大件垃圾處理廠資源化利用工藝升級與優化

林曄琪?徐期勇?劉建國?孫立兵?肖進文?陳欽冬

一、引言

大件垃圾是指重量超過5千克或體積大于0.2立方米或長度超過1米，且整體性強而需要拆解后再利用或處理的廢棄物（如廢家具），以及各種廢家用電器、電子產品等。隨著居民生活條件的改善，大件垃圾清運量逐年上漲。據統計，2020年深圳全市建成拆除處理設施16處，日均收運量達1148噸。

國外的大件垃圾處置主要以焚燒和填埋為主。我國在“十四五”規劃中提出要全面提高資源利用效率，推行垃圾分類和減量化、資源化，減少廢物進入終端的焚燒或填埋處置。《深圳市大件垃圾回收利用管理辦法》中規定，“進入填埋場的處置量不得超過進廠大件垃圾重量的15%”。但大件垃圾整體性強，需要拆解后才能再生利用。然而，我國大件垃圾處理現有的自動化拆解設備出料雜質含量高，且處理效率低，難以實現有效的資源化利用，其技術、裝備、工藝路線仍有改進提升的空間。

本文實地調研了經過工藝路線和設備升級的深圳市石巖大件垃圾處理廠，通過實驗測算，研究探討了新舊處理工藝與人工拆解程度對產物資源化和處理效率的影響，以明晰人工與機械化的協同作用，為城市大件垃圾的資源化處理提供一定的理論科學依據。

二、采樣及分析方法

（一）采樣方法

本研究以深圳市寶安區石巖大件垃圾處理廠為對象，處理的物料以沙發、木椅、床墊、棕櫚為主。根據此前的研究，椅類占比最高，超過50%，其中皮革沙發的組分復雜，因此實驗選取皮革沙發作為實驗原料，以更好地研究兩個系統的差異。

基于實際生產情況，實驗選取了三種人工拆解工況與處理工藝進行協同處理：（1）不拆解，物料不進行人工拆解直接投入處理系統（圖1a）；（2）簡單拆解，人工拆出物料外層的大塊海綿與皮革后投入處理系統（圖1c）；（3）精細拆解，人工拆出物料的皮革、外層的大塊海綿、內襯的各小塊海綿后投入處理系統（圖1d）。三種拆解工況均以兩個三人沙發為一批投入處理系統，通過人工分選與稱重計算各個出料口中木質、海綿、皮革或布料、金屬的質量（圖1b），用于計算出料口的出口品質與總體回收率。實驗重復兩次。

（二）參數計算

1．出口品質與回收率

實驗采用出口品質（Q）計算了出料中可回收的木質、金屬占各出料口質量之和的比重。總回收率（G）表征了出口品質達到90%以上的出料加上手工拆出的可回收海綿占處理的總質量的比重，具體的計算如式（1）～式（4）所示。

其中，Q新、Q舊，G新、G舊分別代表新處理工藝和舊處理工藝的出口品質和總回收率；m1為篩下物出口中木質的質量，m2為輕物質出口中木質的質量，m3為重物質出口中木質的質量，m4為磁選機出口金屬的質量；M1為篩下物出口的總質量，M2為輕物質出口的總質量，M3為重物質出口的總質量，M4為磁選機出口的總質量；Ma為手工拆出的海綿的質量，M為皮革沙發的總重量。

2．人力成本敏感系數

人力成本敏感系數表征了在“簡單拆解對比不拆解”與“精細拆解對比簡單拆解”的情境下，出口品質或總回收率的變化與上述兩種情境人力拆解時間差值的比值，具體計算公式如式（5）～式（8）所示。

其中，T新1和T新1，Y新1和Y新2分別代表新工藝中“簡單拆解對比不拆解”及“精細拆解對比簡單拆解”的出口品質和總回收率人力成本敏感系數；QA、QB、QC分別代表新處理工藝精細拆解、簡單拆解、不拆解的出料品質，GA、GB、GC代表新處理工藝精細拆解、簡單拆解、不拆解的總回收率，tA、tB、tC代表精細拆解、簡單拆解、不拆解的拆解時間。舊工藝的出口品質人力成本敏感系數T舊1和T舊2，回收率人力成本敏感系數Y舊1和Y舊2采用與新工藝同等的方法計算。

