光伏餐厨垃圾处理设备的结构和功能设计

王现军 邓雨晴 朱杨杨 张嘉诚 季韦晔 陈 敏

（南通理工学院电气与能源工程学院，江苏 南通 226001）

0 引言

目前，城镇生活垃圾中餐厨垃圾占比日益增加[1]。2022年，我国生活垃圾清运量为24869.2×105t，餐厨垃圾占比约为40%～50%[2]，以餐厨垃圾占比40%计算，2021 年我国餐厨垃圾产量可达9404.68×105t。与其他生活垃圾相比，餐厨垃圾具有产量大、来源广泛、危害明显和可回收利用价值高等特点。如果餐厨垃圾处理不得当，容易造成环境污染，破坏人们的生活环境。餐厨垃圾含水率较高（70%～90%）[3]，目前餐厨垃圾的主要处理方法有填埋、焚烧、厌氧发酵、好氧堆肥、饲料化、生物转化以及蒸煮提取废弃生物油脂等。将餐厨垃圾做成有机肥，可以替代传统化肥，改良土壤，生产出有机农产品，还可以减少对环境的破坏，因此该设备具有广阔的应用前景。

目前，市面上用于餐厨垃圾的螺旋挤压脱水机功能较单一，功率、体积较大，不适合一般餐饮场所使用。为了有效完成餐厨垃圾清运工作，减少末端处理总量，防止城市环境污染，笔者设计了一种小型的餐厨垃圾处理设备，采用光伏发电，协同螺旋挤压、转筒烘干，对固体和液体进行分离处理，实现从源头对餐厨垃圾进行减量化和资源化处理的功能。

1 设计方案

1.1 设备整体设计

餐厨垃圾处理设备主要由电能供应系统、螺旋挤压系统、转筒烘干系统和智能控制系统组成，设备功能系统设计如图1 所示，电能供应系统、螺旋挤压系统以及转筒烘干系统在智能控制系统的作用下工作，当光伏发电和蓄电池储能不足以支持系统运行时，可接入家用220 V 交流电进行供电，也可通过220 V 交流电直接为蓄电池充电，确保设备可以稳定、持续运行，智能控制系统可以对电流进行整流、升压，将太阳能电池板产生的直流电转化为可供电机使用的220 V 交流电。控制系统也可以检测和调节螺旋轴的转速，对不同种类餐厨垃圾进行处理。通过监测PTC 加热温度，可以保证转筒内温度正常，避免出现温度过高、线路起火等安全隐患。

图1 餐厨垃圾处理设备功能系统设计图

当光照条件较好时，太阳能电池板将光能转化为电能并存储在蓄电池内，给负载提供电能。当光照条件较差、蓄电池未充满电时，可以通过家用220 V 交流电给蓄电池充电。家用220 V 交流电也可以直接给电机供电。太阳能板和蓄电池通过智能控制器连接，智能控制器可以防止蓄电池过充或过放，起到保护蓄电池、延长蓄电池使用寿命的作用，逆变器将蓄电池内部存储的直流电转变为可被三相异步电动机使用的交流电。

通过螺旋挤压机除去餐厨垃圾中的水分、油类，滤液透过滤网流入滤液收集器。利用絮凝-沉降和膜分离技术处理油脂，对油脂进行分离。随着螺旋轴的转动，餐厨垃圾沿着叶片向出料口移动，被压缩的垃圾在螺旋轴的末端料塞管处形成滤饼，完成连续的挤压脱水过程。

固态物经过螺旋挤压后进入圆筒内，在圆筒的上端使用PTC 加热器加热周围空气，风机将热空气从右往左吹进转筒，实现固态物的除湿干燥，圆筒的中间部位在电动机带动下转动，转筒内的抄板将物料抄起并落下，在转筒的最低处设置容器，收集固态物，容器底部设置通风口，以排出烘干的水汽。

1.2 电能供应系统

电能供应流程如图2 所示，主要由太阳能电池方阵、蓄电池、智能控制器以及逆变器等组成。太阳能电池组件可以固定安装在装置上方，考虑城市采光等条件的影响，太阳能电池板也可以安装在建筑物屋顶。太阳能电池采用单晶硅光伏电池，蓄电池采用阀控铅酸蓄电池。智能控制器通过设置参数，防止对蓄电池的过充、过放，起到保护蓄电池的作用，从而延长其使用寿命。通过计算，选择最大功率点工作电压为40 V、最大功率点工作电流为10 A 的太阳能电池板（36 块），单组电池通过18 串2 并焊接而成。蓄电池组工作电压为36 V，容量为200 Ah。

图2 电能供应流程图

在太阳能板角度设计上，采用可调节角度的太阳能板支架结构，可以根据当地具体情况来调节太阳能板的倾角，方便携带和使用，太阳能板与箱体通过MC4 光伏连接器进行连接，实现太阳能板与箱体的连接和分离。

