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建筑固体废弃物资源化利用生产线的设计研究
随着新型城镇化建设工作的推进，城市更新、旧城改造等项目越来越多，在这些项目的施工中，不可避免地会产生大量的建筑拆除垃圾。 据统计，我国城市建筑垃圾年产生量超过 20 亿 t，是生活垃圾产生量的 8 倍左右，约占城市固体废物总量的40%。 不少地区这些建筑垃圾被随意丢弃、堆放，既污染水质、土壤，破坏生态环境，又造成资源浪费，严重侵占有限的土地资源，造成“垃圾围城”的严峻挑战。 当前，欧盟国家建筑固废资源化率超过 90%，韩国、日本建筑固体废弃物资源化率甚至高达 95%以上，而我国建筑固废资源化率不足 10%，因此，加强推进建筑垃圾资源化处理利用势在必行。
建筑固废资源化利用生产线是将废弃混凝土、砖块、砌块等固体废弃物进行破碎、分拣、筛分，转化为可利用的砂石骨料的生产设备，又称再生骨料生产线，这些砂石骨料可用于混凝土的生产及砂浆的制备，也可以用于基础回填等，实现资源的循环利用。 该类型生产线的工厂化设计建造在国内还较少，处于起步摸索阶段，在设计和建造过程中还存在较多的问题，常出现生产线整体规划布局不合理，生产的砂石骨料质量不高，生产中环保问题突出等情况。本文对建筑固废资源化利用生产线的工艺、设备组成和设计要点、关键技术等进行探讨，并分析未来技术的发展趋势，为建筑固废资源化利用生产线建设提供一些有益借鉴。
图1 建筑固废资源化利用生产线生产工艺图
自卸车（或装载机）将建筑固体废弃物原料卸入原料仓，经给料机连续均匀给料，大块物料进入一级破碎，小块物料和渣土经过给料机的篦条间隙落入分料斗，通过胶带输送机输送至除土筛进行筛分，渣土部分经筛分后进入渣土仓，非渣土部分经过输送机回到破碎设备的出料输送带上，进入后续加工。
一级破碎的物料经输送机运输至人工分拣环节，输送机尾部设置除铁器，在进行人工分拣前去除材料中的铁块、铁屑等杂物。 在人工分拣环节，由人工操作去除物料中的大块杂物，经人工分拣后的物料通过输送机运输至轻物质处理器，对物料进行风选，去除塑料、泡沫、小块木屑等轻质杂物。 风选后的物料经输送机输送至二级破碎系统，在二级破碎机前一般应设置缓存仓和给料机，以保证连续均匀给料。
二级破碎后的物料，经胶带输送机运输至成品筛进行筛分，符合粒径要求的成品物料经不同的输送机运输至各成品料仓，用于混凝土制品的生产等，而筛分后不符合成品粒径要求的物料则经溜槽和输送机返回缓存仓，再次进入二级破碎系统进行破碎，如此循环进行，直到全部形成符合要求的成品骨料。
根据上述生产线的处理工艺可知，生产线主要由破碎系统、输送系统、分拣系统、成品破碎系统、筛分系统、除尘系统、控制系统等组成。 破碎系统通常包括一级破碎系统和二级破碎系统；分拣系统包括人工分拣系统和轻物质风选系统；筛分系统包括渣土筛分系统和成品筛分系统，输送系统用于完成各系统之间物料的转移输送；除尘系统用于对物料破碎、输送、筛分过程中产生的粉尘进行收集。
建筑固废的主要原料是废弃混凝土、砖块、砌块等，根据其材料的特性，固废处理生产线的一级破碎通常采用颚式破碎机，该设备适用于抗压强度不高于 320MPa 的各种硬度、粘度和湿度的物料石料的破碎，具有物料适用范围广、承载力强、稳定性高、投资成本低的特点。 生产线二级破碎通常采用反击式破碎机，该设备破碎比高，适用于软、中硬物料的粗、中、细碎作业，同时还具有一定的整形作用，破碎后的物料粒型相对较好。 破碎机的选型主要依据是进料粒径大小和处理量，常见建筑固废原料的粒径一般≤ 600mm，需选择合适进料口尺寸的设备，处理量则结合项目需求和投资规模进行综合确定。
