第三节 固体废弃物的破碎
一、破碎原理及目的
破碎是指利用外力克服固体废弃物质点间的内聚力从而使大块固体废弃物分裂成小块的过程。磨碎是指使小块的固体废弃物颗粒分裂成细粉的过程。破碎是最常用的预处理工艺之一。
固体废弃物破碎的目的有以下几点：a.减小固体废弃物的容积，以便运输和贮存；b.为固体废弃物的分选提供所要求的粒度，以便能够有效地回收其中有用成分；c.防止粗大、锋利的固体废弃物损坏分选、焚烧和热解等设备或炉膛；d.增加固体废弃物的比表面积，提高焚烧、热解、熔融等作业的效率；e.为下一步加工做准备，以便进一步加工制备；f.固体废弃物进行填埋处置时，破碎后压实密度高而均匀，可以加快覆土还原。
二、破碎方法
破碎方法有干式、湿式和半湿式3种，其中干式破碎为通常所指的破碎，湿式破碎和半湿式破碎通常在破碎的同时兼有分组分选的功能。
1.干式破碎
根据所用外力不同可分为机械能破碎和非机械能破碎两种方法，目前广泛使用的是机械能破碎方法，非机械能破碎还属于新方法。机械能破碎是利用破碎工具，如破碎机的齿板、锤头、球磨机的钢球等对固体废弃物施力而将其破碎的方法，如图3-9所示。非机械能破碎是利用电能、热能等对固体废弃物进行破碎的新方法，如低温破碎、热力破碎、减压破碎及超声波破碎等。
图3-9 机械破碎方法
挤压破碎是指废弃物在两个相对运动的硬面之间受挤压作用而发生的破碎。剪切破碎是指废弃物在剪切作用下发生的破碎，剪切作用包括劈开、撕破和折断等。冲击破碎有重力冲击和动冲击两种形式：重力冲击是废弃物落到一个坚硬的表面上而发生的破碎；动冲击是使废弃物获得足够的动能，并碰到一个比它坚硬的快速旋转的表面时产生冲击破碎作用。摩擦破碎是指废弃物在两个相对运动的硬面摩擦作用下破碎。破碎方法的选择要根据固体废弃物的机械强度及硬度来选择破碎方法和破碎机。
2.湿式破碎
湿式破碎是用湿式破碎机在水中将纸类废弃物通过剪切破碎和水力机械搅拌作用而成为浆液的过程，废纸变成均质浆状物，可按流体处理法处理。它是基于以回收城市垃圾中的大量纸类为目的而发展起来的一种破碎方法。
3.半湿式破碎
其特点是利用不同物质强度和脆性（耐冲击性、耐压缩性、耐剪切力）的差异，在一定的湿度下破碎成不同粒度的碎块，然后通过筛孔大小不同的筛网加以分离回收的过程，该过程同时兼有选择性破碎和筛分两种功能。
三、破碎流程
根据固体废弃物的性质、颗粒的大小、要求达到的破碎比和选用的破碎机类型，每段破碎流程可以有不同的组合方式，其基本工艺流程如图3-10所示。
图3-10 破碎的基本工艺流程
四、破碎设备
破碎固体废弃物常用的破碎设备有颚式破碎机、冲击式破碎机、反击式破碎机、辊式破碎机、剪切式破碎机、球磨机及特殊破碎等。
1.颚式破碎机
颚式破碎机构造简单、工作可靠、制造容易、维修方便，至今仍获得广泛应用。颚式破碎机通常按照可动颚板（动颚）的运动特性分为两种类型：动颚做简单摆动的双肘板机构（简摆颚式）的颚式破碎机[图3-11（a）]，动颚做复杂摆动的单肘板机构（复摆颚式）的颚式破碎机[图3-11（b）]。近年来，液压技术在破碎设备上得到应用，出现了液压颚式破碎机[图3-11（c）]。
图3-11 颚式破碎机的主要类型
1—固定颚板；2—动颚悬挂轴；3—可动颚板；4—前（后）推力板；5—偏心轴；6—连杆；7—连杆液压油缸；8—调整液压油缸
（1）简摆颚式破碎机
图3-12为国产2100mm×1500mm简摆颚式破碎机构造。它主要由机架、工作机构、传动机构、保险装置等部分组成。皮带轮带动偏心轴转动时，偏心定点牵动连杆上下运动，也就牵动前后推力板做舒张及收缩运动，从而使动颚时而靠近固定颚，时而又离开固定颚。动颚靠近固定颚时对破碎腔内的物料进行压碎、劈碎及折断。破碎后的物料在动颚后退时靠自重从破碎腔内落下。
