孫懷濤 杜 軍 周 偉 李巖峰 莊 巖

（1.天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，天津 300400；2.哈茲馬克（HAZEMAG）集團(tuán)，天津 300400）

0 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和城市化進(jìn)程的迅猛發(fā)展，建筑廢棄物的產(chǎn)生量劇增。據(jù)35個(gè)試點(diǎn)城市統(tǒng)計(jì)，2018年建筑廢棄物產(chǎn)生量13.15億t、2019年為13.69億t，目前每年產(chǎn)生量可達(dá)15億t以上，占城市垃圾總量的70%以上。建筑廢棄物若處置不當(dāng)，不僅影響市容市貌、占用土地資源、破壞生態(tài)環(huán)境（造成土壤污染，水污染），還存在安全隱患，不符合我國(guó)“雙碳”的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)。但同時(shí)也應(yīng)看到，建筑廢棄物是放錯(cuò)地方的資源，對(duì)其合理化再利用，可在不同領(lǐng)域創(chuàng)造價(jià)值和避免二次污染的產(chǎn)生。

建筑廢棄物的前處理技術(shù)主要包括破碎、篩分、分選等，而對(duì)于雜質(zhì)含量多或者種類雜的建筑廢棄物，尚未有較好的處理方式。再利用建筑廢棄物，現(xiàn)在一般是將其制備骨料、微粉等，可用于市政和建材等多個(gè)領(lǐng)域。目前我國(guó)對(duì)建筑廢棄物的資源化利用率較低，據(jù)統(tǒng)計(jì)僅為5.86%～7.63%。2018年3月，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《關(guān)于開(kāi)展建筑廢棄物治理試點(diǎn)工作的通知》，迫切地需要尋找能夠可大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用并解決建筑廢棄物處置和資源化再利用的途徑和技術(shù)。為規(guī)范建筑廢棄物的處理和鼓勵(lì)建筑廢棄物的再利用，國(guó)家還頒布一系列法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，如《中華人民共和國(guó)固體廢物污染環(huán)境防治法》、《建筑垃圾資源化利用行業(yè)規(guī)范條件》、《混凝土和砂漿用再生細(xì)骨料》（GB/T25176）、《混凝土用再生粗骨料》（GB/T25177）、《混凝土和砂漿用再生微粉》（JG/T 573）、《建筑垃圾再生骨料實(shí)心磚》（JG/T 505）等。本文結(jié)合工程案例，介紹建筑廢棄物的分選、再利用技術(shù)，旨在為該技術(shù)的進(jìn)步和大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用提供建議和參考。

1 建筑廢棄物資源化利用現(xiàn)狀

建筑廢棄物再生利用的領(lǐng)域和方式多種多樣，主要包括礦山回填，修建垃圾場(chǎng)，高速公路路基回填，海綿城市建設(shè)和作為建筑原材料。我國(guó)對(duì)建筑廢棄物再利用的研究起步較晚，目前全國(guó)范圍內(nèi)建筑廢棄物年處理能力100萬(wàn)t以上的生產(chǎn)線不足100條，與國(guó)外相比資源化利用率較低，不足10%，有較大的發(fā)展?jié)摿1]?；炷梁痛u在建筑廢棄物中的質(zhì)量占比可達(dá)80%以上，是資源化再利用的關(guān)鍵，按照再生利用形式分類，建筑廢棄物可制備再生骨料、再生膠凝材料、再生砌塊/磚制品、再生砂漿和再生混凝土構(gòu)件等產(chǎn)品。

2 建筑廢棄物資源化利用離不開(kāi)科學(xué)的分選處置技術(shù)

建筑廢棄物資源化利用離不開(kāi)科學(xué)的分選處置技術(shù)，建筑廢棄物的分選主要包括鋼筋分離、金屬分離、輕物質(zhì)的分離、混凝土和紅磚分離以及渣土分離，其中渣土分離技術(shù)較簡(jiǎn)單。

2.1 鋼筋/金屬分離

對(duì)于建筑廢棄物中鋼筋或金屬的分離，以前通常采用粉碎機(jī)對(duì)混凝土粉碎后，人工分選回收，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力、回收效果不好，回收后的鋼筋沾染粉塵，且存在風(fēng)險(xiǎn)，目前該種方法已逐漸被淘汰。

