垃圾焚燒底渣干法預(yù)處理工藝設(shè)備和技術(shù)研究

1、焚燒底渣的處理現(xiàn)狀近幾十年來，焚燒發(fā)電因其能大量減少廢棄物的體積和能源回收利用而成為世界各國處理城市固體廢物的普遍選擇。然而，焚燒過程中仍然會產(chǎn)生大量固體殘留物（焚燒底渣：占城市固體廢物總質(zhì)量的20%~30%，飛灰：0~5%）。焚燒底渣是一種非均質(zhì)材料，由鐵質(zhì)、有色金屬、玻璃碎片、陶瓷、礦物碎片和未燃燒的有機物組成。其含量取決于垃圾本身，因各國消費習(xí)慣以及分類收集系統(tǒng)的實施程度而異。據(jù)統(tǒng)計，焚燒底渣的構(gòu)成大致如表1所示。絕大多數(shù)國家通過其浸出濃度將焚燒底渣確定為無害廢物。自焚燒以來，填埋是焚燒底渣最常見的處置方式，但是這也引起了人們對重金屬和可溶性鹽污染以及土地資源短缺的持續(xù)擔(dān)憂。近年來，隨著垃圾填埋場的短缺和可持續(xù)發(fā)展意識的不斷增強，垃圾焚燒底渣不再作為廢棄物用來填埋處置，反而是一種潛在的資源，不僅可以替代有限的原材料，還可以從中回收和再循環(huán)有價值的金屬。特別是在歐盟，循環(huán)經(jīng)濟戰(zhàn)略刺激了焚燒底渣在金屬回收以及在各種原材料領(lǐng)域的應(yīng)用。研究表明，焚燒底渣中的礦物質(zhì)主要有以下三個應(yīng)用方向：表1焚燒底渣的組成（1）在水泥生產(chǎn)中，人們研究了焚燒底渣替代水泥生產(chǎn)原料或作為水泥添加劑的用途。（2）砂漿、混凝土或磚塊制造中的骨料。（3）作為道路替代材料，包括作為瀝青路面、路堤、路基、底基層的骨料。此外，底渣中含有大量的多孔燒結(jié)相，可以用作去除水中污染物的吸附劑。然而，底渣只有經(jīng)過充分的預(yù)處理才能獲得良好的質(zhì)量，然后才能在水中重復(fù)使用。濕法預(yù)處理是我國的主要處理方式，這些濕法預(yù)處理工廠都有以下幾個特點：（1）預(yù)處理的目標(biāo)是最大限度地回收鐵質(zhì)和有色金屬；（2）工作環(huán)境較差（設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，污水、污泥外溢，爐渣四處私下填埋），環(huán)境污染嚴(yán)重；（3）預(yù)處理裝置簡單，投資較小，鐵質(zhì)和有色金屬回收率和純度均較低。究其原因，主要還是環(huán)保意識不強以及缺乏嚴(yán)格的監(jiān)管制度，同時對底渣的潛在價值了解不夠充分。另外，也由于缺乏先進的技術(shù)和設(shè)備等，導(dǎo)致處置方式過于簡陋和粗放，不能最大限度地利用爐渣資源。濕法預(yù)處理的最大優(yōu)勢就是很大程度上可以去除底渣中的可溶性化合物和重金屬，因此焚燒底渣作為骨料，它的質(zhì)量更好，更利于進一步的利用。然而，濕法預(yù)處理的主要問題在于需要消耗大量的水資源，同時洗出來的污泥中濃縮了大部分可溶性重金屬和鹽類，增加了污水和污泥的處置難度和成本。如果這部分污水和污泥沒有被有效的處置，勢必會污染生活環(huán)境。相比之下，大多數(shù)發(fā)達國家，特別是歐盟國家更傾向于選擇干法預(yù)處理技術(shù)。從經(jīng)濟角度來說，干法預(yù)處理技術(shù)的建設(shè)和運營成本更加合理，目前針對焚燒底渣應(yīng)用的研究較多，但都基于實驗室簡單的處理（人工分揀、破碎、研磨、干燥等），處置方式完全偏離實際生產(chǎn)，不具有代表性，研究者更多關(guān)注產(chǎn)品的浸出行為。本文從工程實踐的角度介紹了一種先進的干法預(yù)處理技術(shù)及一些優(yōu)化建議，以期對底渣的回收利用提供指導(dǎo)。