图3-12 国产2100mm×1500mm简摆颚式破碎机构造
1—机架；2，4—破碎齿轮；3—侧面衬板；5—可动颚板；6—心轴；7—飞轮；8—偏心轴；9—连杆；10—弹簧；11—拉杆；12—砌块；13—后推力板；14—肘板支座；15—前推力板
（2）复摆颚式破碎机
图3-13为复摆颚式破碎机构造。从构造上看，复摆颚式破碎机与简摆颚式破碎机的区别是少了一根动颚悬挂的心轴，动颚与连杆合为一个部件，没有垂直连杆，轴板也只有一块。可见，复摆颚式破碎机构造简单。复摆动颚上部行程较大，可以满足物料破碎时所需要的破碎量，动颚向下运动有促进排料的作用，因而比简摆颚式破碎机的生产率高30%左右。但是动颚垂直行程大，使颚板磨损加快。简摆颚式破碎机给料口水平行程小，因此压缩量不够，生产率较低。
颚式破碎机的规格用给料口宽度×长度来表示。国产系列为PEF150×250、PEF250×400、PEJ900×1200、PEJ1200×1500等。其中P代表破碎机，E代表颚式，F代表复杂摆动，J代表简单摆动。
图3-13 复摆颚式破碎机构造
1—机架；2—可动颚板；3—固定颚板；4，5—破碎齿板；6—偏心转动轴；7—轴孔；8—飞轮；9—肘板；10—调节楔；11—楔块；12—水平拉杆；13—弹簧
2.冲击式破碎机
冲击式破碎机大多是旋转式，利用冲击作用进行破碎。其工作原理是：给入破碎机空间的物料块，被绕中心轴高速旋转的转子猛烈碰撞后，受到第一次破碎；然后物料从转子获得能量高速飞向坚硬的机壁，受到第二次破碎；在冲击过程中弹回再次被转子击碎，难以破碎的物料，被转子和固定板挟持而剪断，破碎产品由下部排出。当要求的破碎产品粒度为40mm时，可以达到目的，而若要求粒度更小如20mm时，接下来还需经锤子与研磨板的作用，进一步细化物料，其间空隙远小于冲击板与锤子之间的空隙，若底部再设有箅筛，可更为有效地控制出料尺寸。
冲击板与锤子之间的距离，以及冲击板倾斜度是可以调节的。合理布置冲击板，使破碎物存在于破碎循环中，直至其充分破碎，而能通过锤子与板间空隙或箅筛筛孔，排出机外。
冲击式破碎机具有破碎比大、适应性强、构造简单、外形尺寸小、操作方便、易于维护等特点。适用于破碎中等硬度、软质、脆性、韧性及纤维状等多种固体废弃物。
冲击式破碎机的主要类型有锤式破碎机和笼式破碎机。这2种破碎机的规格都是以转子的直径和长度表示的。下面介绍适用于破碎各种固体废弃物的锤式破碎机。
锤式破碎机是最普通的一种工业破碎设备，按转子数目可分为两类：一类为单转子锤式破碎机，它只有一个转子；另一类为双转子锤式破碎机，它有两个做相对运动的转子。单转子锤式破碎机根据转子的旋转方向，又分为可逆和不可逆两种。目前普遍采用可逆单转子锤式破碎机。图3-14为单转子锤式破碎机。图3-15是Novorotor型双转子锤式破碎机。
图3-14 单转子锤式破碎机
图3-15 Novorotor型双转子锤式破碎机
锤式破碎机中常见的是卧轴锤式破碎机和立轴锤式破碎机。
（1）卧轴锤式破碎机
卧轴锤式破碎机中，轴子由两端的轴承支持。原料借助重力或用输送机关送入。转子下方装有箅条筛，箅条缝隙的大小决定破碎后颗粒的大小。有些锤式破碎机是对称的，转子的旋转方向可以改变，以变换锤头的磨损面，减少对锤头的检修。卧轴锤式破碎机主轴及锤头见图3-16。
图3-16 卧轴锤式破碎机主轴及锤头
（2）立轴锤式破碎机