3．碳排放與碳回收

本研究分析了實驗中兩種處理工藝的三種拆解工況處理6小時后的碳排放情況，核算邊界和計算過程參考國家發展和改革委員會印發的《工業其他行業企業溫室氣體排放核算方法與報告指南（試行）》及相關碳排放評估的文獻，包含運輸環節、拆解環節、末端處置和回收利用環節。凈碳排放量ECO2由式（9）計算，研究單元的碳排放因子如表1所示。

單位凈碳排放量E單位由式（10）計算：

式中，B電為外購的電力消費量，EF電為電力供應的二氧化碳排放因子，F焚燒為焚燒量，EF焚燒為焚燒產生的碳排放因子，Mi為再生資源i的回收量，COEFraw，i為再生資源i的隱含碳，COEFre，i為再生資源i替代的原生材料隱含碳，D運輸為貨車運輸產生的距離，W載重為貨車的載重量，EF運輸為貨車運輸過程的碳排放因子，L為處理量。

三、結果與討論

（一）工藝升級

兩種工藝的流程對比如圖2所示，新處理工藝改進了拆解系統，增加了3D分選結構。其中，破碎機的齒距及運轉速率是影響破碎物料尺寸分布特性的主要因素，而篩板孔徑和風機功率則是影響分選效率和品質的關鍵參數，具體參數如表2所示。通過統一調試，兩部分系統間耦合更加緊密。

3D分選裝置彈跳篩在驅動電機的作用下，由主軸、被動軸、偏心輪組成的主被動傳動機構與支承座和篩板連接，形成平行的四桿機構，篩板產生類似于跳躍的往復循環運動，通過篩孔使物料完成分離，并實現篩上物料的繼續輸送過程，相比常規的震篩機可以實現連續運行。由于布料、海綿和皮革等物料在破碎機中更難以被破碎，在通過篩選之后更多的會被留在篩上；相比大尺寸的木塊，這些物料還有面積大、質量小的特點，因此可以通過風選將該部分物料進一步分離。通過3D分選機的篩選，可以將物料分為粒徑大的、重的、能滾動的大木塊（3D），粒徑小的、彈跳效果差的小木塊（1D），尺寸大、彈跳效果差的、扁平的、輕的雜質（2D）三個出口。

（二）產物品質及資源化

大件垃圾處理后出料的木質及金屬組分具有較高的回收利用價值，其中木質組分作為皮革沙發中質量占比最大的部分，其回收利用很大程度影響了皮革沙發的資源化水平。木質作為生物質可用于熱力發電，然而混雜其中的皮革、海綿等會產生結渣等問題，影響鍋爐熱轉化效率，因此生物質電廠在回收木質組分時通常對木質成分外的含雜率有控制要求，本實驗以含雜率小于10%為控制條件，即出料品質超過90%。

在使用同組的熟練工人的情況下，拆解120（±5）kg皮革沙發時，精細拆解（848 s）比簡單拆（362 s）解耗時增加1.34倍。據圖3可以看到隨著人工拆解趨于精細，新舊處理工藝的出口品質及總回收率均出現不同程度的提升。從不拆解到簡單拆解的過程，由于皮革沙發中海綿更多地被直接回收，新舊工藝的回收率分別提升了17%與13%。而從簡單拆解到精細拆解的過程，回收率的提升更多的是來源于其他不可回收輕質物被篩分，新舊工藝的回收率分別提升了4%與63%，舊工藝的回收率提升幅度更為顯著，體現了人工拆解對于舊工藝處理的重要性。與此同時，人工拆解不穩定性大，出料品質數據波動顯著大于精細拆解。

在出料品質方面，新處理工藝的三種拆解工況下出口品質均大于90%，而舊處理工藝僅在精細拆解的工況下可以達到90%以上。出口品質是影響產物回收利用的主要因素，因此新系統的回收率均維持在較高水平（55%～78%）。與之相比，舊處理工藝三種拆解工況的回收率波動較大（1%～77%）。舊處理工藝受到人工拆解狀況影響的波動更大，主要原因為舊處理工藝出料的品質均很難高于90%，無法滿足進一步回收的出料品質。