如图 2 所示，生产线的原料供应一般采用自卸卡车或装载机上料，根据常见自卸卡车的宽度和装载量，原料仓宽度一般应不小于 5m，料仓容积不小于 35m³。 原料仓采用钢结构料斗，钢板厚度一般不应小于 20mm，材质选择 Q345B，不仅应具有良好的耐磨性，而且经济实惠。 为减小卸料过程中原料的冲击，防止原料冲出给料机，需在原料仓侧面出料口处配置缓冲链和延伸挡料板。
在自卸车或装载机卸料时，不可避免地会产生大量的粉尘，为防止粉尘无序排放，在原料仓位置的上方应建造卸料房，配置除尘管路和喷淋装置，并在卸料房进出车面悬挂防尘胶帘，为节省建造成本，卸料房通常为轻钢结构，用岩棉板或彩钢压型板进行封闭。
图2 破碎系统布置示意图
1- 破碎机；2- 给料机；3- 原料仓；4- 喷淋装置；5- 除尘管；6-卸料房；7- 缓冲链；8- 挡料板
2.2 输送系统
输送系统用于生产线各系统间物料的转移，直接关系到生产线的处理效率，输送系统设计的合理与否关系到生产线场地占用的大小，生产线运行的协调性，各受料部件的使用寿命，以及除尘系统的使用效果等，是整个生产线设计的重点内容。生产线的输送系统包括多条胶带输送机，常用带宽规格有 B500、B650、B800、B1000、B1200、B1400 等，根据实际使用经验，成品出料输送机的带速一般采用 1.6m/s，人工分拣输送机的带速一般不大于 0.63m/s，其他中转输送机的带速一般采用1.25m/s。 根据带宽和带速，可计算出各输送机每小时的输送量
采用以式（1）计算出的为输送机水平布置、直线运行时的输送量，当皮带机倾斜输送时，受到物料重力、内摩擦角等因素的影响，式（1）中的 A 值将缩减，此时应考虑倾斜角度的影响，根据使用经验，当输送机倾斜角度小于 20°时，输送机倾斜角度每增加 1°，A 值约降低 1%。
在匹配各条输送机的输送量时应注意，向外输送的输送机的输送量应大于破碎机在最适宜工况下的最大处理量，还应考虑一定的富余量，而且各条输送机的输送量应相互匹配，后面输送机的输送量应略高于前面输送机的输送量，以防止物料在某个环节堆积，影响整条线的生产效率。
输送机倾斜布置时，为防止溜料，保证输送效率，输送角度一般应小于 18°。 输送机传动装置的设计应可靠，保证皮带机重载时运行平稳。 投料点的设计应防止撒料，导料槽等受料部件受冲击部位应设置并列布置的角钢等，以防止受料部件磨损过快。
2.3 分拣系统
生产线上物料中的杂质主要有铁屑、木块、塑料、泡沫等，分拣系统的任务就是去除这些杂质，铁屑主要采用除铁器进行去除，除铁器安装在破碎机出料皮带机的尾部，可以产生强大的磁场吸力，将物料中的铁质杂质去除。
在当前的技术条件下，大块的塑料、木块、泡沫等杂物通常采用人工分拣的方式，生产线上设置有专门的人工分拣平台，在保证输送量的前提下，通过该分拣平台的输送机带速应尽量低，带宽应尽量宽，从而使物料在输送机胶带上尽可能地摊薄，以方便人工分拣，并防止操作人员出现头晕、目眩、呕吐等不良反应。 该输送机两侧还应设置合适的防护装置，防止人工分拣时接触到输送机的旋转部件，保证人身安全。
