【JX17-03】垃圾分解分拣设备开发（二维+三维+论文）
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JX17-03
【JX17-03】垃圾分解分拣设备开发二维+三维+论文
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2017届本科生毕业设计（论文）开题报告课题名称 垃圾降解分拣设备设计 专 业 过程装备与控制工程 专业方向 过程装备与控制工程 班 级 13102211 学 号 1010221216 学生姓名 李泽喜 指导教师 张慧敏 教研室 过程装备与控制 上海应用技术大学机械工程学院2016年11月1日1 本课题研究的目的和意义餐厨垃圾（俗称“泔水”）是指在食品加工过程中产生的食品废弃物、饮食完毕后的食物残余以及在清洗食物、洗刷餐具等过程中产生的食品残渣和污水。中国餐桌浪费惊人，每天产生巨量的餐厨垃圾。清华大学环境系固体废物污染控制及资源化研究所的统计数据表明，中国城市每年产生餐厨垃圾不低于6000万吨，其中餐饮服务业和企业事业单位食堂产生的餐厨垃圾就占据60%以上1。专家认为，营养丰富的餐厨垃圾经过科学恰当的处理后是宝贵的可再生资源。但由于尚未引起重视，处置方法不当，它已成为影响食品安全和生态安全的潜在危险源。虽然处置不当会产生严重的后果，但餐厨垃圾也并非一无是处。国家发改委环资司副司长何炳光指出，餐厨垃圾具有废物与资源的双重特性，可以说是典型的放错了地方的资源。目前，市场上比较多见的餐厨垃圾处理设备均为小型设备，无法满足企业事业单位食堂、餐饮服务业等需要处理大量餐厨垃圾的场所。用这些设备处理大量餐厨垃圾的成本较高，效率较低，处理不充分，并且有废水流出，污染环境。所以，本课题要研究的就是针对企业事业单位食堂、餐饮服务业等垃圾产生量大、产生速度快、所含营养丰富等特点，设计一种垃圾处理设备，以达到餐厨垃圾高效率处理、无污染处理、资源再利用等目的，以适用于国内大部分餐厅及食堂的餐厨垃圾处理。其设计要求为：一次可以处理体积大约为2000L的餐厨垃圾，用时24小时，处理周期短，效率高。2 垃圾分解设备现状2.1 餐厨垃圾处理的主要工艺 目前餐厨垃圾的处理工艺主要包括有填埋、焚烧、分拣破碎、干燥杀菌、微生物降解等工艺。填埋是将收运来的餐厨垃圾与其他生活垃圾混杂在一起，直接进入填埋场直接填埋。这种工艺的优点是方法简单，运行的费用低廉，而且处理量巨大。缺点是占用大量土地资源，耗费大量的土地征用费用2。焚烧是指将垃圾中的可燃物燃烧后产生热量进行发电一种垃圾处理工艺。该工艺的优点是处理量大，垃圾的减量效果明显。缺点是焚烧工艺对垃圾的热值较高的要求，会极大地增加处理成本。同时由于不完全燃烧产生的气体固体产物排放后会危害人类的健康。分拣破碎是把餐厨垃圾分拣为上浮物、下沉物、污水。上浮物人工拣出，下浮物进行破碎，污水排出3。此工艺优点在于过程简单，方便快捷。缺点在于需要人工操作，并且不能把垃圾彻底处理。干燥杀菌处理工艺是把餐厨垃圾中的固体和液体分类、油脂和水分离，水作为污水排放，固体物质压缩干燥后进行高温灭菌、挤压、烘干粉碎造粒；油脂经过油水分离后可制成工业原料或生物柴油。此工艺优点在于资源化程度高，过程易控制。缺点在于对有害有机物及重金属等污染无法很好解决，无害化不彻底4。微生物降解工艺包括好氧堆肥和厌氧发酵。好氧堆肥是指有机物在有氧条件下，在好氧微生物（主要是菌类）的作用下，将高分子有机物降解成为无机物。该工艺的优点是技术比较简单，好氧处理后的产物可作为农产品使用，实现了垃圾的再利用。