餐厨废弃物脱水机的设计

■王小峰 许义泉 樊静波

(宁夏大学机械工程学院，宁夏银川 750021)

餐厨废弃物是餐馆、食堂等场所人们就餐后的剩余物及厨房下脚料,主要包括谷物类、蔬菜类、肉类、动植物油、水等。李蜀予等[1]研究表明，采用脱油干燥饲料化的处理模式比较适合宁夏乃至西北地区的地理气候、饮食习惯和经济发展水平。根据该处理模式，提取餐厨废弃物中的油脂后，对其剩余物需经干燥获得干物质。但是，脱油处理后的剩余物含水率很高，直接进行干燥将导致干燥环节负荷很大。若在干燥前利用机械方式尽可能地脱去多余的水分，将会大大减轻干燥环节的负荷，从而有效地降低干燥环节的能耗。

叠螺式脱水机具有能耗低、噪音小、易操作、自清洁等优点，近年来在污泥脱水等领域得到了广泛的应用。本文将探讨叠螺式脱水机在餐厨废弃物脱水处理中的适用性，并根据餐厨废弃物的特点，给出关键的设计参数，为叠螺式餐厨废弃物脱水设备的设计提供参考。

1 餐厨废弃物含水特性及叠螺式脱水的适用性分析

1.1 叠螺式脱水机的结构及工作原理

叠螺式脱水机由滤筒、螺旋轴、进卸料口及背压板等部件构成。滤筒是脱水机的关键部件，叠螺式脱水机利用多重固定环和活动环交替叠摞形成滤筒，内置的螺旋轴推动物料在筒中运动。旋转的螺旋轴使活动环在径向做圆周运动，相对固定环产生游动，滤筒因而不易堵塞。在滤筒前段，物料中的液体可从固定环和活动环之间的间隙自然排出，在后段，螺旋腔内体积不断收缩，内压不断增大，物料中的水分被挤出。这种结构有机地结合了过滤浓缩技术和压榨技术，将物料的浓缩和压榨脱水工作在滤筒内完成。从进料口到卸料口，固定环与活动环的间隙逐渐变小，螺旋轴的螺距逐渐越小，通过背压板可产生很高的压力，使物料经过充分脱水后，从卸料口排出，如图1所示。

图1 叠螺式脱水机结构及工作原理

1.2 餐厨废弃物中水分的存在形式

根据物料中水分的存在形式，可分为游离水、间隙水、毛细管结合水、表面吸附水和内部结合水等，游离水和间隙水可通过机械脱水压滤去除，而毛细管结合水、表面吸附水、内部结合水与固体颗粒结合较紧密，需要较高的能量方可去除。脱油之后的餐厨废弃物的湿基含水率为82%～95%[2]。餐厨废弃物中的水分主要以游离水存在，超过90%，餐厨废弃物脱水机就是以去除餐厨废弃物中的游离水为目标的装备。

1.3 叠螺式脱水机的在餐厨废弃物脱水中的适用性

餐厨废弃物是一种黏度大含油的特殊性质的物料，与石油污泥的黏度和密度等物性相近[3,4,8,9]。叠螺式脱水机在石油污泥脱水处理的成功运用，为其在餐厨废弃物脱水中的应用提供了可借鉴的工程实例。

2 设计条件及设计参数确定

本设计以宁夏保绿特处理厂日处理量60 t餐厨废弃物为例。

2.1 螺旋轴结构参数的确定

螺旋轴是脱水机中最关键的核心部件之一。螺旋轴的主要结构参数有：螺旋轴直径、压缩比、螺旋槽深度等[5]。

2.1.1 螺旋轴直径

螺旋轴的直径与生产能力有关，根据近似的生产能力公式Q[6]:

式中：Dp——第一段螺旋平均直径(m)；

A——第一段螺旋的法向截面积(m2)；A=(t·cos(t为第一段螺旋的螺距;β为第一段螺旋平均直径处的螺旋角;b为第一段螺旋的螺叶厚度)；

综观马克思的观点，马克思深刻认识到了个人的发展与社会的发展是紧密相连的这一规律，社会的全面发展能够促进个人全面发展，同样个人的全面发展也将有力地带动社会整体的前进。当然，这里的人的全面发展是指全社会每一个人的全面发展，而不是一部分人发展另一部分人却不发展。

n——转速(r/min)；

c—进料浓度(%)；

r——绝干物料的比重(kg/m3)；

φ——进料的填充系数(常数0.4～0.6)；

β——为第一段螺旋平均直径处的螺旋角。

由上式可知，叠螺式脱水机的生产能力和螺旋轴直径、转速成正比。可根据已知参数初定螺旋轴直径。在初步选取螺旋直径后，再根据已确定的参数通过生产能力近似公式进行验算或修正螺旋轴直径。根据我国的标准螺旋直径，取螺旋轴直径为D=300 mm（c=35%，r=1 000 kg/m3，φ =0.5）。

