大件垃圾处理厂资源化利用工艺升级与优化

林晔琪?徐期勇?刘建国?孙立兵?肖进文?陈钦冬

一、引言

大件垃圾是指重量超过5千克或体积大于0.2立方米或长度超过1米，且整体性强而需要拆解后再利用或处理的废弃物（如废家具），以及各种废家用电器、电子产品等。随着居民生活条件的改善，大件垃圾清运量逐年上涨。据统计，2020年深圳全市建成拆除处理设施16处，日均收运量达1148吨。

国外的大件垃圾处置主要以焚烧和填埋为主。我国在“十四五”规划中提出要全面提高资源利用效率，推行垃圾分类和减量化、资源化，减少废物进入终端的焚烧或填埋处置。《深圳市大件垃圾回收利用管理办法》中规定，“进入填埋场的处置量不得超过进厂大件垃圾重量的15%”。但大件垃圾整体性强，需要拆解后才能再生利用。然而，我国大件垃圾处理现有的自动化拆解设备出料杂质含量高，且处理效率低，难以实现有效的资源化利用，其技术、装备、工艺路线仍有改进提升的空间。

本文实地调研了经过工艺路线和设备升级的深圳市石岩大件垃圾处理厂，通过实验测算，研究探讨了新旧处理工艺与人工拆解程度对产物资源化和处理效率的影响，以明晰人工与机械化的协同作用，为城市大件垃圾的资源化处理提供一定的理论科学依据。

二、采样及分析方法

（一）采样方法

本研究以深圳市宝安区石岩大件垃圾处理厂为对象，处理的物料以沙发、木椅、床垫、棕榈为主。根据此前的研究，椅类占比最高，超过50%，其中皮革沙发的组分复杂，因此实验选取皮革沙发作为实验原料，以更好地研究两个系统的差异。

基于实际生产情况，实验选取了三种人工拆解工况与处理工艺进行协同处理：（1）不拆解，物料不进行人工拆解直接投入处理系统（图1a）；（2）简单拆解，人工拆出物料外层的大块海绵与皮革后投入处理系统（图1c）；（3）精细拆解，人工拆出物料的皮革、外层的大块海绵、内衬的各小块海绵后投入处理系统（图1d）。三种拆解工况均以两个三人沙发为一批投入处理系统，通过人工分选与称重计算各个出料口中木质、海绵、皮革或布料、金屬的质量（图1b），用于计算出料口的出口品质与总体回收率。实验重复两次。

（二）参数计算

1．出口品质与回收率

实验采用出口品质（Q）计算了出料中可回收的木质、金属占各出料口质量之和的比重。总回收率（G）表征了出口品质达到90%以上的出料加上手工拆出的可回收海绵占处理的总质量的比重，具体的计算如式（1）～式（4）所示。

其中，Q新、Q旧，G新、G旧分别代表新处理工艺和旧处理工艺的出口品质和总回收率；m1为筛下物出口中木质的质量，m2为轻物质出口中木质的质量，m3为重物质出口中木质的质量，m4为磁选机出口金属的质量；M1为筛下物出口的总质量，M2为轻物质出口的总质量，M3为重物质出口的总质量，M4为磁选机出口的总质量；Ma为手工拆出的海绵的质量，M为皮革沙发的总重量。

2．人力成本敏感系数

人力成本敏感系数表征了在“简单拆解对比不拆解”与“精细拆解对比简单拆解”的情境下，出口品质或总回收率的变化与上述两种情境人力拆解时间差值的比值，具体计算公式如式（5）～式（8）所示。

其中，T新1和T新1，Y新1和Y新2分别代表新工艺中“简单拆解对比不拆解”及“精细拆解对比简单拆解”的出口品质和总回收率人力成本敏感系数；QA、QB、QC分别代表新处理工艺精细拆解、简单拆解、不拆解的出料品质，GA、GB、GC代表新处理工艺精细拆解、简单拆解、不拆解的总回收率，tA、tB、tC代表精细拆解、简单拆解、不拆解的拆解时间。旧工艺的出口品质人力成本敏感系数T旧1和T旧2，回收率人力成本敏感系数Y旧1和Y旧2采用与新工艺同等的方法计算。