HAZEMAG公司利用其HPI系列反擊式破碎機(jī)自1946年由安德里亞斯博士發(fā)明并處理二戰(zhàn)戰(zhàn)后垃圾伊始，至今廣泛應(yīng)用于建筑垃圾回收利用，其核心在“全自動(dòng)運(yùn)行”，完全自動(dòng)控制，液壓反擊板自動(dòng)調(diào)節(jié)以及最先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。破碎過(guò)程中，利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與多道反擊板的不同角度搭配、最優(yōu)料流路徑設(shè)計(jì)和多次打擊，將混凝土破碎到理想粒度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)與內(nèi)部鋼筋的完全分離，并防止損傷設(shè)備內(nèi)部。該破碎機(jī)內(nèi)部采用加強(qiáng)型的設(shè)計(jì)來(lái)確保設(shè)備的可靠性，出料粒度的大小、板錘的磨損補(bǔ)償都由設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)完成，并保證出料粒度的可調(diào)可控，實(shí)現(xiàn)鋼筋與混凝土的實(shí)時(shí)有效分離。

2.2 輕物質(zhì)的分離

輕物質(zhì)主要包括織物、木材和塑料等。由于與其他物質(zhì)存在較為顯著的密度差異，輕物質(zhì)可采用風(fēng)選技術(shù)或浮選技術(shù)進(jìn)行分離。

風(fēng)選工藝主要包括箱式風(fēng)選技術(shù)和折板式風(fēng)選技術(shù)。箱式風(fēng)選技術(shù)一般用于超過(guò)30mm的大粒徑輕物質(zhì)的粗分選；折板式風(fēng)選一般用于較小粒徑輕質(zhì)物料的分離，分離效率可達(dá)95%以上。浮選技術(shù)是采用密度介于兩種需要分離物質(zhì)之間的介質(zhì)，通過(guò)上浮和下沉對(duì)廢棄物加以分離，采用該技術(shù)對(duì)輕物質(zhì)進(jìn)行分離時(shí)，受顆粒尺寸和形狀影響較小，因此適用范圍較廣。

巴太斌等[2]采用風(fēng)選及水力浮選的兩級(jí)分離工藝實(shí)現(xiàn)建筑廢棄物中對(duì)輕物質(zhì)的分離。具體過(guò)程為：首先采用人工和機(jī)械分揀，將建筑廢棄物中較大尺寸的輕物質(zhì)分離。隨后經(jīng)破碎機(jī)將物料破碎成三種尺寸。小于30mm的物料采用水力浮選出輕物質(zhì)，避免產(chǎn)生大量灰塵；大于80mm的物料進(jìn)行二次分選，最終產(chǎn)生的30～80mm之間的物料，通過(guò)初次風(fēng)選和二次水力浮選分離輕物質(zhì)。試驗(yàn)表明，采用該二級(jí)分離工藝分選可實(shí)現(xiàn)輕物質(zhì)含量低于0.05%，優(yōu)于干法分離技術(shù)（最高可達(dá)到70%分選效率）。工藝實(shí)施過(guò)程中，污水回用，可實(shí)現(xiàn)零排放，該工藝分選輕物質(zhì)表現(xiàn)出技術(shù)先進(jìn)性，效果好。

2.3 混凝土和紅磚分離

建筑廢棄物的分選中，混凝土和紅磚分離（磚混分離）是最為關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，可大大提高建筑廢棄物的價(jià)值，同時(shí)此過(guò)程的產(chǎn)物也是后續(xù)進(jìn)行資源化利用的重要原料。磚混分離的方法主要包括干法分選、紅外分選和圖像分選等。

王宏等人將煤炭行業(yè)的干法分選技術(shù)引入到建筑廢棄物領(lǐng)域[3]，研究建筑廢棄物在干法分選設(shè)備上的分選機(jī)理并考察其效果，進(jìn)行了兩次建筑廢棄物分選的工業(yè)化試驗(yàn)，組合式干法分選機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。結(jié)果表明，采用FCX-1型干選機(jī)進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)時(shí)，物料密度差異越大，分選效率越高；且密度小的物料較純凈，不易摻混密度大的物料，但密度大的物料出料中混有密度小的物料；對(duì)于紅磚和石子的分選效果不佳。作者還考察了另一種設(shè)備的分選效果，并驗(yàn)證干法分選工藝的可行性和工藝參數(shù)的合理性。

