光伏餐廚垃圾處理設備的結構和功能設計

王現軍 鄧雨晴 朱楊楊 張嘉誠 季韋曄 陳 敏

（南通理工學院電氣與能源工程學院，江蘇 南通 226001）

0 引言

目前，城鎮生活垃圾中餐廚垃圾占比日益增加[1]。2022年，我國生活垃圾清運量為24869.2×105t，餐廚垃圾占比約為40%～50%[2]，以餐廚垃圾占比40%計算，2021 年我國餐廚垃圾產量可達9404.68×105t。與其他生活垃圾相比，餐廚垃圾具有產量大、來源廣泛、危害明顯和可回收利用價值高等特點。如果餐廚垃圾處理不得當，容易造成環境污染，破壞人們的生活環境。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、厭氧發酵、好氧堆肥、飼料化、生物轉化以及蒸煮提取廢棄生物油脂等。將餐廚垃圾做成有機肥，可以替代傳統化肥，改良土壤，生產出有機農產品，還可以減少對環境的破壞，因此該設備具有廣闊的應用前景。

目前，市面上用于餐廚垃圾的螺旋擠壓脫水機功能較單一，功率、體積較大，不適合一般餐飲場所使用。為了有效完成餐廚垃圾清運工作，減少末端處理總量，防止城市環境污染，筆者設計了一種小型的餐廚垃圾處理設備，采用光伏發電，協同螺旋擠壓、轉筒烘干，對固體和液體進行分離處理，實現從源頭對餐廚垃圾進行減量化和資源化處理的功能。

1 設計方案

1.1 設備整體設計

餐廚垃圾處理設備主要由電能供應系統、螺旋擠壓系統、轉筒烘干系統和智能控制系統組成，設備功能系統設計如圖1 所示，電能供應系統、螺旋擠壓系統以及轉筒烘干系統在智能控制系統的作用下工作，當光伏發電和蓄電池儲能不足以支持系統運行時，可接入家用220 V 交流電進行供電，也可通過220 V 交流電直接為蓄電池充電，確保設備可以穩定、持續運行，智能控制系統可以對電流進行整流、升壓，將太陽能電池板產生的直流電轉化為可供電機使用的220 V 交流電。控制系統也可以檢測和調節螺旋軸的轉速，對不同種類餐廚垃圾進行處理。通過監測PTC 加熱溫度，可以保證轉筒內溫度正常，避免出現溫度過高、線路起火等安全隱患。

圖1 餐廚垃圾處理設備功能系統設計圖

當光照條件較好時，太陽能電池板將光能轉化為電能并存儲在蓄電池內，給負載提供電能。當光照條件較差、蓄電池未充滿電時，可以通過家用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供電。太陽能板和蓄電池通過智能控制器連接，智能控制器可以防止蓄電池過充或過放，起到保護蓄電池、延長蓄電池使用壽命的作用，逆變器將蓄電池內部存儲的直流電轉變為可被三相異步電動機使用的交流電。

通過螺旋擠壓機除去餐廚垃圾中的水分、油類，濾液透過濾網流入濾液收集器。利用絮凝-沉降和膜分離技術處理油脂，對油脂進行分離。隨著螺旋軸的轉動，餐廚垃圾沿著葉片向出料口移動，被壓縮的垃圾在螺旋軸的末端料塞管處形成濾餅，完成連續的擠壓脫水過程。

固態物經過螺旋擠壓后進入圓筒內，在圓筒的上端使用PTC 加熱器加熱周圍空氣，風機將熱空氣從右往左吹進轉筒，實現固態物的除濕干燥，圓筒的中間部位在電動機帶動下轉動，轉筒內的抄板將物料抄起并落下，在轉筒的最低處設置容器，收集固態物，容器底部設置通風口，以排出烘干的水汽。

1.2 電能供應系統

電能供應流程如圖2 所示，主要由太陽能電池方陣、蓄電池、智能控制器以及逆變器等組成。太陽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，太陽能電池板也可以安裝在建筑物屋頂。太陽能電池采用單晶硅光伏電池，蓄電池采用閥控鉛酸蓄電池。智能控制器通過設置參數，防止對蓄電池的過充、過放，起到保護蓄電池的作用，從而延長其使用壽命。通過計算，選擇最大功率點工作電壓為40 V、最大功率點工作電流為10 A 的太陽能電池板（36 塊），單組電池通過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 電能供應流程圖

