一種新型船用生活垃圾處理裝置設計

韓宇亮，朱發新，萬松嶺，劉奕澤，呂柏程，郭 棟

(浙江海洋大學 港航與交通運輸工程學院，浙江 舟山 316022)

隨著世界貿易的不斷發展,海上運輸發揮越來越重要的作用，船舶成為最主要的海上運輸工具，全球范圍內大約有90%的貨物和商品都是通過船舶運送到各個區域[1]。船舶在運行過程中，對住艙和工作室進行日常衛生保養工作產生了大量的生活垃圾[2]。生活垃圾主要是塑料制品、包裝材料、食品廢物、金屬等[3]。這些垃圾如果直接投入海洋，會對海洋野生動物、海洋生態系統、航行安全、漁業經濟效益等方面產生負面影響，甚至造成污染，影響水體中生物多樣性[4]。保護海洋環境更有利于實現經濟社會的可持續發展。因此，如何能夠簡單有效地處理船用生活垃圾成為海洋環境保護中急需解決的問題。

目前，船用生活垃圾的處理方式主要分為以下3類：儲存處理、粉碎處理、焚燒處理。這些處理方式，雖然表面上解決了船用生活垃圾的問題，但是會產生其它問題。比如，散發臭氣，傳播病菌，甚至影響船員和乘客的健康。而且，焚燒過后未經特殊處理的廢氣還會對大氣造成一定程度的污染。

1 船用生活垃圾處理技術存在的問題

1.1 儲存處理

儲存處理是目前最簡單的垃圾處理方式，可用專門的集裝箱、船艙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給有關單位進行下一步的處理，這種方式比較簡單，經濟性較好。但是，這種方式會占用船上的一部分空間，垃圾堆放過多甚至會使船舶的吃水增加，影響船舶航行的安全。特別是炎熱的夏天,對衛生要求很嚴格，生活垃圾的堆放會污染船上的空氣，嚴重時還會威脅船員和乘客的健康。

1.2 粉碎處理

粉碎處理存在著2種方式，一是粉碎船用垃圾，減小體積，便于運輸，大大的降低運輸成本。二是利用粉碎機粉碎食品廢物或者小木屑，將其處理成細顆粒(直徑≤25 mm)后按照MARPOL公約的要求排入海中[6]，這種方式投資少,大多數船主都能接受。但是這種粉碎處理并未做過嚴格的殺菌消毒，過量排放會使附近的水域細菌滋生，造成污染。

1.3 焚燒處理

焚燒處理是將生活垃圾放到船上專用的焚燒爐進行焚燒，這種方式處理垃圾量大、速度快、占地面積小，可以有效的減少垃圾所占的空間。但為了防止垃圾在混合燃燒時發生爆炸等危險，焚燒過程中要求垃圾嚴格分類，而且未經處理排放的廢氣可能會含有對大氣造成二次污染的二口惡英、CO、NOx、SO2等有害物質[7]。所以，這類處理方式存在著一定的局限性。

2 新型船用生活垃圾處理裝置的設計

2.1 設計要求分析

根據MARPOL公約和《中華人民共和國防治船舶污染海洋環境管理條例》的相關規定，結合目前的垃圾處理技術，同時考慮結構、技術、操作、成本以及維護保養等方面，其設計要求主要包括以下5方面。

1)結構應盡量采用機械連接且組成合理，結構簡單；電器線路布置和走向應合理整齊，盡量不與運動零件發生碰撞、干涉和摩擦[8]。

2)生活垃圾處理技術較為先進，實用性較高，且處理后垃圾盡量不對船上人員造成危害，也不對環境造成二次污染。

3)操作過程中能確保操作人員安全，簡單省力，效率較高。

4)造價低，零部件之間的聯接結構應相對合理，能有效減少分體檢修和安裝的費用。

5)適用范圍較廣，可以適用于船上各種生活垃圾的處理。

2.2 工作原理

本裝置的工作原理主要由3個基本環節組成，即干燥殺菌處理、刀片粉碎處理和壓縮打包處理。為使各環節獨立進行，采用模塊化的方式，將生活垃圾依次放到干燥室、粉碎室、壓縮室進行操作。同時，3個環節緊密聯系，共同完成生活垃圾處理的工作。圖1為新型船用生活垃圾處理裝置工作原理圖。