物料中的小块塑料、木屑、泡沫等轻质杂物主要通过风选系统进行去除，风选系统是一种高效、环保的处理技术，工作原理是利用不同密度的物料在风力作用下运动的特性，以可控气流为分选介质，在气流作用下，将密度小的物料 ( 如塑料、木屑、泡沫等 ) 带走，而密度大的物料则经过输送有序从设定的出口排出，从而实现对物料中轻物料的分离。 风选系统应合理设置出风口的位置，并在出风口位置缓冲空间，做好泡沫、塑料等杂物的收集处理。
2.4 筛分系统
筛分系统主要包括渣土筛分和成品料的筛分，一般来说，原材料含泥量应小于 10%，除土筛的首层筛板应采用阶梯式布置、加速物料松散分层，底层弛张筛网适用于各类黏湿，成品筛应选择振动强度大的设备，有利于物料分层，避免堵塞网孔。
物料筛分应设计为闭环筛分，除土系统筛分出来的非渣土部分应经过输送机回到一级破碎的出料胶带上，进入后续加工，成品筛分后不符合成品粒径要求的物料应经溜槽和输送机再次进入二级破碎系统进行重复破碎，直至达到成品粒径的要求。
2.5 除尘系统
为保证除尘效果满足排放要求，单台除尘器通常难以满足整条生产线的需求，应根据生产线的布局按区域设置多台除尘器，一般分为一级破碎区，二级破碎区、筛分区等区域，每个区域设置 1 台集中除尘器和 1 条主管路，1 台除尘器又分为多个除尘点，每个除尘点设置除尘管和除尘罩，除尘点通过支管路与主管路进行连通。 为一级破碎区除尘系统的设计，共设置 1 台除尘器，分为 4 个除尘点，分别为卸料房除尘、破碎机进料口除尘、渣土落料点除尘和破碎机出料除尘，每个除尘点均根据处理风量和处理范围的不同设计有专门的收尘罩和相应的管路（图 3）。
图3 给料破碎区域除尘布置示意图
1- 破碎机出料除尘；2- 渣土落料点除尘；3- 破碎机进料口除尘；4- 卸料房除尘；5- 除尘器
除尘器的处理风量应为所有除尘点处理风量的总和，为达到排放要求，过滤风速一般应不大于0.8m/s，卸料房的处理风量应不小于 24 000m³/h，破碎机进料口除尘处理风量应不小于 8 000m³/h，渣土落料点除尘和破碎机出料除尘点的处理风量均不小于 4 000m³/h，除尘系统中其他除尘点位的处理风量可通过计算，并结合经验数据进行确定。
除尘器应采用脉冲反吹袋式除尘器，使用寿命长，方便维修和更换。 多个除尘器可根据要求分别设置烟囱或共用烟囱，除尘管路与水平方向的夹角应不小于 30°，以防止粉尘在管道内堆积。 除尘设备收集的粉尘应运到固定地点堆放，并采取防止二次污染的措施。
3.1 固废处理集成技术
由于矿山机械在国内发展已经非常成熟，所以就单项技术而言，破碎技术、输送技术和筛分技术都已相对完善，但在工厂化的建筑固废资源化利用方面的应用还较少，经验还不足。 如何利用实际的项目条件，把现有的技术与分拣技术、绿色环保技术等进行有机地集成和技术融合，在满足需求的同时，将设备产能发挥到最大，降低生产线的投资，实现绿色低碳的目标，是该项技术研究的核心内容。
这就要求在具体项目的工艺设计中，明确原料的来源、种类和特性，生产线预期的处理效率，以及生产线的总投资规模等，有针对性地开展个性化设计。 在满足需求的前提下，生产工艺应尽可能简化，遵循节能减排的原则，合理利用地形布置设备设施，尽量减少基础的开挖，胶带输送机的布置应尽量横平竖直，简化物料运输环节，缩短运距。 在整体工艺方案设计阶段，应重点考虑生产线各系统之间的匹配性，根据生产效率选择合适规格型号的设备，以发挥生产线的最大产能，此外，还应考虑设备操作、维护、检修的方便性，以及设备运行过程中的维修成本等。
3.2 分拣技术
