杭州市科学技术协会

杭州市机械工程学会、杭州同孚环保科技有限公司

1．项目背景

工业固体废物作为固体废弃物的一种，指在工业生产活动中产生的固体废物，随着社会的发展和工业化进程的加速，我国工业固体废物产生量逐年增加。2011年，全国工业固废产生量为32.62亿吨，同比增加35.39%。同时，随着工业固废处理行业的发展，我国工业固废综合利用量呈上升趋势。2011年，工业固废综合利用量达19.70亿吨，同比增长21.77%，综合利用率达60.39%。其中，钢丝生产过程中产生的固废在工业总固废中占据相当大的比例，目前，在我国的拉丝行业里，出现的问题有很多，用酸洗环保不达标，洗了后材料就洗坏了，要么变黄、起毛、丝上有斑点，要么容易断、没有光洁度，因此，该行业所产生的固废不容小觑，如果对这些固废进行合理的资源化加工利用将会带来巨大的经济效益。固体废物预处理（pretreatment）是指资源化前的预处理，主要包括收集、运输、压实、破碎、分选等工艺过程。预处理常涉及固体废物中某些组分的分离与浓集。其中，压实是一种采用机械方法将固体废物中的空气挤压出来、减少其空隙率以增加其聚集程度的过程。其目的一是为了减少体积、增加容重以便于装卸和运输，降低运输成本；二是制作高密度惰性块料以便于贮存、填埋或作建筑材料。大部分固体废物（除焦油、污泥等）都可进行压实处理。由此可见，工业固废容重的准确测定是评价固废压实程度的唯一高效、简便的方法。

为此杭州市机械工程学会协同杭州同孚环保科技有限公司、浙江大学将“酸洗拉丝固废容重仪”这一专门针对固废容重检测的新仪器定为研发项目，成立课题组，各成员单位发挥了在各自专业领域方面的优势，开展了有效的研发工作。

本项目攻关的酸洗拉丝固废容重仪（以下简称容重仪），要求具有综合性能稳定，容器体积易控制，操作简便，高精度以及较高灵敏度等特点。容重仪是固体废弃物在综合利用过程中进行压实处理过程中评价压实程度的高效、简便的测量仪器。具有高精度、高灵敏度、超强稳定性以及操作简便的容重测定仪，可以有效降低固废循环利用过程中的运输成本，便于装卸和放置，同时高密度惰性块料可以用来作为建筑材料。总之，容重仪对于固废循环利用具有非常重要的意义。随着绿色经济建设的快速发展，大大推动了针对固废资源化利用的研究。可以预见，未来的固废利用将会具有更广阔的市场，走向现代化、大型化、多样化及个性化的发展道路，综上所述，固废容重仪将会拥有更大的市场需求与潜力，受到业内众多环保专家的青睐。本项目的研究目标是突破传统的容重检测技术，积极研发并掌握关键核心技术，将研究成果产业化，开发具有自主知识产权的新型固废容重检测仪器，从而填补生物质以及固废容重检测方面的空白。

2．项目待攻关的难题

目前国内生产的容重仪大多是针对小麦、稻谷、高粱等设计的便携式小型容重仪，此类仪器容积小、价格昂贵，对固废容重检测来说适用性较差，且无法改变容器形状。其主要问题是容积小、体积难以测定，无法满足对各种形状固废检测的需求。目前国内外现有的容重仪均主要采用固定容积的方式进行测定，极大地限制了容重仪的使用范围，加大了对样品的测定要求，给实验操作带来了一定的困难。此外，现有容重仪还普遍存在着精度、灵敏度均较低，内部储存空间较小的现象，如何增加仪器的测定精度、改进储存空间也是该项目需要解决的重大难题。

3．取得的创新成果及应用效果

本项目基于固废容重仪的开发应用，提出了符合固废测定要求的主要攻关思路及方案。对容器体积计量进行设计创新，从根本上解决容积测定中存在的困难，同时研究其内部核心部件，加大检测精度以及储存空间。

（1）容器体积计量设计创新

原有容重仪的体积大多是固定的，多以圆柱形为主，如图1 所示：

 图1

其主要的操作步骤是先将容量筒安装在塑料底座上放置于水平面上，然后把插板插入容量筒插板槽内，并将排气砣平置于插板之上，套好中间筒。将准备的试样倒入谷物筒内，装满刮平。再将谷物筒套的中间筒上，打开漏斗开关，让谷物自由下落，待试样全部经过中间筒落入容量筒后，关闭漏斗开关。用手握住谷物筒与中间筒的结合处，将插片迅速抽出，待排气砣和试样落入容量筒后，再将插板插入豁口槽中，依次取下谷物筒、中间筒、容量筒 。倒净容量筒插片上多余的试样，抽出插片，将容量筒平稳地放在电子称上称重。

综上所述，该类容重仪测定物体操作步骤繁琐，程序复杂，且样品容器无法自己选择调控，相对于粉状、颗粒型样品来说，固定容积的容器是适用的，而且较为方便，只要用样品将容器填满并输入固定容积即可获得相应的容重数值。然而固体废弃物形状各异，有长条形、方形、球形等，一种容器无法满足所有固废物的容重测定，因此需要随着样品形状改变而选择适合适的容器，不同形状容器容积大小的测定成为容重测定中最大的难题。