在太陽能板角度設計上，采用可調節角度的太陽能板支架結構，可以根據當地具體情況來調節太陽能板的傾角，方便攜帶和使用，太陽能板與箱體通過MC4 光伏連接器進行連接，實現太陽能板與箱體的連接和分離。

1.3 螺旋擠壓系統

螺旋擠壓系統由擠壓脫水部分和傳動部分組成，擠壓脫水部分由螺旋軸、濾網和密封裝置等組成，傳動部分由電機、減速器等組成，螺旋軸采用變徑變螺距的設計。該設備的螺旋擠壓機主要用于餐廚垃圾的連續輸送和擠壓脫水。工作原理如下：當設備運轉時，連續地從進料倉加入餐廚垃圾，隨著螺旋軸的轉動，餐廚垃圾沿著濾網向料塞管處移動，餐廚垃圾在移動過程中，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。螺旋軸持續轉動，垃圾受到螺旋葉片持續的推力作用，料塞被連續推出，實現連續的擠壓脫水過程。螺旋擠壓系統的三維圖如圖3 所示。

圖3 螺旋擠壓系統三維圖

1.4 轉筒烘干系統

烘干系統主要由圓筒、抄板、電機、PTC 加熱器和風機等組成。烘干系統的主體是傾斜角為30°的圓筒，中間部位是利用電機、滑動軸承轉動的轉筒，轉筒內壁上裝有抄板，可將固態物不斷抄起又灑下。

工作原理如下：固態物從圓筒的上端落入，在重力和風力的作用下從一端向另一端移動，與通過筒內的干燥介質進行有效接觸而被干燥，同時，轉筒內壁加裝了抄板，增加了固態物與干燥介質的接觸面積，從而提高了干燥速率。干燥過程所用的介質為熱空氣，烘干系統采用并流式進行干燥，并流式是熱風與物料均從轉筒同一端進出，適合黏附性較大的餐廚垃圾。

加熱模塊是PTC 加熱片和風機，PTC 加熱片產生熱量對空氣進行加熱，風機使熱空氣在筒內流動。加熱器由PTC陶瓷發熱元件和鋁管組成，具有熱阻小、換熱效率高、安全性高以及升溫迅速等優點，是一種自動恒溫、省電的電加熱器。在安全性能方面，當PTC 加熱器得不到風機的充分散熱時，其功率會自動下降，不會產生例如電熱管類加熱器的表面“發紅”現象，從而減少起火等安全隱患。對市面上現有的暖風機進行選型，選擇NQS-G20A 型暖風機，其總功率為2 kW，同時利用發熱元件提高轉筒內的環境溫度，也可以對餐廚垃圾的細菌進行消殺。在圓筒體的下端和靠近風機側設置通風孔，便于出風和進風，實現熱空氣在筒內的單向流動，避免對設備其他系統造成影響。烘干系統具有生產效率高、結構簡單以及操作方便等特點，可以滿足餐廚垃圾較多時的處理需求。

1.5 智能控制系統

控制系統主要由2 個部分構成。第一部分是控制蓄電池的充/放，防止蓄電池過充、過放，造成損壞，智能控制器可以檢測蓄電池電壓，當蓄電池電壓到達極限時，電路自動斷開，當蓄電池電壓在正常范圍時，電路導通。

第二部分是智能控制面板，可以對各系統進行控制，將各系統聯接，設置指示燈，對電動機、風機進行檢測，當各器件正常工作時，指示燈為綠色，當某一部件不工作時，指示燈為紅色，方便檢修。

2 理論計算

2.1 電能供應系統參數設計

平均日照時間為3 h，逆變器效率為95%，電動機功率為750 W，熱風機為2 000 W。

總功率P如公式（1）所示。

假設每天工作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。

假設太陽能電池每天給蓄電池充電可供負載工作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 太陽能電池板先串聯、再并聯，得到串聯電路一、二的電壓都是7 368.4 V。