2、干法預(yù)處理機理及工藝設(shè)備2.1預(yù)處理機理回收金屬和剔除未燃燒的有機物，以及獲得特殊粒度分布（在某些建筑應(yīng)用中）的骨料是干法預(yù)處理技術(shù)的主要目標(biāo)。機械預(yù)處理技術(shù)主要依靠物理力：如磁化率、電導(dǎo)率和密度。2.2預(yù)處理工藝設(shè)備2.2.1磁選機（去除鐵質(zhì)金屬）懸掛除鐵器通常用于從混合廢物中分離含鐵成分。通過采用懸掛式磁鐵，物料中的鐵質(zhì)金屬被吸附在膠帶下面，通過膠帶的連續(xù)運動，鐵質(zhì)金屬到達非磁場區(qū)從而卸下，達到分離的目的。懸掛除鐵有兩種安裝方式，簡單地稱為交叉帶式磁選機和直線式磁選機（如圖1所示）。由于直線式磁選機安裝在膠帶輸送機的頭部，快速運動的膠帶將不同性質(zhì)的物料沿不同的拋物線甩出，鐵質(zhì)金屬和其他物料實現(xiàn)分離更利于去除物料中的鐵質(zhì)金屬。因此，圖1b的磁選效率更高。圖1兩種安裝方式的懸掛式除鐵器鼓形磁選滾筒通常用于除去細小的鐵質(zhì)顆粒。當(dāng)混合后的物料通過滾筒磁場時，鐵質(zhì)顆粒被強大的磁場吸引并保持在滾筒磁鐵表面上，直到滾筒的遠邊緣沒有了磁場，鐵質(zhì)顆粒受重力和慣性影響被收集到相應(yīng)的倉中（如圖2a所示）。圖2b是鼓形磁選滾筒的另一種方式，工作原理與圖2a類似。該裝置因其簡單且緊湊的結(jié)構(gòu)被廣泛使用，并且與傳送帶共用同一轉(zhuǎn)子，更加經(jīng)濟。2.2.2渦流分選機（去除有色金屬）當(dāng)有色金屬進入分選區(qū)，會在金屬內(nèi)部感應(yīng)出電流，此電流產(chǎn)生的磁場與原磁場方向相反，有相互排斥的作用力，這個排斥力可以把有色金屬體向前拋出，實現(xiàn)自動分離的目的。先進的渦流分選機一般包括一個額外的除鐵滾筒，在分離有色金屬前，將鐵質(zhì)進一步去除（如圖3b所示）。振動給料機可以確保薄而均勻的料流層，從而實現(xiàn)有色金屬高效分離的目的。預(yù)先設(shè)置除鐵滾筒去除鐵質(zhì)顆粒，可以避免渦流頭輪發(fā)熱，損壞渦流分離器單元。同時也可以防止鐵質(zhì)顆粒干擾磁場，從而阻止有色導(dǎo)電顆粒在其附近產(chǎn)生排斥力。圖2鼓形磁選滾筒圖3渦流分選機根據(jù)磁輥在頭輪上的安裝方式，渦流分選機有同心和偏心兩種（如圖4所示）。同心渦流分選機分選物料時不能帶有金屬鐵，鐵會吸附在皮帶上損壞設(shè)備。偏心渦流分選機恰好克服了這個問題，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子定位來提供限定的排斥區(qū)域。另一方面，偏心磁極系統(tǒng)確保交變磁場恰好位于物料受到最大力沖擊的區(qū)域，并且位于傳送帶的卸料點。轉(zhuǎn)子軸線相對于回程皮帶輪軸線的最佳角度主要取決于顆粒尺寸。因此，偏心渦流分選機往往設(shè)置有可調(diào)桿，通過調(diào)節(jié)操作桿最大程度地匹配卸料拋物線，從而最大化地分離有色金屬。圖4同心和偏心磁輥由于渦流分選機上顆粒的運動軌跡主要由四種力（磁引力、渦流斥力、重力、氣動阻力）決定，因此顆粒尺寸、形狀、密度和非磁性金屬的粒徑是影響有色金屬分離的主要參數(shù)。因此，將底渣根據(jù)粒徑充分分級，然后分別進行渦流磁選，對于5mm以上的粗物料，常采用2?000~3?000r/min轉(zhuǎn)速的磁輥筒，對于5mm以下的物料流，4?000~6?000r/min以上的高速分離效率更高。2.2.3風(fēng)選機（去除輕質(zhì)物）基于材料的密度和尺寸的差異，正壓轉(zhuǎn)鼓風(fēng)選機通過氣流將輕質(zhì)材料與重質(zhì)材料分離。它廣泛適用于5~500mm的碎料尺寸。輕質(zhì)物料被吹過分離滾筒，重質(zhì)物料撞擊到轉(zhuǎn)鼓隨著重力落下（如圖5所示）。圖5單筒正壓轉(zhuǎn)鼓風(fēng)選機2.2.4粉碎機/破碎機通過粉碎機/破碎機將爐渣進行錘打、破碎，從而釋放被熔體和/或黏性礦物層覆蓋的小金屬碎片來提高金屬回收的效率，如圖6所示。同時，通過錘打、整形，它還可以獲得一些建筑應(yīng)用中特殊粒度分布的骨料顆粒，更有利于爐渣后續(xù)的建材化利用。圖6選擇性打散2.2.5篩分不同的篩分機將焚燒底渣分成不同的物料流。單一范圍的粒徑將有助于下一階段更好地分離和操作。圖7是棒條篩的篩板，通常用于從那些混合的物料中分離粗糙的3D雜質(zhì)。其工作原理與振動篩十分相似。值得注意的是，棒條篩對于含有片狀和較長容易纏繞的物料的篩分精度較低。圖7棒條篩篩板

