城市固废路用材料资源化-固废选矿附属作业成果

2.2.1.1 破碎

在常规的重力选矿中，破碎是很重要的一个环节，通过破碎使目标矿物与脉石颗粒分离，从而增大分选的效率。但在固废选矿中，由于后续应用的考虑，不可能将矿物破碎得很细，这就带来了对矿物选择性分离技术的研究，尤其针对废旧混凝土这样的材料，水泥浆与集料的复合（图2-1）给再生集料的利用施加了很大的限制，也使水泥浆与集料的预分离技术成为研究的一项热点。

图2-1　再生混凝土集料三种不同的类型

使水泥浆与集料、石灰浆与集料分离，主要有五种方法。

1）选择特定的破碎类型和破碎次数

破碎机基本上分为两种类型，一种是强制破碎面，也就是破碎面由破碎机的几何参数与颗粒的几何形状相关，而与破碎颗粒的结构关系不大，如颚式破碎机、圆锥破碎机、辊式破碎机；另一种是选择性破碎面，破碎面与颗粒固有的软弱面有关，如反击式破碎机、冲击式破碎机。普通混凝土中，附着砂浆与天然集料的界面是颗粒的软弱面，因此选择后两种破碎机，其附着砂浆与天然集料的分离程度明显高于前三种破碎机。但废旧混凝土如果来自高强混凝土，这样的差别并不显著。

增加破碎次数，有利于附着砂浆的分离。加入额外的破碎步骤之后，再生集料中砂浆含量可减少10%～40%，具体依赖于再生集料颗粒的粒径、砂浆的强度和所用破碎机的类型。不过，尽管可取得砂浆含量的显著降低，但加入额外破碎步骤一个较大的缺点是再生粗集料总体产量的显著下降。这是因为，除了附着砂浆以外，有相当一部分较软弱的原始集料，也被破碎成了较细的集料颗粒。额外的破碎步骤的引入，也显著增加了再生的成本，因而应在成本与集料质量之间寻找一个平衡点。

除此之外，还可以引入其他机械分离方法，利用摩擦力和冲击力来分离附着砂浆。在被称为偏心轴转子的一种方法中，再生集料通过高速下偏心旋转的内筒和外筒组成的摩擦设备。再生集料与筒壁摩擦以及相互摩擦，将附着砂浆破碎成细小粉末，在内筒表面提供的2～4 mm 筛网上予以收集。另一种机械分离方法被称为研磨法，用装有铁球的滚筒来提供将砂浆与再生集料分离所需要的冲击力和摩擦力。这一方法中，再生集料相互摩擦，以及与置于转动部分的铁球摩擦。机械分离方法易于使用，相比于热方法，清除砂浆也更为高效。不过，它需要相对高的能耗，并产生高的噪声污染。相比于其他方法，这一方法也具有相对低的粗集料产量，因为机械摩擦和冲击趋向于将显著比例的粗颗粒破碎成更细的颗粒。

2）热分离

它利用了砂浆与天然集料热膨胀率的差异，使再生集料内产生热应力。热分离中，再生集料颗粒被加热到300～600℃的温度范围，具体依赖于砂浆的强度和天然集料的类型，加热大约2 h，使砂浆破碎并分离。再生混凝土集料中的砂浆，一般具有比天然集料更高的热膨胀率，从而加热时膨胀更快。于是，加热再生集料的过程中，砂浆中产生了比天然集料显著更高的热应力。而且，天然集料与砂浆膨胀率的差异，预计在其界面处产生相当差异的热应力。这些机制和典型砂浆固有的更薄弱本质，被用于将附着砂浆破碎成细小粉末，从而分离再生集料上的砂浆。有大量的研究建议，将再生集料预浸水中，使附着砂浆饱水，可获得更高的分离效率。这是当天然集料暴露于100℃以上的温度时，内部孔隙水快速蒸发，在砂浆中产生了较高的孔隙水压力的缘故。除此之外，加热后马上浸入冷水中（冷是相对于再生集料温度而言的），再生集料快速冷却，这被认为增大了所产生的差异热应力，是提高热分离效率的另一种有效方法。

