第三節　固體廢棄物的破碎

一、破碎原理及目的

破碎是指利用外力克服固體廢棄物質點間的內聚力從而使大塊固體廢棄物分裂成小塊的過程。磨碎是指使小塊的固體廢棄物顆粒分裂成細粉的過程。破碎是最常用的預處理工藝之一。

固體廢棄物破碎的目的有以下幾點：a.減小固體廢棄物的容積，以便運輸和貯存；b.為固體廢棄物的分選提供所要求的粒度，以便能夠有效地回收其中有用成分；c.防止粗大、鋒利的固體廢棄物損壞分選、焚燒和熱解等設備或爐膛；d.增加固體廢棄物的比表面積，提高焚燒、熱解、熔融等作業的效率；e.為下一步加工做準備，以便進一步加工制備；f.固體廢棄物進行填埋處置時，破碎后壓實密度高而均勻，可以加快覆土還原。

二、破碎方法

破碎方法有干式、濕式和半濕式3種，其中干式破碎為通常所指的破碎，濕式破碎和半濕式破碎通常在破碎的同時兼有分組分選的功能。

1.干式破碎

根據所用外力不同可分為機械能破碎和非機械能破碎兩種方法，目前廣泛使用的是機械能破碎方法，非機械能破碎還屬于新方法。機械能破碎是利用破碎工具，如破碎機的齒板、錘頭、球磨機的鋼球等對固體廢棄物施力而將其破碎的方法，如圖3-9所示。非機械能破碎是利用電能、熱能等對固體廢棄物進行破碎的新方法，如低溫破碎、熱力破碎、減壓破碎及超聲波破碎等。

圖3-9　機械破碎方法

擠壓破碎是指廢棄物在兩個相對運動的硬面之間受擠壓作用而發生的破碎。剪切破碎是指廢棄物在剪切作用下發生的破碎，剪切作用包括劈開、撕破和折斷等。沖擊破碎有重力沖擊和動沖擊兩種形式：重力沖擊是廢棄物落到一個堅硬的表面上而發生的破碎；動沖擊是使廢棄物獲得足夠的動能，并碰到一個比它堅硬的快速旋轉的表面時產生沖擊破碎作用。摩擦破碎是指廢棄物在兩個相對運動的硬面摩擦作用下破碎。破碎方法的選擇要根據固體廢棄物的機械強度及硬度來選擇破碎方法和破碎機。

2.濕式破碎

濕式破碎是用濕式破碎機在水中將紙類廢棄物通過剪切破碎和水力機械攪拌作用而成為漿液的過程，廢紙變成均質漿狀物，可按流體處理法處理。它是基于以回收城市垃圾中的大量紙類為目的而發展起來的一種破碎方法。

3.半濕式破碎

其特點是利用不同物質強度和脆性（耐沖擊性、耐壓縮性、耐剪切力）的差異，在一定的濕度下破碎成不同粒度的碎塊，然后通過篩孔大小不同的篩網加以分離回收的過程，該過程同時兼有選擇性破碎和篩分兩種功能。

三、破碎流程

根據固體廢棄物的性質、顆粒的大小、要求達到的破碎比和選用的破碎機類型，每段破碎流程可以有不同的組合方式，其基本工藝流程如圖3-10所示。

圖3-10　破碎的基本工藝流程

四、破碎設備

破碎固體廢棄物常用的破碎設備有顎式破碎機、沖擊式破碎機、反擊式破碎機、輥式破碎機、剪切式破碎機、球磨機及特殊破碎等。

1.顎式破碎機

顎式破碎機構造簡單、工作可靠、制造容易、維修方便，至今仍獲得廣泛應用。顎式破碎機通常按照可動顎板（動顎）的運動特性分為兩種類型：動顎做簡單擺動的雙肘板機構（簡擺顎式）的顎式破碎機[圖3-11（a）]，動顎做復雜擺動的單肘板機構（復擺顎式）的顎式破碎機[圖3-11（b）]。近年來，液壓技術在破碎設備上得到應用，出現了液壓顎式破碎機[圖3-11（c）]。

圖3-11　顎式破碎機的主要類型

1—固定顎板；2—動顎懸掛軸；3—可動顎板；4—前（后）推力板；5—偏心軸；6—連桿；7—連桿液壓油缸；8—調整液壓油缸

（1）簡擺顎式破碎機

圖3-12為國產2100mm×1500mm簡擺顎式破碎機構造。它主要由機架、工作機構、傳動機構、保險裝置等部分組成。皮帶輪帶動偏心軸轉動時，偏心定點牽動連桿上下運動，也就牽動前后推力板做舒張及收縮運動，從而使動顎時而靠近固定顎，時而又離開固定顎。動顎靠近固定顎時對破碎腔內的物料進行壓碎、劈碎及折斷。破碎后的物料在動顎后退時靠自重從破碎腔內落下。

