城市生活垃圾破碎機研究分析

　　隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，大量增加的垃圾影響社會環(huán)境的質(zhì)量，阻礙了城市的發(fā)展。垃圾處理的無害化、減量化、資源化是城市管理的一項重要內(nèi)容。垃圾破碎預(yù)處理技術(shù)在后續(xù)的分選、焚燒和填埋等方面發(fā)揮著重要的作用?，F(xiàn)代城市生活垃圾組分復(fù)雜，各組分的物理性質(zhì)相差懸殊，且具有韌性物料含量高等特點，對城市生活垃圾破碎機提出了較高的要求。筆者分析了目前國內(nèi)外常用城市生活垃圾破碎機的技術(shù)特點，闡述了城市生活垃圾破碎機技術(shù)的發(fā)展趨勢，并提出了一種新型的城市生活垃圾破碎機的結(jié)構(gòu)，以期為城市生活垃圾破碎機的研究提供一定的參考。

　　1國內(nèi)外城市生活垃圾破碎機技術(shù)及應(yīng)用

　　目前，應(yīng)用廣泛的機械破碎設(shè)備主要有顎式破碎機、沖擊式破碎機、剪切式破碎機以及輥式破碎機等。

　　(1) 顎式破碎機 該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，廣泛應(yīng)用于建材行業(yè)中各種礦石與大塊物料的破碎。但其具有破碎比小、顎板使用壽命較短等缺點。針對此問題，國內(nèi)外學(xué)者研制了破碎比為 20～50 的雙腔雙動顎式破碎機，以及雙腔回轉(zhuǎn)破碎機等。顎板的制造材料也采用了含錳 12% 以上的錳鋼，提高了襯板的使用壽命。

　　(2) 沖擊式破碎機 該設(shè)備廣泛應(yīng)用于混凝土骨料的生產(chǎn)以及冶金渣的細(xì)碎和粗磨作業(yè)。其破碎效率高，能耗少，屬于高能低耗類破碎機。但其沖擊刀和襯板磨損嚴(yán)重，且對含水含泥的物料適應(yīng)性差。近些年，隨著新的耐磨材料，如 Cr26 高鉻鑄鐵材料的大量應(yīng)用，溝槽節(jié)能襯板大量取代階梯襯板，磨損問題得到較好的解決。

　　(3) 剪切式破碎機 該設(shè)備是目前在生活垃圾破碎方面應(yīng)用最為廣泛的一類機型，主要處理柔性及松散固體等剛度不大的物料，如印刷電路板、木料和秸稈等。常見的剪切式破碎機剪切時，刀具間間隙是固定的，若設(shè)計不合理，則無法有效地應(yīng)用于組分復(fù)雜物料的破碎工作，故其對設(shè)計和制造要求相對較高。

　　(4) 輥式破碎機 由于能破碎黏濕物料，而廣泛應(yīng)用于中低硬度物料的破碎。其所用輥分為光滑輥和鋸齒輥 2 種，前者常用于中細(xì)碎作業(yè)，后者主要用于破碎中等硬度和韌性的物料。早期的齒輥式破碎機因碎后產(chǎn)品過粉碎率高，應(yīng)用范圍受到一定限制。我國通過引進(jìn)、設(shè)計并研制出 4PGC 型齒輥式破碎機，可以通過調(diào)整齒輥的間距來控制破碎后顆粒的粒徑。后期，我國各研究院相繼開發(fā)出 2PGL 系列雙齒輥強力高效破碎機、2PLF 系列分級破碎機和 DP 系列單齒輥破碎機等，極大地促進(jìn)了我國輥式破碎機行業(yè)的發(fā)展。

