張惠林，曾 晨，王 佳，李 陽，李 軍

（江蘇天楹環(huán)保能源成套設備有限公司上海分公司，上海 201315）

1 引言

隨著我國城市化進程的加快和居民生活水平的提高，生活垃圾的產(chǎn)生量有逐年遞增的趨勢［1］。根據(jù)《“十三五”全國城鎮(zhèn)生活垃圾無害化處理設施建設規(guī)劃》，2015 年底我國垃圾焚燒處理能力為2.35×105t/d，到2020 年末目標達到5.91×105t/d，同比增長151%；截至2018 年，我國生活垃圾焚燒無害化處理廠數(shù)量達到364 座，同比2017 年增加了78 座［2］。

大量的生活垃圾焚燒后，會產(chǎn)生占垃圾總量20%～30%的爐渣，初步估計我國每年產(chǎn)生的爐渣量將超過3.0×107t。目前，大部分的爐渣采取填埋方式進行處置，處理過程簡單，存在侵占土地資源、增加填埋場庫容壓力等問題，同時也造成了資源的浪費。由于填埋費逐年增加，有部分爐渣流入非法處理渠道，以破壞環(huán)境為代價，對爐渣進行簡單分選處理，回收其中的有價金屬后，隨意堆放、丟棄，污染了大氣和地下水，對環(huán)境造成了嚴重的二次污染［1，3］。

在美國、日本及歐洲一些國家普遍將生活垃圾焚燒后的爐渣經(jīng)過分選處理后替代部分天然骨料，用做填埋場覆蓋材料、路堤和路基材料等［4-5］。我國的環(huán)保政策日趨嚴格，同時國家也在各個政策層面鼓勵對各種廢物進行資源化回收利用。根據(jù)GB/T 25032—2010 生活垃圾焚燒爐渣集料，爐渣經(jīng)分選處理后產(chǎn)生的不同粒度的集料，可用于道路路基、墊層、底基層、基層及無筋混凝土制品［6］。因此，對爐渣進行綜合利用，勢在必行，也是實現(xiàn)生活垃圾減量化、資源化、無害化的關鍵一環(huán)。

由于爐渣的成分十分復雜，雜質(zhì)含量較多，若處理不當，會影響爐渣的再利用和制品的質(zhì)量。因此，爐渣處理系統(tǒng)必須根據(jù)爐渣的性質(zhì)，從工藝制定、設備選型和工藝布置等方面進行合理的規(guī)劃，優(yōu)化設計，實現(xiàn)對爐渣的有效分選，降低再生集料中的輕飄物含量，最大程度地回收爐渣中的金屬，如鐵、銅、鋁等，生產(chǎn)高品質(zhì)再生集料，實現(xiàn)爐渣100%綜合利用，從而進一步促進循環(huán)經(jīng)濟和環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 爐渣性質(zhì)分析

2.1 爐渣的物理、化學性質(zhì)

垃圾焚燒電廠出渣機剛排出的爐渣呈黑褐色，隨著含水率的降低和內(nèi)部化學性質(zhì)的穩(wěn)定，爐渣逐漸變?yōu)榛液稚驕\灰色［7］。爐渣主要由無機物組成，主要成分為碎石、磚塊、玻璃、熔渣、陶瓷、金屬、泥土等，同時含有少量的未燃盡物，如布條、塑料、碎木等［8］。

爐渣中的主要化學成分為氧化物，按含量多少依次為SiO2、CaO、Al2O3、Fe2O3，另外含有少量的K2O、Na2O、MgO、SO3、Cl 等，具體含量范圍見表1［9］。

表1 爐渣無機化學組成含量范圍 %

2.2 爐渣浸出毒性分析

根據(jù)國家相關試驗標準，對我國某垃圾焚燒電廠的爐渣樣品進行浸出毒性試驗，試驗結果見表2。由表2 可知，爐渣浸出液中所有檢測項目均未超過鑒別的標準值，因此可以認為所取的爐渣不屬于危險廢物，屬于一般固體廢物。

表2 爐渣浸出毒性數(shù)據(jù)分析 mg/L

2.3 爐渣粒度分析

對我國某垃圾焚燒電廠的爐渣樣品進行了篩分試驗，爐渣的粒度組成數(shù)據(jù)見表3。根據(jù)表3 可知，小于15 mm 粒度的爐渣含量隨粒度的減小而逐漸增大，其中主導粒級為5 mm 以下，產(chǎn)率為54.5%，其次為5～10 mm 粒級，占比為19.10%。由此可見，爐渣粒度主要分布在10 mm 以下，產(chǎn)率超過70%。