缺点是好氧堆肥占地面积较大，处理周期加长，增大运行成本。厌氧发酵是指垃圾中的有机物质在厌氧菌的作用下，由高分子物质降解成为小分子物质，最终转化为沼气的过程5。该工艺的优点是垃圾的减量化，资源化处理效果好。缺点是工艺流程复杂，处理周期长，不适用于企业餐饮服务业及企业、事业食堂。通过对工艺复杂性、垃圾处理最终结果、成本、适用范围等多方面综合对比考虑，为达到高效率处理、无污染处理、资源再利用等目的，本课题采用微生物降解工艺。2.2 微生物降解工艺的典型设备及分析总结2.2.1 微生物降解设备概述刘鸣一在微生物降解方面提出了利用加热层加热的方法，并且反应釜设计为圆筒型，以保证均匀受热6 设备简图：处理流程：将餐厨垃圾自餐厨垃圾入口11倒入，并经由餐厨垃圾通道141进入反应釜14中，电机15驱动皮带150带动搅拌棒144对倒入的垃圾与微生物进行混合搅拌，促使其反应，以降解餐厨垃圾。同时，反应釜14的底部发热层16发热，对反应釜14中的微生物与餐厨垃圾加热，促使降解反应，并产生气体物质，在加热的同时，反应釜中的热气流由热循环管道18实现循环散热，使反应釜14中的物质受热均匀。反应釜14中产生的气体经滤气装置13无毒化处理后滤出反应釜14。优点：餐厨垃圾有效降解、达到无害化处理目的，可大大减少厨房垃圾对环境的破坏，有助于现在提倡环保的理念。缺点：处理周期较长，生产效率低，这样就满足不了当前社会每天产生的大量厨房垃圾的处理。工艺流程：进料（菌种）搅拌降解气体排出蒋建平提出了多滚筒循环翻转降解的方法，利用多个滚筒循环翻转降解，能够保证每个滚筒在降解垃圾后被消毒的同时机器进行正常的运作7设备简图：处理流程：首先将垃圾从滑动门放入料筒13中，然后将料筒13从进料门2放入保温壳体1内的滑动轨道14上，并将料筒13通过挂轴悬挂于链条12的挂钩8上，开启鼓风机6，通过进风管11向保温壳体1内鼓风，需要翻动料筒13时，松开制动装置，料筒13在重力作用下沿滑动轨道14向下滚动，在此过程中料筒13内的垃圾翻动一次。料筒13每隔一段时间下降一个位置，处于最下端的料筒13已经是经过生物菌种数天的处理，完成了生物降解过程，此时将最下端的料筒13从料门7取出即可。取出的料筒13清空后可以进行消毒，将料筒内产生的有害微生物及时消灭，由于料筒13有多个且彼此互不影响，因此，每天的垃圾均在保温壳体1内生物降解相同的天数。优点：消毒过程不会影响正常的垃圾处理工作，大大增加生物菌种的利用效率。缺点：垃圾处理不够彻底，会产生一些不该出现的餐厨垃圾，并且处理周期较长。工艺流程：装料进料鼓风翻动降解取出料筒消毒刘玉德、绳以健、石文天等在搅拌方面提出了正、反两方向运转的方法。正转时实现搅拌，用于为微生物提供氧气；反转时通过搅拌器将处理完成后的产品排出8设备简图：处理流程：首先通过人工方法去除餐厨垃圾中的一部分水分，然后将垃圾放入送料筒1，经运输轨道2通过粉碎入口4进入粉碎装置5进行粉碎。为了使大块的餐厨垃圾顺利进入到粉碎部件，宜采用对辊结构，辊子表面可以具有斜纹或齿形形状 可由 4 个相互对滚的辊子组成的粉碎装置，通过两级对挤方式实现粉碎。垃圾粉碎后进入发酵桶3，由电机8带动搅拌棒9进行搅拌。拌器的搅拌方向可以根据需要改变。当正转时，搅拌器带动餐厨垃圾翻滚，实现搅拌，用于为微生物提供氧气；当反转时，通过搅拌器将处理完成后的产品排出。其内装有温度传感器、湿度传感器、二氧化碳检测器、加热装置，可根据检测到的温湿度对容器内部进行调节。优点：大小型垃圾经过破碎后分解彻底，众所周知，生物质降解设备使用过程中，菌种的消耗是主要的成本，降低菌种消耗也就大大降低了设备的使用成本。