一种新型船用生活垃圾处理装置设计

韩宇亮，朱发新，万松岭，刘奕泽，吕柏程，郭 栋

(浙江海洋大学 港航与交通运输工程学院，浙江 舟山 316022)

随着世界贸易的不断发展,海上运输发挥越来越重要的作用，船舶成为最主要的海上运输工具，全球范围内大约有90%的货物和商品都是通过船舶运送到各个区域[1]。船舶在运行过程中，对住舱和工作室进行日常卫生保养工作产生了大量的生活垃圾[2]。生活垃圾主要是塑料制品、包装材料、食品废物、金属等[3]。这些垃圾如果直接投入海洋，会对海洋野生动物、海洋生态系统、航行安全、渔业经济效益等方面产生负面影响，甚至造成污染，影响水体中生物多样性[4]。保护海洋环境更有利于实现经济社会的可持续发展。因此，如何能够简单有效地处理船用生活垃圾成为海洋环境保护中急需解决的问题。

目前，船用生活垃圾的处理方式主要分为以下3类：储存处理、粉碎处理、焚烧处理。这些处理方式，虽然表面上解决了船用生活垃圾的问题，但是会产生其它问题。比如，散发臭气，传播病菌，甚至影响船员和乘客的健康。而且，焚烧过后未经特殊处理的废气还会对大气造成一定程度的污染。

1 船用生活垃圾处理技术存在的问题

1.1 储存处理

储存处理是目前最简单的垃圾处理方式，可用专门的集装箱、船舱或者可化解的垃圾袋收集垃圾[5]，等到船舶靠岸之后再移交给有关单位进行下一步的处理，这种方式比较简单，经济性较好。但是，这种方式会占用船上的一部分空间，垃圾堆放过多甚至会使船舶的吃水增加，影响船舶航行的安全。特别是炎热的夏天,对卫生要求很严格，生活垃圾的堆放会污染船上的空气，严重时还会威胁船员和乘客的健康。

1.2 粉碎处理

粉碎处理存在着2种方式，一是粉碎船用垃圾，减小体积，便于运输，大大的降低运输成本。二是利用粉碎机粉碎食品废物或者小木屑，将其处理成细颗粒(直径≤25 mm)后按照MARPOL公约的要求排入海中[6]，这种方式投资少,大多数船主都能接受。但是这种粉碎处理并未做过严格的杀菌消毒，过量排放会使附近的水域细菌滋生，造成污染。

1.3 焚烧处理

焚烧处理是将生活垃圾放到船上专用的焚烧炉进行焚烧，这种方式处理垃圾量大、速度快、占地面积小，可以有效的减少垃圾所占的空间。但为了防止垃圾在混合燃烧时发生爆炸等危险，焚烧过程中要求垃圾严格分类，而且未经处理排放的废气可能会含有对大气造成二次污染的二口恶英、CO、NOx、SO2等有害物质[7]。所以，这类处理方式存在着一定的局限性。

2 新型船用生活垃圾处理装置的设计

2.1 设计要求分析

根据MARPOL公约和《中华人民共和国防治船舶污染海洋环境管理条例》的相关规定，结合目前的垃圾处理技术，同时考虑结构、技术、操作、成本以及维护保养等方面，其设计要求主要包括以下5方面。

1)结构应尽量采用机械连接且组成合理，结构简单；电器线路布置和走向应合理整齐，尽量不与运动零件发生碰撞、干涉和摩擦[8]。

2)生活垃圾处理技术较为先进，实用性较高，且处理后垃圾尽量不对船上人员造成危害，也不对环境造成二次污染。

3)操作过程中能确保操作人员安全，简单省力，效率较高。

4)造价低，零部件之间的联接结构应相对合理，能有效减少分体检修和安装的费用。

5)适用范围较广，可以适用于船上各种生活垃圾的处理。

2.2 工作原理

本装置的工作原理主要由3个基本环节组成，即干燥杀菌处理、刀片粉碎处理和压缩打包处理。为使各环节独立进行，采用模块化的方式，将生活垃圾依次放到干燥室、粉碎室、压缩室进行操作。同时，3个环节紧密联系，共同完成生活垃圾处理的工作。图1为新型船用生活垃圾处理装置工作原理图。

