破碎的基础理论
一、破碎的目的
用外力克服固体废物质点间的内聚力而使大块固体废物分裂成小块的过程称为破碎；使小块固体废物颗粒分裂成细粉的过程称为磨碎。固体废物破碎的磨碎和磨碎的目的如下：
(1)使固体废物的容积减小，便于运输和贮存。
(2)为固体废物的分选提供所要求的入选粒度，以便有效地回收固体废物中的某种成分。(3)使固体废物的比表面积增加，提高焚烧、热分解、溶融等作业的稳定性和热效率。
（4）为固体废物的下一步加工作准备，例如，煤矸石的制砖、制水泥等，都要求把煤石破碎和磨碎到一定粒度以下，以便进一步加工制备使用。
（5）对破碎后的生活垃圾进行填埋处置时，压实密度高而均匀，可以加快复土还原。
(6)防止粗大、锋利的固体废物损坏分选、焚烧和热解等设备。
二、固体废物的机械强度和破碎方法
(一)固体废物的机械强度
固体废物的机械强度是指固体废物抗破碎的阻力。通常用静载下测定的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度来表示。
其中抗压强度最大，抗剪强度次之，抗弯强度较小，抗拉开强度最小。一般以固体废物的抗压强度为标准来衡量。抗压强度大于50MPa者为坚硬固体废物；40—25MPa者为中硬固体废物；小于25MPa者为软固体废物。固体废物的机械强度与废物颗粒的粒度有关，粒度小的废物颗粒，其宏观和微观裂缝比大粒度颗粒要少，因而机械强度较高。
在实际工程中，鉴于固体废物的硬度在一定程度上反映被破碎的难易程度，因而可以用废物的硬度表示其可碎性。众所周知，矿物的硬度可按莫式硬度分为十级，其硬度从小到大排列如下：(1)滑膏：(2)石膏：(3)方解石；(4)萤石；(5)灰石；(6)长石：(7)石英：(8)黄玉石；(9)刚玉；(10)金刚石。各种固体废物的硬度可通过与这些矿物相比较来确定。
另一种方法是按物料在破碎时的性状分为最坚硬物料、坚硬物料、中硬物料和软质物料四种，如表所示。
各种硬度物料的分类
软质物料中硬物料坚硬物料最坚硬物料
石棉矿石灰石铁矿物花岗岩
石膏矿白云石金属矿石刚玉
板石
砂岩电石碳化硅
软质石膏板泥灰石矿渣硬质熟料
烟煤岩盐烧结产品烧结镁砂
褐煤韧性化工原料
方土烁石
在需要破碎的废物中，大多数呈现脆性，废物在断裂之前的变形很小。但也有一些需要破碎的废物在常温下呈现较高的可塑性，这些废物用传统的破碎机难以破碎，需要采取特殊实施。例如，废橡胶在压力作用下能产生较大的塑性变形而裂，但可利用其低温变脆的性能而有效地破碎。又如破碎金属切削下来的金属屑，压力只能使其压实成团，但不能碎成小片或小条、粉末，必须采用特制的金属切削破碎机进行有效的破碎。
(二)破碎方法
按破碎固体物所用的外力，即消耗能量的形式可公为机械能破碎和非机械能破碎两类方法。机械能破碎是利用破碎工具(如破碎机的齿板、锤子、球磨机的钢球等)对固体废物施力而将其破碎的。非机械能破碎是利用电能、热能等对固体废物进行破碎的新方法，如低温破碎、热力破碎、减压破碎及超声破碎等。
目前广泛应用的是机械能破碎，主要有压碎、劈碎、折断、磨碎和冲击破碎等方法。
选择破碎方法时，需视固体废物的机械强度，特别是废物的硬度而定。对坚硬物采用挤压破碎和冲击破碎十分有效；对脆性废物则采用劈碎、冲击破碎为宜。
一般破碎机都是由两种或两种以上的破碎方法联合作用对固体废物进行破碎的，例如压碎和折断、冲击破碎和磨碎。
三、破碎比、破碎段与破碎流程
(一)破碎比与破碎段
在破碎过程中，原废物粒度与破碎后产物粒度的比值称为破碎比。破碎比表示废物粒度在破碎过程中减小的倍数，即表示废物被破碎的程度。破碎机的能量消耗和处理能力都与破碎有关。破碎比的计算方法有以下两种：