缺点：每次都需要人工去水操作，实现不了设备的自动化运转，工人容易与细菌接触而有病害危险。工艺流程：餐厨垃圾固液分离粉碎微生物发酵降解杨晓岗提出了两根平行搅拌轴反向旋转的方法，并带有若干搅拌齿，能够保证垃圾分解更加充分9设备简图：处理流程：将餐厨垃圾放置在投料桶13中，投料桶13随升降装置20上升，上升到一定高度后，在自卸齿轮14的作用下，投料桶13将餐厨垃圾从垃圾倒入口2倾倒至搅拌箱1中，搅拌箱1中的两根旋转方向相反的搅拌轴4对垃圾进行循环搅拌，在搅拌的同时，搅拌箱1内的微生物菌形成菌床，对食物残渣进行发酵、降解，将餐厨垃圾转化为水和二氧化碳；搅拌箱1底部的均匀送风机构可对搅拌箱1中送风受热，使得处理更加充分，并且喷嘴的送风方向与搅拌轴4的旋转方向一致，避免食物堵塞也使分解更加充分；垃圾分解产生的气体进入除臭装置，除臭装置采用臭氧加活性炭的双重除臭方式，使得除臭更加彻底。优点：搅拌轴反向旋转，垃圾分解充分。缺点：但是该设备的适用范围局限大，并不适合一些大型的餐厨垃圾，无法实现大批量的处理。工艺流程：送料搅拌送风降解除臭刘永海、冯晓霞、魏富奎等在发酵装置方面提出了用多个发酵仓循环利用、共同发酵的方法。此方法可以增加机器循环效率，保证循环周期10设备简图：处理流程：餐厨垃圾由进料装置进入破碎装置，在破碎装置中把餐厨垃圾破碎后由储水装置里的废水经过三通阀加发酵菌后将其冲入发酵仓内进行发酵，总共有 6 个发酵仓，由电控控制步进电机工作，使发酵仓托盘旋转 60，使下一个发酵仓口正好与破碎装置的出料管对齐，确保破碎后的餐厨垃圾顺利进入发酵仓。装满餐厨垃圾的发酵仓由一机械式弹簧盖进行密封，确保餐厨垃圾在发酵仓内进行厌氧发酵。第一个发酵仓内的餐厨垃圾经过 5 天发酵，发酵仓托盘在步进电机的驱动 5 次后正好旋转到出料口，由人工打开出料仓盖取出发酵仓，将发酵好的餐厨垃圾倒出后放回设备的发酵仓托盘。优点：增加机器循环效率，保证循环周期缺点：完成一次餐厨垃圾的处理过程较长，过程较繁琐。工艺流程：进料破碎发酵取出发酵仓周思安根据垃圾降解所需时间的不同提出了利用多个降解桶降解的方法11设备简图：工作流程：将盛有餐厨垃圾的桶22置于入料口121内，并通过升降机31将其升降至破碎压榨机32开口处，将垃圾桶内餐厨垃圾倾倒至破碎机32内进行固液分离，液体垃圾随液体管道流入油水分离机4，而固体垃圾进入压榨机322进而从固体导管排出至降解桶52内，而降解桶52的数量至少为两个。优点：降解桶的数量可根据生物发酵利用的菌种发酵周期不同而增加，从而实现充分降解缺点：降解桶不稳、旋转装置易损坏工艺流程： 液体：油水分离进料固液分离 固体：降解2.2.2 分析总结综合以上各个微生物降解设备的优缺点，博采众长，我设计了一款新型的垃圾处理设备，该设备总体结构如下：设备处理流程：首先人工加入餐厨垃圾及菌种，然后通过电机带动板扎进行赶料与搅拌。处理物较为干燥或天气等其他原因时，可人工加水。餐厨垃圾在内箱体通过搅拌被充分降解。待降解结束以后，未能被降解的垃圾通过电机带动板扎反向运转到垂直于箱体顶面的位置，等电机停止运作后人工取出。之后人工加入垃圾或补充菌种，进行下一轮降解。优点：处理周期短，处理工艺简单快捷重难点：赶料和取料过程中板扎的选择和取放工艺流程：加料降解赶料取料补充菌种2.3 本课题所要设计的设备设备设计构想：设计内外箱体，外箱体底部为矩形，内箱体为圆筒形，箱内设计两旋转薄板，对箱内垃圾进行搅拌和赶料，内箱底部设计锯齿，用于割破垃圾袋和其他大型垃圾，箱体内部设计温度传感器，以监测控制箱体内部温度，设计电机，带动两旋转薄板进行赶料、搅拌。