建筑垃圾处理关键设备选型分析

胡 晴 穆凯旋 姚志伟

(1.南大环境规划设计研究院(江苏)有限公司；2.南京大学环境规划设计研究院集团股份公司，南京 210093)

目前，我国每年产生的建筑垃圾大约占到城市垃圾的40%[1]，虽然政府和企业广泛推广建设建筑垃圾处理项目，但该行业发展还不够成熟，设备供应商也是参差不齐，且大多是砂石骨料生产厂家转型而来。建设单位、设计院等对于建筑垃圾处理项目还处于摸索阶段，甚至对整个项目的认知仅限于“处理量”，而对工艺流程设计和设备选型都依赖于设备供应商。本文以某县50 t/h建筑垃圾处理项目为例，基于建筑垃圾处理典型设备，提出建筑垃圾处理关键设备选型的要素，为同类型项目设计提供思路。

1 建筑垃圾处理典型设备

建筑垃圾处理典型设备包括：给料机、破碎机、筛分机、磁选机、风选机等。图1为典型的固定式建筑垃圾处理工艺流程图，建筑垃圾处理过程主要是建筑垃圾通过破碎、筛分后加工成粗碎、细碎等不同规格的再生骨料，因此建筑垃圾处理过程中关键设备是破碎机和筛分机[2]。

建筑垃圾在产生地或进料车间进行预破碎，粒径小于1米后，通过给料机输送至一次筛分设备，筛分出其中的废渣土再进行一次破碎，进一步减小建筑垃圾的尺寸。一次破碎后通过磁力分选除去其中的废金属，再经过二次破碎和二次筛分，进一步达到建筑垃圾破碎和粒径分级的目的。其中，二次破碎后需通过人工、风力或浮力分选，将其中的废塑料、废木材类垃圾等分选出来，以保证最终骨料的纯度。二次筛分出10～31.5 mm的再生中、粗骨料可用于生产混凝土或无机混合料应用于道路工程；筛分出0～10 mm的再生中骨料可用于生产再生砖。根据再生骨料的应用方向生产机制砂时，需经过三次破碎和三次筛分，主要目的是细碎和再生骨料分级，最终得到粒径为0～5 mm的再生细骨料。处理过程中分选出的废金属类物质回收再利用；废塑料、废木料等其他物质分类打包后外委处置。

图1 典型工艺流程图

2 建筑垃圾处理关键设备选型的要素

建筑垃圾处理是系统化工程，作为工程中关键设备的破碎机、筛分机选型前，需根据建筑垃圾的物料组分、处理工艺流程等方面选择适合建筑垃圾处理的破碎机和筛分机。

2.1 建筑垃圾物料组分

我国建筑垃圾中由废弃旧居民建筑物、废旧厂房拆除所产生的混凝土块、砖石类占比最大，约为80%，其余为木料、渣土等。而装修垃圾组成较为复杂，除混凝土、砌块、渣土外还存在少量废油漆桶等有害物质，具体进料组分见表1。由表可见，建筑垃圾主要是混凝土砖石类和灰土混合类，混凝土砖石类和灰土混合类按普氏硬度系数划分的硬度等级分别属于：中硬和很软；硬度等级分别为4～8级和<2级。

表1 建筑垃圾物料组分分析

2.2 破碎筛分系统设备种类

2.2.1 破碎系统

结合建筑垃圾处理典型工艺流程(图1)，建筑垃圾破碎设备主要分为三类：

(1)一次破碎工艺可选择锤式破碎机或颚式破碎机。设备应具有进料尺寸大、破碎能力强、冲击力强、不易堵腔的性能特点。

(2)二次破碎工艺可选择反击式破碎机或圆锥破碎机。设备应具有破碎比大、冲击力强、破碎效率高、出料粒度好的性能特点。

(3)三次破碎工艺可选择立轴破碎机或辊式破碎机。设备应具有破碎效率高、骨料粒形好的性能特点，在避免物料过度粉碎的同时确保最终针片状骨料含量低于规范要求。

二次破碎和三次破碎可采用“闭路”破碎，使大粒径的物料返回破碎机再次破碎，以满足再生骨料级配要求。表2将各类破碎机从进料组分适应性、塑形能力及经济性等方面进行对比分析。由表可知，一次破碎建议采用颚式破碎机，二次破碎建议采用反击式破碎机，三次破碎建议采用立轴破碎机。三次破碎工艺可根据再生骨料产品粒径分级需求增加，若生产再生中粗骨料，只需要到二次破碎即可，而需要生产人工机制砂时，则需增加三次破碎的设备，甚至是研磨设备。