PSC 太陽能電池板的數量如公式（5）所示。

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

2.2 螺旋擠壓參數設計

螺旋軸全長為1 m。傳動系統提供動力，有電動機、減速器等，對螺旋桿分析和電動機進行選型，電動機的額定功率為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，k2=30；?為物料填充系數，?=0.33；γ為物料堆積重度，γ=0.3t/m3；G為輸送能力；C為傾斜工作時輸送量校正系數。

圓軸的直徑d如公式（7）所示。

螺旋軸轉速n如公式（8）所示。

式中：k2為物料特性系數，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。

取50 r/min，選取電動機的型號為Y80M1-2，轉速為2 830 r/min，減速比為56，選取單級臥式擺線減速器，型號為XWVP3-56-0.75。

與火力發電相比，通過光伏發電，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

當白天陽光充足時，太陽能電池方陣接受太陽能并轉化為電能，將太陽能發出的電能儲存在蓄電池內，蓄電池充滿后自動停止充電，同時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。當需要使用設備時，按下啟動開關，蓄電池中的直流電通過逆變器變成220 V 交流電，螺旋擠壓機和烘干機開始工作，螺旋擠壓機和烘干機并聯，餐廚垃圾通過入料口進入螺旋擠壓機，當軸體旋轉時，餐廚垃圾與螺旋面產生接觸力，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，螺旋面推動餐廚垃圾沿著軸向方向運動，由入料口推向出料口。

液體通過篩網進入液體收集容器。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，然后放入絮凝劑對溶解油進行絮凝-沉降處理，最后液體進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機絮凝劑、有機絮凝劑和復合絮凝劑。一般根據餐飲廢棄油脂的具體特性選擇相應類型的絮凝劑。尹艷華等[4]系統比較了堿式氯化鋁、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、聚丙烯酰胺復合絮凝劑體系對餐飲廢水的處理效果，試驗結果表明，復合體系的處理效率明顯優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污染、無毒的天然高分子絮凝劑，試驗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、無毒、無污染以及價格低廉的優點，該文采用其作為去除油脂和溶解有機物的材料。膜分離技術是指混合物中的不同物質在通過半透膜的過程中，不同粒徑的分子實現選擇性分離，常見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。

餐廚垃圾經過出料口后，固態物落入容器內，烘干模塊進行工作，風機將熱風吹入容器內，對固態物進行除濕干燥，工作原理如圖4 所示。

圖4 工作原理圖

4 結語

餐飲場所作為餐廚垃圾產生的主要場所，其對餐廚垃圾的處理能力還不高，僅停留在分類收集的階段，無法進一步對餐廚垃圾進行處理，同時餐廚垃圾具有水分多、易腐敗以及不便保存的特點，導致餐廚垃圾在餐飲場所的存放時間不能太長，尤其在夏季溫度較高的時期，往往容易招致蚊蠅，對生活環境造成污染，同時也不便運輸。與傳統的餐廚垃圾處理設備相比，光伏餐廚垃圾處理裝置的創新點如下：1） 電能自產自用，把控節能源頭。利用光伏發電系統為蓄電池充電，蓄電池再為負載供電，系統能實現發電、儲能的雙效模式，保證裝置動力。充分利用太陽能，減少二氧化碳排放量。2） 技術協同應用，同步分離“固脂液”。運用螺旋擠壓技術對餐廚垃圾進行初步固液分離。對濾液部分來說，采用絮凝分離技術分離油脂成分，可以作為生物柴油、肥皂以及硬脂酸等產品化工原料，實現回收再利用；對固體部分來說，結合轉筒烘干技術，對固態物質進一步除濕，為產出物進一步轉化成為有機肥提供可能，以提高經濟效益。3） 智能過程管理，掌控減排過程。設計智能控制系統，通過溫濕度傳感器將數據反饋給中控系統，濕度降到設定數值，烘干機與熱風機自動停止工作；同時通過質量進行傳感，控制裝置容器內垃圾的容量，以確保產出精度和工作效率。