4 垃圾降解分拣设备总体设计4.1 内外箱体的设计由于处理的垃圾物品有腐蚀性，因此，我们采用不锈钢材料，为防止太薄而刚度不够、太厚而材料浪费，我们设计的材料厚度为3mm。内箱底部采用圆筒状，以便垃圾无死角降解。箱内顶部固定有喷水管，水管右端连接有电磁阀，且内箱与外箱底部之间设有支撑。外箱长1.6m,宽1.3m。此外，桶底部有一排锯齿，割破塑料袋释放垃圾。因为箱体的精度要求不高，所以采用焊接的方式连接，这样不但让产品的制造成本降低，而且可以使主体的稳定性更高。4.2 轴板的设计赶料过程采用厚度为1mm不锈钢板材质，取出大型垃圾处理物时，钢板选型为带有过滤孔直径为3cm钢板，以便大颗粒垃圾完全取出；取出菌种时，过滤孔较为细密的钢板。4.3轴承座的设计为了保证轴板不相互发生干涉，滑动轴承的设计至关重要。为此，采用偏置的固定方式，固定处向左偏移。由于轴承的工作环境恶劣，且又要满足偏心的要求，因此，采用滚动轴承嵌入轴承套内的组合。此轴承座设计的创新之处在于采用分体设计，并用螺栓固定，方便轴承的安装。由于轴承座在设备运转过程中承受较大的载荷，故材料选用45钢并调质处理。4.4 电机的设计对齿轮减速箱的设计要考虑到需要达到的转速要求，并对危险轴进行必要校核。设计中驱动电机启动频繁、时间短、断续工作。选择一款合适电机尤为必要。实际选取电机的功率为按正常载荷计算出来的功率的7-12倍，为此选择10倍功率。电机转速为4-5rpm。由于电机需要做间歇式运作，故此采用两级变速。加保护电路，以防止卡死时不会损坏电机。本次设计采用的电机选用蜗轮蜗杆减速电机，该类电机传动比大，体积小，适合在结构较紧凑的设备上使用。4.5 控制系统的设计4.5.1 电机的控制电机做间歇式运作，转速为4-5rpm。（控制：1小时转3次，一次10分钟，间歇转动）。4.5.2 温度的控制设备内部的温度保持在40-50内，据此在内箱插入10个温度传感器。温度传感器的位置设计为：内箱底部均匀放置3个；与轴承同一水平位置箱体前后各放置2个（共计4个）；箱体上顶面放置3个。4.5.3 安全开关的控制当门与箱体贴合时，会相互紧紧吸住，此时机器正常运作；当门与箱体分离时，机器断电，与此同时，还需在控制器上加上一个复位开关，使得赶料板回复到初始设定位置。4.5.4 控制面板设计Start键，用于控制设备运行。由于需要人工操作，具有危险系数，故设计Stop键，强行断电键，保护设备及人身安全。插片/取片键，用于人工插片。赶料键，进行人工取料。进料键，可人工进料。显示处理垃圾重量、温度传感器的数值。设置插片键、进料键、取料键、start键、stop键、安全锁按钮5 本课题研究的垃圾降解分拣设备的创新点该设备相比其他类似分选设备具有体积小，容量大，用时少的优点。在箱内设有两旋转薄板，对箱内垃圾进行搅拌和赶料、取料三位一体。能够将不能降解的垃圾分离和取出，同时保证菌种不被消耗。整体有称重系统，可读出加料的质量和分解完成后的质量。内箱底部设有锯齿，可割破垃圾袋和其他大型垃圾。6 完成本课题的进度计划查阅资料，攥写开题报告，翻译 第1周喷嘴选型确定与结构部设计 第2周画零件图和装配图 （草 图） 第3周画零件图和装配图 （正规图） 第4周画三维图 （正规图） 第5周利用ansys进行模拟仿真 第6周 利用ansys进行流场分析 第7周 攥写说明书 第8-9周整理数据准备答辩 第10-11周 答辩 第12周7 主要参考文献1谭燕宏. 餐厨垃圾处理工艺及资源化技术进展J. 绿色科技, 2012(3):177-179.2吴修文, 魏奎, 沙莎,等. 国内外
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