建筑垃圾處理關鍵設備選型分析

胡 晴 穆凱旋 姚志偉

(1.南大環境規劃設計研究院(江蘇)有限公司；2.南京大學環境規劃設計研究院集團股份公司，南京 210093)

目前，我國每年產生的建筑垃圾大約占到城市垃圾的40%[1]，雖然政府和企業廣泛推廣建設建筑垃圾處理項目，但該行業發展還不夠成熟，設備供應商也是參差不齊，且大多是砂石骨料生產廠家轉型而來。建設單位、設計院等對于建筑垃圾處理項目還處于摸索階段，甚至對整個項目的認知僅限于“處理量”，而對工藝流程設計和設備選型都依賴于設備供應商。本文以某縣50 t/h建筑垃圾處理項目為例，基于建筑垃圾處理典型設備，提出建筑垃圾處理關鍵設備選型的要素，為同類型項目設計提供思路。

1 建筑垃圾處理典型設備

建筑垃圾處理典型設備包括：給料機、破碎機、篩分機、磁選機、風選機等。圖1為典型的固定式建筑垃圾處理工藝流程圖，建筑垃圾處理過程主要是建筑垃圾通過破碎、篩分后加工成粗碎、細碎等不同規格的再生骨料，因此建筑垃圾處理過程中關鍵設備是破碎機和篩分機[2]。

建筑垃圾在產生地或進料車間進行預破碎，粒徑小于1米后，通過給料機輸送至一次篩分設備，篩分出其中的廢渣土再進行一次破碎，進一步減小建筑垃圾的尺寸。一次破碎后通過磁力分選除去其中的廢金屬，再經過二次破碎和二次篩分，進一步達到建筑垃圾破碎和粒徑分級的目的。其中，二次破碎后需通過人工、風力或浮力分選，將其中的廢塑料、廢木材類垃圾等分選出來，以保證最終骨料的純度。二次篩分出10～31.5 mm的再生中、粗骨料可用于生產混凝土或無機混合料應用于道路工程；篩分出0～10 mm的再生中骨料可用于生產再生磚。根據再生骨料的應用方向生產機制砂時，需經過三次破碎和三次篩分，主要目的是細碎和再生骨料分級，最終得到粒徑為0～5 mm的再生細骨料。處理過程中分選出的廢金屬類物質回收再利用；廢塑料、廢木料等其他物質分類打包后外委處置。

圖1 典型工藝流程圖

2 建筑垃圾處理關鍵設備選型的要素

建筑垃圾處理是系統化工程，作為工程中關鍵設備的破碎機、篩分機選型前，需根據建筑垃圾的物料組分、處理工藝流程等方面選擇適合建筑垃圾處理的破碎機和篩分機。

2.1 建筑垃圾物料組分

我國建筑垃圾中由廢棄舊居民建筑物、廢舊廠房拆除所產生的混凝土塊、磚石類占比最大，約為80%，其余為木料、渣土等。而裝修垃圾組成較為復雜，除混凝土、砌塊、渣土外還存在少量廢油漆桶等有害物質，具體進料組分見表1。由表可見，建筑垃圾主要是混凝土磚石類和灰土混合類，混凝土磚石類和灰土混合類按普氏硬度系數劃分的硬度等級分別屬于：中硬和很軟；硬度等級分別為4～8級和<2級。

表1 建筑垃圾物料組分分析

2.2 破碎篩分系統設備種類

2.2.1 破碎系統

結合建筑垃圾處理典型工藝流程(圖1)，建筑垃圾破碎設備主要分為三類：

(1)一次破碎工藝可選擇錘式破碎機或顎式破碎機。設備應具有進料尺寸大、破碎能力強、沖擊力強、不易堵腔的性能特點。

(2)二次破碎工藝可選擇反擊式破碎機或圓錐破碎機。設備應具有破碎比大、沖擊力強、破碎效率高、出料粒度好的性能特點。

(3)三次破碎工藝可選擇立軸破碎機或輥式破碎機。設備應具有破碎效率高、骨料粒形好的性能特點，在避免物料過度粉碎的同時確保最終針片狀骨料含量低于規范要求。

二次破碎和三次破碎可采用“閉路”破碎，使大粒徑的物料返回破碎機再次破碎，以滿足再生骨料級配要求。表2將各類破碎機從進料組分適應性、塑形能力及經濟性等方面進行對比分析。由表可知，一次破碎建議采用顎式破碎機，二次破碎建議采用反擊式破碎機，三次破碎建議采用立軸破碎機。三次破碎工藝可根據再生骨料產品粒徑分級需求增加，若生產再生中粗骨料，只需要到二次破碎即可，而需要生產人工機制砂時，則需增加三次破碎的設備，甚至是研磨設備。