2.1.2 螺旋槽深度

螺旋槽深度是螺旋轴外半径与根半径之差，对于螺旋挤压式脱水，一般取0.2～0.3倍螺旋轴外径[6]。此值过大，物料层变厚，不易脱水，较易发生打滑现象。易脱水的物料取上限，而难脱水的取较小值。餐厨废弃物属于难脱水，近来越来越趋向取小值，这里取e=20 mm。

螺旋轴的螺距的大小对于一定直径的螺旋来说，也就是螺旋升角的大小(tgβ=tπD)。螺距较小时物料受到的轴向分力增加，径向分力减小，动力消耗会增加。一般进料端的第一个螺距约取(0.65～0.75)D，逐步减小到最后一个螺距取(0.3～0.5)D[6]。进料端螺距t1=(0.65～0.75)D=195～225，这里取其中间值210 mm。出料端螺距t2=(0.3~0.5)D=90～150，这里取其中间值120 mm。

2.1.4 压缩比

压缩比是入料端第一个螺旋槽的容积与最后一个螺旋槽容积之比。压缩比的大小直接影响物料的脱水率[10]。物料层的压力差同压缩比成正比。压缩比小，压力差小。脱水性能差的，压缩比取大些。脱水性能好的，取小些。相关资料[6]，推荐的压缩比数值为1∶2～4。计算或推荐的数值都偏小。

因此，物料投进脱水机后,就要迅速地受到挤压，并且压力的上升要比较平稳，最好前段与后段的压力差不要太大，使物料受到一个较长时间的挤压脱水。

由于螺旋槽分了三段，即压缩比为：

式中：V1、V2、V3为螺旋轴各段螺旋通道的容积，其容积可按下式计算:

对餐厨废弃物来说脱水性能相对较差，根据公式进行验算和修正以后，压缩比取4为宜。

2.2 转速

螺旋轴转速取决于物料在脱水机滤筒内所停留时间，这又与物料的滤水性、涳水量、出料含水量有关。一般推荐转速为n=2～6 r/min[11]。为了增加物料在滤筒内的停留时间转速n=2 r/min为宜。

2.3 叠片尺寸及其间隙

2.3.1 叠片尺寸

根据螺旋轴的直径，可确定固定环内径为300 mm，外径345 mm、厚度3 mm。活动环的内径须靠螺旋轴螺旋叶片的外缘驱动实现径向游动，若将游动幅度设为10 mm，则活动环的内径应为290 mm。外径335 mm、厚度3 mm。

2.3.2 叠片间隙

叠片与叠片的间隙是根据颗粒大小来决定的。叠片与叠片间隙的大小也是根据过滤筛滤网孔径的大小而定的。根据餐厨废弃物经前期粉碎处理后颗粒的大小约为3 mm，前段的间隙为1 mm、中端间隙为0.6 mm、后端的间隙0.3 mm。这应与不同阶段的脱水形式有关：前段为涳，后段为挤。

3 结论

通过对叠螺式脱水机机理以及对餐厨废弃物的物性的分析，叠螺式脱水机可以用于餐厨废弃物的脱水处理；并给出了相应的设计参数。通过调节螺旋轴转速、被压板的间隙等参数，让其达到更好的脱水效果。而低转速、无人值守、滤网不易堵塞、粘黏等优点尤其适合于餐厨废弃物的脱水。

[1] 李蜀予，樊静波.国内餐厨废弃物处理工艺路线及关键技术研究[J].宁夏工程技术,2013,12(1):91-93.

[2] 梁晓军，张华平，吴国凡.食品垃圾处理技术分析[J].船海工程,2010,39(6):29-32.

[3] 刘猛，段钰锋，李华锋，等.改性污泥与石油焦的共成浆性及流变性分析[J].中国电机工程学报,2012,32(35):59-65.

[4] 潘丽爱，张贵林，石晶，等.餐厨垃圾特性的试验研究.[J].粮油加工,2009(9):154-156.

[5] 赵传山，李荣刚，吴朝军，等.对螺旋压榨脱水机结构设计中几个问题的探讨[J].山东轻工业学院学报,2010,24(4):1-3.

[6] 黄石茂.螺旋挤浆机螺旋辊的设计计算.[J].螺旋挤浆机螺旋辊的设计计算,2000:26-31.

[7] 潘咸峰，邹宗海，黄斌，等.叠螺式污泥压滤机在橡胶生产废水处理中的应用[J].工业用水与废水,2011:71-76.

[8]李玲.叠螺式污泥脱水技术在石油化工领域的应用[J].中国科技信息，2012(16):49.

[9] 赵蔚蔚，闫永强.沈阳市餐饮业餐厨垃圾性状及产生量的调查[J].环境卫生工程,2007,15(2):10-14.

[10] 黄伟英，周为民.影响双螺杆脱水机脱水率的三个因素[J].渔业现代化,2000(5):30-32.

[11] 王成，杜长龙.螺旋压滤机工作机理的研究[J].矿业快报,2005(431):21-22.