综合机械工程学会、浙江大学等各个专业领域方面的优势，集思广益，研发出一种新型的高新技术—微型定标技术。该技术是首创的一项高精密测体积的尖端技术，该技术的原理是利用微型球密度不变，通过测量容积内微型球的重量与微型球的密度的百分比从而得到容器的容积大小，示意图如图2所示。

图2

以圆柱形容积为例（其他形状以此类推），先称量容积的重量记为M，将微型球装满整个容器，直到与容器口持平为止，记下此时的重量为M_t，微型球的密度已知记为ρ，微型球之间的间隙忽略不计，容器的容积计算如下式（1）：

………………………………………(1)

V—容器容积，L；

M_t—微型球与容器总重量，Kg；

M—容器重量，Kg；

ρ—微型球密度，

     容器容积V已经计算得到，再称量样品的重量记为M_o，通过式（2）计算就可得到样品的容重。

容重…………………………………(2)

M_o—微型球与容器总重量，Kg；

综上所述，微型球定标技术巧妙地解决了不同形状容器的容积测定问题，给各种非标准形状样品的测定带来了极大便利。

（2）核心部件改进设计

本项目研发的容重仪主要由称量模块，容器，传感器，显示模块，按键模块组成，当然客户有所需求添加通讯端口等与打印机，PC等连接，详细内部流程见图3。

图3

该容重仪采用进口高精度称重传感器和24位专业质量计量高精度模数转换芯片，使之称量精度与市场其他容重仪相比有所提升，市场上容重仪称量精度多为1g，而该容重仪称量精度达0.5g，称量精度提高一倍。这对容重的检测来说是一个质的提升。为扩大仪器内部存储空间，我们采用FM24CL64存储器，该存储器是采用先进的铁电工艺制造的64K位非易失性存储器。铁电随机存储器（FRAM）具有非易失性，并且可以象RAM一样快速读写。FM24CL64中的数据在掉电后可以保存45年。相对EEPROM或其他非易失性存储器，FM24CL64具有结构更简单，系统可靠性更高等诸多优点。与EEPROM系列不同的是， FM24CL64以总线速度进行写操作，无须延时。数据发到FM24CL64后直接写到具体的单元地址，下一个总线操作可以立即开始，无需数据轮询。此外，FM24CL64的可读/写次数比EEPROM高出几个数量级。同时，由于无需内部升压电路，FM24CL64的写操作功耗非常低。

（3）外观美化设计

整台仪器外壳采用，坚固耐用，具有防潮防腐蚀的效果，起到保护仪器内部件的作用。同时，坚固外壳抗压能力强，样品放置时不会对仪器造成损害。左边放置样品的托盘较大，适用于各种大小底盘的容器，扩大了仪器的样品测定以及容器的选择范围，给实验技术人员带来了便利。超大液晶显示屏，实验数据更加直观、清晰，方便实验人员记录。功能键突出仪器表面，采用鲜艳的红色加以区分，避免因按键错误造成实验失败。

图4

（4）应用效果测试

 ① 计量标准的重复性实验

在标准装置正常工作的情况下将标准砝码放在托盘上重复测量10日，各次测量结果如下：

1000、999、1000、1000、1000、1000、1000、1000、1000、1000.

999.9g

由此可见，检定装置的测量重复性为 0.316 g小于最大允许误差的1/3，符合要求。

② 计量标准的稳定性考核

在20℃下用本标准装置标准砝码每隔2个月检定一次，每次连续测量6组数据，结果如表1所示：

表1  6组实验结果记录

由表中可以看出，平均值的最大值与最小值的差max-min=0.33g≤最大允许误差，可见该容重仪符合测定要求。

4. 下步设想与建议

1、采用工业液晶触摸屏代替现有按键模式，全面提高工作效率。

 2、进一步提高仪器的检测精度与灵敏度，实现样品容重的快速检测。

3、减轻仪器的重量，使其易于移动，便于实验操作。

5．课题组成员

课题组由杭州市机械工程学会牵头杭州同孚环保科技有限公司与浙江大学协同完成，各成员单位发挥了在各自专业领域方面的优势。

课题组成员如下：

王 会     男   博士     高工           浙江大学

赵集贤    男   本科     研究顾问    杭州同孚环保科技有限公司

吴跃峰   男   本科   研发部副总监  杭州同孚环保科技有限公司

许  岚   男   本科      高  工      杭州市机械工程学会

王均捷   男   本科      教  授      浙 江 大 学

徐晓健   女   大专  学会副秘书长   杭州市机械工程学会

6．结束语

   本项目由本项目由杭州市机械工程学会牵头，杭州同孚环保科技有限公司与浙江大学协同完成。在整个过程中克服了很多困难，攻克了很多难题。项目进行中出现问题时课题组积极沟通协调，分工研究，讨论出科学有效的解决方案。本项目的顺利结题说明企业与学会与高校的合作是成功的。作为企业，将学会会员丰富的理论知识进行实践，提高了公司技术研发中心的综合实力。合作结果达到了双赢的局面，企业开发出了新产品，学会的高校教师开发丰富了教学资源，对专业学生的培养更加自信。通过合作，加深了企业与学会与高校间的往来。后续企业将继续与学会与高校进行合作，开发生产出高质量的产品，同时培养出专业水平高的职工队伍。