表2 各破碎段破碎機對比分析

2.2.2 篩分系統

由建筑垃圾處理典型工藝流程(圖1)可知，篩分工藝主要分為三類：預篩分、檢查篩分(一次、二次篩分)、分級篩分(三次篩分)，如果最終產品要求是人工機制砂，還需要增加沖洗、脫水、脫泥等篩分工藝[3]。具體工藝如下：

(1)預篩分是物料進入一次破碎前的篩分作業，常用兩種設備：一是除土篩，常設于顎式破碎機之前，主要用于建筑垃圾中廢土的篩分；二是棒條篩，篩分出的篩上物送至顎式破碎機，篩下物送至除土篩，進一步去除建筑垃圾中的廢土。

(2)檢查篩分主要采用重型篩，例如重型圓振篩、重型階梯篩。重型篩主要有兩種功能：一是分流建筑垃圾物料，減輕后續人工分選機、風選機或浮選機的工作強度，增強分選塑料類、廢木料類等其他雜質的效果。二是調整物料級配以控制進入反擊式破碎機的粒徑。

(3)分級篩分常用的設備是圓振篩。分級篩分主要功能是再生骨料粒徑分級，可按照混凝土用再生粗骨料單粒級分為5～10 mm、10～20 mm和16～31.5 mm三種規格[4]。

2.3 破碎篩分設備選型關鍵技術參數

現階段建筑垃圾處理生產再生骨料中，破碎系統多采用“預破碎+一次破碎+二次破碎”工藝；篩分系統多采用“預篩分+檢查篩分+分級篩分”工藝，例如金華市建筑垃圾資源化利用項目和山安立德建筑垃圾資源化處理項目[5-6]。下面對上述工藝中的破碎機和篩分機選型關鍵技術參數進行介紹。

2.3.1 破碎機

破碎機選型時，除“處理量”關鍵技術參數外，還包括最大允許進料(排料)粒徑、排料口調節方式、破碎腔型[7-8]。

(1)粒徑

建筑垃圾不同破碎段的生產需求對應不同的破碎程度，破碎程度由最終破碎產物粒度反映，根據郎寶賢、王羅春等對破碎機分類研究，各破碎段的粒徑范圍見表3[9-10]。由表3可知，顎式破碎機作為一次破碎，給料粒度應為500～1 000 mm，排料粒度應為100～250 mm；反擊式破碎機作為二次破碎，允許進料粒度應不超過250 mm，排料粒度應不超過60 mm。需要注意的是，建筑垃圾處理中反擊式破碎機采用“閉路”，受到返料的影響，需要在處理能力上高20%～40%[11]。

表3 各破碎段粒徑范圍分布表

(2)排料口調節方式

破碎機排料口間隙會因為磨損而增大，影響建筑垃圾的處理能力和再生骨料的質量。常用的排料口調節方式分為墊片調節法、斜鐵調節法和液壓調節法。墊片調節法屬于傳統方法，必須停機才能調節。楔塊調節法調節時費力，只適用于中小型破碎機。目前無需停機、操作方便的是液壓調節法。

在破碎機選型時可優先選擇液壓調節法的排料口調節方式。

(3)破碎腔型

顎式破碎機的破碎腔內部的破碎壁可分為曲線形和直線形，直線形破碎腔很容易造成堵塞現象，曲線形破碎腔利用遞增式狀態，加大了動靜顎在工作時與破碎腔的接觸面，在一定程度上可以避免堵料現象。由于建筑垃圾的復雜性，建筑垃圾處理所采用的顎式破碎機在選型時優先考慮V型深腔型，例如PE系列的深腔重型顎式破碎機。

反擊式破碎機的破碎腔型主要分為兩腔和三腔，分別具有兩個反擊架和三個反擊架。為提高建筑垃圾的破碎效率，同時發揮反擊式破碎機一定的骨料塑型能力，選型時可優先選擇三腔反擊式破碎機中的大腔型錘式反擊式破碎機。

2.3.2 篩分機

篩分機最關鍵的技術參數是篩分效率，振動篩篩分效率達90%，固定篩篩分效率雖只有60%，但造價低，所以建筑垃圾處理一般都采用固定篩進行預篩分，振動篩進行檢查和分級篩分[10]。固定篩和振動篩的篩分效率受傾斜角、振動強度、篩面層數等技術參數影響。根據建筑垃圾處理流程中不同篩分工藝，其關鍵技術參數選擇不盡相同，具體見表4。

(1)傾斜角

篩面傾斜角一般在0°～45°，篩面傾斜角關系到篩分速度(篩分時間)和效率：篩分速度與傾斜角成正比關系，篩分效率卻與傾斜角成反比關系?？梢姡瑸榧骖櫤Y分速度和篩分效率，一般建筑垃圾處理中篩分機的傾角取中間段18°～20°。