　　對上述 4 種破碎機的優(yōu)缺點進(jìn)行綜合對比，結(jié)果如表 1 所列。

　　表1各類破碎機的優(yōu)缺點比較

　　Tab. 1Contrast of advantages and disadvantages of various shredders

　　2城市生活垃圾破碎機設(shè)計要求

　　城市生活垃圾具有組分復(fù)雜、韌性纖維制物料含量較多等特點，對垃圾破碎機的研究提出了較高的要求。不僅要求其能夠破碎不同組分的物料，還要求其在運行功耗、噪聲方面符合行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn);此外，破碎機材料還應(yīng)滿足防腐蝕、抗磨損的要求。

　　根據(jù)上述破碎機現(xiàn)狀及破碎要求，城市生活垃圾破碎機的設(shè)計需要滿足以下要求。

　　(1) 可破碎混雜的垃圾 我國城市生活垃圾主要組分為磚石、廚余生物質(zhì)、塑料橡膠、玻璃以及金屬等。磚石、玻璃和金屬等便于篩分的物料會在破碎前篩分出去，垃圾破碎機主要針對廚余生物質(zhì)、織物和塑料橡膠等物料進(jìn)行破碎。該類物料的物理性質(zhì)相差懸殊，而同一破碎刀具的破碎效果卻不同。針對此特點，國內(nèi)一些學(xué)者一方面利用分離破碎的理念，利用不同刀具分階段破碎不同硬度的物料，如采用雙破碎階段的破碎機;另一方面，將不同剛度的垃圾通過預(yù)壓縮壓實壓緊，形成剛度相對穩(wěn)定的垃圾團(tuán)，再進(jìn)行破碎 。如羅思義等人提出的垃圾壓縮剪切破碎的方法。

(2) 　　破碎效率高 據(jù)統(tǒng)計，2009 年北京日產(chǎn)垃圾超過 1.8 萬 t，并以每年 8% 的速度增長。據(jù)調(diào)查，中國現(xiàn)有最大的垃圾發(fā)電項目每日可處理垃圾 3 000 t，而常用的齒輥式垃圾破碎機破碎效率為 25 ～ 150 t/h，巨大的垃圾數(shù)量要求垃圾處理企業(yè)擁有強大的垃圾處理能力。針對城市生活垃圾空隙大、密度小的特點，國內(nèi)外現(xiàn)主要通過在破碎前對垃圾進(jìn)行預(yù)壓縮來提高破碎機單位時間內(nèi)的處理能力。

　　(3) 破碎后顆粒粒徑滿足要求 現(xiàn)有的垃圾破碎機易出現(xiàn)過粉碎或破碎不足的現(xiàn)象，導(dǎo)致粒徑不均勻。為獲得所需粒徑，常采用調(diào)整破碎刀具間距或破碎板間距來避免破碎不足的情況，并可通過調(diào)節(jié)破碎機刀具轉(zhuǎn)速來調(diào)整破碎后的顆粒粒徑。

　　(4) 解決纏軸問題 城市垃圾中長纖維和高分子聚合物較多。常見旋轉(zhuǎn)式破碎機刀軸位于破碎區(qū)域內(nèi)，長纖維及高分子物料在刀齒的帶動下極易纏繞在主軸上，此時需要主軸產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩，才能達(dá)到纏繞物的斷裂應(yīng)力。若轉(zhuǎn)矩不足，纏軸物料甚至?xí)i住刀具，迫使破碎機停轉(zhuǎn)。國內(nèi)外學(xué)者通過對相關(guān)影響因子的分析，設(shè)計并采用如非旋轉(zhuǎn)刀具結(jié)構(gòu)，如 V onROll 型往復(fù)式剪切破碎機，從根本上避免了纏軸現(xiàn)象的發(fā)生;或利用壓實機構(gòu)，將易纏軸的物料壓實為垃圾團(tuán)，垃圾團(tuán)的內(nèi)部應(yīng)力限制了易纏軸物料的應(yīng)變，避免其纏繞主軸;此外還可通過增加防纏軸裝置來達(dá)到避免纏軸的目的。

