大物质分选机在餐厨垃圾预处理中的应用

郑云锋，黄兴刚，张力，刘翠，朱丽可，吴元，刘建亮，姚聪

(维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏 常州 213125)

餐厨垃圾成分复杂，是油、水、果皮、蔬菜、米、面、鱼、肉、骨头以及塑料、纸巾等多种物质的混合物[1-4]，其特点是含水率高，水分占餐厨垃圾总量的80%～90%，有机物、油脂、盐分含量高，极易腐烂变质、易发酵、易发臭、易滋生病原微生物和霉菌毒素等有害物质。餐厨垃圾处理工艺主要采用机械预处理[5]—三相提油—厌氧消化[6]的路线。餐厨垃圾若不经专门分选处理，大件的杂物进入后端设备，会造成管道堵塞、设备卡死、设备磨损加快等问题，对后期运营维护带来很大压力。

餐厨垃圾预处理[7-8]有破袋、人工分选、滚筒筛分、弹跳分选、风力分选、搅拌抡锤式分选等。大物质分选机包括滚筒筛式和搅拌抡锤式[9-10]，目前，关于大物质分选试验的研究较少[11-13]。本文以公司自主研发的大物质分选机(型号FXJ-20)为对象，研究此设备预处理餐厨垃圾的效果。通过观察在不同进料频率和不同分选机运行频率下分选机的电流变化、分选料通量变化及物料组分变化，确定分选机的较优运行参数范围，可以为后续设备优化和工艺提升提供理论和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设备和材料

大物质分选机(以下称分选机)由常州金源机械设备有限公司制造，型号FXJ-20，功率11 kW，运行频率为30～70 Hz，其结构示意如图1所示。其工作原理为：餐厨垃圾经过螺旋输送从进料口进入分选机内部，分选机主轴通过旋转把餐厨垃圾打散并进行输送，其中尺寸大于3 cm的物料，如塑料、骨头、木头、织物等无法通过筛网(孔径为3 cm)，只能从分选料出口排出，成为分选料，由于无法再次利用，随后进行填埋或焚烧处理；而尺寸小于3 cm的物料通过钢质筛网从浆料出口排出，成为浆料，随后经固液分离处理后，进行昆虫养殖或堆肥等资源化处理。

图1 大物质分选机结构示意

其他设备：电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9246A，上海精宏实验设备有限公司)；电子天平(FA2004，上海恒平科学仪器有限公司)；电子秤(0～200 kg，上海恒刚仪器仪表有限公司)。

以餐厨废弃物综合处置工程收运的餐厨垃圾作为试验原料，主体采用预处理—油脂提取—厌氧消化工艺。餐厨垃圾组分见表1。

表1 餐厨废弃物组分质量分布

1.2 试验方法

试验控制分选机运行频率(70 Hz)不变，改变进料频率(11、13、15、17、19、21、23 Hz)，并取分选料和浆料进行物理分拣及测试研究，探究进料频率变化对分选机电流、分选料通量、分选料及浆料组分的影响。

试验控制进料频率(11 Hz)不变，改变分选机的运行频率(30、40、50、60、70 Hz)，并取分选料和浆料进行物理分拣及测试研究，探究分选机运行频率变化对分选机电流、分选料通量、分选料及物料组分的影响。

分选料为分选机的筛上物，其组分主要包括：塑料、织物、骨头、木头、金属、有机质(剩余物)等，还含有其他少量物质如陶瓷、玻璃、橡胶、羽毛等。浆料为分选机的筛下物，其组分主要包括：塑料、骨头、木头、金属、有机质(剩余物和果皮)等，还含有其他少量物质如橡胶、陶瓷、玻璃等。

相同控制条件下分别取分选料3次，每次至少取10 kg(鲜重)进行分拣；同样地，相同控制条件下分别取浆料3次，每次至少取5 kg(鲜重)进行分拣。分拣完成后，对每种组分进行称重，计算分拣后每种组分的占比，取其平均值，尽量降低偶然性因素的影响。

2 结果与讨论

2.1 不同进料频率和运行频率下分选机电流变化

变频器上的实时电流变化可以反映分选机的运行状态，电流值低且起伏平稳表示分选机处于正常运行状态，电流值高、起伏波动大则表示分选机处于高负荷状态或处于异常状态，需要降低处理负荷或者停机检查设备，长时间处于高负荷状态会缩短设备的使用寿命。

保持分选机运行频率(70 Hz)不变，依次调节进料频率，电流变化如图2所示。进料在低频率(小于17 Hz)运行时，分选机运行较为稳定，设备电流波动较为平缓，且电流数值较低，当进料频率继续增大时，分选机处理能力逐渐跟不上前端进料速度，负荷逐渐升高，从而导致分选机电流的波动起伏较大，且电流数值普遍偏高。因此，当分选机在70 Hz的频率下运行时，进料频率宜控制在17 Hz以下。进料频率的调节应根据当日的生产情况而定，当生产压力较大时，调节进料频率为17 Hz；当生产压力较小时，调节进料频率在17 Hz以下即可，确保能完成当日的生产任务。