表2 各破碎段破碎机对比分析

2.2.2 筛分系统

由建筑垃圾处理典型工艺流程(图1)可知，筛分工艺主要分为三类：预筛分、检查筛分(一次、二次筛分)、分级筛分(三次筛分)，如果最终产品要求是人工机制砂，还需要增加冲洗、脱水、脱泥等筛分工艺[3]。具体工艺如下：

(1)预筛分是物料进入一次破碎前的筛分作业，常用两种设备：一是除土筛，常设于颚式破碎机之前，主要用于建筑垃圾中废土的筛分；二是棒条筛，筛分出的筛上物送至颚式破碎机，筛下物送至除土筛，进一步去除建筑垃圾中的废土。

(2)检查筛分主要采用重型筛，例如重型圆振筛、重型阶梯筛。重型筛主要有两种功能：一是分流建筑垃圾物料，减轻后续人工分选机、风选机或浮选机的工作强度，增强分选塑料类、废木料类等其他杂质的效果。二是调整物料级配以控制进入反击式破碎机的粒径。

(3)分级筛分常用的设备是圆振筛。分级筛分主要功能是再生骨料粒径分级，可按照混凝土用再生粗骨料单粒级分为5～10 mm、10～20 mm和16～31.5 mm三种规格[4]。

2.3 破碎筛分设备选型关键技术参数

现阶段建筑垃圾处理生产再生骨料中，破碎系统多采用“预破碎+一次破碎+二次破碎”工艺；筛分系统多采用“预筛分+检查筛分+分级筛分”工艺，例如金华市建筑垃圾资源化利用项目和山安立德建筑垃圾资源化处理项目[5-6]。下面对上述工艺中的破碎机和筛分机选型关键技术参数进行介绍。

2.3.1 破碎机

破碎机选型时，除“处理量”关键技术参数外，还包括最大允许进料(排料)粒径、排料口调节方式、破碎腔型[7-8]。

(1)粒径

建筑垃圾不同破碎段的生产需求对应不同的破碎程度，破碎程度由最终破碎产物粒度反映，根据郎宝贤、王罗春等对破碎机分类研究，各破碎段的粒径范围见表3[9-10]。由表3可知，颚式破碎机作为一次破碎，给料粒度应为500～1 000 mm，排料粒度应为100～250 mm；反击式破碎机作为二次破碎，允许进料粒度应不超过250 mm，排料粒度应不超过60 mm。需要注意的是，建筑垃圾处理中反击式破碎机采用“闭路”，受到返料的影响，需要在处理能力上高20%～40%[11]。

表3 各破碎段粒径范围分布表

(2)排料口调节方式

破碎机排料口间隙会因为磨损而增大，影响建筑垃圾的处理能力和再生骨料的质量。常用的排料口调节方式分为垫片调节法、斜铁调节法和液压调节法。垫片调节法属于传统方法，必须停机才能调节。楔块调节法调节时费力，只适用于中小型破碎机。目前无需停机、操作方便的是液压调节法。

在破碎机选型时可优先选择液压调节法的排料口调节方式。

(3)破碎腔型

颚式破碎机的破碎腔内部的破碎壁可分为曲线形和直线形，直线形破碎腔很容易造成堵塞现象，曲线形破碎腔利用递增式状态，加大了动静颚在工作时与破碎腔的接触面，在一定程度上可以避免堵料现象。由于建筑垃圾的复杂性，建筑垃圾处理所采用的颚式破碎机在选型时优先考虑V型深腔型，例如PE系列的深腔重型颚式破碎机。

反击式破碎机的破碎腔型主要分为两腔和三腔，分别具有两个反击架和三个反击架。为提高建筑垃圾的破碎效率，同时发挥反击式破碎机一定的骨料塑型能力，选型时可优先选择三腔反击式破碎机中的大腔型锤式反击式破碎机。

2.3.2 筛分机

筛分机最关键的技术参数是筛分效率，振动筛筛分效率达90%，固定筛筛分效率虽只有60%，但造价低，所以建筑垃圾处理一般都采用固定筛进行预筛分，振动筛进行检查和分级筛分[10]。固定筛和振动筛的筛分效率受倾斜角、振动强度、筛面层数等技术参数影响。根据建筑垃圾处理流程中不同筛分工艺，其关键技术参数选择不尽相同，具体见表4。

(1)倾斜角

筛面倾斜角一般在0°～45°，筛面倾斜角关系到筛分速度(筛分时间)和效率：筛分速度与倾斜角成正比关系，筛分效率却与倾斜角成反比关系。可见，为兼顾筛分速度和筛分效率，一般建筑垃圾处理中筛分机的倾角取中间段18°～20°。

(2)筛面层数

建筑垃圾处理中筛分机的筛面应根据处理工艺流程中再生骨料级配进行选择单、双、三或四面。

(3)振动强度

频率和振幅两个因素构成振动强度。一般对于大于31.75 mm粗料筛分采取低频高幅；对于9.53～31.75 mm中细物料采取中频中幅；而对于小于9.93 mm细料的筛分采用高频低幅[10]。