1.3 螺旋挤压系统

螺旋挤压系统由挤压脱水部分和传动部分组成，挤压脱水部分由螺旋轴、滤网和密封装置等组成，传动部分由电机、减速器等组成，螺旋轴采用变径变螺距的设计。该设备的螺旋挤压机主要用于餐厨垃圾的连续输送和挤压脱水。工作原理如下：当设备运转时，连续地从进料仓加入餐厨垃圾，随着螺旋轴的转动，餐厨垃圾沿着滤网向料塞管处移动，餐厨垃圾在移动过程中，在变化的螺距作用下形成巨大的挤压力，使餐厨垃圾不断被压缩，餐厨垃圾中的游离液体从滤网的缝隙中流出，被压缩的垃圾在螺旋轴的末端料塞管处形成料塞。螺旋轴持续转动，垃圾受到螺旋叶片持续的推力作用，料塞被连续推出，实现连续的挤压脱水过程。螺旋挤压系统的三维图如图3 所示。

图3 螺旋挤压系统三维图

1.4 转筒烘干系统

烘干系统主要由圆筒、抄板、电机、PTC 加热器和风机等组成。烘干系统的主体是倾斜角为30°的圆筒，中间部位是利用电机、滑动轴承转动的转筒，转筒内壁上装有抄板，可将固态物不断抄起又洒下。

工作原理如下：固态物从圆筒的上端落入，在重力和风力的作用下从一端向另一端移动，与通过筒内的干燥介质进行有效接触而被干燥，同时，转筒内壁加装了抄板，增加了固态物与干燥介质的接触面积，从而提高了干燥速率。干燥过程所用的介质为热空气，烘干系统采用并流式进行干燥，并流式是热风与物料均从转筒同一端进出，适合黏附性较大的餐厨垃圾。

加热模块是PTC 加热片和风机，PTC 加热片产生热量对空气进行加热，风机使热空气在筒内流动。加热器由PTC陶瓷发热元件和铝管组成，具有热阻小、换热效率高、安全性高以及升温迅速等优点，是一种自动恒温、省电的电加热器。在安全性能方面，当PTC 加热器得不到风机的充分散热时，其功率会自动下降，不会产生例如电热管类加热器的表面“发红”现象，从而减少起火等安全隐患。对市面上现有的暖风机进行选型，选择NQS-G20A 型暖风机，其总功率为2 kW，同时利用发热元件提高转筒内的环境温度，也可以对餐厨垃圾的细菌进行消杀。在圆筒体的下端和靠近风机侧设置通风孔，便于出风和进风，实现热空气在筒内的单向流动，避免对设备其他系统造成影响。烘干系统具有生产效率高、结构简单以及操作方便等特点，可以满足餐厨垃圾较多时的处理需求。

1.5 智能控制系统

控制系统主要由2 个部分构成。第一部分是控制蓄电池的充/放，防止蓄电池过充、过放，造成损坏，智能控制器可以检测蓄电池电压，当蓄电池电压到达极限时，电路自动断开，当蓄电池电压在正常范围时，电路导通。

第二部分是智能控制面板，可以对各系统进行控制，将各系统联接，设置指示灯，对电动机、风机进行检测，当各器件正常工作时，指示灯为绿色，当某一部件不工作时，指示灯为红色，方便检修。