立轴锤式破碎机有一立轴，物料靠重力进入破碎腔的侧面。这种破碎机通常在破碎腔的上部间隙较大，越往下间隙逐渐减小。因此当物料通过破碎机时，就逐渐被破碎，破碎后的颗粒尺寸取决于下部锤头与机壳之间的间隙。
3.反击式破碎机
反击式破碎机是一种新型高效破碎设备，它具有破碎比大、适应性广（可以破碎中硬、软、脆、韧性、纤维性物性）、构造简单、外形尺寸小、安全方便、易于维护等许多优点。
图3-17为Hazemag式反击式破碎机。该机装有两块反击板，形成两个破碎腔。转子上安装有两个坚硬的板锤。机体内表面装有特殊钢制衬板，用以保护机体不受损坏。固体废弃物从上部给入，在冲击和剪切作用下破碎。
图3-17 Hazemag式反击式破碎机
该机主要用来破碎家具、器具、电视机、草垫等大型固体废弃物，处理能力为50～60m3/h，碎块为30cm；也可用来破碎瓶类、罐头等不燃废物，处理能力为15～90m3/h。
4.辊式破碎机
辊式破碎机又称对辊破碎机，具有结构简单、紧凑、轻便、工作可靠、价格低廉等优点，广泛应用于处理脆性物料和含泥黏性物料，作为中、细碎之用。
辊式破碎机技术参数见图3-18。两个辊子的直径为D，被破碎物料颗粒直径为d。颗粒和辊子之间的法向力为N，切向力为T。如果合力R的方向向下，该颗粒就能被卷入和被破碎；如果R的方向向上，该颗粒将浮动在辊子上。
图3-18 辊式破碎机技术参数的定义
辊式破碎机如图3-19所示。其工作过程是：旋转的工作转辊借助摩擦力将给到它上面的物料块拉入破碎腔内，使之受到挤压和磨削作用（有时还兼有劈碎和剪切作用）而破碎，最后由转辊带出破碎腔成为破碎产品排出。按辊子表面构造分为光滑辊面和非光滑辊面（齿辊或沟槽辊）两大类，前者处理硬性物料，后者处理脆性物料。
图3-19 辊式破碎机示意
光滑辊面只能是双辊机；非光滑辊面可以是单辊、双辊和三辊机（比较少见）。各种对辊机又可分为固定轴承、单可动轴承和双可动轴承三种。固定轴承破碎机因异物落入时易被破坏，现已不用；双可动轴承破碎机的优点是机座不受破碎力的影响，但因构造复杂也不用。
对辊机按两个辊的转速可分为快速（周速4～7.5m/s）、慢速（周速2～3m/s）和差速三种。快速的生产率高，用得最多。
辊式破碎机传动装置分为单式传动和复式传动两种。规格用辊子直径×长度表示。
图3-20为双辊式（光面）破碎机结构。它由破碎辊、调整装置、弹簧保险装置、传动装置和机架等组成。
图3-20 双辊式（光面）破碎机结构
辊式破碎机的特点是能耗低、产品过度粉碎程度小、构造简单、工作可靠等。
5.剪切式破碎机
剪切破碎是靠固定刀和可动刀之间啮合作用剪切废物，将固体废料剪切成段或块。可动刀又可分为往复刀和回转刀。
（1）往复剪切破碎机
图3-21为Von Roll型往复剪切式破碎机。该破碎机由两机边装刀的横杆组成耙状可动刀架，其上装有往复刀具12片，横杆6根，装有固定横杆7根，固定刀具12片。往复刀和固定刀交替平行而置。当处于打开状态时，从侧面看，往复刀和固定腔呈V字形，固体废弃物从上面投入，通过液压装置（油泵）缓缓将活动刀推向固定刀，废弃物受到挤压，并依靠往复刀和固定刀的啮合将废弃物剪切。往复刀和固定刀之间宽度为30cm，剪切尺寸30cm。刀具由特殊钢制成，磨损后可以更换，液压油泵最高压力为13MPa，电机功率为374W，交流电压为220V，处理量为80～150m3/h，可将厚度在200mm以下的普通型钢板剪切成30cm的碎块。
图3-21 Von Roll型往复剪切式破碎机
（2）Lindemann式剪切破碎机
