淺談建筑廢棄物分選技術

孫懷濤 杜 軍 周 偉 李巖峰 莊 巖

（1.天津水泥工業設計研究院有限公司，天津 300400；2.哈茲馬克（HAZEMAG）集團，天津 300400）

0 引言

隨著社會的進步和城市化進程的迅猛發展，建筑廢棄物的產生量劇增。據35個試點城市統計，2018年建筑廢棄物產生量13.15億t、2019年為13.69億t，目前每年產生量可達15億t以上，占城市垃圾總量的70%以上。建筑廢棄物若處置不當，不僅影響市容市貌、占用土地資源、破壞生態環境（造成土壤污染，水污染），還存在安全隱患，不符合我國“雙碳”的發展戰略目標。但同時也應看到，建筑廢棄物是放錯地方的資源，對其合理化再利用，可在不同領域創造價值和避免二次污染的產生。

建筑廢棄物的前處理技術主要包括破碎、篩分、分選等，而對于雜質含量多或者種類雜的建筑廢棄物，尚未有較好的處理方式。再利用建筑廢棄物，現在一般是將其制備骨料、微粉等，可用于市政和建材等多個領域。目前我國對建筑廢棄物的資源化利用率較低，據統計僅為5.86%～7.63%。2018年3月，住房和城鄉建設部印發《關于開展建筑廢棄物治理試點工作的通知》，迫切地需要尋找能夠可大規模工業應用并解決建筑廢棄物處置和資源化再利用的途徑和技術。為規范建筑廢棄物的處理和鼓勵建筑廢棄物的再利用，國家還頒布一系列法規和標準，如《中華人民共和國固體廢物污染環境防治法》、《建筑垃圾資源化利用行業規范條件》、《混凝土和砂漿用再生細骨料》（GB/T25176）、《混凝土用再生粗骨料》（GB/T25177）、《混凝土和砂漿用再生微粉》（JG/T 573）、《建筑垃圾再生骨料實心磚》（JG/T 505）等。本文結合工程案例，介紹建筑廢棄物的分選、再利用技術，旨在為該技術的進步和大規模工業應用提供建議和參考。

1 建筑廢棄物資源化利用現狀

建筑廢棄物再生利用的領域和方式多種多樣，主要包括礦山回填，修建垃圾場，高速公路路基回填，海綿城市建設和作為建筑原材料。我國對建筑廢棄物再利用的研究起步較晚，目前全國范圍內建筑廢棄物年處理能力100萬t以上的生產線不足100條，與國外相比資源化利用率較低，不足10%，有較大的發展潛力[1]。混凝土和磚在建筑廢棄物中的質量占比可達80%以上，是資源化再利用的關鍵，按照再生利用形式分類，建筑廢棄物可制備再生骨料、再生膠凝材料、再生砌塊/磚制品、再生砂漿和再生混凝土構件等產品。

2 建筑廢棄物資源化利用離不開科學的分選處置技術

建筑廢棄物資源化利用離不開科學的分選處置技術，建筑廢棄物的分選主要包括鋼筋分離、金屬分離、輕物質的分離、混凝土和紅磚分離以及渣土分離，其中渣土分離技術較簡單。

2.1 鋼筋/金屬分離

對于建筑廢棄物中鋼筋或金屬的分離，以前通常采用粉碎機對混凝土粉碎后，人工分選回收，不僅費時費力、回收效果不好，回收后的鋼筋沾染粉塵，且存在風險，目前該種方法已逐漸被淘汰。

HAZEMAG公司利用其HPI系列反擊式破碎機自1946年由安德里亞斯博士發明并處理二戰戰后垃圾伊始，至今廣泛應用于建筑垃圾回收利用，其核心在“全自動運行”，完全自動控制，液壓反擊板自動調節以及最先進的結構設計。破碎過程中，利用高速旋轉的轉子與多道反擊板的不同角度搭配、最優料流路徑設計和多次打擊，將混凝土破碎到理想粒度的同時，實現與內部鋼筋的完全分離，并防止損傷設備內部。該破碎機內部采用加強型的設計來確保設備的可靠性，出料粒度的大小、板錘的磨損補償都由設備自動控制系統來完成，并保證出料粒度的可調可控，實現鋼筋與混凝土的實時有效分離。