砂浆的热分离是降低再生集料砂浆含量最古老和最常见的后再生分离策略之一。不过，它在效率、环境和经济影响方面有着重大缺陷。由于长时间的高温加热，砂浆的热分离需要相对高的能耗，从而产生不希望的环境排放。这种负面的环境影响，降低了混凝土再生的环境效益。除此之外，由于热分离方法中再生集料的均匀加热，预计再生集料中原始的天然集料将产生相对高的热应力，这可损伤碎石集料自身。例如，再生集料中天然集料为花岗岩时，400℃和600℃下再生集料的加热，可使花岗岩集料耐压性分别降低大约14%和44%。因此，通过热分离从再生集料中去除砂浆，仅在再生集料中的天然集料显著强于附着砂浆时才被推荐。

此外，也可以将热法和机械法组合使用，联合高温下传统加热产生的热应力和机械分离法产生的机械应力，使附着砂浆从再生集料上脱离。在典型的组合式热—机械分离法中，也被称为加热摩擦法，通过垂直炉中的加热，使附着砂浆脱水，从而变脆。然后将加热后的再生集料转移到摩擦设备中，后者由具有内筒和外筒的管式磨组成，装有大量的铁球来去除附着砂浆。研究证明，在传统烘箱中500℃下加热再生集料2 h，之后用装有10个铁球的洛杉矶试验机机械摩擦100转，可使再生集料的砂浆含量减少55%。

不过，尽管报道了如此有前景的分离率，但工艺能耗高，成本也高。能量及相关碳排放的负面影响，抵消了混凝土再生的环境效益。组合方法的分离效益也可通过延长历时与提高加热温度，增加铁球数量，扩大滚筒转数提升，但付出的代价是额外的成本与能耗。因此，采纳之前需要实施详细的经济分析和环境分析。

3）化学分离法

由于水泥的碱性，砂浆容易为强酸所腐蚀。化学分离法利用了砂浆内在的弱腐蚀抵抗，将附着砂浆与再生集料中的天然集料分离。这一方法中，将再生集料浸没在稀酸中大约24 h，然后冲洗，去除被腐蚀的砂浆。选择合适的酸非常重要，可显著影响化学分离方法的有效性。硫酸（H2SO4）和盐酸（HCl）被认为是从再生集料中去除砂浆最高效的酸。

不过，除了砂浆的去除效率外，化学分离选择合适酸时的另一重要参数，是酸与再生集料中天然集料的相容性。所用的酸不应对再生集料中的天然石料有质量影响。例如，天然石料为花岗岩时，HCl和H2 SO4都被视为最合适，因为暴露于这些酸中时，花岗岩集料的组成矿物溶解度相当低。但不得使用氢氟酸，因为花岗岩中所有主要成分包括石英、长石、云母，都易溶于其中。总体上，化学分离法被认为尤其适用于其中的天然石料具有高化学抵抗的再生集料，如含有花岗岩。

化学分离法的效率，依赖于附着砂浆与内嵌天然石料的孔隙率、酸的类型和浓度、酸与待处理再生集料的体积比、温度、工艺历时、容器类型（静态或动态）。使用硫酸时，在相似的工艺历时下，去除率随酸浓度或酸与再生集料体积比的增大而显著增大，两者都使再生集料发生腐蚀需要的H+增加。不过，也观察到，每一个试验（不同的浓度和不同的酸／再生集料体积比）都存在一个特定的H+浓度。这之后酸浓度进一步增加，选矿效果显著下降。这可能是因为一旦有足够数量的H+存在，再生集料的酸蚀主要受砂浆渗透率的控制。随着相继各步的酸暴露，附着砂浆的渗透性逐渐下降，因为由C-S-H 释放的氧化硅和铝硅酸盐凝胶覆盖了再生集料颗粒的暴露面。通过使用合适的回转搅拌系统或加入冲洗步骤，从再生集料表面上去除前面已被腐蚀的砂浆，也可显著提高化学分离法的效率。这是因为这些方法可显著提高酸到达其他未暴露砂浆上的能力，使新的表面被暴露，供再生集料进一步腐蚀。