圖3-12　國產2100mm×1500mm簡擺顎式破碎機構造

1—機架；2，4—破碎齒輪；3—側面襯板；5—可動顎板；6—心軸；7—飛輪；8—偏心軸；9—連桿；10—彈簧；11—拉桿；12—砌塊；13—后推力板；14—肘板支座；15—前推力板

（2）復擺顎式破碎機

圖3-13為復擺顎式破碎機構造。從構造上看，復擺顎式破碎機與簡擺顎式破碎機的區別是少了一根動顎懸掛的心軸，動顎與連桿合為一個部件，沒有垂直連桿，軸板也只有一塊。可見，復擺顎式破碎機構造簡單。復擺動顎上部行程較大，可以滿足物料破碎時所需要的破碎量，動顎向下運動有促進排料的作用，因而比簡擺顎式破碎機的生產率高30%左右。但是動顎垂直行程大，使顎板磨損加快。簡擺顎式破碎機給料口水平行程小，因此壓縮量不夠，生產率較低。

顎式破碎機的規格用給料口寬度×長度來表示。國產系列為PEF150×250、PEF250×400、PEJ900×1200、PEJ1200×1500等。其中P代表破碎機，E代表顎式，F代表復雜擺動，J代表簡單擺動。

圖3-13　復擺顎式破碎機構造

1—機架；2—可動顎板；3—固定顎板；4，5—破碎齒板；6—偏心轉動軸；7—軸孔；8—飛輪；9—肘板；10—調節楔；11—楔塊；12—水平拉桿；13—彈簧

2.沖擊式破碎機

沖擊式破碎機大多是旋轉式，利用沖擊作用進行破碎。其工作原理是：給入破碎機空間的物料塊，被繞中心軸高速旋轉的轉子猛烈碰撞后，受到第一次破碎；然后物料從轉子獲得能量高速飛向堅硬的機壁，受到第二次破碎；在沖擊過程中彈回再次被轉子擊碎，難以破碎的物料，被轉子和固定板挾持而剪斷，破碎產品由下部排出。當要求的破碎產品粒度為40mm時，可以達到目的，而若要求粒度更小如20mm時，接下來還需經錘子與研磨板的作用，進一步細化物料，其間空隙遠小于沖擊板與錘子之間的空隙，若底部再設有箅篩，可更為有效地控制出料尺寸。

沖擊板與錘子之間的距離，以及沖擊板傾斜度是可以調節的。合理布置沖擊板，使破碎物存在于破碎循環中，直至其充分破碎，而能通過錘子與板間空隙或箅篩篩孔，排出機外。

沖擊式破碎機具有破碎比大、適應性強、構造簡單、外形尺寸小、操作方便、易于維護等特點。適用于破碎中等硬度、軟質、脆性、韌性及纖維狀等多種固體廢棄物。

沖擊式破碎機的主要類型有錘式破碎機和籠式破碎機。這2種破碎機的規格都是以轉子的直徑和長度表示的。下面介紹適用于破碎各種固體廢棄物的錘式破碎機。

錘式破碎機是最普通的一種工業破碎設備，按轉子數目可分為兩類：一類為單轉子錘式破碎機，它只有一個轉子；另一類為雙轉子錘式破碎機，它有兩個做相對運動的轉子。單轉子錘式破碎機根據轉子的旋轉方向，又分為可逆和不可逆兩種。目前普遍采用可逆單轉子錘式破碎機。圖3-14為單轉子錘式破碎機。圖3-15是Novorotor型雙轉子錘式破碎機。

圖3-14　單轉子錘式破碎機

圖3-15　Novorotor型雙轉子錘式破碎機

錘式破碎機中常見的是臥軸錘式破碎機和立軸錘式破碎機。

（1）臥軸錘式破碎機

臥軸錘式破碎機中，軸子由兩端的軸承支持。原料借助重力或用輸送機關送入。轉子下方裝有箅條篩，箅條縫隙的大小決定破碎后顆粒的大小。有些錘式破碎機是對稱的，轉子的旋轉方向可以改變，以變換錘頭的磨損面，減少對錘頭的檢修。臥軸錘式破碎機主軸及錘頭見圖3-16。

圖3-16　臥軸錘式破碎機主軸及錘頭

（2）立軸錘式破碎機

立軸錘式破碎機有一立軸，物料靠重力進入破碎腔的側面。這種破碎機通常在破碎腔的上部間隙較大，越往下間隙逐漸減小。因此當物料通過破碎機時，就逐漸被破碎，破碎后的顆粒尺寸取決于下部錘頭與機殼之間的間隙。