在建筑物拆除过程中，会有较多的杂物混入建筑固体废弃物中，如铁、塑料、木头、泡沫、纸张、树叶等，这些杂物严重影响成品料的质量，根据相关标准的要求，再生骨料中杂物的含量要小于 1%。
目前，在建筑固废资源化处理过程中，风选是用于去除物料中细微杂物的最常见处理方式，该设备的参数和结构设计是保证除杂效果的关键，特别是气流速度和风道的设计对设备的性能有较大的影响。 气流速度过低，无法有效分离出杂物，气流速度过高，则可能导致物料过度分散，降低分离精度，因此设备的气流速度应是可调的，以便在安装调试和使用过程中选择合适的气流速度。 风道设计中应选择合适的形状、尺寸和角度，使气流均匀通过筛分区域，避免局部气流集中或不足，保证气流的稳定性，在结构允许的条件下，风管可设计为渐缩的形状，能够提升一定的分离效率。
3.3 一体化除尘技术
工厂式的建筑固废资源化利用生产线需要进行环境影响评估，根据相关要求，粉尘排放浓度应不大于 10mg/m³，对除尘系统的要求较高，这就需要根据生产线的实际情况，综合考虑总体布局、处理风量、运行成本等因素，组合利用过滤除尘、重力沉降、旋风除尘、静电除尘、喷雾、洒水等方法，对除尘系统进行一体化的设计，在满足使用和排放要求的同时，尽可能降低成本。
生产线的除尘系统需要覆盖所有的粉尘产生点，主要包括原材料进料点、两级破碎设备的进料点和出料点、各胶带输送机的受料点和投料点、除土筛和振动筛的筛面、风选设备出风口等位置，这些除尘点的位置不同，结构不同，需要处理的风量不同，需要针对每个除尘点位进行个性化设计。 因为除尘点位较多，除尘的方式各不相同，管线路以及电气控制等整个系统相对复杂，需做好统一规划设计，保证管路或除尘设施不能影响主设备的正常运行，并避免在使用中频繁出现故障，影响生产线的正常运行。
4 实践应用
本文讲述的建筑固废资源化利用生产线的处理工艺和关键技术在重庆某绿色循环建材产业园项目中进行应用，用于建筑拆除垃圾的处理，项目占地面积 1 640m2，设计建筑固废处理效率为 150t/h，生产线主要包括颚式破碎机、反击破、给料机、除土筛、成品筛、胶带输送系统、轻物质处理系统、磁选除铁系统、除尘系统等，成品料为0～5mm，5～10mm，10～31.5mm 3 种级配，用于混凝土搅拌站的生产。
经验证，生产线运行稳定，生产效率达到设计要求，骨料粒型好，洁净度高，一体化除尘系统的应用实现了生产线粉尘排放浓度应不大于10mg/m³。 图 4 为建筑固废资源化利用生产线三维模型图。
图4 建筑固废资源化利用生产线三维模型图
5 结 语
近年来，国家和地方出台了一系列政策和法律法规，大力推动“无废城市”建设工作，持续推进建筑固体废弃物资源化利用，在政策和市场的引领下，建筑固废资源化利用生产线的设计应用将越来越广泛，市场对设备的性能要求也将越来越高，未来应在智能分拣、节能、环保等方面加强技术研发和集成应用，持续提高生产线设备的绿色化、数字化和智能化水平，为“ 无废城市”建设提供装备支撑，从而改善城乡人居环境，推动生态文明建设工作。
[1] 姬敏，伊佳雨，曹长林，等．建筑固废资源化处置技术的难点分析及提升策略 [J]．福建师范大学学报 ( 自然科学版 )，2022，38(01)：1-8.
[2] 王欢，康玲，牟延敏，等．建筑固废材料资源化再生利用的研究现状 [J]．四川水泥，2023(12)：118-120．
[3] GB 51186-2016，机制砂石骨料工厂设计规范[S]．
