垃圾焚烧底渣干法预处理工艺设备和技术研究

1、焚烧底渣的处理现状近几十年来，焚烧发电因其能大量减少废弃物的体积和能源回收利用而成为世界各国处理城市固体废物的普遍选择。然而，焚烧过程中仍然会产生大量固体残留物（焚烧底渣：占城市固体废物总质量的20%~30%，飞灰：0~5%）。焚烧底渣是一种非均质材料，由铁质、有色金属、玻璃碎片、陶瓷、矿物碎片和未燃烧的有机物组成。其含量取决于垃圾本身，因各国消费习惯以及分类收集系统的实施程度而异。据统计，焚烧底渣的构成大致如表1所示。绝大多数国家通过其浸出浓度将焚烧底渣确定为无害废物。自焚烧以来，填埋是焚烧底渣最常见的处置方式，但是这也引起了人们对重金属和可溶性盐污染以及土地资源短缺的持续担忧。近年来，随着垃圾填埋场的短缺和可持续发展意识的不断增强，垃圾焚烧底渣不再作为废弃物用来填埋处置，反而是一种潜在的资源，不仅可以替代有限的原材料，还可以从中回收和再循环有价值的金属。特别是在欧盟，循环经济战略刺激了焚烧底渣在金属回收以及在各种原材料领域的应用。研究表明，焚烧底渣中的矿物质主要有以下三个应用方向：表1焚烧底渣的组成（1）在水泥生产中，人们研究了焚烧底渣替代水泥生产原料或作为水泥添加剂的用途。（2）砂浆、混凝土或砖块制造中的骨料。（3）作为道路替代材料，包括作为沥青路面、路堤、路基、底基层的骨料。此外，底渣中含有大量的多孔烧结相，可以用作去除水中污染物的吸附剂。然而，底渣只有经过充分的预处理才能获得良好的质量，然后才能在水中重复使用。湿法预处理是我国的主要处理方式，这些湿法预处理工厂都有以下几个特点：（1）预处理的目标是最大限度地回收铁质和有色金属；（2）工作环境较差（设备腐蚀严重，污水、污泥外溢，炉渣四处私下填埋），环境污染严重；（3）预处理装置简单，投资较小，铁质和有色金属回收率和纯度均较低。究其原因，主要还是环保意识不强以及缺乏严格的监管制度，同时对底渣的潜在价值了解不够充分。另外，也由于缺乏先进的技术和设备等，导致处置方式过于简陋和粗放，不能最大限度地利用炉渣资源。湿法预处理的最大优势就是很大程度上可以去除底渣中的可溶性化合物和重金属，因此焚烧底渣作为骨料，它的质量更好，更利于进一步的利用。然而，湿法预处理的主要问题在于需要消耗大量的水资源，同时洗出来的污泥中浓缩了大部分可溶性重金属和盐类，增加了污水和污泥的处置难度和成本。如果这部分污水和污泥没有被有效的处置，势必会污染生活环境。相比之下，大多数发达国家，特别是欧盟国家更倾向于选择干法预处理技术。从经济角度来说，干法预处理技术的建设和运营成本更加合理，目前针对焚烧底渣应用的研究较多，但都基于实验室简单的处理（人工分拣、破碎、研磨、干燥等），处置方式完全偏离实际生产，不具有代表性，研究者更多关注产品的浸出行为。本文从工程实践的角度介绍了一种先进的干法预处理技术及一些优化建议，以期对底渣的回收利用提供指导。