2 理论计算

2.1 电能供应系统参数设计

平均日照时间为3 h，逆变器效率为95%，电动机功率为750 W，热风机为2 000 W。

总功率P如公式（1）所示。

假设每天工作t为2 h，那么总能耗W1如公式（2）所示。

放电深度为75%，取蓄电池电压V=36 V，那么蓄电池容量Q如公式（3）所示。

假设太阳能电池每天给蓄电池充电可供负载工作2 d，选择容量为600 Ah 的蓄电池需要的总能耗W2如公式（4）所示。

因此，将PSC 太阳能电池板先串联、再并联，得到串联电路一、二的电压都是7 368.4 V。

PSC 太阳能电池板的数量如公式（5）所示。

由公式（5）可知，需要PSC 太阳能电池板36 块。综上所述，选择36 块电压为40 V、电流为10 A 的太阳能电池板，单组电池通过18 串2 并焊接而成。

2.2 螺旋挤压参数设计

螺旋轴全长为1 m。传动系统提供动力，有电动机、减速器等，对螺旋杆分析和电动机进行选型，电动机的额定功率为0.75 kW，螺距为0.15 m。

螺旋轴直径D如公式（6）所示。

式中：k2为物料特性系数，k2=30；ϕ为物料填充系数，ϕ=0.33；γ为物料堆积重度，γ=0.3t/m3；G为输送能力；C为倾斜工作时输送量校正系数。

圆轴的直径d如公式（7）所示。

螺旋轴转速n如公式（8）所示。

式中：k2为物料特性系数，k2=30。

输送量Q如公式（9）所示。

式中：s为螺距；ε为倾斜输送系数。

取50 r/min，选取电动机的型号为Y80M1-2，转速为2 830 r/min，减速比为56，选取单级卧式摆线减速器，型号为XWVP3-56-0.75。

与火力发电相比，通过光伏发电，每日可减少电能7 kW·h。

二氧化碳日减少量如公式（10）所示。

3 工作原理

当白天阳光充足时，太阳能电池方阵接受太阳能并转化为电能，将太阳能发出的电能储存在蓄电池内，蓄电池充满后自动停止充电，同时如果蓄电池电量不足，可以接入家用220 V 交流电为蓄电池充电。当需要使用设备时，按下启动开关，蓄电池中的直流电通过逆变器变成220 V 交流电，螺旋挤压机和烘干机开始工作，螺旋挤压机和烘干机并联，餐厨垃圾通过入料口进入螺旋挤压机，当轴体旋转时，餐厨垃圾与螺旋面产生接触力，螺旋轴面接触力分为周向分力和轴向分力，在轴向分力的作用下，螺旋面推动餐厨垃圾沿着轴向方向运动，由入料口推向出料口。

液体通过筛网进入液体收集容器。如果液体中油脂含量较高，就向油脂层加入絮凝剂，将油脂固态化，可用作生物燃料。餐厨垃圾中油脂和固体悬浮物含量较高，先采用重力分离法，去除绝大部分浮油，然后放入絮凝剂对溶解油进行絮凝-沉降处理，最后液体进入膜分离器利用膜特性再次分离油脂。目前，可用于餐厨废弃油脂油水分离处理的絮凝剂主要有无机絮凝剂、有机絮凝剂和复合絮凝剂。一般根据餐饮废弃油脂的具体特性选择相应类型的絮凝剂。尹艳华等[4]系统比较了碱式氯化铝、硫酸铁、氯化铝、硫酸亚铁和硫酸铝钾5 种单一絮凝剂以及硫酸铝钾、聚丙烯酰胺复合絮凝剂体系对餐饮废水的处理效果，试验结果表明，复合体系的处理效率明显优于单一絮凝剂的絮凝成果。崔文博[5]利用淀粉合成了一种无污染、无毒的天然高分子絮凝剂，试验采用淀粉作为接枝共聚物母体，加入α-甲基丙烯酸，合成了有机阴离子高分子絮凝剂，与聚丙烯酰胺等絮凝剂相比，其具有絮凝效果好、无毒、无污染以及价格低廉的优点，该文采用其作为去除油脂和溶解有机物的材料。膜分离技术是指混合物中的不同物质在通过半透膜的过程中，不同粒径的分子实现选择性分离，常见的可用于油水分离的膜有反渗透膜、纳滤膜、超滤膜、微滤膜和电渗析膜等，可用作截留乳化油和溶解油。

餐厨垃圾经过出料口后，固态物落入容器内，烘干模块进行工作，风机将热风吹入容器内，对固态物进行除湿干燥，工作原理如图4 所示。

图4 工作原理图

4 结语

餐饮场所作为餐厨垃圾产生的主要场所，其对餐厨垃圾的处理能力还不高，仅停留在分类收集的阶段，无法进一步对餐厨垃圾进行处理，同时餐厨垃圾具有水分多、易腐败以及不便保存的特点，导致餐厨垃圾在餐饮场所的存放时间不能太长，尤其在夏季温度较高的时期，往往容易招致蚊蝇，对生活环境造成污染，同时也不便运输。与传统的餐厨垃圾处理设备相比，光伏餐厨垃圾处理装置的创新点如下：1） 电能自产自用，把控节能源头。利用光伏发电系统为蓄电池充电，蓄电池再为负载供电，系统能实现发电、储能的双效模式，保证装置动力。充分利用太阳能，减少二氧化碳排放量。2） 技术协同应用，同步分离“固脂液”。运用螺旋挤压技术对餐厨垃圾进行初步固液分离。对滤液部分来说，采用絮凝分离技术分离油脂成分，可以作为生物柴油、肥皂以及硬脂酸等产品化工原料，实现回收再利用；对固体部分来说，结合转筒烘干技术，对固态物质进一步除湿，为产出物进一步转化成为有机肥提供可能，以提高经济效益。3） 智能过程管理，掌控减排过程。设计智能控制系统，通过温湿度传感器将数据反馈给中控系统，湿度降到设定数值，烘干机与热风机自动停止工作；同时通过质量进行传感，控制装置容器内垃圾的容量，以确保产出精度和工作效率。