圖1 組合式干法分選機(jī)

基于重力分選理論，胡魁等[4]提出了一種在建筑垃圾再生料中進(jìn)行黏土磚和混凝土分離的方法?；诖u混不同的物理性質(zhì)，通過(guò)重力分選、階梯篩板和偏心運(yùn)動(dòng)軌跡等對(duì)研發(fā)機(jī)械的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的分離設(shè)備（見(jiàn)圖2）。工作過(guò)程為：在振動(dòng)和氣流的作用下，物料之間的孔隙逐漸增大，料層間的正壓力和摩擦作用減小，進(jìn)而促進(jìn)自動(dòng)分級(jí)的形成。密度小的黏土磚相對(duì)于篩面下滑至下出料口，密度大的水泥混凝土物料在振動(dòng)篩的作用下向上運(yùn)動(dòng)至上部出料口，實(shí)現(xiàn)分離。借助合理的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和適當(dāng)?shù)妮o助手段，采用該設(shè)備可將混凝土的分離率達(dá)到91%，小時(shí)生產(chǎn)率3.84 t，實(shí)現(xiàn)磚混的有效分離。

圖2 建筑垃圾再生料磚混分離設(shè)備設(shè)計(jì)圖

韓慶奎等[5]發(fā)明了一種建筑垃圾再生骨料精準(zhǔn)分選潔凈成套設(shè)備。設(shè)備由可調(diào)熨平板，LED光源、CCD成像裝置、可調(diào)高壓噴氣裝置、紅磚下料倉(cāng)和混凝土下料倉(cāng)等組成。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：混合再生骨料進(jìn)入磚混分選倉(cāng)后，在LED光源的照明下使CCD成像裝置收集成像數(shù)據(jù)，發(fā)送指令給可調(diào)高壓噴氣裝置，當(dāng)指令信息是紅磚時(shí)，可調(diào)高壓噴氣裝置噴出高壓氣體，將下落骨料吹離原來(lái)軌跡進(jìn)入紅磚下料倉(cāng)；當(dāng)指令信息是混凝土?xí)r，可調(diào)高壓噴氣裝置不啟動(dòng)，此時(shí)混凝土骨料繼續(xù)沿原下落軌跡進(jìn)入混凝土下料倉(cāng)。該系統(tǒng)工作原理示意圖見(jiàn)圖3[6]。

圖3 系統(tǒng)工作原理示意圖

采用該技術(shù)可以精準(zhǔn)地分離建筑廢棄物中的輕物質(zhì)、紅磚和混凝土，大幅提高再生利用率。馬浩等[6]也基于機(jī)器視覺(jué)求取目標(biāo)物質(zhì)心的方法開(kāi)發(fā)了一種基于色選技術(shù)的建筑垃圾分選系統(tǒng)并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，在傳送帶速度為1m/s的反應(yīng)條件下，分選系統(tǒng)的識(shí)別率為96.8%，分選率91.7%。該項(xiàng)技術(shù)實(shí)時(shí)性好、分選率高且適用，可極大程度提高磚塊和混凝土塊的高效分離。

Vegas等[7]研究近紅外分選技術(shù)（NIR）在提高混合再生骨料質(zhì)量方面的潛力。通過(guò)使用在不同歐盟國(guó)家（德國(guó)、瑞典、西班牙和意大利）收集的混合回收骨料樣本進(jìn)行測(cè)試。采用近紅外分選技術(shù)測(cè)定樣品的組分、總硫含量、酸溶性硫酸鹽、總重金屬和金屬浸出量。結(jié)果清楚地表明，由于NIR分選，混合再生骨料的質(zhì)量在雜質(zhì)的水平上得到了改善。在近紅外分選處理過(guò)程中，混合再生骨料中的問(wèn)題組分（有機(jī)材料、石膏和AAC）可以顯著減少甚至消除，促進(jìn)再生骨料在高品質(zhì)方向（如混凝土制造中）的更多使用。作者認(rèn)為近紅外分選技術(shù)是一個(gè)很有前途的解決方案，其功能原理見(jiàn)圖4。