3.反擊式破碎機

反擊式破碎機是一種新型高效破碎設備，它具有破碎比大、適應性廣（可以破碎中硬、軟、脆、韌性、纖維性物性）、構造簡單、外形尺寸小、安全方便、易于維護等許多優點。

圖3-17為Hazemag式反擊式破碎機。該機裝有兩塊反擊板，形成兩個破碎腔。轉子上安裝有兩個堅硬的板錘。機體內表面裝有特殊鋼制襯板，用以保護機體不受損壞。固體廢棄物從上部給入，在沖擊和剪切作用下破碎。

圖3-17　Hazemag式反擊式破碎機

該機主要用來破碎家具、器具、電視機、草墊等大型固體廢棄物，處理能力為50～60m³/h，碎塊為30cm；也可用來破碎瓶類、罐頭等不燃廢物，處理能力為15～90m³/h。

4.輥式破碎機

輥式破碎機又稱對輥破碎機，具有結構簡單、緊湊、輕便、工作可靠、價格低廉等優點，廣泛應用于處理脆性物料和含泥黏性物料，作為中、細碎之用。

輥式破碎機技術參數見圖3-18。兩個輥子的直徑為D，被破碎物料顆粒直徑為d。顆粒和輥子之間的法向力為N，切向力為T。如果合力R的方向向下，該顆粒就能被卷入和被破碎；如果R的方向向上，該顆粒將浮動在輥子上。

圖3-18　輥式破碎機技術參數的定義

輥式破碎機如圖3-19所示。其工作過程是：旋轉的工作轉輥借助摩擦力將給到它上面的物料塊拉入破碎腔內，使之受到擠壓和磨削作用（有時還兼有劈碎和剪切作用）而破碎，最后由轉輥帶出破碎腔成為破碎產品排出。按輥子表面構造分為光滑輥面和非光滑輥面（齒輥或溝槽輥）兩大類，前者處理硬性物料，后者處理脆性物料。

圖3-19　輥式破碎機示意

光滑輥面只能是雙輥機；非光滑輥面可以是單輥、雙輥和三輥機（比較少見）。各種對輥機又可分為固定軸承、單可動軸承和雙可動軸承三種。固定軸承破碎機因異物落入時易被破壞，現已不用；雙可動軸承破碎機的優點是機座不受破碎力的影響，但因構造復雜也不用。

對輥機按兩個輥的轉速可分為快速（周速4～7.5m/s）、慢速（周速2～3m/s）和差速三種。快速的生產率高，用得最多。

輥式破碎機傳動裝置分為單式傳動和復式傳動兩種。規格用輥子直徑×長度表示。

圖3-20為雙輥式（光面）破碎機結構。它由破碎輥、調整裝置、彈簧保險裝置、傳動裝置和機架等組成。

圖3-20　雙輥式（光面）破碎機結構

輥式破碎機的特點是能耗低、產品過度粉碎程度小、構造簡單、工作可靠等。

5.剪切式破碎機

剪切破碎是靠固定刀和可動刀之間嚙合作用剪切廢物，將固體廢料剪切成段或塊。可動刀又可分為往復刀和回轉刀。

（1）往復剪切破碎機

圖3-21為Von Roll型往復剪切式破碎機。該破碎機由兩機邊裝刀的橫桿組成耙狀可動刀架，其上裝有往復刀具12片，橫桿6根，裝有固定橫桿7根，固定刀具12片。往復刀和固定刀交替平行而置。當處于打開狀態時，從側面看，往復刀和固定腔呈V字形，固體廢棄物從上面投入，通過液壓裝置（油泵）緩緩將活動刀推向固定刀，廢棄物受到擠壓，并依靠往復刀和固定刀的嚙合將廢棄物剪切。往復刀和固定刀之間寬度為30cm，剪切尺寸30cm。刀具由特殊鋼制成，磨損后可以更換，液壓油泵最高壓力為13MPa，電機功率為374W，交流電壓為220V，處理量為80～150m³/h，可將厚度在200mm以下的普通型鋼板剪切成30cm的碎塊。

圖3-21　Von Roll型往復剪切式破碎機

（2）Lindemann式剪切破碎機

如圖3-22所示，該機分為預備壓縮機和剪切機兩部分。固體廢棄物送入后先壓縮，再剪切。預備壓縮機通過一對鉗形壓塊開閉將廢物壓縮。壓塊一端固定在機座上，另一端由壓桿推進或拉回。剪切機由送料器、壓緊器和剪切刀片組成。送料將廢物每向前推進一次，壓塊即將廢物壓緊定位，剪刀從上往下將廢物剪斷，如此往返工作。