1-投料口；2-排气风扇;3-加热装置;4-干燥栅栏;5-传送带一;6-传送带二;7-金属脚;8-推料臂带;9-接料框;10-辅助刀片基座;11-破碎刀片;12-压缩块;13-动力液压柱;14-压缩室;15-转轴;16-排气孔二;17-粉碎室;18-排气孔一;19-干燥室;20-紫外线灯图1 一种新型船用生活垃圾处理装置的工作原理图

1)干燥室。垃圾通过进料口被投入到干燥室内的干燥栅栏上，加热装置通电产生高温对干燥室内进行加热，产生的热量和水汽通过排气孔一和排气风扇排出。与此同时，紫外线灯开始消毒，通过紫外线的照射，使细菌的DNA分子结构被破坏，达到杀菌消毒的作用。当垃圾积累到一定程度，干燥栅栏在重力的作用下会被打开，使加热烘干后的垃圾落入传送带一。传送带一通电运作，将干燥后的垃圾平稳的送入下一环节进行处理。

2)粉碎室。经干燥杀菌处理的垃圾，被送至安装在辅助刀片基座上的破碎刀片。2个转轴通电后带动破碎刀片旋转，进行相对运动。落入粉碎室的生活垃圾在破碎刀片的相对运动下受到切、割、撕、拉的作用，从而被粉碎。在这个过程中会产生热量和水汽，通过排气孔二排出。粉碎后的生活垃圾粉末落到传送带二上，被送入第三环节。

3)压缩室。压缩室积累着来自上一环节的生活垃圾碎末。动力液压柱带动压缩块下降将生活垃圾碎末压缩成块，并进行打包处理。之后，推料臂从侧边推动，把垃圾从出料口排出，使打包过后的垃圾进入接料框内等待后续处理。

2.3 新型船用生活垃圾处理装置主要组成部件

1)液压缸。图2为液压缸和干燥栅栏结构图。液压缸采用单作用活塞式的低压液压缸，并通过铰链连接在干燥室内部。液压缸的活塞杆内侧充满液压油，外侧连接在干燥栅栏下方。当生活垃圾对干燥栅栏的压力高于液压缸内的油压时，液压缸收缩使得干燥栅栏打开，使垃圾落入干燥室的传送带上。

1-传送带；2-液压缸；3-干燥栅栏；4-干燥室图2 液压缸和干燥栅栏结构图

液压缸处机械连接结构可能需要定期紧固零件。同时，为避免缸内液压油泄漏，还应定期检验或更换密封件。

2)刀组结构。图3为啮合双刀结构示意图。粉碎室的刀组结构由2对破碎刀片啮合而成。破碎刀片的2个转轴(第一转轴、第二转轴)由2个电机(第一电机、第二电机)带动。同时，为了防止破碎刀片在高速旋转时产生较大的离心力而飞出，便将其安装在辅助刀片基座上，保障操作人员的安全。

1-第一电机；2-破碎刀片；3-第一转轴；4-辅助刀片基座；5-第二转轴；6-第二电机图3 啮合双刀结构示意图

船上的生活垃圾大多为餐厨垃圾，可能存在腐蚀性的残羹剩饭和易拉罐等金属制品，故破碎刀片应采用硬度和耐腐蚀性相对较高的硬质合金，如磨损严重，则需要更换。

3)加热装置和紫外线灯。图4为加热装置的结构示意图。加热装置主要由电热丝、隔热陶瓷底座、加热开关及指示灯组成，隔热底座通过螺栓和干燥室内壁连接，保证了其良好的可拆卸性和可维修性。电热丝固定在隔热底座上，加热过程由加热开关通过旋钮来控制。工作时如果需要调节加热温度,可以通过开启发热装置组数来控制,开启的组数越多,温度越高，升温越快，加热效果就越好。在加热的过程中，指示灯会发亮。