1．用废物破碎前的最大粒度(Dmax)与破碎后最大粒度(dmax)的比值来确定破碎比(i)i＝Dmax/dmax
用该法确定的破碎比称为极限破碎比，在工程设计中常被采用。根据最大块直径来选择破碎机给料口宽度。
2.用废物破碎前的平均粒度(Dcp)与破碎后平均粒度(dcp)的比值来确定破碎比(i)
i＝Dcp/dcp
该法确定的破碎比称为真实破碎比，能较真实地反映破碎程度，所以，在科研及理论研究中常被采用。
一般破碎机的平均破碎比在3—30之间，磨碎机破碎比可达40—400以上。
团体废物每经过一次破碎机或磨碎机称为一个破碎段，若要求破碎比不大，一段破碎即可满足。但对固体废物的分选，例如，浮选、磁选、电选等工艺来说，由于要求的入选粒度很细，破碎比很大，往往需要把几台破碎机依次串联，或根据需要把破碎机和磨碎机依次串联组成破碎和磨碎流程。对固体废物进行多次(段)破碎，其总破碎比等于各段破碎比(i1，i2，……，in)的乘积，即i＝i1×i2×i3×……×in
破碎段数是决定破碎工艺流程的基本指标，它主要决定破碎废物的原始粒度和最终粒度。破碎段数越多，破碎流程就越复杂，工程投资相应增加，因此，在可能的条件下，应尽量采用一段或两段流程。
(二)破碎流程
根据固体废物的性质、粒度大小，要求的破碎比和破碎机的类型，每段破碎流程可以有不同的组合方式。
1．单纯的破碎流程具有流程和破碎机组合简单、*作控制方便、占地面积少等优点，但只适用于对破碎产品粒度要求不高的场合。
2．带有预先筛分的破碎流程其特点是预先筛除废物中不需要破碎的细粒，相对地减少了进入破碎机的总给料量，同时有利于节能。
3．带有检查筛分的后两种破碎流程。其特点是能够将破碎产物中一部分大于所要求的产品粒度颗粒分离出来，送回破碎机进行再破碎，因此，可获得全部符合粒度要求的产品。
破碎机
选择破碎机类型时，必须综合考虑下列因素：①所需要的破碎能力；②固体废物的性质(如破碎对形状、硬度、密度、形状、含水率等)和颗粒的大小；③对破碎产品粒径大小、粒度组成、形状的要求；④供料方式：⑤安装*作场所情况等。破碎固体废物常用的破碎机类型有颚式破碎机、锤式破碎机、冲击式破碎机、剪切式破碎机、辊式破碎机和球磨机等。一、颚式破碎机
颚式破碎机有简单摆动和复杂摆动两种类型。
(一)简单摆动领式破碎机
简单摆动领式破碎机主要由机架、工作机构、传动机构、保险装置等部分组成。皮带轮带动偏心轴旋转时，偏心顶点牵动连杆上下运动，也就牵动前后推力板作舒张及收缩运动。从而使颚时而靠近固定颚，时而又离开固定颚。动领靠近固定额时京对破碎腔内的物料进行压碎、劈碎及折断。破碎后的物料在动颚后退时靠自重从破碎腔内落下。
(二)复杂摆动颚式破碎机
复杂摆动颚式破碎机从构造上看，复杂摆动颚式破碎机与简单摆动颚式破碎机的区别是少了一根动颚悬挂的心轴，动颚与连杆合为一个部件，没有垂直连杆，肘板也只有一块。可见，复杂摆动领式破碎机构造简单。但动颚的运动却较简单摆动颚式破碎机复杂，动颚在水平方向有摆动，同时在垂直方向也有运动，是一种复杂运动，不失为称复杂摆动颚式破碎机。
复杂摆动颚式破碎机的优点是它的破碎产品较细，破碎比大(一般可达4—8、简摆型只能达3—6)。规格相同时，复摆型比简摆型破碎能力高20—30％。
(三)颚式破碎机的特点及应用