1-投料口；2-排氣風扇;3-加熱裝置;4-干燥柵欄;5-傳送帶一;6-傳送帶二;7-金屬腳;8-推料臂帶;9-接料框;10-輔助刀片基座;11-破碎刀片;12-壓縮塊;13-動力液壓柱;14-壓縮室;15-轉軸;16-排氣孔二;17-粉碎室;18-排氣孔一;19-干燥室;20-紫外線燈圖1 一種新型船用生活垃圾處理裝置的工作原理圖

1)干燥室。垃圾通過進料口被投入到干燥室內的干燥柵欄上，加熱裝置通電產生高溫對干燥室內進行加熱，產生的熱量和水汽通過排氣孔一和排氣風扇排出。與此同時，紫外線燈開始消毒，通過紫外線的照射，使細菌的DNA分子結構被破壞，達到殺菌消毒的作用。當垃圾積累到一定程度，干燥柵欄在重力的作用下會被打開，使加熱烘干后的垃圾落入傳送帶一。傳送帶一通電運作，將干燥后的垃圾平穩的送入下一環節進行處理。

2)粉碎室。經干燥殺菌處理的垃圾，被送至安裝在輔助刀片基座上的破碎刀片。2個轉軸通電后帶動破碎刀片旋轉，進行相對運動。落入粉碎室的生活垃圾在破碎刀片的相對運動下受到切、割、撕、拉的作用，從而被粉碎。在這個過程中會產生熱量和水汽，通過排氣孔二排出。粉碎后的生活垃圾粉末落到傳送帶二上，被送入第三環節。

3)壓縮室。壓縮室積累著來自上一環節的生活垃圾碎末。動力液壓柱帶動壓縮塊下降將生活垃圾碎末壓縮成塊，并進行打包處理。之后，推料臂從側邊推動，把垃圾從出料口排出，使打包過后的垃圾進入接料框內等待后續處理。

2.3 新型船用生活垃圾處理裝置主要組成部件

1)液壓缸。圖2為液壓缸和干燥柵欄結構圖。液壓缸采用單作用活塞式的低壓液壓缸，并通過鉸鏈連接在干燥室內部。液壓缸的活塞桿內側充滿液壓油，外側連接在干燥柵欄下方。當生活垃圾對干燥柵欄的壓力高于液壓缸內的油壓時，液壓缸收縮使得干燥柵欄打開，使垃圾落入干燥室的傳送帶上。

1-傳送帶；2-液壓缸；3-干燥柵欄；4-干燥室圖2 液壓缸和干燥柵欄結構圖

液壓缸處機械連接結構可能需要定期緊固零件。同時，為避免缸內液壓油泄漏，還應定期檢驗或更換密封件。

2)刀組結構。圖3為嚙合雙刀結構示意圖。粉碎室的刀組結構由2對破碎刀片嚙合而成。破碎刀片的2個轉軸(第一轉軸、第二轉軸)由2個電機(第一電機、第二電機)帶動。同時，為了防止破碎刀片在高速旋轉時產生較大的離心力而飛出，便將其安裝在輔助刀片基座上，保障操作人員的安全。

1-第一電機；2-破碎刀片；3-第一轉軸；4-輔助刀片基座；5-第二轉軸；6-第二電機圖3 嚙合雙刀結構示意圖

船上的生活垃圾大多為餐廚垃圾，可能存在腐蝕性的殘羹剩飯和易拉罐等金屬制品，故破碎刀片應采用硬度和耐腐蝕性相對較高的硬質合金，如磨損嚴重，則需要更換。

3)加熱裝置和紫外線燈。圖4為加熱裝置的結構示意圖。加熱裝置主要由電熱絲、隔熱陶瓷底座、加熱開關及指示燈組成，隔熱底座通過螺栓和干燥室內壁連接，保證了其良好的可拆卸性和可維修性。電熱絲固定在隔熱底座上，加熱過程由加熱開關通過旋鈕來控制。工作時如果需要調節加熱溫度,可以通過開啟發熱裝置組數來控制,開啟的組數越多,溫度越高，升溫越快，加熱效果就越好。在加熱的過程中，指示燈會發亮。