表3 爐渣的粒度組成

3 爐渣分選工藝設計

對爐渣進行綜合利用之前，必須對爐渣進行分選，分選出其中的金屬，同時去除雜質(zhì)，得到各種不同粒徑的集料。爐渣分選的工藝主要有干法分選和濕法分選2 種，現(xiàn)階段我國爐渣處理項目一般采用濕法分選工藝。

3.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)爐渣的性質(zhì)，需制定合理的爐渣分選工藝系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括預處理系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)、磁選系統(tǒng)、跳汰分選系統(tǒng)、搖床分選系統(tǒng)、渦電流分選系統(tǒng)、渣水處理系統(tǒng)等。

3.2 分選工藝描述

爐渣分選工藝流程見圖1。

圖1 爐渣分選工藝流程示意

1） 預處理系統(tǒng)。來自垃圾焚燒發(fā)電廠的爐渣，經(jīng)汽車運至爐渣綜合利用車間所在的爐渣堆放車間，再通過裝載機送至下部為帶式輸送機的受料斗。料斗上方安裝大孔篩網(wǎng)（200 mm×150 mm），分選出大體積物料，以防堵塞料斗出口。料斗下的皮帶輸送機將爐渣輸送至1 臺篩孔為50 mm 的滾筒篩進行分級，粒度大于50 mm 的物料通過皮帶轉載至一級破碎機破碎至粒度25 mm 以下，然后落入滾筒篩上料皮帶。滾筒篩的篩下物通過皮帶轉載至主輸送皮帶，大塊物料皮帶上設置帶式除鐵器和人工撿雜工藝，帶式除鐵器脫除的鐵落至主皮帶，人工手選主要是撿出一些無法分選的雜物。

2） 破碎系統(tǒng)。爐渣分選之前，需要對大塊物料進行破碎處理，同時也采用破碎機對除鐵器分選出的鐵加水后進行擊打，去除廢鐵上的黏附物，然后通過滾筒篩脫水后，得到可對外銷售的廢鐵。

3） 磁選系統(tǒng)。對于爐渣中尺寸大于10 mm 的廢鐵，一般采用除鐵器進行分選；對于尺寸為2～10 mm 的廢鐵，一般可采用濕式滾筒磁選機進行分選，具體為：破碎機加水破碎后的物料流通過溜槽，輸送至2 臺濕式磁選機進行磁選，磁選機對渣水中的鐵進一步去除。磁選后的渣水，通過溜槽進入跳汰機進行分選。

4） 跳汰機分選系統(tǒng)。經(jīng)過預處理、破碎和除鐵后的15 mm 以下的爐渣，注水后，采用重選分選機進行分選。重選分選機主要根據(jù)物料的密度，實現(xiàn)對爐渣中各種物料的分離。爐渣廠常采用鋸齒波跳汰機進行分選，該設備的水流脈動曲線呈鋸齒波形，對各種物料的分選效果較好。具體為：磁選后的渣水全部進入鋸齒波跳汰機進行分選，跳汰機的溢流進入滾筒篩進行分級脫水，底流進入下一級跳汰繼續(xù)分選。采用洗砂機對細粒物料進行脫水回收，得到細粒的再生集料。

5） 搖床分選。搖床為流膜選礦的一種常用設備，主要用于分選細粒物料。對于最后一級鋸齒波跳汰機分選出的底料，粒度一般在3 mm 以下，可進入搖床分選機進一步分選，分選出其中的銅粉、不銹鋼等金屬。

6） 渦電流分選。渦電流分選機主要利用電磁感應的原理，實現(xiàn)對非磁金屬的有效分選。具體為：脫水篩下5 mm 以上粒度的爐渣，選出通過溜槽進入渦電流分選機，分選出其中的鋁產(chǎn)品，剩余的去除鋁的爐渣集料，可外運銷售，并最終實現(xiàn)綜合利用。

7） 渣水處理系統(tǒng)。為實現(xiàn)爐渣洗水的閉路循環(huán)，必須設置渣水處理系統(tǒng)。所有的渣水進入沉淀池沉淀，采用渣漿泵將沉淀的淤泥打入壓濾機脫水。沉淀池的溢流進入循環(huán)水池，循環(huán)利用。系統(tǒng)達到洗水一級閉路循環(huán)，無外排水。