2、干法预处理机理及工艺设备2.1预处理机理回收金属和剔除未燃烧的有机物，以及获得特殊粒度分布（在某些建筑应用中）的骨料是干法预处理技术的主要目标。机械预处理技术主要依靠物理力：如磁化率、电导率和密度。2.2预处理工艺设备2.2.1磁选机（去除铁质金属）悬挂除铁器通常用于从混合废物中分离含铁成分。通过采用悬挂式磁铁，物料中的铁质金属被吸附在胶带下面，通过胶带的连续运动，铁质金属到达非磁场区从而卸下，达到分离的目的。悬挂除铁有两种安装方式，简单地称为交叉带式磁选机和直线式磁选机（如图1所示）。由于直线式磁选机安装在胶带输送机的头部，快速运动的胶带将不同性质的物料沿不同的抛物线甩出，铁质金属和其他物料实现分离更利于去除物料中的铁质金属。因此，图1b的磁选效率更高。图1两种安装方式的悬挂式除铁器鼓形磁选滚筒通常用于除去细小的铁质颗粒。当混合后的物料通过滚筒磁场时，铁质颗粒被强大的磁场吸引并保持在滚筒磁铁表面上，直到滚筒的远边缘没有了磁场，铁质颗粒受重力和惯性影响被收集到相应的仓中（如图2a所示）。图2b是鼓形磁选滚筒的另一种方式，工作原理与图2a类似。该装置因其简单且紧凑的结构被广泛使用，并且与传送带共用同一转子，更加经济。2.2.2涡流分选机（去除有色金属）当有色金属进入分选区，会在金属内部感应出电流，此电流产生的磁场与原磁场方向相反，有相互排斥的作用力，这个排斥力可以把有色金属体向前抛出，实现自动分离的目的。先进的涡流分选机一般包括一个额外的除铁滚筒，在分离有色金属前，将铁质进一步去除（如图3b所示）。振动给料机可以确保薄而均匀的料流层，从而实现有色金属高效分离的目的。预先设置除铁滚筒去除铁质颗粒，可以避免涡流头轮发热，损坏涡流分离器单元。同时也可以防止铁质颗粒干扰磁场，从而阻止有色导电颗粒在其附近产生排斥力。图2鼓形磁选滚筒图3涡流分选机根据磁辊在头轮上的安装方式，涡流分选机有同心和偏心两种（如图4所示）。同心涡流分选机分选物料时不能带有金属铁，铁会吸附在皮带上损坏设备。偏心涡流分选机恰好克服了这个问题，通过调节转子定位来提供限定的排斥区域。另一方面，偏心磁极系统确保交变磁场恰好位于物料受到最大力冲击的区域，并且位于传送带的卸料点。转子轴线相对于回程皮带轮轴线的最佳角度主要取决于颗粒尺寸。因此，偏心涡流分选机往往设置有可调杆，通过调节操作杆最大程度地匹配卸料抛物线，从而最大化地分离有色金属。图4同心和偏心磁辊由于涡流分选机上颗粒的运动轨迹主要由四种力（磁引力、涡流斥力、重力、气动阻力）决定，因此颗粒尺寸、形状、密度和非磁性金属的粒径是影响有色金属分离的主要参数。因此，将底渣根据粒径充分分级，然后分别进行涡流磁选，对于5mm以上的粗物料，常采用2 000~3 000r/min转速的磁辊筒，对于5mm以下的物料流，4 000~6 000r/min以上的高速分离效率更高。2.2.3风选机（去除轻质物）基于材料的密度和尺寸的差异，正压转鼓风选机通过气流将轻质材料与重质材料分离。它广泛适用于5~500mm的碎料尺寸。轻质物料被吹过分离滚筒，重质物料撞击到转鼓随着重力落下（如图5所示）。图5单筒正压转鼓风选机2.2.4粉碎机/破碎机通过粉碎机/破碎机将炉渣进行锤打、破碎，从而释放被熔体和/或黏性矿物层覆盖的小金属碎片来提高金属回收的效率，如图6所示。同时，通过锤打、整形，它还可以获得一些建筑应用中特殊粒度分布的骨料颗粒，更有利于炉渣后续的建材化利用。图6选择性打散2.2.5筛分不同的筛分机将焚烧底渣分成不同的物料流。单一范围的粒径将有助于下一阶段更好地分离和操作。图7是棒条筛的筛板，通常用于从那些混合的物料中分离粗糙的3D杂质。其工作原理与振动筛十分相似。值得注意的是，棒条筛对于含有片状和较长容易缠绕的物料的筛分精度较低。图7棒条筛筛板

滚筒筛是筛分领域最有效的筛分设施之一（如图8所示）。随着滚筒筛的旋转，物料被筛壁的扬料板带起，并且相互之间可以与筛板相互碰撞，从而减少筛孔的堵塞。然而，滚筒筛不擅长分选含有一定比例细小和潮湿颗粒的物料，筛分效率随着黏性细粒的堵塞而逐渐降低。当使用滚筒筛处理焚烧底渣时，炉渣之间的相互碰撞可以将被包裹的小颗粒、金属等杂质释放出来，起到破碎、筛分的效果。图8滚筒筛图9是单层振动筛，也可以采用多层振动筛，同时实现多个粒径的分选。高振动频率有利于打破颗粒间的表面张力，它可以同时适用于潮湿物料和干物料的分离。高频振动筛通常以倾斜角度运行，一般在0°~25°之间变化，最大可达45°。图9单层振动筛

驰张筛（如图10所示）是一种专门针对黏性较大、水分较高，而且是细、黏、湿性物料的专业筛分设备，被广泛应用于煤炭、冶金、建材等行业。如果所处理的物料中含有易于堵塞网孔的物料，驰张筛能够以相对较小的筛网面积达到非常高的筛分效率，并保证筛网不堵塞。其分离粒径最好为0.2~100mm左右，因此驰张筛用来筛分炉渣的时候，主要是筛分被分选之后的细小物料。图10驰张筛2.2.6手工分拣手工分拣主要用来分拣无法用机械设备分离或是少量杂质的分拣。炉渣预处理过程中，一般通过手工分拣分捡出不锈钢、大块金属及无法燃烧的大块杂物。手工分拣一般包含一条低速平皮带输送机和几个收集废物的收集溜筒。平皮带式输送机以0.08~0.15m/s的速度运行，输送机两边的工人将目标物料拾取并扔进附近的料箱中。2.2.7传感器分离机典型的传感器分离机通常包含一条传送带、一个传感器、一组与压缩空气相连的空气喷嘴和一个计算机分析系统。焚烧底渣工厂中最常见的是通过电磁传感器进行分离，可以识别所有金属，包括不锈钢（如图11a所示）。其他类型的传感器（X射线荧光和光学传感器）也可用于分离金属、玻璃、塑料瓶、纸张和木材等（如图11b所示）。图11传感器分离机