　　3新型城市生活垃圾破碎機設(shè)計

　　通過對國內(nèi)外破碎機的調(diào)研分析，了解破碎機的設(shè)計要求，筆者提出了一種用于焚燒城市生活垃圾的新型破碎機方案。采用對垃圾進(jìn)行預(yù)壓縮，用可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的大直徑旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行破碎。采用該方案，能夠基本滿足城市生活垃圾焚燒的破碎要求。城市固體廢棄物破碎機試驗樣機如圖 1 所示，其性能參數(shù)如表 2所列。

　　1. 出料口 2. 破碎機轉(zhuǎn)軸 3. 破碎機刀具 4. 壓縮機轉(zhuǎn)軸5. 壓縮機轉(zhuǎn)子 6. 進(jìn)料口 7. 壓縮機腔體 8. 破碎機外殼

　　圖1試驗型垃圾破碎機

　　Fig. 1Prototype of MSW shredder

　　表2試驗型垃圾破碎機的性能參數(shù)

　　3.1預(yù)壓縮結(jié)構(gòu)

　　常見壓縮機構(gòu)通常采用“先裝填后壓縮”的壓縮模式，裝填過程和壓縮過程不能同時進(jìn)行，生產(chǎn)效率較低。筆者提出采用三角轉(zhuǎn)子對物料進(jìn)行壓縮，能夠同時完成裝填、壓縮、送料 3 個過程，大幅提高了工作效率。三角轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，進(jìn)料區(qū)的物料隨轉(zhuǎn)子進(jìn)入壓縮區(qū)，物料中柔性及韌性物料被壓扁壓實。垃圾團(tuán)隨轉(zhuǎn)子運動被推入破碎腔內(nèi)，同時壓縮區(qū)進(jìn)行新一輪的壓縮。

　　壓縮缸體曲線采用內(nèi)切創(chuàng)成法構(gòu)造，三角轉(zhuǎn)子曲線采用不同于缸體曲線的內(nèi)包絡(luò)線構(gòu)造，設(shè)計時可根據(jù)所需壓縮比設(shè)計缸體和轉(zhuǎn)子。三角轉(zhuǎn)子外壁采用鈍角齒形狀，以提高輸送效率，防止壓縮后的垃圾團(tuán)粘在破碎腔壁上。該設(shè)計結(jié)構(gòu)不僅可以使裝填、壓縮、送料 3 個階段同時進(jìn)行，實現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)壓縮的目的，而且使破碎刀具避開了物料被壓縮時的受力方向，避免了由于刀具所受負(fù)荷過大而導(dǎo)致的功耗增加的問題。另外，垃圾中的脆性和硬質(zhì)物料被提前壓碎，有效減小了大塊或鋒利的物料對破碎刀具的損壞，提高了刀具的使用壽命，增加了其安全性和可靠性。垃圾破碎機旋轉(zhuǎn)壓縮裝置如圖 2 所示。

　　1. 進(jìn)料口 2. 三角壓縮塊 3. 壓縮腔 4. 中心轉(zhuǎn)軸 5. 出料口

　　圖2垃圾破碎機的旋轉(zhuǎn)壓縮裝置

　　Fig. 2Rotary compression device in MSW shredder

　　3.2破碎刀具結(jié)構(gòu)

　　破碎區(qū)的破碎刀具由兩組刀片組成，兩刀軸間距和各刀片的間距可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。破碎刀具采用模塊式設(shè)計，可根據(jù)當(dāng)?shù)乩M分選擇不同刀頭的刀具。若垃圾中硬質(zhì)物料含量較多，可采用鷹嘴形;若廚余生物質(zhì)含量較多，可采用棱錐形等。

　　此外，兩刀軸的轉(zhuǎn)速為差速，并且旋轉(zhuǎn)方向可以分別改變。采用雙變頻器的方式，分別調(diào)節(jié)兩刀片的轉(zhuǎn)速，通過設(shè)計混合水平正交試驗法，對轉(zhuǎn)速和軸距×刀片距進(jìn)行了試驗，部分試驗結(jié)果如表 3 所列。