4 設備選型

4.1 原則

1） 適用性原則。以各分選設備額定處理量為依據(jù)，與設計能力相匹配，滿足設計處理能力。

2） 前瞻性原則。分選設備選型時必須考慮技術上的先進性，滿足當前需求的基礎上注重未來的可持續(xù)發(fā)展需求。

3） 設備選型以先進、可靠、經(jīng)濟合理為原則，采用國內(nèi)外經(jīng)過實踐證明成熟、可靠的設備，且考慮設備的經(jīng)濟性，在設備采購成本的接受范圍內(nèi)，選擇經(jīng)濟上更合理、技術上更可靠、運營中故障率低且維護方便的設備。

4） 減少備品備件的原則。充分考慮設備附件、配套軟件、專用工具、備品備件等，減少備品備件種類，利于設備維修，同類設備盡可能采用一種規(guī)格或盡量減少不同規(guī)格品種的數(shù)量。

4.2 依據(jù)

1） 設備選型的首要依據(jù)是物料性質(zhì)，必須根據(jù)物料的情況有針對性地進行設備選型，避免出現(xiàn)設備不適應物料的情況。

2） 設備需要充分考慮入料的不均衡性，入料量需要根據(jù)物料平衡計算的數(shù)據(jù)，并考慮一定的入料不均衡系數(shù)后計算得到。不均衡系數(shù)一般可為1.10～1.25。

3） 設備選型前，需充分了解不同設備廠家的設備參數(shù)和性能，并根據(jù)廠家樣本圖冊、圖紙等技術資料進行設備選型，必要時需要向廠家核實。4） 參考和借鑒同類分選廠的設備選型情況，以避免設備選型出現(xiàn)較大偏差。

4.3 結果

以300 t/d 的爐渣處理規(guī)模為例，進行設備選型計算，具體設備選型結果見表4。

表4 主要設備選型結果

5 車間工藝布置

5.1 要求

根據(jù)工藝要求，優(yōu)化設計，合理布局，既要實現(xiàn)功能，又能留夠檢修空間。設備布置前，首先應明確各設備的基本外形尺寸，依據(jù)工藝確定各個設備的連接順序和安裝位置，并確定場地與建筑物的尺寸；另外根據(jù)設備布置確定各類工藝管道的走向和位置，布置管道時應盡量使各種管線順直、短捷、布置均勻，且各種管道與構筑物的間距不得小于規(guī)定的最小值；管道產(chǎn)生交叉時應有壓力的管線讓自流管線、管徑小的讓管徑大的管線、易彎曲的管線讓不易彎曲的管線。

5.2 設計

1） 根據(jù)物料流的順序從右往左進行工藝布置，依次布置上料原料系統(tǒng)、預處理系統(tǒng)、分選系統(tǒng)和產(chǎn)品輸送系統(tǒng)，爐渣水處理系統(tǒng)布置在分選系統(tǒng)的下側，具體的布置位置可以根據(jù)具體項目進行調(diào)整。

2） 原料車間、產(chǎn)品車間的大小，需要根據(jù)原料和產(chǎn)品的堆放量進行確定。為了方便鏟車作業(yè)，原料車間在上料方向的寬度不小于18 m，宜選擇≥24 m。爐渣和集料堆放區(qū)域的周圍宜設置1.5～2.0 m 的混凝土擋墻。車間的凈高度需要根據(jù)自卸車卸車最大高度、堆料高度、上料斗高度等進行確定，一般不低于6.8 m。以300 t/d 的爐渣分選廠為例，爐渣綜合利用車間總寬度可為32 m，總長度為112 m，總面積為3 584 m2；爐渣綜合利用車間包括原料車間、分選車間和產(chǎn)品車間，其中原料車間768 m2，分選車間為1 792 m2，產(chǎn)品車間為1 024 m2。

3） 分選系統(tǒng)主要包括破碎系統(tǒng)、磁選系統(tǒng)、跳汰分選系統(tǒng)、篩分脫水系統(tǒng)、渦流分選系統(tǒng)、搖床分選系統(tǒng)。根據(jù)物料的流向，在分選平臺內(nèi)，可從上至下，依次布置破碎系統(tǒng)、磁選系統(tǒng)、跳汰分選系統(tǒng)、篩分脫水系統(tǒng)和搖床分選系統(tǒng)。搖床分選系統(tǒng)一般布置于底層，以方便設備操作。渦流分選系統(tǒng)，可根據(jù)篩分系統(tǒng)的集、出料皮帶的位置進行具體布置。