滾筒篩是篩分領(lǐng)域最有效的篩分設(shè)施之一（如圖8所示）。隨著滾筒篩的旋轉(zhuǎn)，物料被篩壁的揚料板帶起，并且相互之間可以與篩板相互碰撞，從而減少篩孔的堵塞。然而，滾筒篩不擅長分選含有一定比例細小和潮濕顆粒的物料，篩分效率隨著黏性細粒的堵塞而逐漸降低。當(dāng)使用滾筒篩處理焚燒底渣時，爐渣之間的相互碰撞可以將被包裹的小顆粒、金屬等雜質(zhì)釋放出來，起到破碎、篩分的效果。圖8滾筒篩圖9是單層振動篩，也可以采用多層振動篩，同時實現(xiàn)多個粒徑的分選。高振動頻率有利于打破顆粒間的表面張力，它可以同時適用于潮濕物料和干物料的分離。高頻振動篩通常以傾斜角度運行，一般在0°~25°之間變化，最大可達45°。圖9單層振動篩

馳張篩（如圖10所示）是一種專門針對黏性較大、水分較高，而且是細、黏、濕性物料的專業(yè)篩分設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于煤炭、冶金、建材等行業(yè)。如果所處理的物料中含有易于堵塞網(wǎng)孔的物料，馳張篩能夠以相對較小的篩網(wǎng)面積達到非常高的篩分效率，并保證篩網(wǎng)不堵塞。其分離粒徑最好為0.2~100mm左右，因此馳張篩用來篩分爐渣的時候，主要是篩分被分選之后的細小物料。圖10馳張篩2.2.6手工分揀手工分揀主要用來分揀無法用機械設(shè)備分離或是少量雜質(zhì)的分揀。爐渣預(yù)處理過程中，一般通過手工分揀分撿出不銹鋼、大塊金屬及無法燃燒的大塊雜物。手工分揀一般包含一條低速平皮帶輸送機和幾個收集廢物的收集溜筒。平皮帶式輸送機以0.08~0.15m/s的速度運行，輸送機兩邊的工人將目標(biāo)物料拾取并扔進附近的料箱中。2.2.7傳感器分離機典型的傳感器分離機通常包含一條傳送帶、一個傳感器、一組與壓縮空氣相連的空氣噴嘴和一個計算機分析系統(tǒng)。焚燒底渣工廠中最常見的是通過電磁傳感器進行分離，可以識別所有金屬，包括不銹鋼（如圖11a所示）。其他類型的傳感器（X射線熒光和光學(xué)傳感器）也可用于分離金屬、玻璃、塑料瓶、紙張和木材等（如圖11b所示）。圖11傳感器分離機