圖3-22　Lindemann式剪切破碎機

1—夯錘；2—刀具；3—推料桿

（3）旋轉剪切式破碎機

其構造如圖3-23所示，旋轉剪切式破碎機裝有1～2個固定刀和3～5個旋轉刀，固體廢棄物投入后，在固定刀和高速旋轉的旋轉刀夾持下而被剪切破碎。

該機的缺點是當混進硬度大的雜物時，易發生操作事故。

圖3-23　旋轉剪切式破碎機構造示意

6.球磨機

圖3-24是球磨機結構和工作原理示意。球磨機主要由圓柱形筒體、端蓋、中空軸頸、軸承和傳動大齒輪圈等部件組成。筒體內裝有鋼球和被磨物料，其裝入量為筒體有效容積的25%～50%。筒體兩端的中空軸頸有兩個作用：一是起軸頸的支撐作用，使球磨機全部重量經中空軸頸傳給軸承和機座；二是起給料和排料的漏斗作用，電動機通過聯軸器和小齒輪帶動大齒輪圈和筒體緩緩轉動。當筒體轉動時，在摩擦力、離心力和襯板共同作用下，鋼球和物料被襯板提升，當提升到一定高度后，在鋼球和物料本身重力作用下，產生自由瀉落和拋落，從而對筒體內底腳區內的物料產生沖擊和研磨作用，使物料粉碎。物料達到磨碎細度要求后，由風機抽出。

圖3-24　球磨機結構和工作原理示意

1—筒體；2—端蓋；3—軸承；4—大齒輪

磨碎在固體廢棄物處理與利用中占有重要地位。垃圾堆肥深加工過程離不開球磨機對固體廢棄物的磨碎。

五、特種破碎方法與工藝

對于一些常溫下難以破碎的固體廢棄物，如廢輪胎、含紙垃圾等，常采用特殊設備和方法，即低溫破碎和濕式破碎進行破碎。

1.低溫（冷凍）破碎

（1）破碎原理及工藝流程

對于在常溫下難以破碎的固體廢棄物，可利用其低溫變脆的性能而有效地破碎，亦可利用不同的物質脆化溫度的差異進行選擇性破碎，即所謂低溫破碎技術。

低溫破碎通常采用液氮作制冷劑。液氮具有制冷溫度低、無毒、無爆炸危險等優點，但制冷液氮需耗用大量能源，

故低溫破碎對象僅限于常溫難破碎的廢物，如橡膠和塑料。

低溫破碎的工藝流程見圖3-25。將固體廢棄物如鋼絲膠管、塑料或橡膠包覆電線電纜，廢家用電器等復合制品先投入預冷裝置，再進入浸沒冷卻裝置，這樣橡膠、塑料等易冷脆物質迅速脆化，之后送入高速沖擊破碎機，使易脆物質脫落粉碎。破碎產物再進入各種分選設備進行分選。

圖3-25　低溫破碎工藝流程

據日本試驗測定，低溫破碎與常溫破碎相比，所需動力消耗可減至1/4以下，噪聲降低7dB，振動減輕1/5～1/4。

（2）低溫破碎的應用

① 塑料低溫破碎　各種塑料的脆化點變化很大，如PVC（聚氯乙烯）是-20～-5℃，PE（聚乙烯）是-135～-95℃，PP（聚丙烯）是0～20℃。采用拉伸、曲折、壓縮等簡單力的破碎機時，低溫破碎所需動力比常溫大；用沖擊破碎機時，則低溫破碎動力比常溫時要小得多。膜狀塑料難以低溫破碎。冷凍槽絕熱壁厚300mm，從頂部噴射液氮霧，塑料置于槽內運輸皮帶上向前移動4m，從噴霧開始后4min，槽內溫度可達-75℃；62min后可達-167℃，溫度分布大體上均勻。根據以上各點判斷，低溫破碎機應選擇以沖擊力為主、拉力和剪切力為次要考慮因素的破碎機。

② 從有色金屬混合物等廢物中回收銅、鋁及鋅的低溫破碎　美國礦山局利用低溫破碎技術，從廢輪胎、有色金屬混合物等固體廢棄物中回收銅和鋁。研究結果表明，對25～75mm大小的混合金屬采用液氮冷凍后（-72℃，1min）沖擊破碎：25mm以下物料，產物中可回收97.2%的銅和100%的鋁（不含鋅）；25mm以上物料，產物中可回收2.8%的銅和100%的鋅（不含鋁）。這說明此法能進行選擇性破碎分離。