1-指示灯；2-隔热底座；3-电热丝；4-加热开关图4 加热装置结构示意图

紫外线灯与日光灯的结构类似，不同的是，紫外线灯的灯管是由石英玻璃制作，对紫外线有良好的透过性。紫外线灯中的紫外光是利用较低压汞蒸气被激化后产生的，当紫外线的波长达到指定范围时，就可以更好的除掉细菌。

当电热丝因工作时间过长而被熔断时，应及时更换，避免在操作过程中失火，烧毁内部电路，造成人员受伤等。紫外线灯工作一定时间后，应及时关闭，不宜长时间打开。

4)排气风扇。排气风扇由电动机、扇叶、底座、框架体、百叶窗栅片等组成。扇叶安装在底座上，底座与框架体相连被螺栓紧固在干燥室内壁。扇叶通过旋转产生的风压控制窗栅的启闭，当排气风扇不工作时，栅片会由于自身重力而下垂遮盖风口;接通电源，电动机的转轴带动扇叶旋转，扇叶产生的风压推动栅片,使栅片张开，将水汽和臭气通过排气孔排往室外，从而实现排气功能。

排气风扇电路的通断是由湿度传感器间接控制的，湿度传感器随时监控干燥室内的湿度，当湿度上升到预定的数值时，湿度传感器会通过结果数据线向排气风扇发送信号，排气风扇就会启动。

由于干燥室的生活垃圾中带有水汽或者污垢等会使排气风扇造成故障，可拆卸百叶窗栅，清洗和清除扇叶转轴和扇叶上的污垢，然后重新装好。如果扇叶表面被腐蚀，可能需要及时更换，以免影响正常排气。

3 新型船用生活垃圾处理装置的可行性分析

3.1 结构可行性分析

新型船用生活垃圾处理装置的部件大多采用机械结构连接。为了连接可靠，装拆方便，排气风扇、加热装置采用螺栓连接固定在干燥室内壁；为了保证部件的稳固，辅助刀片基座和铰链支座采用焊接结构来固定；液压缸通过铰链连接的方式铰接在干燥室内壁，使液压缸绕着铰链支座摆动，控制了干燥栅栏的打开与关闭。装置组成部件均属于标准件，通用性较好，且这些部件的强度、刚度等参数也符合要求。

3.2 技术可行性分析

本装置的垃圾处理技术主要是结合目前垃圾储存处理和粉碎处理的原理，采取物理方法，利用加热装置和紫外线灯对垃圾进行干燥杀菌，然后经破碎刀片粉碎，动力液压柱压缩打包后进一步处理。

该装置适用于多种类型的生活垃圾处理。在经过粉碎处理、杀菌消毒等多个环节处理后的垃圾，不但所占空间小，而且危害大大降低，同时，在处理过程中也不会对环境造成二次污染。目前的紫外线杀菌技术和粉碎技术也在不断成熟，为本装置提供了一定的技术可行性和较强的实用性。

3.3 操作可行性分析

新型船用生活垃圾处理装置操作简单，只需要操作人员在机旁操作或手持遥控器操作，同时该装置还有湿度传感器这一自动化元件，对排气风扇的启闭有着控制作用，减少了一定的操作量。但是，若操作不当也会造成一定的危险，故该装置需要经培训过的人员专门操作。

4 结束语

1)总结了现有船用垃圾处理方式存在的不足，主要是生活垃圾会污染环境、散发臭气、传播病菌、影响船员和乘客的健康和污染环境等问题。

2)首先从技术、操作、维护保养、经济性等方面总结出了新型船用垃圾处理装置的设计要求，主要是实用性较高，操作过程中能确保人员安全，可适用于船上各种生活垃圾的处理。然后，利用AutoCAD2017软件平台设计出了一种新型的船用垃圾处理装置，主要由干燥室、粉碎室、压缩室等3个部分组成，介绍了其工作原理和主要组成部件。最后从结构、技术、操作性等方面论证了该新型船用垃圾处理装置具有良好的可行性。

3)对该装置的研究仅仅是理论研究，能否运用到实船上还需深入研究。后续可以在台架试验、数值模拟、样机生产等方面作进一步的研究。