2.2 輕物質的分離

輕物質主要包括織物、木材和塑料等。由于與其他物質存在較為顯著的密度差異，輕物質可采用風選技術或浮選技術進行分離。

風選工藝主要包括箱式風選技術和折板式風選技術。箱式風選技術一般用于超過30mm的大粒徑輕物質的粗分選；折板式風選一般用于較小粒徑輕質物料的分離，分離效率可達95%以上。浮選技術是采用密度介于兩種需要分離物質之間的介質，通過上浮和下沉對廢棄物加以分離，采用該技術對輕物質進行分離時，受顆粒尺寸和形狀影響較小，因此適用范圍較廣。

巴太斌等[2]采用風選及水力浮選的兩級分離工藝實現建筑廢棄物中對輕物質的分離。具體過程為：首先采用人工和機械分揀，將建筑廢棄物中較大尺寸的輕物質分離。隨后經破碎機將物料破碎成三種尺寸。小于30mm的物料采用水力浮選出輕物質，避免產生大量灰塵；大于80mm的物料進行二次分選，最終產生的30～80mm之間的物料，通過初次風選和二次水力浮選分離輕物質。試驗表明，采用該二級分離工藝分選可實現輕物質含量低于0.05%，優于干法分離技術（最高可達到70%分選效率）。工藝實施過程中，污水回用，可實現零排放，該工藝分選輕物質表現出技術先進性，效果好。

2.3 混凝土和紅磚分離

建筑廢棄物的分選中，混凝土和紅磚分離（磚混分離）是最為關鍵的一個環節，可大大提高建筑廢棄物的價值，同時此過程的產物也是后續進行資源化利用的重要原料。磚混分離的方法主要包括干法分選、紅外分選和圖像分選等。

王宏等人將煤炭行業的干法分選技術引入到建筑廢棄物領域[3]，研究建筑廢棄物在干法分選設備上的分選機理并考察其效果，進行了兩次建筑廢棄物分選的工業化試驗，組合式干法分選機結構見圖1。結果表明，采用FCX-1型干選機進行工業試驗時，物料密度差異越大，分選效率越高；且密度小的物料較純凈，不易摻混密度大的物料，但密度大的物料出料中混有密度小的物料；對于紅磚和石子的分選效果不佳。作者還考察了另一種設備的分選效果，并驗證干法分選工藝的可行性和工藝參數的合理性。

圖1 組合式干法分選機

基于重力分選理論，胡魁等[4]提出了一種在建筑垃圾再生料中進行黏土磚和混凝土分離的方法。基于磚混不同的物理性質，通過重力分選、階梯篩板和偏心運動軌跡等對研發機械的技術參數進行計算并設計出相應的分離設備（見圖2）。工作過程為：在振動和氣流的作用下，物料之間的孔隙逐漸增大，料層間的正壓力和摩擦作用減小，進而促進自動分級的形成。密度小的黏土磚相對于篩面下滑至下出料口，密度大的水泥混凝土物料在振動篩的作用下向上運動至上部出料口，實現分離。借助合理的運動參數和適當的輔助手段，采用該設備可將混凝土的分離率達到91%，小時生產率3.84 t，實現磚混的有效分離。

圖2 建筑垃圾再生料磚混分離設備設計圖

韓慶奎等[5]發明了一種建筑垃圾再生骨料精準分選潔凈成套設備。設備由可調熨平板，LED光源、CCD成像裝置、可調高壓噴氣裝置、紅磚下料倉和混凝土下料倉等組成。具體實現過程為：混合再生骨料進入磚混分選倉后，在LED光源的照明下使CCD成像裝置收集成像數據，發送指令給可調高壓噴氣裝置，當指令信息是紅磚時，可調高壓噴氣裝置噴出高壓氣體，將下落骨料吹離原來軌跡進入紅磚下料倉；當指令信息是混凝土時，可調高壓噴氣裝置不啟動，此時混凝土骨料繼續沿原下落軌跡進入混凝土下料倉。該系統工作原理示意圖見圖3[6]。

