基于餐厨垃圾处理的一体化设备设计

王发生

(江苏派沃能源发展有限公司兰州分公司，兰州 730050)

目前国内餐厨垃圾处理过程中，固体残渣好氧堆肥是主流工艺路线之一。但是在进行好氧堆肥精加工处理前的破碎过程中[1]，采用常规机械设备进行处理，通常需要人工分拣，将塑料、石头和大骨头等分拣剔除，然后进行粗破碎和细破碎，由于金属、陶瓷、玻璃和石头等无机重物质以及塑料制品等无机轻物质等的存在，使得处理工艺线路长、复杂、能耗及维修成本高。现有的技术中同时具有破碎和风选综合功能的设备，风选操作采用离心风机来实现，风机的功率都比较大。破碎一般采用圆盘齿形剪刀对冲式破碎机，这种破碎机遇到金属容易卡阻，刀盘齿易损坏，同时存在塑料和大球状形物体无法破碎问题。

经过细致对比研究，研制一体化餐厨垃圾设备可以完成对物料进行破碎、筛分和风选等操作，缩短工艺链条长度，从而减少工艺流程中使用的设备数量，降低生产成本、能耗和设备故障率。

1 餐厨垃圾一体化处理设备的设计

餐厨垃圾一体化设备由壳体、进风孔、驱动电机、转轴、引流叶片、破碎杆、筛选滤网、连接毂、杆体、轻物料出口、进料螺旋输送机、出料螺旋输送机、大粒径物料排出口、端盖和物位计组成，餐厨垃圾一体化设备结构示意图如图1所示[2]。

壳体是一个圆柱形钢板焊接成型的筒体，材料为合金，壳体壁厚约为20 mm。外壁上设有若干进风孔，位于破碎杆和筛选滤网之间，孔直径为5～10 mm不等。进风孔沿壳体圆周方向均匀布置，总体呈梅花形。

设备外圆周上临近顶端位置处设有轻物料出口，进料螺旋输送机设在中部位置，设备壳体下端是出料螺旋输送机，大颗粒物料排出口在进风孔上侧，下端是椭圆形封头的端盖，出料螺旋输送机位置设在端盖底部，在端盖上设有两套阻旋物位计，实现端盖内部上下位物料的检测；进出料螺旋输送机叶片均采用加强T型无轴螺旋叶片结构，材质为铸钢，叶片厚度为20～25 mm，减速机端最厚，依次变薄，输送机壳体采用焊接螺旋管制作，材质为优质碳素结构钢Q235B，壳体厚度为6 mm。在输送机壳体内部采用高分子材料衬板，这样可减少叶片对壳体的磨损，减少叶片在输送过程中的摩擦阻力。

1-壳体；2-进风孔；3-驱动电机；4-转轴；5-引流叶片；6-破碎杆；7-筛选滤网；8-连接毂；9-杆体；10-轻物料出口；11-进料输送机；12-出料输送机；13-大颗粒物料排出口；14-端盖；15-物位计

设备顶端的控制电机采用变频控制，电机为YVP三相异步电机，减速机为K系列硬齿面减速机，多级伞齿轮传动，这种减速机具有体积小，输出扭矩大的特点，输出速度在10～50 r/min，频率为50 Hz。里面的破碎杆由三个杆体构成，杆体截面呈椭圆形，自其一端向另一端扭曲形成类螺旋桨叶片形结构；杆体长度在500 ～700 mm之间，大于引流叶片。

进料螺旋输送机的排出口位于破碎杆正上方，并与引流叶片的外端具有一定的间隙，这样的结构设计能够使进料螺旋输送机输送的物料落入破碎杆高速旋转范围内、沿转轴径向引流叶片的外侧，迫使物料破碎，破碎杆对物料还具有离心、抛洒和上扬的作用，可避免物料上扬后碰触到引流叶片，促使轻物料被风选出来。

在壳体内部破碎杆下侧设有筛选滤网，筛选滤网用于拦截较大颗粒物料，如粒径大于150 mm的颗粒物料。

2 一体化设备工作原理

餐厨垃圾一体化设备工作原理[3]：启动顶部驱动电机，驱动电机的输出轴带动转轴转动，同时带动引流叶片和破碎杆转动。进料螺旋输送机将餐厨垃圾缓慢输送到壳体内，由于杆体的长度大于引流叶片，进料螺旋输送机的排出口位于破碎杆正上方，并与引流叶片的外端具有一定的间隙，因此物料下落后会落入破碎杆的旋转范围内，沿转轴径向引流叶片的外侧，破碎杆截面呈椭圆形的形状特点，使得破碎杆表面呈弧形，弧形表面与物料接触主要为线接触，有利于对物料进行有效敲击和破碎，可实现一次破碎，破碎杆整体具有类似螺旋桨叶片结构，因此对破碎杆整体而言，具有倾斜朝上的表面，该倾斜朝上的表面能够改变物料被敲击后的运动方向，促使物料斜向上移动，即实现抛洒和上扬运动，在物料抛洒和上扬过程中后续抛洒的物料会撞击先前抛洒的物料，可实现二次破碎，物料抛洒和上扬后会与壳体内壁碰撞，实现物料的三次破碎，这样即可实现高效破碎操作。