1-指示燈；2-隔熱底座；3-電熱絲；4-加熱開關圖4 加熱裝置結構示意圖

紫外線燈與日光燈的結構類似，不同的是，紫外線燈的燈管是由石英玻璃制作，對紫外線有良好的透過性。紫外線燈中的紫外光是利用較低壓汞蒸氣被激化后產生的，當紫外線的波長達到指定范圍時，就可以更好的除掉細菌。

當電熱絲因工作時間過長而被熔斷時，應及時更換，避免在操作過程中失火，燒毀內部電路，造成人員受傷等。紫外線燈工作一定時間后，應及時關閉，不宜長時間打開。

4)排氣風扇。排氣風扇由電動機、扇葉、底座、框架體、百葉窗柵片等組成。扇葉安裝在底座上，底座與框架體相連被螺栓緊固在干燥室內壁。扇葉通過旋轉產生的風壓控制窗柵的啟閉，當排氣風扇不工作時，柵片會由于自身重力而下垂遮蓋風口;接通電源，電動機的轉軸帶動扇葉旋轉，扇葉產生的風壓推動柵片,使柵片張開，將水汽和臭氣通過排氣孔排往室外，從而實現排氣功能。

排氣風扇電路的通斷是由濕度傳感器間接控制的，濕度傳感器隨時監控干燥室內的濕度，當濕度上升到預定的數值時，濕度傳感器會通過結果數據線向排氣風扇發送信號，排氣風扇就會啟動。

由于干燥室的生活垃圾中帶有水汽或者污垢等會使排氣風扇造成故障，可拆卸百葉窗柵，清洗和清除扇葉轉軸和扇葉上的污垢，然后重新裝好。如果扇葉表面被腐蝕，可能需要及時更換，以免影響正常排氣。

3 新型船用生活垃圾處理裝置的可行性分析

3.1 結構可行性分析

新型船用生活垃圾處理裝置的部件大多采用機械結構連接。為了連接可靠，裝拆方便，排氣風扇、加熱裝置采用螺栓連接固定在干燥室內壁；為了保證部件的穩固，輔助刀片基座和鉸鏈支座采用焊接結構來固定；液壓缸通過鉸鏈連接的方式鉸接在干燥室內壁，使液壓缸繞著鉸鏈支座擺動，控制了干燥柵欄的打開與關閉。裝置組成部件均屬于標準件，通用性較好，且這些部件的強度、剛度等參數也符合要求。

3.2 技術可行性分析

本裝置的垃圾處理技術主要是結合目前垃圾儲存處理和粉碎處理的原理，采取物理方法，利用加熱裝置和紫外線燈對垃圾進行干燥殺菌，然后經破碎刀片粉碎，動力液壓柱壓縮打包后進一步處理。

該裝置適用于多種類型的生活垃圾處理。在經過粉碎處理、殺菌消毒等多個環節處理后的垃圾，不但所占空間小，而且危害大大降低，同時，在處理過程中也不會對環境造成二次污染。目前的紫外線殺菌技術和粉碎技術也在不斷成熟，為本裝置提供了一定的技術可行性和較強的實用性。

3.3 操作可行性分析

新型船用生活垃圾處理裝置操作簡單，只需要操作人員在機旁操作或手持遙控器操作，同時該裝置還有濕度傳感器這一自動化元件，對排氣風扇的啟閉有著控制作用，減少了一定的操作量。但是，若操作不當也會造成一定的危險，故該裝置需要經培訓過的人員專門操作。

4 結束語

1)總結了現有船用垃圾處理方式存在的不足，主要是生活垃圾會污染環境、散發臭氣、傳播病菌、影響船員和乘客的健康和污染環境等問題。

2)首先從技術、操作、維護保養、經濟性等方面總結出了新型船用垃圾處理裝置的設計要求，主要是實用性較高，操作過程中能確保人員安全，可適用于船上各種生活垃圾的處理。然后，利用AutoCAD2017軟件平臺設計出了一種新型的船用垃圾處理裝置，主要由干燥室、粉碎室、壓縮室等3個部分組成，介紹了其工作原理和主要組成部件。最后從結構、技術、操作性等方面論證了該新型船用垃圾處理裝置具有良好的可行性。

3)對該裝置的研究僅僅是理論研究，能否運用到實船上還需深入研究。后續可以在臺架試驗、數值模擬、樣機生產等方面作進一步的研究。