如图3-22所示，该机分为预备压缩机和剪切机两部分。固体废弃物送入后先压缩，再剪切。预备压缩机通过一对钳形压块开闭将废物压缩。压块一端固定在机座上，另一端由压杆推进或拉回。剪切机由送料器、压紧器和剪切刀片组成。送料将废物每向前推进一次，压块即将废物压紧定位，剪刀从上往下将废物剪断，如此往返工作。
图3-22 Lindemann式剪切破碎机
1—夯锤；2—刀具；3—推料杆
（3）旋转剪切式破碎机
其构造如图3-23所示，旋转剪切式破碎机装有1～2个固定刀和3～5个旋转刀，固体废弃物投入后，在固定刀和高速旋转的旋转刀夹持下而被剪切破碎。
该机的缺点是当混进硬度大的杂物时，易发生操作事故。
图3-23 旋转剪切式破碎机构造示意
6.球磨机
图3-24是球磨机结构和工作原理示意。球磨机主要由圆柱形筒体、端盖、中空轴颈、轴承和传动大齿轮圈等部件组成。筒体内装有钢球和被磨物料，其装入量为筒体有效容积的25%～50%。筒体两端的中空轴颈有两个作用：一是起轴颈的支撑作用，使球磨机全部重量经中空轴颈传给轴承和机座；二是起给料和排料的漏斗作用，电动机通过联轴器和小齿轮带动大齿轮圈和筒体缓缓转动。当筒体转动时，在摩擦力、离心力和衬板共同作用下，钢球和物料被衬板提升，当提升到一定高度后，在钢球和物料本身重力作用下，产生自由泻落和抛落，从而对筒体内底脚区内的物料产生冲击和研磨作用，使物料粉碎。物料达到磨碎细度要求后，由风机抽出。
图3-24 球磨机结构和工作原理示意
1—筒体；2—端盖；3—轴承；4—大齿轮
磨碎在固体废弃物处理与利用中占有重要地位。垃圾堆肥深加工过程离不开球磨机对固体废弃物的磨碎。
五、特种破碎方法与工艺
对于一些常温下难以破碎的固体废弃物，如废轮胎、含纸垃圾等，常采用特殊设备和方法，即低温破碎和湿式破碎进行破碎。
1.低温（冷冻）破碎
（1）破碎原理及工艺流程
对于在常温下难以破碎的固体废弃物，可利用其低温变脆的性能而有效地破碎，亦可利用不同的物质脆化温度的差异进行选择性破碎，即所谓低温破碎技术。
低温破碎通常采用液氮作制冷剂。液氮具有制冷温度低、无毒、无爆炸危险等优点，但制冷液氮需耗用大量能源，
故低温破碎对象仅限于常温难破碎的废物，如橡胶和塑料。
低温破碎的工艺流程见图3-25。将固体废弃物如钢丝胶管、塑料或橡胶包覆电线电缆，废家用电器等复合制品先投入预冷装置，再进入浸没冷却装置，这样橡胶、塑料等易冷脆物质迅速脆化，之后送入高速冲击破碎机，使易脆物质脱落粉碎。破碎产物再进入各种分选设备进行分选。
图3-25 低温破碎工艺流程
据日本试验测定，低温破碎与常温破碎相比，所需动力消耗可减至1/4以下，噪声降低7dB，振动减轻1/5～1/4。
（2）低温破碎的应用
① 塑料低温破碎 各种塑料的脆化点变化很大，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、压缩等简单力的破碎机时，低温破碎所需动力比常温大；用冲击破碎机时，则低温破碎动力比常温时要小得多。膜状塑料难以低温破碎。冷冻槽绝热壁厚300mm，从顶部喷射液氮雾，塑料置于槽内运输皮带上向前移动4m，从喷雾开始后4min，槽内温度可达-75℃；62min后可达-167℃，温度分布大体上均匀。根据以上各点判断，低温破碎机应选择以冲击力为主、拉力和剪切力为次要考虑因素的破碎机。
② 从有色金属混合物等废物中回收铜、铝及锌的低温破碎 美国矿山局利用低温破碎技术，从废轮胎、有色金属混合物等固体废弃物中回收铜和铝。研究结果表明，对25～75mm大小的混合金属采用液氮冷冻后（-72℃，1min）冲击破碎：25mm以下物料，产物中可回收97.2%的铜和100%的铝（不含锌）；25mm以上物料，产物中可回收2.8%的铜和100%的锌（不含铝）。这说明此法能进行选择性破碎分离。
