擠壓脫水機(jī)在廚余垃圾預(yù)處理系統(tǒng)中的最佳工況分析

王 貞，吳旭輝，劉軍成，費(fèi)林海，朱日岑

（維爾利環(huán)保科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇常州 213125）

根據(jù)GB/T 19095—2019《生活垃圾分類標(biāo)志》將廚余垃圾分為家庭廚余垃圾、餐廚垃圾、其他廚余垃圾。廣義的廚余垃圾指居民日常生活及食品加工、飲食服務(wù)、單位供餐等活動(dòng)中產(chǎn)生的垃圾，包括丟棄不用的菜葉、剩菜、剩飯、果皮、蛋殼、茶渣、骨頭（雞骨、魚刺類）等，主要來源為家庭廚房、餐廳、飯店、食堂、市場(chǎng)及其他與食品加工有關(guān)的行業(yè)。狹義上的廚余垃圾屬于有機(jī)垃圾的一種。分為熟廚余垃圾包括剩菜、剩飯、菜葉；生廚余垃圾包括果皮、蛋殼、茶渣、骨、貝殼、魚刺；泛指家庭生活飲食中所需用的原料（生料）及成品（熟食）或殘留物。本文重點(diǎn)討論狹義上的廚余垃圾處理過程中的擠壓脫水問題。

目前國(guó)內(nèi)廚余垃圾處理行業(yè)中，常用的廚余垃圾預(yù)處理工藝為：物料接收→滾筒篩（除質(zhì)量較輕的物料）→磁選（除鐵質(zhì)物料）→干擾物監(jiān)選（除前面未能去除的雜質(zhì)）→生物水解（物料厭氧消化）→擠壓脫水（去除物料水分）→除渣除砂（去除較細(xì)的無機(jī)雜質(zhì)）→焚燒協(xié)同（或固渣填埋）。擠壓脫水機(jī)是其中的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)了控制出料的含水率、有機(jī)質(zhì)回收等問題。環(huán)保部門及垃圾協(xié)同單位對(duì)含水率有指標(biāo)要求，而有機(jī)質(zhì)又會(huì)影響后續(xù)提油系統(tǒng)的提油率和厭氧系統(tǒng)的處理負(fù)荷。

維爾利環(huán)?？萍技瘓F(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的擠壓脫水機(jī)的原理是以分離物料中游離性液體的連續(xù)式脫液機(jī)械，物料是在邊擠壓邊翻動(dòng)再擠壓的過程中完成脫液。其中，壓力是擠壓脫水機(jī)的關(guān)鍵控制參數(shù)。本文重點(diǎn)研究不同壓力下的濕重減重率、有機(jī)質(zhì)回收率及有機(jī)質(zhì)損失率的參數(shù)。為工藝設(shè)計(jì)和項(xiàng)目調(diào)試提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也尋求一個(gè)能耗較低、運(yùn)行成本相對(duì)較低、經(jīng)濟(jì)可行的工作壓力。

1 材料與方法

1.1 主要設(shè)備和材料

主要設(shè)備：擠壓脫水機(jī)，型號(hào)TLY625-0-A，額定電壓380 V，額定功率37 kW，設(shè)備轉(zhuǎn)速78 r/min，額定處理量20 t/h，西門子變頻器手動(dòng)給頻，變頻控制，維爾利環(huán)保科技集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該設(shè)備的工作原理是：以分離物料中游離性液體的連續(xù)式機(jī)械脫液，物料是在邊擠壓邊翻動(dòng)再擠壓的過程中完成脫液，該設(shè)備具有原料來源廣泛、物料處理量大、適用性強(qiáng)、生產(chǎn)連續(xù)、處理速度快、安全性好、操作輕松方便、容易維護(hù)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。且可對(duì)出料的不同濕度要求進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，很好地解決了先前同類產(chǎn)品的易積料、擠出液含固率高、難清理、適用范圍狹小、有機(jī)質(zhì)損失大、含水率不穩(wěn)定、操作困難、檢修不便等問題。

圖1 擠壓脫水機(jī)結(jié)構(gòu)示意

實(shí)驗(yàn)原料來源于深圳市各大菜市場(chǎng)，成分主要是爛菜葉、果皮、蛋殼和部分雜物，雜物以塑料、包裝袋為主，存在少量玻璃容器等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前，先對(duì)垃圾原料進(jìn)行分類稱重，確定原料中的有機(jī)質(zhì)及雜物的占比，再將廚余垃圾原料充分混合均勻后，均勻倒入進(jìn)料口中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，由操作人員控制進(jìn)料速度不變，通過變頻器手動(dòng)給頻控制擠壓脫水機(jī)的電機(jī)頻率，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高，設(shè)備內(nèi)部壓力越大，分析不同壓力對(duì)擠壓脫水機(jī)工作頻率、電流、轉(zhuǎn)速、壓力與出料組分的關(guān)系。本文暫不討論電流與出料組分的關(guān)系，但是通過調(diào)整變頻器的頻率，頻率越大，電流越大，擠壓脫水機(jī)的工作壓力也越大，同時(shí)能耗也越高，越不經(jīng)濟(jì)。

擠壓脫水機(jī)的出料分為篩上物和篩下物，篩上物主要為大粒徑的果蔬皮、蛋殼，篩下物主要為有機(jī)漿液。篩上物和篩下物均用專用垃圾桶分開收集，進(jìn)行后續(xù)稱重、化驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析，采用同一套化驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確保化驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一準(zhǔn)確。

