓，當(dāng)蓄電池電壓到達(dá)極限時(shí)，電路自動(dòng)斷開(kāi)，當(dāng)蓄電池電壓在正常范圍時(shí)，電路導(dǎo)通。

第二部分是智能控制面板，可以對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行控制，將各系統(tǒng)聯(lián)接，設(shè)置指示燈，對(duì)電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)各器件正常工作時(shí)，指示燈為綠色，當(dāng)某一部件不工作時(shí)，指示燈為紅色，方便檢修。

2 理論計(jì)算

2.1 電能供應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

平均日照時(shí)間為3 h，逆變器效率為95%，電動(dòng)機(jī)功率為750 W，熱風(fēng)機(jī)為2 000 W。

總功率P如公式（1）所示。

假設(shè)每天工作t為2 h，那么總能耗W1如公式（2）所示。

放電深度為75%，取蓄電池電壓V=36 V，那么蓄電池容量Q如公式（3）所示。

假設(shè)太陽(yáng)能電池每天給蓄電池充電可供負(fù)載工作2 d，選擇容量為600 Ah 的蓄電池需要的總能耗W2如公式（4）所示。

因此，將PSC 太陽(yáng)能電池板先串聯(lián)、再并聯(lián)，得到串聯(lián)電路一、二的電壓都是7 368.4 V。

PSC 太陽(yáng)能電池板的數(shù)量如公式（5）所示。

由公式（5）可知，需要PSC 太陽(yáng)能電池板36 塊。綜上所述，選擇36 塊電壓為40 V、電流為10 A 的太陽(yáng)能電池板，單組電池通過(guò)18 串2 并焊接而成。

2.2 螺旋擠壓參數(shù)設(shè)計(jì)

螺旋軸全長(zhǎng)為1 m。傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，有電動(dòng)機(jī)、減速器等，對(duì)螺旋桿分析和電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選型，電動(dòng)機(jī)的額定功率為0.75 kW，螺距為0.15 m。

螺旋軸直徑D如公式（6）所示。

式中：k2為物料特性系數(shù)，k2=30；?為物料填充系數(shù)，?=0.33；γ為物料堆積重度，γ=0.3t/m3；G為輸送能力；C為傾斜工作時(shí)輸送量校正系數(shù)。

圓軸的直徑d如公式（7）所示。

螺旋軸轉(zhuǎn)速n如公式（8）所示。

式中：k2為物料特性系數(shù)，k2=30。

輸送量Q如公式（9）所示。

式中：s為螺距；ε為傾斜輸送系數(shù)。

取50 r/min，選取電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為Y80M1-2，轉(zhuǎn)速為2 830 r/min，減速比為56，選取單級(jí)臥式擺線減速器，型號(hào)為XWVP3-56-0.75。

與火力發(fā)電相比，通過(guò)光伏發(fā)電，每日可減少電能7 kW·h。

二氧化碳日減少量如公式（10）所示。

3 工作原理

當(dāng)白天陽(yáng)光充足時(shí)，太陽(yáng)能電池方陣接受太陽(yáng)能并轉(zhuǎn)化為電能，將太陽(yáng)能發(fā)出的電能儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)，蓄電池充滿后自動(dòng)停止充電，同時(shí)如果蓄電池電量不足，可以接入家用220 V 交流電為蓄電池充電。當(dāng)需要使用設(shè)備時(shí)，按下啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，蓄電池中的直流電通過(guò)逆變器變成220 V 交流電，螺旋擠壓機(jī)和烘干機(jī)開(kāi)始工作，螺旋擠壓機(jī)和烘干機(jī)并聯(lián)，餐廚垃圾通過(guò)入料口進(jìn)入螺旋擠壓機(jī)，當(dāng)軸體旋轉(zhuǎn)時(shí)，餐廚垃圾與螺旋面產(chǎn)生接觸力，螺旋軸面接觸力分為周向分力和軸向分力，在軸向分力的作用下，螺旋面推動(dòng)餐廚垃圾沿著軸向方向運(yùn)動(dòng)，由入料口推向出料口。