圖3 系統工作原理示意圖

采用該技術可以精準地分離建筑廢棄物中的輕物質、紅磚和混凝土，大幅提高再生利用率。馬浩等[6]也基于機器視覺求取目標物質心的方法開發了一種基于色選技術的建筑垃圾分選系統并進行了試驗驗證，試驗結果表明，在傳送帶速度為1m/s的反應條件下，分選系統的識別率為96.8%，分選率91.7%。該項技術實時性好、分選率高且適用，可極大程度提高磚塊和混凝土塊的高效分離。

Vegas等[7]研究近紅外分選技術（NIR）在提高混合再生骨料質量方面的潛力。通過使用在不同歐盟國家（德國、瑞典、西班牙和意大利）收集的混合回收骨料樣本進行測試。采用近紅外分選技術測定樣品的組分、總硫含量、酸溶性硫酸鹽、總重金屬和金屬浸出量。結果清楚地表明，由于NIR分選，混合再生骨料的質量在雜質的水平上得到了改善。在近紅外分選處理過程中，混合再生骨料中的問題組分（有機材料、石膏和AAC）可以顯著減少甚至消除，促進再生骨料在高品質方向（如混凝土制造中）的更多使用。作者認為近紅外分選技術是一個很有前途的解決方案，其功能原理見圖4。

圖4 基于近紅外傳感器分揀技術的功能原理

總的來說，分選的原理都是根據建筑廢棄物中材料物化性質的不同將其分離。可根據廢棄物的粒徑尺寸、比重、磁性、顏色、紅外光譜等的差異通過手工撿選、篩分、重力分選（風選、浮選）、磁力分選和光學分選等方式完成，另外近期還有報道智能識別分選技術。在實際應用過程中，因建筑廢棄物所含雜質種類繁雜，分選環節往往需要多種方法結合使用以期達到更好效果。

3 工業應用案例及新工藝裝備開發

在國內，建筑廢棄物的大規模應用已有一些報道，徐躍衛[8]報道了某建筑垃圾循環利用綜合處置項目，該項目根據建筑垃圾原料特性及再生產品對再生骨料的品質要求，采用科學高效的建筑垃圾預處理工藝，效果良好。該項目建筑垃圾年處置量可達100萬t（含爐渣約7.2萬t），可生產再生骨料85.91萬t、渣土8.35萬t。工藝過程采用材料二級破碎→一級篩分→人工分選→磁選→風選→浮選等生產出各種粒徑的再生骨料存至骨料堆，在成品骨料0～2.5mm出砂處依次配置洗砂機和細砂回收機，首先通過清洗砂粒表面粘附的塵土，洗砂機溢出的廢水直接進入沉淀池，再通過細砂回收柵上的渣漿泵回收沉淀池中的細砂，洗砂機和細砂回收機出來的廢水通過排污泵導回沉淀池，洗砂機所需的清洗水再由清水池（二級沉淀池）提供，整個浮選系統中進行水循環。

2021年11月，天津水泥院與哈茲馬克集團聯合研發的建筑垃圾綜合處理關鍵設備一體式鋼筋分離破碎機在第四屆中國國際進口博覽會隆重發布，該套設備充分吸收了德國哈茲馬克建筑垃圾處置裝備的先進經驗，同時考慮了我國建筑垃圾分類現狀的特殊國情，填補了建筑垃圾高效短流程處置關鍵工藝裝備的空白，具有里程碑的意義。

4 結束語

綜上所述，建筑廢棄物來源不同，種類和成分也各不相同，這給建筑垃圾的分選和資源化再利用帶來了困難。建筑廢棄物的處置和資源化利用是新型朝陽產業，將建筑廢棄物多途徑因地制宜地進行處置并實現資源化再利用，可將建筑廢棄物變廢為寶，有利于社會的可持續發展，具有極大的經濟潛力。建筑廢棄物的分選和資源化再利用的重點在技術，需要投入更多精力去研發更加有效且經濟的設備和工藝。相信通過學術和工業界的共同努力，建筑廢棄物定會實現“減量化、無害化、資源化”，為我國“雙碳”戰略的實現添磚加瓦。