图2 不同进料频率下分选机的实时电流变化

保持进料频率(11 Hz)不变，依次调节分选机运行频率，电流变化如图3所示。分选机在低频率运行时，设备电流波动较大，电流数值较高，随着分选机运行频率的逐渐增大，设备电流波动逐渐趋于平稳，电流数值逐渐变低，当分选机频率达到70 Hz时，设备达到最佳的运行状态。因此，当进料频率(11 Hz)不变时，分选机的运行频率宜调节为70 Hz。

图3 分选机在不同运行频率下的实时电流变化

2.2 不同进料频率和运行频率对分选料通量的影响

不同工况下分选料通量变化如图4所示，分选料通量是指1 h内产生分选料的质量。由图可知，当分选机运行频率在70 Hz不变时，随着进料频率增加，分选料通量呈现不断增加的趋势，进料量的增加必然会造成分选料通量的增加。当进料频率在11 Hz不变时，随着分选机运行频率逐渐升高，分选料通量呈现不断降低的趋势，说明分选机在低频运行时与进料频率不匹配，部分物料没有经过筛分就被后端物料顶出而从分选料出口跑出，当分选机运行频率达到70 Hz时，分选料通量最低，分选效果最好。

(a)分选机运行频率70 Hz (b)进料频率11 Hz

2.3 不同进料频率和运行频率对物料组分的影响

2.3.1 分选料组分变化情况

分选机分选料分拣情况如图5所示。不同运行工况下，分选料组分变化如图6所示。由图6(a)可知，当分选机运行频率不变，进料频率超过17 Hz时，分选料中有机质占比上升。部分浆料还没来得及通过筛网就被后续的物料推着向分选料出口排出，而有机质是餐厨垃圾资源化利用的重要组成部分，控制有机质的损失是有必要的。结合图4分析，当进料频率超过17 Hz时，分选料中有机质的含量明显增多，为尽可能地控制有机质损失，进料频率控制在17 Hz以下时较为合适。

图5 分选料分拣情况

由图6(b)可知，当进料频率不变时，随着分选机运行频率的增大，有机质占比呈现逐渐降低的趋势，在分选机频率达到70 Hz时，分选效果达到最佳状态。由于分选机在低频率下，主轴旋转较慢，对物料的分选作用跟不上进料速度，部分浆料未通过筛网就被后续的物料推着从分选料出口排出，所以当进料频率不变时，分选机频率控制在70 Hz时较为合适。

(a)分选机运行频率不变 (b)进料频率不变

2.3.2 浆料组分变化情况

分选机浆料分拣效果如图7所示。不同运行工况下，浆料组分变化如图8所示。运行工况的变化对浆料的组分质量分布影响很小。浆料中果皮、骨头、剩余物的占比较高，占比总和在98% 以上且各自分布不呈现规律性，而塑料、木头、金属、陶瓷和橡胶的占比很小，占比总和不超过2%，主要是因为餐厨垃圾中尺寸较大的塑料、木头、金属、陶瓷、玻璃和橡胶等物质难以通过筛网，已从分选料出口排出。

图7 浆料分拣情况

(a)分选机运行频率不变 (b)进料频率不变

3 结论

(1)分选机运行频率为70 Hz，进料频率在17 Hz以下时，分选机电流值低且波动稳定，分选效果较好；进料频率超过17 Hz时，分选机电流值高且波动起伏较大，分选效果较差，存在浆料从分选料出口跑出的情况，长期运行易缩短设备使用寿命；分选料通量变化与进料频率成正比；分选料中有机质占比与进料频率成正比，其他组分变化无规律；在实际应用中，进料频率一般控制在17 Hz以下。

(2)进料频率为11 Hz，分选机运行频率在70 Hz运行时，设备运行负荷最小，电流值最低，电流波动最平稳，分选效果最好；分选机运行频率低于70 Hz时，设备运行负荷较大，电流值较高，电流波动起伏较大，且存在浆料从分选料出口跑出的情况；分选料通量与分选机运行频率成反比；分选料中有机质占比与分选机运行频率成反比，其他组分变化无规律；在实际应用中，分选机运行频率应为70 Hz。

(3)运行工况的变化不会对浆料的组成成分造成影响；浆料中剩余物、果皮和骨头质量占比较大，三者占比总和在98%以上，其他杂物质量占比不超过2%。

(4)后续还需对设备进行进一步改进，如研究增大分选机筛网的孔径对餐厨垃圾的处理效果的影响、处理效率与分选准确性的平衡等。