2.濕式破碎

（1）濕式破碎的原理和設備

濕式破碎是利用紙類在水力作用下的漿液化特性，以回收城市垃圾中的大量紙類為目的而發展起來的。通常將廢物與制漿造紙結合起來。

濕式破碎機構造如圖3-26所示。該破碎機為一圓形立式轉桶，底部設有多孔篩。初步分選的垃圾經傳輸帶投入機后，靠篩上安裝的6只切割葉輪的旋轉作用，與大量水流在同一個水槽內急速旋轉、攪拌、破碎成泥漿狀；漿體由底部篩孔流出，經濕式旋風分離器除去無機物，送到紙漿纖維回收工序進行洗滌、過篩與脫水。除去紙漿的有機殘渣與4%濃度的城市下水污泥混合，脫水至50%后，送至焚燒爐焚燒，產生熱能。破碎機內未能粉碎和未通過篩板的金屬、陶瓷類物質從機內的底部側口壓出，由提升斗送到傳輸帶，由磁選器進行分離。

圖3-26　濕式破碎機構造

1—斗式脫水提升機；2，6—轉子；3—減速機；4—電動機；5—篩網；7—有色金屬；8—鐵

（2）濕式破碎的優點

濕式破碎把垃圾變成泥漿狀，物料均勻，呈流態化操作，具有以下優點：垃圾變成均質漿狀物，可按流體法處理；不會滋生蚊蠅和惡臭，符合衛生條件；不會產生噪聲，沒有發熱和爆炸的危險性；脫水有機殘渣，無論質量、粒度、水分等變化都小；在化學物質、紙和紙漿、礦物等處理中均可使用，可以回收紙纖維、玻璃、鐵和有色金屬，剩余泥土等可用作堆肥。

3.半濕式選擇性破碎分選

（1）半濕式選擇性破碎分選的原理和設備

半濕式選擇性破碎分選是利用城市垃圾中不同物質的強度和脆性的差異，在一定濕度下破碎成不同粒度的碎塊，然后通過不同篩孔加以分離的過程。由于該過程是在半濕狀態下通過兼有選擇性破碎和篩分兩種功能的裝置中實現的，因此把這種裝置稱為半濕式選擇性破碎分選機。

圖3-27是半濕式選擇性破碎分選機構造示意。該機由兩段不同篩孔的外旋轉圓筒篩和篩內與之反向旋轉的破碎板構成。垃圾給入圓筒篩首端，并隨壁上升而后在重力作用下拋落，同時被反向旋轉的破碎板撞擊，垃圾中脆性物質被破碎成細粒碎片，通過第一段篩網排出。剩余顆粒進入第二段筒篩，此段噴射水分，中等強度的紙類被破碎板破碎，從第二段篩網排出。最后剩余的垃圾從第三段排出。

圖3-27　半濕式選擇性破碎分選機構造示意

（2）半濕式選擇性破碎的特點

半濕式選擇性破碎能使城市垃圾在一臺設備中同時進行破碎和分選作業；可有效地回收其中的有用物質，從第一組產物中可以得到純度為80%的堆肥原料——廚房垃圾，從第二組產物中可以得到純度為85%～95%的紙類；從第三組產物中可以得到純度為 95%的塑料類，回收廢鐵純度為98%；對進料的適應性好，易破碎的廢物首先破碎并及時排出，不會產生過粉碎現象。

六、細磨工藝技術

細磨作業是固體廢棄物破碎過程的繼續，在固體廢棄物處理與利用中占有重要位置。它既是固體廢棄物選別前準備作業，也是固體廢棄物材料化利用的重要組成部分。例如，用煤矸石生產水泥、磚瓦、矸石棉、化肥和提取化工原料等，用鋼渣生產水泥、磚瓦、化肥、溶劑以及對垃圾堆肥深加工等過程都離不開球磨機對固體的磨碎。

細磨作業通常在磨機中進行，磨機內裝有磨礦介質。工業上應用的細磨設備類型很多，以鋼球、鋼棒和礫石為介質的磨機分別被稱為球磨機、棒磨機和礫磨機；以自身廢棄物作介質者，就被稱為自磨機；廢棄物自磨機中再加入適量鋼球，就構成所謂半自磨機。磨機的規格以筒體的直徑×長度表示。

細磨作業以濕式細磨為主，而且一般與機械分級機組成閉路循環，如利用紙類在水力作用下的漿液化特性，采用濕式細磨回收城市垃圾中的大量紙類。但對于缺水地區和某些忌水工藝過程，則采用干式細磨。