使用高浓度强酸进行的化学分离，一般被视为分离附着砂浆与再生集料的高效技术。不过，妨碍实践中这一技术广泛使用的主要问题之一，是再生集料上残留的酸对混凝土的耐久性有潜在的不利影响。如果残剩有痕量的硫酸与盐酸，可显著加大再生集料硫酸盐和氯盐的含量，从而降低再生集料混凝土的耐久性。这样的耐久性问题可用低浓度酸（0.1 mol左右）解决，但这是以效率为代价的。除此之外，与其他分析方法相比，所需的相对长的处理时间（＞24 h）是化学分离法另一个较大的缺陷。由于这些问题的存在，高的酸浓度下的化学分离方法，实现从再生集料颗粒上砂浆的完全去除，主要作为试验室样品准确测定再生集料砂浆含量的方法，本身不作为工业使用的分离技术。

4）微波辅助分离法

再生集料颗粒由天然石料与附着砂浆组成。它们均为介电材料，接触微波功率时，因介电损失而受热。介电材料被微波加热的程度和加热的模式，依赖于微波频率、微波功率，最重要的是材料的电磁学性质。常被用于估计微波场中介电材料加热速率的一项重要性质，是衰减因子β。一般来讲，在典型的微波加热情况下，加热速率随衰减因子增大而指数增加。如图2-2所示，一般砂浆具有较高的衰减因子，放置在微波场中时，比天然石料受热更快。

另外，砂浆衰减因子随含水量增加而显著上升。因此，增大砂浆含水量，可显著提高砂浆与天然石料的衰减因子之间的差异，从而加大其加热速率之间的差异。另一方面，砂浆具有更为多孔的本质，从而比天然石料具有更高的吸水率。于是，将再生集料颗粒浸泡在水中几分钟，使附着砂浆饱水，可被用于增大附着砂浆与天然石料之间含水量的差别，从而加大两者微波加热速率之间的差别。在微波辅助的分离方法中，砂浆与天然石料介电性质与吸水率之间的这些内在差异，被用于在相对短的历时（几秒到几分钟，具体依赖于微波功率和所处理再生集料的体积）内，在砂浆中产生差异热应力的局部场，尤其是在再生集料砂浆与天然石料之间的界面上，天然石料本身温度无显著上升。

图2-2　砂浆和天然集料的衰减因子

已经观察到，饱水再生集料样品在10 kW 下微波加热1 min，砂浆含量减少了几乎48%。相对应的，再生集料吸水率降低几乎33%，堆积密度提高3.8%。而风干再生集料颗粒微波加热，砂浆含量降低大约32%，再生集料堆积密度提高2.5%。额外轮次的微波处理，或微波功率的增大和微波加热时间的延长，可使附着砂浆从再生集料上更彻底地去除。不过，这可对经济和环境效益构成影响。因此，在大规模实施前，应评价最佳的微波加热水平。

砂浆断裂或脱离时的最高温度一般低于150℃，影响不到微波分离工艺后天然石料的性质。这可被视为微波辅助分离法相对于热分离法的主要优点之一。微波辅助分离法的另一优点，是其短的加工时间。这使得它与热分离法、机械分离法、热—机械分离方法相比，其能耗及相关的排放显著更低。除此之外，与化学分离法不同，微波辅助分离法没有额外的混凝土耐久性风险。这些优点使得微波辅助分离法成为生产高质量再生集料一项引人注目的技术。

5）高压电脉冲选择性破碎方法

用高压电脉冲破碎岩石，已经有40余年的历史。俄罗斯科学家最早做了这方面的系统研究。1995年，德国卡尔斯鲁厄研究中心着手开始一项影响深远的计划，探索选择性破碎的工业应用。自那时起，卡尔斯鲁厄研究中心修建了若干专门设计的试点工厂，研究了矿物学领域、原材料和复合材料大量不同材料的破碎。所有应用中，固体都必须浸没在介电液体（如水、油或其他有机液体）中。由于实用的原因，水是大多数应用的选择液体。