3．碳排放与碳回收

本研究分析了实验中两种处理工艺的三种拆解工况处理6小时后的碳排放情况，核算边界和计算过程参考国家发展和改革委员会印发的《工业其他行业企业温室气体排放核算方法与报告指南（试行）》及相关碳排放评估的文献，包含运输环节、拆解环节、末端处置和回收利用环节。净碳排放量ECO2由式（9）计算，研究单元的碳排放因子如表1所示。

单位净碳排放量E单位由式（10）计算：

式中，B电为外购的电力消费量，EF电为电力供应的二氧化碳排放因子，F焚烧为焚烧量，EF焚烧为焚烧产生的碳排放因子，Mi为再生资源i的回收量，COEFraw，i为再生资源i的隐含碳，COEFre，i为再生资源i替代的原生材料隐含碳，D运输为货车运输产生的距离，W载重为货车的载重量，EF运输为货车运输过程的碳排放因子，L为处理量。

三、结果与讨论

（一）工艺升级

两种工艺的流程对比如图2所示，新处理工艺改进了拆解系统，增加了3D分选结构。其中，破碎机的齿距及运转速率是影响破碎物料尺寸分布特性的主要因素，而筛板孔径和风机功率则是影响分选效率和品质的关键参数，具体参数如表2所示。通过统一调试，两部分系统间耦合更加紧密。

3D分选装置弹跳筛在驱动电机的作用下，由主轴、被动轴、偏心轮组成的主被动传动机构与支承座和筛板连接，形成平行的四杆机构，筛板产生类似于跳跃的往复循环运动，通过筛孔使物料完成分离，并实现筛上物料的继续输送过程，相比常规的震筛机可以实现连续运行。由于布料、海绵和皮革等物料在破碎机中更难以被破碎，在通过筛选之后更多的会被留在筛上；相比大尺寸的木块，这些物料还有面积大、质量小的特点，因此可以通过风选将该部分物料进一步分离。通过3D分选机的筛选，可以将物料分为粒径大的、重的、能滚动的大木块（3D），粒径小的、弹跳效果差的小木块（1D），尺寸大、弹跳效果差的、扁平的、轻的杂质（2D）三个出口。

（二）产物品质及资源化

大件垃圾处理后出料的木质及金属组分具有较高的回收利用价值，其中木质组分作为皮革沙发中质量占比最大的部分，其回收利用很大程度影响了皮革沙发的资源化水平。木质作为生物质可用于热力发电，然而混杂其中的皮革、海绵等会产生结渣等问题，影响锅炉热转化效率，因此生物质电厂在回收木质组分时通常对木质成分外的含杂率有控制要求，本实验以含杂率小于10%为控制条件，即出料品质超过90%。

在使用同组的熟练工人的情况下，拆解120（±5）kg皮革沙发时，精细拆解（848 s）比简单拆（362 s）解耗时增加1.34倍。据图3可以看到随着人工拆解趋于精细，新旧处理工艺的出口品质及总回收率均出现不同程度的提升。从不拆解到简单拆解的过程，由于皮革沙发中海绵更多地被直接回收，新旧工艺的回收率分别提升了17%与13%。而从简单拆解到精细拆解的过程，回收率的提升更多的是来源于其他不可回收轻质物被筛分，新旧工艺的回收率分别提升了4%与63%，旧工艺的回收率提升幅度更为显著，体现了人工拆解对于旧工艺处理的重要性。与此同时，人工拆解不稳定性大，出料品质数据波动显著大于精细拆解。

在出料品质方面，新处理工艺的三种拆解工况下出口品质均大于90%，而旧处理工艺仅在精细拆解的工况下可以达到90%以上。出口品质是影响产物回收利用的主要因素，因此新系统的回收率均维持在较高水平（55%～78%）。与之相比，旧处理工艺三种拆解工况的回收率波动较大（1%～77%）。旧处理工艺受到人工拆解状况影响的波动更大，主要原因为旧处理工艺出料的品质均很难高于90%，无法满足进一步回收的出料品质。