4） 分選區(qū)域、廢鐵堆區(qū)的四周需要設置污水收集地溝，地溝內(nèi)的坡度一般不小于0.5%。由于爐渣分選車間內(nèi)濕度、腐蝕性較大，爐渣車間若采用鋼結構廠房，需要充分考慮鋼結構的防腐措施，且車間室內(nèi)地坪需要考慮防水措施。

5） 根據(jù)渣水的循環(huán)量和沉淀時間，通過計算確定沉淀池的容積，其中渣水的沉淀時間可取1～2 h。

以300 t/d 的爐渣分選廠為例，沉淀池可采用三格布置，總容積為800 m3左右，其中循環(huán)水池總容積為140 m3左右。具體工藝布置見圖2。

6 經(jīng)濟效益測算

圖2 爐渣處理車間工藝平面布置示意

6.1 項目總投資

以處理9.9×104t/a（300 t/d） 爐渣的處理項目為例進行計算。項目總投資約1 850 萬元（不含土地費），其中建筑工程費850 萬元，設備購置費450 萬元，安裝工程費300 萬元，其他費用150 萬元，預備費用100 萬元。

6.2 成本測算

爐渣處理規(guī)模為300 t/d，年產(chǎn)9×104t 再生集料，年回收廢鐵及其他金屬3 070 t。

項目生產(chǎn)總補水量約為15 m3/d，用電負荷450 kW，勞動定員35 人，采用直線折舊方法計提折舊，綜合設備折舊年限為10 a，殘值率為5%，其他各項費用參照我國相關企業(yè)生產(chǎn)指標。經(jīng)粗略測算，項目的電費為76 萬元/a，水費為10 萬元/a，燃油費97 萬元/a，維修費25 萬元/a，管理費30萬元/a，折舊費102 萬元/a，工資及福利158 萬元/a，綜合總成本為498 萬元/a，綜合單位成本為50.30 元/t。

6.3 收益測算

項目的收益主要來自爐渣廠的各類廢舊金屬的銷售收入，具體為廢鐵、廢銅（廢黃銅、紫銅又稱紅銅）、廢鋁、廢不銹鋼和廢銅砂（含銅的細砂，無機物含量較多）。經(jīng)粗略測算，廢銅產(chǎn)生量約80 t，銷售收入為103.5 萬元/a；廢鐵產(chǎn)生量約2 500 t，銷售收入為180 萬元/a；廢不銹鋼產(chǎn)生量約60 t，銷售收入48 萬元/a；廢銅砂產(chǎn)生量約170 t，銷售收入221 萬元/a；廢鋁產(chǎn)生量約260 t，銷售收入182 萬元/a；成品渣50 萬元/a，年總銷售收入約為784.5 萬元/a，綜合單價收入79.24 元/t。

因此，爐渣的凈利潤為28.94 元/t，達產(chǎn)后年凈利潤約286.5 萬元，投資回收期為6.46 a。

7 結論

根據(jù)對爐渣的性質(zhì)進行分析，可以得出爐渣屬于一般固體廢物，化學和物理性質(zhì)與天然砂石料的性質(zhì)相近，主要以細粒料為主，粒度主要分布在10 mm 以下，粒度超過20 mm 的粒級僅占10.30%，分選后可用于生產(chǎn)再生集料，具有較大的綜合利用價值。

爐渣綜合利用之前，必須對爐渣進行分選，目前我國一般采用濕法分選工藝對爐渣進行分選。合理的爐渣濕法分選工藝，需包括預處理系統(tǒng)、破碎系統(tǒng)、磁選系統(tǒng)、跳汰分選系統(tǒng)、搖床分選系統(tǒng)、渦電流分選系統(tǒng)、渣水處理系統(tǒng)等。爐渣分選廠通過制定合理的分選工藝，優(yōu)化設備選型和工藝布置，能夠實現(xiàn)對爐渣的有效分選，生產(chǎn)出高質(zhì)量的再生產(chǎn)品，同時能夠促進環(huán)境保護，實現(xiàn)經(jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展。