以脉冲上升时间，也就是高电压达到其峰值所花的时间为函数，暴露于电压之中的材料表现出了不同的击穿强度。高压放电首先发生在击穿强度最低的材料中。例如，脉冲上升时间小于500 ns时，水的击穿强度超过了大多数的“典型绝缘体”，如陶瓷、玻璃和许多矿物。于是，放电首先发生在了固体中（图2-3）。

图2-3　高压放电破碎

选择性释放可能的机制有三个作用。第一个作用是由放电通道直接导致的。在介电性质与基质相当不同的内容物上，电场强度可得到最大化，将闪流吸引向内容物，在那里它可沿着颗粒边界继续扩展。这示于图2-4（a）中，导电球体位于绝缘基质内部。这一个场景下，内容物与基质的分离由击穿通道直接导致。

第二个作用开始于击穿通道紧邻所创建的裂缝［图2-4（b）］。冲击波膨胀产生的压力总是超过材料的抗拉强度，导致生成裂缝。如果与击穿通道相接触形成了裂缝，通道产物可贯入其中，对裂缝壁施加力。生成裂缝的行为和强度由通道中的能量沉积率和材料性质决定。脆性材料围绕放电早期创造的击穿通道，径向显现了大量的裂缝，尺寸数个毫米。后期围绕通道有大量径向扩展的裂缝，它们与能量释放率相关。不过，抵达材料表面的裂缝数量，强烈依赖于放电释放的总能量。其原因是内容物边界处增大的机械应力的存在。异质体或内容物反射的应力波，在抵达内容物之前，可与生长的裂缝相互作用。如果裂缝撞击到了内容物，它们可以分叉，具体依赖于入射角，如图2-4（b）所示，将内容物与基质分离。

使得内容物与周围介质在界面上分离的第三个作用，与放电通道发射的入射压缩波的作用相关。这示于图2-4（c）中。一开始，由于击穿通道的膨胀，产生的冲击波后面发展成了压缩波。已经证明，在内容物的内部折射与反射后，压缩应力波转换成了拉伸波。足够高的冲击波压力下，观察到了内容物与基质之间整个界面上的完全分离。

图2-4　可由复合材料释放出组分的机制(www.xing528.com)

除了完全击穿通道导致的直接破碎外，部分击穿通道也引入了一类选择性释放。围绕矿物或金属内容物，等离子丝状体扩展到了基质中。这些丝状体是“树”发展过程中固体部分击穿的结果。放电通道中膨胀等离子体的压力超过放电通道邻近辐射线沿线材料的单轴拉伸强度时，复合电介质发生爆炸碎裂。未桥架接地电极并在固体上灭弧的部分放电网的发展，伴随着桥架高电压和接地电极的等离子体闪流的发展。电学参数不同的内容物，其界面上的这些部分击穿诱导了边界上的细小裂缝体系。它们是高效释放的主要原因。石块爆炸碎裂过程中，沿着这些细小裂缝发生劈裂。等离子体膨胀产生的冲击波的传播速度，超过了高能化学药剂爆炸产生的冲击波。压缩冲击波由声阻不同的内容物界面上和由液体介质界面上的反射，产生了张拉，生产出特定数量的分解颗粒。

高压电脉冲选择性破碎，释放彻底，环境影响小，作为包括混凝土再生集料上附着砂浆的分离，以及生活垃圾焚烧炉渣中不同物质的释放分离等在内的城市矿山的组成技术有非常好的发展前景。但目前成本尚高，并且后续对分离释放物需要有相适合的筛选手段，因此该技术仍需进一步的研究与发展。

2.2.1.2 筛分

筛分是固体颗粒按照粒径归类的常用手段，但由于固废不均匀性强、杂质多的特点，对筛分提出了一些额外的要求。比如建筑垃圾、生活垃圾焚烧炉渣等废弃物中常常含有细长的纤维与金属丝，可堵塞筛孔，影响工作效率。又如湿排生活垃圾焚烧炉渣中小于2 mm的颗粒含水量高，常常导致颗粒黏稠，堵塞筛眼，影响筛分效果。下面对这方面问题的解决进行阐述。