2.湿式破碎
（1）湿式破碎的原理和设备
湿式破碎是利用纸类在水力作用下的浆液化特性，以回收城市垃圾中的大量纸类为目的而发展起来的。通常将废物与制浆造纸结合起来。
湿式破碎机构造如图3-26所示。该破碎机为一圆形立式转桶，底部设有多孔筛。初步分选的垃圾经传输带投入机后，靠筛上安装的6只切割叶轮的旋转作用，与大量水流在同一个水槽内急速旋转、搅拌、破碎成泥浆状；浆体由底部筛孔流出，经湿式旋风分离器除去无机物，送到纸浆纤维回收工序进行洗涤、过筛与脱水。除去纸浆的有机残渣与4%浓度的城市下水污泥混合，脱水至50%后，送至焚烧炉焚烧，产生热能。破碎机内未能粉碎和未通过筛板的金属、陶瓷类物质从机内的底部侧口压出，由提升斗送到传输带，由磁选器进行分离。
图3-26 湿式破碎机构造
1—斗式脱水提升机；2，6—转子；3—减速机；4—电动机；5—筛网；7—有色金属；8—铁
（2）湿式破碎的优点
湿式破碎把垃圾变成泥浆状，物料均匀，呈流态化操作，具有以下优点：垃圾变成均质浆状物，可按流体法处理；不会滋生蚊蝇和恶臭，符合卫生条件；不会产生噪声，没有发热和爆炸的危险性；脱水有机残渣，无论质量、粒度、水分等变化都小；在化学物质、纸和纸浆、矿物等处理中均可使用，可以回收纸纤维、玻璃、铁和有色金属，剩余泥土等可用作堆肥。
3.半湿式选择性破碎分选
（1）半湿式选择性破碎分选的原理和设备
半湿式选择性破碎分选是利用城市垃圾中不同物质的强度和脆性的差异，在一定湿度下破碎成不同粒度的碎块，然后通过不同筛孔加以分离的过程。由于该过程是在半湿状态下通过兼有选择性破碎和筛分两种功能的装置中实现的，因此把这种装置称为半湿式选择性破碎分选机。
图3-27是半湿式选择性破碎分选机构造示意。该机由两段不同筛孔的外旋转圆筒筛和筛内与之反向旋转的破碎板构成。垃圾给入圆筒筛首端，并随壁上升而后在重力作用下抛落，同时被反向旋转的破碎板撞击，垃圾中脆性物质被破碎成细粒碎片，通过第一段筛网排出。剩余颗粒进入第二段筒筛，此段喷射水分，中等强度的纸类被破碎板破碎，从第二段筛网排出。最后剩余的垃圾从第三段排出。
图3-27 半湿式选择性破碎分选机构造示意
（2）半湿式选择性破碎的特点
半湿式选择性破碎能使城市垃圾在一台设备中同时进行破碎和分选作业；可有效地回收其中的有用物质，从第一组产物中可以得到纯度为80%的堆肥原料——厨房垃圾，从第二组产物中可以得到纯度为85%～95%的纸类；从第三组产物中可以得到纯度为 95%的塑料类，回收废铁纯度为98%；对进料的适应性好，易破碎的废物首先破碎并及时排出，不会产生过粉碎现象。
六、细磨工艺技术
细磨作业是固体废弃物破碎过程的继续，在固体废弃物处理与利用中占有重要位置。它既是固体废弃物选别前准备作业，也是固体废弃物材料化利用的重要组成部分。例如，用煤矸石生产水泥、砖瓦、矸石棉、化肥和提取化工原料等，用钢渣生产水泥、砖瓦、化肥、溶剂以及对垃圾堆肥深加工等过程都离不开球磨机对固体的磨碎。
细磨作业通常在磨机中进行，磨机内装有磨矿介质。工业上应用的细磨设备类型很多，以钢球、钢棒和砾石为介质的磨机分别被称为球磨机、棒磨机和砾磨机；以自身废弃物作介质者，就被称为自磨机；废弃物自磨机中再加入适量钢球，就构成所谓半自磨机。磨机的规格以筒体的直径×长度表示。
细磨作业以湿式细磨为主，而且一般与机械分级机组成闭路循环，如利用纸类在水力作用下的浆液化特性，采用湿式细磨回收城市垃圾中的大量纸类。但对于缺水地区和某些忌水工艺过程，则采用干式细磨。