(2)篩面層數

建筑垃圾處理中篩分機的篩面應根據處理工藝流程中再生骨料級配進行選擇單、雙、三或四面。

(3)振動強度

頻率和振幅兩個因素構成振動強度。一般對于大于31.75 mm粗料篩分采取低頻高幅；對于9.53～31.75 mm中細物料采取中頻中幅；而對于小于9.93 mm細料的篩分采用高頻低幅[10]。

表4 不同篩分機關鍵技術參數表

3 工程案例

3.1 項目簡介

某縣500 t/h建筑垃圾處理項目以生產0～5 mm、5～10 mm、10～31.5 mm再生骨料為主要目的，年工作300天，年處理建筑垃圾120萬噸。結合上述建筑垃圾物料組分以及破碎、篩分工藝，本項目工藝流程設計如圖2所示。破碎系統采用“預破碎+一次破碎+二次破碎”工藝：在進入振動給料機前將大于1 m的物料預先破碎，一次破碎采用顎式破碎機，二次破碎采用反擊式破碎機。篩分系統采用“預篩分+檢查篩分+分級篩分”工藝：設備分別采用棒條篩、除土篩、重型篩及圓振篩。通過圓振篩將大于31.5 mm的骨料返料至反擊式破碎機再破碎，形成閉路，直至物料粒徑小于等于31.5 mm，最后得到0～5 mm、5～10 mm、10～31.5 mm再生骨料。

1—棒條篩；2—顎式破碎機；3—反擊式破碎機；4—除土篩；5—重型篩；6—圓振篩；7—人工分選機；8—風選機；9—輸送機；10—磁選機圖2 某縣500 t/h建筑垃圾處理工藝流程圖

3.2 設備選型

3.2.1 設備關鍵技術參數

按破碎機和篩分機選型關鍵技術參數，選擇滿足項目要求的設備，其關鍵參數如表5。

表5 項目設備關鍵技術參數表

3.2.2 設備質量分析

破碎機和篩分機作為建筑垃圾處理系統中最關鍵的設備，其設備質量由設備本身和產品(建筑垃圾再生骨料)質量決定。產品粒度和產品粒形是衡量破碎機和篩分機質量的主要指標。

(1)產品粒度

破碎機的粒度特性曲線可鑒定破碎機的破碎效果，是作為破碎機質量衡量的重要依據。篩分機的粒度分配曲線直接反應篩分機的篩分效率，篩分效率是衡量篩分過程最重要的質量指標。由于篩分機的篩分效率的計算與分配粒度的取值、物料組分、物料性質等外在因素有直接關系，且建筑垃圾較復雜，本項目所采用的篩分機暫不做分配粒度曲線分析[12]。

選擇滿足以上技術參數下的兩家設備供應商的顎式破碎機，顎式破碎機的粒度特性曲線如圖3所示，排料口尺寸在75～250 mm時，粒度特性曲線呈指數增長，正好反映建筑垃圾中多屬于中細度的混凝土類和灰土類，屬于易碎性物料。同時，在通過率為80%和排料口尺寸100 mm時，供應商A對應的方孔篩尺寸遠超過100 mm，供應商B剛好相反，可見供應商B的顎式破碎機破碎效果更佳。

a—供應商A顎式破碎機粒度特性曲線 b—供應商B顎式破碎機粒度特性曲線圖3 供應商A、B顎式破碎機粒度特性曲線圖

在供應商A、B的產品手冊中再選擇滿足技術參數所需的反擊式破碎機，其粒度特性曲線如圖4所示。可見，排料口尺寸在2～60 mm時，粒度特性曲線呈指數增長，其反應結果與圖3正好相一致。同時，供應商A在通過率為80%和排料口尺寸50 mm時對應的方孔篩尺寸與供應商B相差僅1 mm，可見供應商A、B在反擊式破碎機破碎效果上性能相當。

a——供應商A反擊式破碎機粒度特性曲線 b——供應商B反擊式破碎機粒度特性曲線圖4 供應商A、B反擊式破碎機粒度特性曲線圖

(2)產品粒形

建筑垃圾再生粗骨料產品粒形需滿足《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)質量標準，其試運行中再生骨料檢測結果如表5所示，可見再生骨料表觀密度、空隙率、泥塊含量和針片狀顆粒合格率分別為98%、95%、90%和88%，其再生骨料質量較好。

表5 項目再生骨料檢測結果表

4 結論

破碎機和篩分機屬于建筑垃圾處理關鍵設備，以某縣建筑垃圾500 t/h處理項目為例，破碎系統采用“預破碎+一次破碎+二次破碎”工藝；篩分系統采用“預篩分+檢查篩分+分級篩分”。其中，預破碎屬于進場前的破碎；一次破碎采用顎式破碎機；二次破碎采用反擊式破碎機，預篩分采用除土篩和棒條篩；檢查篩分采用重型篩；分級篩分采用圓振篩。通過破碎、篩分，建筑垃圾再生骨料表觀密度、空隙率、泥塊含量和針片狀顆粒合格率分別為98%、95%、90%和88%，質量較好。