　　表3試驗數(shù)據(jù)

　　Tab.3Test data

　　根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，刀具轉(zhuǎn)速對破碎后的物料粒徑分布有著很大的影響。當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速較低時，刀具對柔性物料的破碎效果較好，但大粒徑顆粒比例較高。當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速增高時，大粒徑顆粒比例呈現(xiàn)先變小后增大的趨勢，且當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速較高時，柔性物料的破碎效果變差。通過分析，刀具同速且轉(zhuǎn)速較大時，刀齒對物料的推送作用大于破碎作用，導(dǎo)致物料不能被完全切斷破碎，而差速刀具可以避免此現(xiàn)象的發(fā)生。在破碎生活垃圾時，破碎機軸距與轉(zhuǎn)速的相互影響如圖 3所示。

　　圖3軸距與轉(zhuǎn)速相互影響

　　Fig. 3Interaction between wheelbase and rotary speed

　　另外，垃圾破碎機采用直徑較大的破碎刀具，僅將兩刀片重合區(qū)域作為破碎區(qū) (見圖 4)，入料口直徑小于重合區(qū)域最大直徑。由于三角轉(zhuǎn)子壓縮機構(gòu)壓縮后的垃圾團(tuán)較為扁平，且刀軸不位于破碎區(qū)，破碎時可以避免物料纏繞刀軸的現(xiàn)象。

　　1. 進(jìn)料口 2. 破碎區(qū)

　　圖4垃圾破碎機的破碎區(qū)域

　　Fig. 4Crushing area of MSW shredder

　　同時，與傳統(tǒng)破碎機相比，本方案設(shè)計的刀具僅有部分區(qū)域參與破碎，與待破碎物料接觸面積較小，刀具所受反作用力較小，故可用小功率的電動機帶動破碎刀具。

　　3.3轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

　　本方案采用轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)分別控制 2 組刀具的轉(zhuǎn)速，當(dāng)壓縮后的垃圾團(tuán)進(jìn)入破碎區(qū)后，刀軸轉(zhuǎn)速可根據(jù)進(jìn)料速度和破碎負(fù)荷進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。在遇到破碎負(fù)荷增大時，自動減小轉(zhuǎn)速并增大破碎轉(zhuǎn)矩，有利于物料破碎，并避免了破碎機因卡料發(fā)生的停轉(zhuǎn)問題。

　　此外，通過轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速以控制破碎后顆粒的粒徑，減少了更換刀具和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸間距的時間，降低了維護(hù)成本。

　　4結(jié)論

　　以城市生活垃圾為主的固體廢棄物的處理和利用是當(dāng)今社會可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容?，F(xiàn)代破碎理論的進(jìn)一步成熟以及新型耐磨材料的大量應(yīng)用，帶動了新型城市生活垃圾破碎機的發(fā)展。

　　筆者分析了城市生活垃圾破碎機技術(shù)的發(fā)展趨勢，并提出了一種用于焚燒城市生活垃圾的破碎機結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用預(yù)壓縮技術(shù)，能夠連續(xù)壓縮進(jìn)料，達(dá)到高頻破碎的目的，且通過調(diào)節(jié)破碎機刀具轉(zhuǎn)速，可以有效地改變破碎后顆粒的粒徑，以達(dá)到燃燒要求。該結(jié)構(gòu)能夠有效地解決現(xiàn)有城市生活垃圾破碎存在的問題，并能夠有效地運用于城市垃圾焚燒之前的垃圾破碎工作。轉(zhuǎn)速及刀具間距對粒徑的影響還在進(jìn)一步研究和試驗中。隨著材料、工藝、破碎理論以及制造技術(shù)的快速發(fā)展，我國城市生活垃圾破碎市場也將從導(dǎo)入期進(jìn)入到成長期，并向成熟期邁進(jìn)，進(jìn)入新的發(fā)展階段。