综上所述，人工在提升大件垃圾资源化水平方面有不可或缺的作用，但新处理工艺的筛分能力更强，其有效地减少了对人工拆解的依赖，因此，新处理工艺相比旧处理工艺将有更好的应用前景。

（三）人力成本敏感系数分析

人力成本支出占大件垃圾处理费用中的重要部分，有必要用更为直观的指标指证人工与机械化协同的平衡点位。基于此，本研究用“人力成本敏感系数”分析人力支出的推升在处理过程中所能回馈的效益。人力成本敏感系数越高，反映该种条件下人力投入产生越高的反馈值。

人力成本敏感系數计算结果如图4所示，T新1和Y新1分别为2.19×10-4和5.59×10-4，而T新2和Y新2仅为2.79×10-5和7.87×10-5。这首先说明了相较于出口品质，总回收率对人力的投入其反馈更为敏感，这可以归因人工拆出的海绵直接影响了总体回收率。其次，对于新处理工艺，使用简单拆解的工况就已经达到了理想的品质和回收率，在此基础上继续投入人力将使得边际效益更为不显著；对于旧处理工艺，在简单拆解的情境下继续投入人力，出料的出口品质和回收率依旧可获得较大的提升，以回收率为例，Y旧1是Y旧2的2.91倍，说明旧处理工艺的精细拆解是十分必要的（表3）。

（四）碳排放与碳回收分析

从各研究单元的碳排放可以看出（图5、图6），新旧两种工艺不可回收物焚烧所产生的碳排放是总体碳排放中占比最高的环节，旧工艺为90%，新工艺为78%，分别是碳排量中占比第二的外购电力碳排放的4.6倍和18倍，因此控制不可回收物的产生将大幅减少焚烧产生的碳排放。虽然可回收金属替代原生材料的碳排放因子较高，但回收量较少，因此两种工艺所产生的负碳效益均不足5%。对于木材与海绵的回收，新处理工艺产生的木材与海绵回收物减排是旧处理工艺的2.2倍和32%，说明对于新处理工艺来说，木质是主要被回收物，但旧处理工艺的筛分能力不足，导致木质物回收不足，回收物主要依赖人工拆解出的海绵。

新处理系统引入了3D分选设备和双轴破碎机，增加的能耗对比旧處理工艺额外产生了50%的外购电力碳排放量，但新设备对处理资源化水平的提升，使得残余物及其运输所产生的碳排放总计减少了128%，回收物替代原生材料所产生的负碳效益增加了176%。综合来看，新处理工艺相比旧工艺的总排量减少了59%，新旧两种处理工艺的单位净排量分别为-1.06 kgCO2/kg与-0.03 kgCO2/kg，新处理工艺相比旧处理工艺有更好的环境效益。

由表4对两种工艺的三种拆解工况进行分析可以发现，新处理工艺所有拆解工况都能满足负碳效益，而简单拆解单位净排量（-1.3 kgCO2/kg）对比不拆解的单位净排量（-1.4 kgCO2/kg）差值仅有0.1 kgCO2/kg，综合经济效益，可以认为简单拆解在保证了环境效益的前提下，是更优的拆解工况。相比新处理工艺，旧处理工艺仅在精细拆解这一工况下满足单位净排量的负碳效益。

四、结论

随着处理工艺的升级，旧处理工艺在资源化率、对环境的友好性上与新处理系统均体现了一定差距。

一是两种处理工艺对于人工拆解都是必要的，旧处理工艺仅在精细拆解的工况下达到理想的资源化水平，对于新处理工艺来说，简单拆解为最优的拆解工况。

二是新处理工艺增加了3D分选系统，优化了处理流程，有效地提升了处理能力与资源化水平。在人工简单拆解工况下新处理工艺相比旧处理工艺出口品质提升了38%，回收率提升了429%。

三是新处理工艺具有更好的环境效益，焚烧是处理过程最大的碳排放源，木材是最大的回收源。

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（责任编辑：荣荣）