1）针对细长物堵塞的筛分技术选择

对于像纤维、金属丝这样的细长材料，其一个维度的尺寸可以使其方便地进入筛孔，但另一个维度的尺寸却使它无法从筛孔通过，从而卡在筛孔中。解决这类堵塞问题有若干筛分技术可使用，如滚筒筛、棒条筛（指筛）、星条筛、回转筛等。下面对其工作机理和防堵塞机理进行简要阐述。

滚筒筛是一项已得到证明的技术，可被用于初级和最终的尺寸筛选。图2-5显示了一个常见的滚筒筛及其工作示意图。滚筒筛的输入效率和分离效率受筛孔尺寸、滚筒筛直径、转动速度、挡板类型和数量、圆筒倾斜度等的控制。由于有效的筛网面积较小，安装了导向板和其他壁体组合（多边筛），尽可能使更多的废弃物沿着滚筒筛壁行走。

图2-5　滚筒筛

滚筒筛的工作机制是，废弃物在筛网中翻滚，直至在筛网中寻找到一个开孔，从中落下。翻滚运动可以是梯流、瀑落或离心。梯流指筛网圆形运动提升废弃物，然后在前方料层顶部向下翻滚的运动。这一方式下，充分使用的仅小部分筛网。瀑落是较高筛网速度下，实际将材料抛入了空中，沿着抛物线轨迹回落到筛网底部，最终夺孔而出的运动。这会产生最大的湍动和最高的回收。离心指转动速度很高，使得材料附贴在筛网上不再下落，其回收率很低。

筒筛倾角加大5°以上，导致筛网回收率快速下降。为增大筛网的回收率，滚筒壁上可安装螺旋状的导向板，使得材料不遵循倾角传送。为帮助滚筒筛的规划和设计，建立了若干经验法则。为实现90%的筛网效率，停留时间和筛网表面积都必须与装载的材料建立相关性。滚筒筛的装载率不得超过1 t／（m2·h）。装载率0.4 t／（m2·h）的装载城市固废的滚筒筛试点研究表明，可实现80%的筛网回收率。未破碎的废弃物，需要至少25～30 s的停留时间。直径2.7 m 的滚筒筛，在45%的临界转动速度下，转动速度达到最佳，这对应8 r／min。

当细长物堵塞滚筒筛筛孔时，随着筛孔空间位置的变化，堵塞物可被抛出或落下。不过，当堵塞物受到其他废弃物的冲击或碰撞时，可发生变形，无法自行消堵，此时就需要人工干预，也可以附加滚筒筛壁以振动。

粗筛分也可以使用棒条筛选机或指筛，必要时可施加振动，这可有效避免堵塞问题的发生（图2-6）。

图2-6　棒条筛选机（指筛）

如图2-7所示的星条筛也可以避免筛网堵塞。“星”是柔性的聚氨酯元素，挂到转动的锭子上。相邻锭子上的星锯齿形排列定位，使其能相互清洁。尽管堵塞被避免了，但必须偶尔检查一下筛网，看金属丝有没有窝到锭子上。

筛眼被细长的颗粒堵塞也是传统振动筛的一大问题。一个备选的方案可以是使用回转筛（图2-8）。由于筛网多为水平运动，材料不“跳跃”，而是在筛面上滑行。这防止了长颗粒垂直跃入过小的筛眼而使得它们无法通过。在振动筛下游安装大致相同的筛网时，发现回转筛在从生活垃圾焚烧炉渣中回收小片铜丝方面很有效。振动筛上，金属丝沿着筛网滑移，但随后它们在同尺寸网眼的回转筛上被回收。