表4 不同筛分机关键技术参数表

3 工程案例

3.1 项目简介

某县500 t/h建筑垃圾处理项目以生产0～5 mm、5～10 mm、10～31.5 mm再生骨料为主要目的，年工作300天，年处理建筑垃圾120万吨。结合上述建筑垃圾物料组分以及破碎、筛分工艺，本项目工艺流程设计如图2所示。破碎系统采用“预破碎+一次破碎+二次破碎”工艺：在进入振动给料机前将大于1 m的物料预先破碎，一次破碎采用颚式破碎机，二次破碎采用反击式破碎机。筛分系统采用“预筛分+检查筛分+分级筛分”工艺：设备分别采用棒条筛、除土筛、重型筛及圆振筛。通过圆振筛将大于31.5 mm的骨料返料至反击式破碎机再破碎，形成闭路，直至物料粒径小于等于31.5 mm，最后得到0～5 mm、5～10 mm、10～31.5 mm再生骨料。

1—棒条筛；2—颚式破碎机；3—反击式破碎机；4—除土筛；5—重型筛；6—圆振筛；7—人工分选机；8—风选机；9—输送机；10—磁选机图2 某县500 t/h建筑垃圾处理工艺流程图

3.2 设备选型

3.2.1 设备关键技术参数

按破碎机和筛分机选型关键技术参数，选择满足项目要求的设备，其关键参数如表5。

表5 项目设备关键技术参数表

3.2.2 设备质量分析

破碎机和筛分机作为建筑垃圾处理系统中最关键的设备，其设备质量由设备本身和产品(建筑垃圾再生骨料)质量决定。产品粒度和产品粒形是衡量破碎机和筛分机质量的主要指标。

(1)产品粒度

破碎机的粒度特性曲线可鉴定破碎机的破碎效果，是作为破碎机质量衡量的重要依据。筛分机的粒度分配曲线直接反应筛分机的筛分效率，筛分效率是衡量筛分过程最重要的质量指标。由于筛分机的筛分效率的计算与分配粒度的取值、物料组分、物料性质等外在因素有直接关系，且建筑垃圾较复杂，本项目所采用的筛分机暂不做分配粒度曲线分析[12]。

选择满足以上技术参数下的两家设备供应商的颚式破碎机，颚式破碎机的粒度特性曲线如图3所示，排料口尺寸在75～250 mm时，粒度特性曲线呈指数增长，正好反映建筑垃圾中多属于中细度的混凝土类和灰土类，属于易碎性物料。同时，在通过率为80%和排料口尺寸100 mm时，供应商A对应的方孔筛尺寸远超过100 mm，供应商B刚好相反，可见供应商B的颚式破碎机破碎效果更佳。

a—供应商A颚式破碎机粒度特性曲线 b—供应商B颚式破碎机粒度特性曲线图3 供应商A、B颚式破碎机粒度特性曲线图

在供应商A、B的产品手册中再选择满足技术参数所需的反击式破碎机，其粒度特性曲线如图4所示。可见，排料口尺寸在2～60 mm时，粒度特性曲线呈指数增长，其反应结果与图3正好相一致。同时，供应商A在通过率为80%和排料口尺寸50 mm时对应的方孔筛尺寸与供应商B相差仅1 mm，可见供应商A、B在反击式破碎机破碎效果上性能相当。

a——供应商A反击式破碎机粒度特性曲线 b——供应商B反击式破碎机粒度特性曲线图4 供应商A、B反击式破碎机粒度特性曲线图

(2)产品粒形

建筑垃圾再生粗骨料产品粒形需满足《混凝土用再生粗骨料》(GB/T 25177—2010)质量标准，其试运行中再生骨料检测结果如表5所示，可见再生骨料表观密度、空隙率、泥块含量和针片状颗粒合格率分别为98%、95%、90%和88%，其再生骨料质量较好。

表5 项目再生骨料检测结果表

4 结论

破碎机和筛分机属于建筑垃圾处理关键设备，以某县建筑垃圾500 t/h处理项目为例，破碎系统采用“预破碎+一次破碎+二次破碎”工艺；筛分系统采用“预筛分+检查筛分+分级筛分”。其中，预破碎属于进场前的破碎；一次破碎采用颚式破碎机；二次破碎采用反击式破碎机，预筛分采用除土筛和棒条筛；检查筛分采用重型筛；分级筛分采用圆振筛。通过破碎、筛分，建筑垃圾再生骨料表观密度、空隙率、泥块含量和针片状颗粒合格率分别为98%、95%、90%和88%，质量较好。