液體通過(guò)篩網(wǎng)進(jìn)入液體收集容器。如果液體中油脂含量較高，就向油脂層加入絮凝劑，將油脂固態(tài)化，可用作生物燃料。餐廚垃圾中油脂和固體懸浮物含量較高，先采用重力分離法，去除絕大部分浮油，然后放入絮凝劑對(duì)溶解油進(jìn)行絮凝-沉降處理，最后液體進(jìn)入膜分離器利用膜特性再次分離油脂。目前，可用于餐廚廢棄油脂油水分離處理的絮凝劑主要有無(wú)機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑和復(fù)合絮凝劑。一般根據(jù)餐飲廢棄油脂的具體特性選擇相應(yīng)類型的絮凝劑。尹艷華等[4]系統(tǒng)比較了堿式氯化鋁、硫酸鐵、氯化鋁、硫酸亞鐵和硫酸鋁鉀5 種單一絮凝劑以及硫酸鋁鉀、聚丙烯酰胺復(fù)合絮凝劑體系對(duì)餐飲廢水的處理效果，試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合體系的處理效率明顯優(yōu)于單一絮凝劑的絮凝成果。崔文博[5]利用淀粉合成了一種無(wú)污染、無(wú)毒的天然高分子絮凝劑，試驗(yàn)采用淀粉作為接枝共聚物母體，加入α-甲基丙烯酸，合成了有機(jī)陰離子高分子絮凝劑，與聚丙烯酰胺等絮凝劑相比，其具有絮凝效果好、無(wú)毒、無(wú)污染以及價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，該文采用其作為去除油脂和溶解有機(jī)物的材料。膜分離技術(shù)是指混合物中的不同物質(zhì)在通過(guò)半透膜的過(guò)程中，不同粒徑的分子實(shí)現(xiàn)選擇性分離，常見(jiàn)的可用于油水分離的膜有反滲透膜、納濾膜、超濾膜、微濾膜和電滲析膜等，可用作截留乳化油和溶解油。

餐廚垃圾經(jīng)過(guò)出料口后，固態(tài)物落入容器內(nèi)，烘干模塊進(jìn)行工作，風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)吹入容器內(nèi)，對(duì)固態(tài)物進(jìn)行除濕干燥，工作原理如圖4 所示。

圖4 工作原理圖

4 結(jié)語(yǔ)

餐飲場(chǎng)所作為餐廚垃圾產(chǎn)生的主要場(chǎng)所，其對(duì)餐廚垃圾的處理能力還不高，僅停留在分類收集的階段，無(wú)法進(jìn)一步對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行處理，同時(shí)餐廚垃圾具有水分多、易腐敗以及不便保存的特點(diǎn)，導(dǎo)致餐廚垃圾在餐飲場(chǎng)所的存放時(shí)間不能太長(zhǎng)，尤其在夏季溫度較高的時(shí)期，往往容易招致蚊蠅，對(duì)生活環(huán)境造成污染，同時(shí)也不便運(yùn)輸。與傳統(tǒng)的餐廚垃圾處理設(shè)備相比，光伏餐廚垃圾處理裝置的創(chuàng)新點(diǎn)如下：1） 電能自產(chǎn)自用，把控節(jié)能源頭。利用光伏發(fā)電系統(tǒng)為蓄電池充電，蓄電池再為負(fù)載供電，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)發(fā)電、儲(chǔ)能的雙效模式，保證裝置動(dòng)力。充分利用太陽(yáng)能，減少二氧化碳排放量。2） 技術(shù)協(xié)同應(yīng)用，同步分離“固脂液”。運(yùn)用螺旋擠壓技術(shù)對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行初步固液分離。對(duì)濾液部分來(lái)說(shuō)，采用絮凝分離技術(shù)分離油脂成分，可以作為生物柴油、肥皂以及硬脂酸等產(chǎn)品化工原料，實(shí)現(xiàn)回收再利用；對(duì)固體部分來(lái)說(shuō)，結(jié)合轉(zhuǎn)筒烘干技術(shù)，對(duì)固態(tài)物質(zhì)進(jìn)一步除濕，為產(chǎn)出物進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成為有機(jī)肥提供可能，以提高經(jīng)濟(jì)效益。3） 智能過(guò)程管理，掌控減排過(guò)程。設(shè)計(jì)智能控制系統(tǒng)，通過(guò)溫濕度傳感器將數(shù)據(jù)反饋給中控系統(tǒng)，濕度降到設(shè)定數(shù)值，烘干機(jī)與熱風(fēng)機(jī)自動(dòng)停止工作；同時(shí)通過(guò)質(zhì)量進(jìn)行傳感，控制裝置容器內(nèi)垃圾的容量，以確保產(chǎn)出精度和工作效率。