3、预处理工艺流程陈化是底渣干法预处理的第一步，也是相当必要的步骤。在陈化过程中，底渣、空气和水之间会发生一系列化学和物理反应，有利于底渣的浸出[13]。另一个重要原因是底渣中水分会随着化学反应和自然蒸发而逐渐减少。干法预处理工艺中，底渣的最佳含水率为10%~15%，较低的含水率会导致处理过程中的粉尘污染问题，较高的含水率不仅会降低金属的回收效率，而且会因黏性问题给机械设备造成堵塞、皮带撒料等。所以陈化时间最好根据焚烧底渣的含水率来调整，一般7~10d。值得注意的是，陈化过程中，底渣会有石灰及臭鸡蛋的异味，因此，最好在陈化设施附近设置除臭系统，以消除空气污染。储存或陈化过程中产生的渗滤液也需要适当处理，因为它可能含有一些高浓度的可溶性盐、金属离子，特别是铜、氯化物和硫酸盐，可能导致造成二次环境污染。图12是干法预处理厂的典型工艺流程图。焚烧底渣通过板式输送机送入棒条筛中，通过悬挂除铁器将物料中的铁质分离出来。然后通过风选机将棒条筛筛上物进行风选，将轻质未燃烧物分离出来返回垃圾焚烧厂再次焚烧，未燃烧的重质物料经过手工分拣，分离出铁、不锈钢、有色金属等大体积物料，最后的无机组分进入破碎机破碎，通过磁辊筒分离铁屑，剩下的物料进入振动筛筛分。棒条筛筛下物依次经过破碎、磁辊筒除铁，再经过振动筛进行筛分，筛上物经过传感器分离机分离出不锈钢组分后再进入涡流分选机分离出铁和有色金属，剩余的作为粗骨料。振动筛筛下物依次经过不同孔径的驰张筛、涡流分选机，分别分离出铁和有色金属，最终得到不同粒径的细骨料。图12典型的预处理工艺流程示意欧洲多家工厂对相同粒度的物料进行多次分选试验表明，1~4mm和4~50mm底渣中的金属回收率通过第二次涡流分选可分别提高约25%和9%[24]。因此，强烈建议在同一物料流中配备二级涡流设备，以获得更高的有色金属回收率，特别是对于那些小于4mm的细颗粒效果尤为显著。

4、干法预处理技术的不足及发展趋势除了欧洲现代化的工厂之外，传统干法预处理工厂对粒径小于4mm的物料中的有色金属的回收效率相当低。这些现代化工厂不仅需要巨额投资购买先进的设备和复杂的工艺流程，而且还需要大量的专业技术工人。制备的底渣骨料的质量不如湿法预处理厂，细骨料中较高的重金属和可溶性盐以及少量有机化合物引起的臭味将限制细骨料在某些特殊领域的应用。因此，当底渣骨料作为水泥生产原材料时，必须注意重金属和可溶性盐的含量。底渣骨料作为混凝土或免烧砖骨料使用时，应注意其中的有害元素和臭味，最基本的原则是必须满足产品标准。近年来，为了消除可溶性重金属和盐类对后续产品质量的影响，同时提高底渣中有色金属的回收率，逐步开始流行与湿法相结合的工艺路线。将粗颗粒的底渣使用上述干法预处理技术进行加工，细颗粒的通过现场或第三方预处理工厂进行湿选和洗涤处理。这种半干法工艺不仅可以回收细颗粒中的铁和有色金属，还可以从残留物中去除有害的可溶性盐。与湿法预处理相比，废水、污泥较少，运行成本更低，现场生产环境也远远超过传统的湿法处置。

5、结论与建议本文主要讨论了磁选机、涡流分选机、风选机、粉碎机、筛分设备、手工分选和基于传感器的分离机的工作机理以及详细的预处理工艺流程、生产要点。几点建议如下：（1）干法预处理过程中焚烧底渣的最佳含水量为10%~15%，陈化时间最好根据焚烧底渣的含水量来调整，而且在储存或陈化过程中产生的臭气和渗滤液必须采取有效措施防止环境污染。（2）在线除铁器的布置、立式冲击式破碎机将底渣进行打散处理更有利于分离铁质。（3）棒条筛最适合用作第一级进料斗上的初级筛选设备。（4）通常采用滚筒筛作为二级筛分设备，粒度<16mm的细焚烧底渣不建议采用滚筒筛处理，容易被金属板和黏性细粒矿物堵塞。（5）单层振动筛对于中等粒径的底渣来说效率更高，并且易于进行手动清理。（6）驰张筛是细小、含水率高的底渣（5mm以下）的最佳的筛分设备，能够有效防止筛网堵孔问题。（7）对于少量难以机械分选的物料，手工分拣是最合适的方式，可以