圖4 基于近紅外傳感器分揀技術(shù)的功能原理

總的來(lái)說(shuō)，分選的原理都是根據(jù)建筑廢棄物中材料物化性質(zhì)的不同將其分離?？筛鶕?jù)廢棄物的粒徑尺寸、比重、磁性、顏色、紅外光譜等的差異通過(guò)手工撿選、篩分、重力分選（風(fēng)選、浮選）、磁力分選和光學(xué)分選等方式完成，另外近期還有報(bào)道智能識(shí)別分選技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，因建筑廢棄物所含雜質(zhì)種類繁雜，分選環(huán)節(jié)往往需要多種方法結(jié)合使用以期達(dá)到更好效果。

3 工業(yè)應(yīng)用案例及新工藝裝備開(kāi)發(fā)

在國(guó)內(nèi)，建筑廢棄物的大規(guī)模應(yīng)用已有一些報(bào)道，徐躍衛(wèi)[8]報(bào)道了某建筑垃圾循環(huán)利用綜合處置項(xiàng)目，該項(xiàng)目根據(jù)建筑垃圾原料特性及再生產(chǎn)品對(duì)再生骨料的品質(zhì)要求，采用科學(xué)高效的建筑垃圾預(yù)處理工藝，效果良好。該項(xiàng)目建筑垃圾年處置量可達(dá)100萬(wàn)t（含爐渣約7.2萬(wàn)t），可生產(chǎn)再生骨料85.91萬(wàn)t、渣土8.35萬(wàn)t。工藝過(guò)程采用材料二級(jí)破碎→一級(jí)篩分→人工分選→磁選→風(fēng)選→浮選等生產(chǎn)出各種粒徑的再生骨料存至骨料堆，在成品骨料0～2.5mm出砂處依次配置洗砂機(jī)和細(xì)砂回收機(jī)，首先通過(guò)清洗砂粒表面粘附的塵土，洗砂機(jī)溢出的廢水直接進(jìn)入沉淀池，再通過(guò)細(xì)砂回收柵上的渣漿泵回收沉淀池中的細(xì)砂，洗砂機(jī)和細(xì)砂回收機(jī)出來(lái)的廢水通過(guò)排污泵導(dǎo)回沉淀池，洗砂機(jī)所需的清洗水再由清水池（二級(jí)沉淀池）提供，整個(gè)浮選系統(tǒng)中進(jìn)行水循環(huán)。

2021年11月，天津水泥院與哈茲馬克集團(tuán)聯(lián)合研發(fā)的建筑垃圾綜合處理關(guān)鍵設(shè)備一體式鋼筋分離破碎機(jī)在第四屆中國(guó)國(guó)際進(jìn)口博覽會(huì)隆重發(fā)布，該套設(shè)備充分吸收了德國(guó)哈茲馬克建筑垃圾處置裝備的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮了我國(guó)建筑垃圾分類現(xiàn)狀的特殊國(guó)情，填補(bǔ)了建筑垃圾高效短流程處置關(guān)鍵工藝裝備的空白，具有里程碑的意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，建筑廢棄物來(lái)源不同，種類和成分也各不相同，這給建筑垃圾的分選和資源化再利用帶來(lái)了困難。建筑廢棄物的處置和資源化利用是新型朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，將建筑廢棄物多途徑因地制宜地進(jìn)行處置并實(shí)現(xiàn)資源化再利用，可將建筑廢棄物變廢為寶，有利于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，具有極大的經(jīng)濟(jì)潛力。建筑廢棄物的分選和資源化再利用的重點(diǎn)在技術(shù)，需要投入更多精力去研發(fā)更加有效且經(jīng)濟(jì)的設(shè)備和工藝。相信通過(guò)學(xué)術(shù)和工業(yè)界的共同努力，建筑廢棄物定會(huì)實(shí)現(xiàn)“減量化、無(wú)害化、資源化”，為我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略的實(shí)現(xiàn)添磚加瓦。