綜上所述，人工在提升大件垃圾資源化水平方面有不可或缺的作用，但新處理工藝的篩分能力更強，其有效地減少了對人工拆解的依賴，因此，新處理工藝相比舊處理工藝將有更好的應用前景。

（三）人力成本敏感系數分析

人力成本支出占大件垃圾處理費用中的重要部分，有必要用更為直觀的指標指證人工與機械化協同的平衡點位。基于此，本研究用“人力成本敏感系數”分析人力支出的推升在處理過程中所能回饋的效益。人力成本敏感系數越高，反映該種條件下人力投入產生越高的反饋值。

人力成本敏感系數計算結果如圖4所示，T新1和Y新1分別為2.19×10-4和5.59×10-4，而T新2和Y新2僅為2.79×10-5和7.87×10-5。這首先說明了相較于出口品質，總回收率對人力的投入其反饋更為敏感，這可以歸因人工拆出的海綿直接影響了總體回收率。其次，對于新處理工藝，使用簡單拆解的工況就已經達到了理想的品質和回收率，在此基礎上繼續投入人力將使得邊際效益更為不顯著；對于舊處理工藝，在簡單拆解的情境下繼續投入人力，出料的出口品質和回收率依舊可獲得較大的提升，以回收率為例，Y舊1是Y舊2的2.91倍，說明舊處理工藝的精細拆解是十分必要的（表3）。

（四）碳排放與碳回收分析

從各研究單元的碳排放可以看出（圖5、圖6），新舊兩種工藝不可回收物焚燒所產生的碳排放是總體碳排放中占比最高的環節，舊工藝為90%，新工藝為78%，分別是碳排量中占比第二的外購電力碳排放的4.6倍和18倍，因此控制不可回收物的產生將大幅減少焚燒產生的碳排放。雖然可回收金屬替代原生材料的碳排放因子較高，但回收量較少，因此兩種工藝所產生的負碳效益均不足5%。對于木材與海綿的回收，新處理工藝產生的木材與海綿回收物減排是舊處理工藝的2.2倍和32%，說明對于新處理工藝來說，木質是主要被回收物，但舊處理工藝的篩分能力不足，導致木質物回收不足，回收物主要依賴人工拆解出的海綿。

新處理系統引入了3D分選設備和雙軸破碎機，增加的能耗對比舊處理工藝額外產生了50%的外購電力碳排放量，但新設備對處理資源化水平的提升，使得殘余物及其運輸所產生的碳排放總計減少了128%，回收物替代原生材料所產生的負碳效益增加了176%。綜合來看，新處理工藝相比舊工藝的總排量減少了59%，新舊兩種處理工藝的單位凈排量分別為-1.06 kgCO2/kg與-0.03 kgCO2/kg，新處理工藝相比舊處理工藝有更好的環境效益。

由表4對兩種工藝的三種拆解工況進行分析可以發現，新處理工藝所有拆解工況都能滿足負碳效益，而簡單拆解單位凈排量（-1.3 kgCO2/kg）對比不拆解的單位凈排量（-1.4 kgCO2/kg）差值僅有0.1 kgCO2/kg，綜合經濟效益，可以認為簡單拆解在保證了環境效益的前提下，是更優的拆解工況。相比新處理工藝，舊處理工藝僅在精細拆解這一工況下滿足單位凈排量的負碳效益。

四、結論

隨著處理工藝的升級，舊處理工藝在資源化率、對環境的友好性上與新處理系統均體現了一定差距。

一是兩種處理工藝對于人工拆解都是必要的，舊處理工藝僅在精細拆解的工況下達到理想的資源化水平，對于新處理工藝來說，簡單拆解為最優的拆解工況。

二是新處理工藝增加了3D分選系統，優化了處理流程，有效地提升了處理能力與資源化水平。在人工簡單拆解工況下新處理工藝相比舊處理工藝出口品質提升了38%，回收率提升了429%。

三是新處理工藝具有更好的環境效益，焚燒是處理過程最大的碳排放源，木材是最大的回收源。

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