图2-7　避免网眼堵塞的星条筛，10～100 mm粒径颗粒常在其上进行处理

图2-8　如果喂料含有纤维状和细长状颗粒，则应采用回转筛

2）针对潮湿黏稠颗粒堵塞筛分技术选择

类似生活垃圾焚烧炉渣（湿排炉渣）这种先天性含有相当水分的固废，需要分离出细的组分时，常常由于水分的吸力作用，导致颗粒成团或黏住网眼，从而使得筛分变得困难。因此，需要有合适的技术手段解决这一难题。目前来看，流行的主要有两种做法。

第一是荷兰INASHCO公司与代尔夫特理工大学开发的一项专利分离技术，使用弹道分离原理将细、软和轻的矿物与硬和重的金属／岩石分离。该分离设备被称为高级干式回收（ADR）。

INASHCO公司使用的ADR，可处理0～2 mm 粒径的组分。ADR 的原理说明见图2-9中。该设备让生活垃圾焚烧炉渣流落到滚筒附带的转动刀片上。由于炉渣受到滚筒刀片的冲击，其不同组分（矿物组分、岩石和金属）将采取不同的弹道路径。同时，往下吹的气流有助于不同弹道路径的实现。轻的组分（矿物组分）落到第一条传送带上。重的组分（岩石和金属）经历更为平坦的弹道曲线，落在第二条传送带上。反复进行气流分离，增大分离物的纯度。于是，细、软和轻的组分将与硬、重的组分分离。其根本点是利用撞击作用破坏了水的吸力影响。

图2-9　INASHCO使用的分离技术的工作原理

第二是所谓的“弛张筛”，如图2-10所示，柔性的筛面在材料上施加一个“蹦床效应”，产生足够强的剪切力，释放粘贴在粗颗粒表面上的细颗粒。摇晃确保材料被混合，并使细组分通过穿孔。

图2-10　“弛张”筛示意图，用于潮湿黏稠炉渣的分类

2.2.1.3 破碎和筛分组合产生的选矿效应

破碎生活垃圾焚烧炉渣、建筑装修垃圾或其他含有一定量金属单质的固废时，可发生脆性材料与延性材料的“选择性破碎”，因为所有脆性材料即矿物材料，尺寸都缩小了，但金属的尺寸没有缩小，而只是形状发生了扁平化或扭曲化。如果采取极端做法，人们可以让废弃物通过一系列破碎机和研磨机，从而将矿物基质粉碎。接下来在筛网上处理材料，则粉碎的矿物基质将通过筛网，体积未缩小的金属积聚在粗组分中。于是金属得到富集，尤其是最粗的组分，在反复的破碎下，最终保留在筛网上的绝大多数是已成球状的发烫金属颗粒。不过，破碎和研磨的缺陷是，废弃物的力学特性被改变。如果矿物组分被用于道路建设，则破碎和研磨的组合很少见，或仅很小程度实施。不过，这一方法可在试验室内被用于可选金属评价。

岩石、矿物之间也可发生“选择性破碎”。在传统的岩石、矿物破碎方法中，无论岩石强度大小，一律破碎到一定的粒度以下。但人们已经注意到，完全破碎法本身就存在着破碎的选择性，硬度较小的岩石、矿物较多地分布在细粒级部分，而硬度较大的岩石、矿物较多地分布在粗粒级部分。选择性破碎分选就是对混合物料施加适当的作用力，使硬度较大的岩石、矿物不破碎或较少破碎，而硬度较小的岩石、矿物完全破碎或基本破碎，利用岩石、矿物强度的差异来强化破碎的选择性，使混合物料中硬度大的岩石、矿物基本保持原始粒度，而硬度小的岩石、矿物破碎成细粒，以使硬度不同的岩石、矿物分离开来。

许多固废如建筑垃圾、生活垃圾焚烧炉渣等，是各种组分的混杂堆积物，它们之间的强度差异较大（如砖块和石块），用普通破碎设备破碎时，存在着破碎选择性。如果设计合适的选择性破碎分选设备，人为地强化破碎过程中的选择性破碎现象，就能使软硬组分按照强度不同分离开来。这样，硬度高的石料可作为水泥混凝土或沥青混凝土的粗集料增值利用，而硬度低的组分可作为细集料或填料使用。