引流叶片的转动能够使壳体内部形成由下到上的气流，为增加该气流强度，设计中采用将两个引流叶片间隔布置在破碎杆上方，该气流由下到上，由进风孔引入空气由轻物料出口排出，进风孔均布在壳体外圆周上，这样可以保证形成的气流均匀和稳定，而进风孔设在破碎杆和筛选滤网之间的位置处，能够确保气流是从破碎杆与壳体内壁之间及破碎杆下方吹起，在物料抛洒和上扬过程中，该气流可吹动物料中的轻质物料，例如塑料片和纸张等，使轻质物料从轻物料出口排出。物料抛洒和上扬过程主要发生在沿转轴径向引流叶片外侧和壳体内壁之间，因此在此种结构设计条件下，气流不会使轻质物料碰撞到引流叶片上，可使轻质物料顺利排出，轻质物料的排出是通过风选实现的。在重力作用下较大质量的物料落至筛选滤网上，筛选滤网拦截大粒径物料实现了筛选，小粒径物料经筛选滤网落至端盖内。

本设计自动控制的具体流程是：当端盖内堆积的物料到达上侧的物位计时，位于上侧的物位计被触发，系统控制出料螺旋输送机启动，实现物料排出；出料螺旋输送机运行过程中，当壳体内的物料低于下侧的物位计时，系统可控制出料螺旋输送机关闭，电机转速的快慢通过变频器自动调节；此外，筛选滤网上会积聚较多大粒径物料，可定期通过大粒径物料排出口进行人工排出。

3 设计特点

1)破碎杆对进入到壳体内的物料进行敲击破碎，同时破碎杆结构及形状特点使物料被斜向上抛洒，被抛洒的物料上扬并碰撞壳体内壁进行再次破碎，实现有效的破碎操作。引流叶片旋转可使壳体内部形成由进风孔向轻物料出口流动的气流，对于物料中质量较轻的杂物，如纸张和塑料等顺着气流从轻物料出口排出，实现轻质物料的筛选，即风选操作。在重力作用下较重质量的物料落到筛选滤网上，筛选滤网截留粒径较大的物料，粒径较小的物料落入壳体底部，并通过物位计的高低位监测实现对出料螺旋输送机的控制，进而实现物料的自动排出，该过程可实现筛选操作。在一个设备中最大限度实现破碎、筛分和风选操作，可以缩短工艺链条长度，减少不同设备组合数量，降低能耗和运行维护成本。

2)该设备中引流叶片和破碎杆由上向下间隔布置在转轴上，且由同一转轴带动。破碎杆在引流叶片下侧，这样的结构设计主要用于空气引流，使在壳体内形成由下到上的气流。而破碎杆在结构设计上其截面呈椭圆形，杆体自其一端向另一端扭曲形成类螺旋桨叶片型结构，这样在转动过程中破碎杆也可起到一定的引流作用，促进气流在离心额作用下，由下到上流动。同时使破碎杆具有斜向上朝向的表面，破碎杆自身旋转过程中可敲打物料实现破碎，而斜向上朝向的表面还可对物料起到上扬和抛洒，在物料上扬和抛洒过程中由下到上的离心气流实现了对轻质物料的风选，将轻质物料(纸张和塑料等)从轻物料出口吹出。破碎杆的截面呈椭圆形，可保证破碎杆的结构强度，同时破碎杆椭圆形截面的形状特点使破碎杆具有弧形的外表面，该表面形状与物料接触时以线接触为主，相较于平直表面的面接触可促进物料的有效破碎。

4 结语

该餐厨垃圾一体化设备结构简单、设计合理和加工制造便捷，相较于常规具有破碎、风选功能的综合破碎设备，无需增设风机，无需为风机提供电力，可节约能耗，降低生产成本。一体化设备可替代传统工艺中的破碎机、分拣机和制浆机，将多种功能复合集成于一体，一机多用，能够对餐厨垃圾最大限度地完成破碎、筛分和风选操作，能够缩短工艺链条长度，降低生产成本，提高生产效率，有较好的经济效益和广阔的市场前景。