2 結(jié)果與討論

2.1 擠壓脫水機(jī)不同壓力下對(duì)出料表觀的影響

擠壓脫水機(jī)在不同的工作壓力下，出料表觀變化不同。通過觀察，從實(shí)際出料分析可知，當(dāng)擠壓脫水機(jī)壓力（0.2 MPa）較低時(shí)，出料表觀含水率高，經(jīng)化驗(yàn)后，為66.14%，當(dāng)壓力逐步升高至0.3 MPa 時(shí)，出料表現(xiàn)出料含水率逐漸降低，為63.65%；當(dāng)壓力繼續(xù)升高至0.5 MPa 時(shí)，出料含水率為58.23%，升至最高壓力0.7 MPa 時(shí)，出料含水率僅為57.41%。由此可以判斷，隨著壓力的不斷升高，擠壓脫水機(jī)的出料表觀含水率逐漸降低。原因可能是壓力增大，對(duì)物料進(jìn)行了擠壓，擠出了物料之間的游離性水分，可能還未涉及物料組織內(nèi)部的水分，也未破壞物料的細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如果需要對(duì)物料內(nèi)部的水分進(jìn)行去除，可能需要進(jìn)行高溫干化烘干處理或者自建養(yǎng)蟲車間，產(chǎn)生蛋白粉做飼料，自產(chǎn)自銷。

2.2 擠壓脫水機(jī)不同壓力下對(duì)出料組分的影響

擠壓脫水機(jī)出料數(shù)據(jù)的對(duì)比分析如表1所示。計(jì)算過程以1#為例。

表1 擠壓脫水機(jī)出料數(shù)據(jù)分析對(duì)比

擠壓脫水機(jī)的濕重減量率%=1-固渣濕重占比=1-47.16%=52.84%

有機(jī)質(zhì)回收率%=

有機(jī)質(zhì)損失率%=

篩網(wǎng)全壽命周期回收有機(jī)質(zhì)量(t)=單套篩網(wǎng)使用壽命×處理速度×(1-原料含水率)×干原料不含塑料的揮發(fā)性固體占比×有機(jī)質(zhì)回收率=220.33×15×(1-78.75%)×74.55%×20.03%=104.89(t)。

其他壓力下（2#、3#、4#、5#）的擠壓脫水機(jī)的濕重減量率、有機(jī)質(zhì)回收率、有機(jī)質(zhì)損失率、篩網(wǎng)全壽命周期回收有機(jī)質(zhì)量的計(jì)算方法同1#。

從表1 可知，當(dāng)擠壓脫水機(jī)壓力為0.2 MPa 時(shí)，濕重減重率、有機(jī)質(zhì)回收率、篩網(wǎng)全壽命周期回收有機(jī)質(zhì)質(zhì)量較低，有機(jī)質(zhì)損失率較高。隨著壓力升高至0.3 MPa，濕重減量率明顯提高至58.7%，有機(jī)質(zhì)回收率和有機(jī)質(zhì)損失率變化緩慢。當(dāng)壓力進(jìn)一步提高，一直提高到0.7 MPa，濕重減量率、有機(jī)質(zhì)回收率呈上升趨勢(shì)，有機(jī)質(zhì)損失率呈下降趨勢(shì)，篩網(wǎng)全壽命周期回收有機(jī)質(zhì)量呈現(xiàn)先增加后減少，在0.4 MPa 時(shí)，達(dá)到最高值，說明擠壓脫水機(jī)在處理本次廚余垃圾時(shí)的合理壓力為0.4~0.5 MPa。在此壓力下，運(yùn)行成本經(jīng)濟(jì)、使用壽命長(zhǎng)，有機(jī)質(zhì)損失下降，含水率合適，后續(xù)提油系統(tǒng)的提油率提高，厭氧負(fù)荷適中。

3 結(jié)論

1）擠壓脫水機(jī)濕重減量率隨著壓力的升高而升高。

2）擠壓脫水機(jī)有機(jī)質(zhì)回收率隨著壓力的升高而升高。

3）擠壓脫水機(jī)有機(jī)質(zhì)損失率隨著壓力升高而降低。

4）擠壓脫水機(jī)的工作壓力越大，篩網(wǎng)的壽命越低。

綜上所述，考慮到擠壓脫水機(jī)對(duì)廚余垃圾原料的濕重減量率、有機(jī)質(zhì)回收率、篩網(wǎng)壽命、運(yùn)行能耗、后續(xù)提油系統(tǒng)提油率和厭氧處理負(fù)荷等因素，兼顧運(yùn)行成本、設(shè)備結(jié)構(gòu)選擇制造成本、安裝成本，最終確定擠壓脫水機(jī)在本次試驗(yàn)的最佳工作壓力為0.4~0.5 MPa。如果當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門或者固體廢棄物接收單位（生化垃圾焚燒發(fā)電廠、固體廢棄物垃圾填埋場(chǎng)）對(duì)含水率有更高的要求，則需要進(jìn)一步降低物料含水率，單純的提高擠壓脫水機(jī)的工作壓力，能耗更高了，但效果不明顯，還造成了有機(jī)質(zhì)損失率高，反而不經(jīng)濟(jì)，可能需要采取其他方式，如高溫干化烘干工藝或者是養(yǎng)蟲工藝。當(dāng)然，在規(guī)模較小的情況下，不建議養(yǎng)蟲工藝，產(chǎn)生的量太少，不能分?jǐn)偨ㄔO(shè)和運(yùn)行成本，不具備競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。