3、預(yù)處理工藝流程陳化是底渣干法預(yù)處理的第一步，也是相當(dāng)必要的步驟。在陳化過程中，底渣、空氣和水之間會發(fā)生一系列化學(xué)和物理反應(yīng)，有利于底渣的浸出[13]。另一個重要原因是底渣中水分會隨著化學(xué)反應(yīng)和自然蒸發(fā)而逐漸減少。干法預(yù)處理工藝中，底渣的最佳含水率為10%~15%，較低的含水率會導(dǎo)致處理過程中的粉塵污染問題，較高的含水率不僅會降低金屬的回收效率，而且會因黏性問題給機械設(shè)備造成堵塞、皮帶撒料等。所以陳化時間最好根據(jù)焚燒底渣的含水率來調(diào)整，一般7~10d。值得注意的是，陳化過程中，底渣會有石灰及臭雞蛋的異味，因此，最好在陳化設(shè)施附近設(shè)置除臭系統(tǒng)，以消除空氣污染。儲存或陳化過程中產(chǎn)生的滲濾液也需要適當(dāng)處理，因為它可能含有一些高濃度的可溶性鹽、金屬離子，特別是銅、氯化物和硫酸鹽，可能導(dǎo)致造成二次環(huán)境污染。圖12是干法預(yù)處理廠的典型工藝流程圖。焚燒底渣通過板式輸送機送入棒條篩中，通過懸掛除鐵器將物料中的鐵質(zhì)分離出來。然后通過風(fēng)選機將棒條篩篩上物進行風(fēng)選，將輕質(zhì)未燃燒物分離出來返回垃圾焚燒廠再次焚燒，未燃燒的重質(zhì)物料經(jīng)過手工分揀，分離出鐵、不銹鋼、有色金屬等大體積物料，最后的無機組分進入破碎機破碎，通過磁輥筒分離鐵屑，剩下的物料進入振動篩篩分。棒條篩篩下物依次經(jīng)過破碎、磁輥筒除鐵，再經(jīng)過振動篩進行篩分，篩上物經(jīng)過傳感器分離機分離出不銹鋼組分后再進入渦流分選機分離出鐵和有色金屬，剩余的作為粗骨料。振動篩篩下物依次經(jīng)過不同孔徑的馳張篩、渦流分選機，分別分離出鐵和有色金屬，最終得到不同粒徑的細骨料。圖12典型的預(yù)處理工藝流程示意歐洲多家工廠對相同粒度的物料進行多次分選試驗表明，1~4mm和4~50mm底渣中的金屬回收率通過第二次渦流分選可分別提高約25%和9%[24]。因此，強烈建議在同一物料流中配備二級渦流設(shè)備，以獲得更高的有色金屬回收率，特別是對于那些小于4mm的細顆粒效果尤為顯著。

4、干法預(yù)處理技術(shù)的不足及發(fā)展趨勢除了歐洲現(xiàn)代化的工廠之外，傳統(tǒng)干法預(yù)處理工廠對粒徑小于4mm的物料中的有色金屬的回收效率相當(dāng)?shù)?。這些現(xiàn)代化工廠不僅需要巨額投資購買先進的設(shè)備和復(fù)雜的工藝流程，而且還需要大量的專業(yè)技術(shù)工人。制備的底渣骨料的質(zhì)量不如濕法預(yù)處理廠，細骨料中較高的重金屬和可溶性鹽以及少量有機化合物引起的臭味將限制細骨料在某些特殊領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，當(dāng)?shù)自橇献鳛樗嗌a(chǎn)原材料時，必須注意重金屬和可溶性鹽的含量。底渣骨料作為混凝土或免燒磚骨料使用時，應(yīng)注意其中的有害元素和臭味，最基本的原則是必須滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。近年來，為了消除可溶性重金屬和鹽類對后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，同時提高底渣中有色金屬的回收率，逐步開始流行與濕法相結(jié)合的工藝路線。將粗顆粒的底渣使用上述干法預(yù)處理技術(shù)進行加工，細顆粒的通過現(xiàn)場或第三方預(yù)處理工廠進行濕選和洗滌處理。這種半干法工藝不僅可以回收細顆粒中的鐵和有色金屬，還可以從殘留物中去除有害的可溶性鹽。與濕法預(yù)處理相比，廢水、污泥較少，運行成本更低，現(xiàn)場生產(chǎn)環(huán)境也遠遠超過傳統(tǒng)的濕法處置。

5、結(jié)論與建議本文主要討論了磁選機、渦流分選機、風(fēng)選機、粉碎機、篩分設(shè)備、手工分選和基于傳感器的分離機的工作機理以及詳細的預(yù)處理工藝流程、生產(chǎn)要點。幾點建議如下：（1）干法預(yù)處理過程中焚燒底渣的最佳含水量為10%~15%，陳化時間最好根據(jù)焚燒底渣的含水量來調(diào)整，而且在儲存或陳化過程中產(chǎn)生的臭氣和滲濾液必須采取有效措施防止環(huán)境污染。（2）在線除鐵器的布置、立式?jīng)_擊式破碎機將底渣進行打散處理更有利于分離鐵質(zhì)。（3）棒條篩最適合用作第一級進料斗上的初級篩選設(shè)備。（4）通常采用滾筒篩作為二級篩分設(shè)備，粒度<16mm的細焚燒底渣不建議采用滾筒篩處理，容易被金屬板和黏性細粒礦物堵塞。（5）單層振動篩對于中等粒徑的底渣來說效率更高，并且易于進行手動清理。（6）馳張篩是細小、含水率高的底渣（5mm以下）的最佳的篩分設(shè)備，能夠有效防止篩網(wǎng)堵孔問題。（7）對于少量難以機械分選的物料，手工分揀是最合適的方式，可以