颚式破碎机具有结构简单、坚固、维护方便、高度小、工作可靠等特点。在固体废物破碎处理中，主要用破碎强度及韧性高、腐蚀性强的废物。例如，煤矸石作为沸腾炉燃料，制砖和水泥原料时的破碎等。既可用于粗碎，也可用于中、细碎。二、锤式和冲击式破碎机(一)锤式破碎机1．锤式破碎机的类型锤式破碎机按转子数目可分为两类：一类是单转子锤式破碎机(只有一个转子)；另一类是双转子破碎机(它有两个作相对回转的转子)。单转子破碎机根据转子的旋转方向，又可分为可逆式(转子可两个方向转动)和不可逆式(转子只能一个方向转动)两种。
其工作原理是固体废物自上部给料口给入机内，立即遭受高速旋转的锤子的打击、冲击、剪切、研磨等作用而被破碎。锤子以铰链方式装在各圆盘之间的销轴上，可以在消轴上摆动。电动机带动主轴、圆盘、销轴和锤子的部件称为转子。在转子的下部设有筛板，破碎物料中小于筛孔尺寸的细粒通过筛板排出：大于筛孔尺寸的粗粒被阻留在筛板上并继续受到锤子的打击和研磨，最后通过筛板排出转子首先向某一个方向旋转，该方向的衬板、筛板和锤子端部就受到磨损。磨损到一定程度后，使转子改为另一方向旋转，利用锤子的另一端及另一个方向的衬板和筛板继续工作，从而继续工作的寿命几乎提高一倍。
锤子是破碎机的工作机件，通常用高锰钢或其它合金钢等制成。由于锤子前端磨损较快，设计时考虑到锤子磨损后能上下或前后调头。
目前专用于破碎固体废物的锤式破碎机有以下几种类型：
(1)BJD型普通锤式破碎机：图为BJD型普通锤式破碎机的构造图。该机主要用于破碎废旧家具、厨房用具、床垫、电视机、冰箱、洗衣机等大型废物。可以破碎到50mm左右。不能破碎的废物从旁路排除。
(2)BJD型破碎金属切屑锤式破碎机：图是BJD型破碎属切屑锤式破碎机的构造图。经该机破碎后，可使金属切屑的散体积减小3—8倍，便于运输至冶炼厂冶炼。锤子呈钩形，对属切屑施加剪切、拉撕等作用而破碎。
(3)HammerMills型锤式破碎机：HammerMills型锤式破碎机的构造如图所示。机体由压缩机和锤碎机两部人组成。大型固体废物先经压缩人压缩，再给入锤碎机破碎。转子由大小两种锤子组成，大锤子磨损后可转用小锤子破碎。锤子铰接挂在绕中心旋转的转子上作高速旋转，转子半周下方装有筛板，筛板两端装有固定反击板起二次破碎机和剪切作用。该机主要用于破碎废汽车等粗大固体废物。(4)Novorotor型双转子锤式破碎机：这种破碎机(如图)具有两个旋转方向的转子，转子下方均装有研磨板。物料自右方给入料口送入机内，经石方转子破碎后排至左方破碎腔，沿左研磨板运动3／4圆周后，借风力排至上部的旋转式风力分级。分级后的细粒产品自上方排龌猓τ糜诹２贩祷仄扑榛倨扑椤８没扑楸瓤纱?0。
2．锤式破碎机的应用
锤式破碎机主要用于破碎中等硬度且腐蚀性弱的固体废物。例如，煤矸石经一次破碎后小于25mm的粒度达95％，可送至球磨机磨细制造水泥。还可破碎含水分及油质量机物、纤维结构、弹性和韧性较强的木块、石棉水泥废料、回收石棉纤维和金属切屑等。
(二)冲击式破碎机
1．冲击式破碎机的类型
(1)Universa型冲击式破碎机：该机的板锤只有两个，利用一楔块或液压装置固定在转子的槽内，冲击板4用弹簧支承，由一组钢条组成(约10个)。冲击板下面是研磨板3，后面有筛条2。当要求破碎产品粒度为40mm时，仅用冲击板即可。研磨板和筛条可以拆除；当要求粒度为20mm时，需装上研磨板：当要求粒度较小或软物料且容重较轻时，则冲击板、研磨板和筛条都应装上。由于研磨板和筛条可以装上或拆下，因而对各种固体废物的破碎适应性较强。
(2)Hazemag型冲击式破碎机：该机主要用于破碎家具、电视机、杂器等生活废物。对于破布、金属丝等废物可通过月牙形、齿状打击刀和冲击板间隙进行挤压和剪切破碎。
2．冲击式破碎机的特点和应用
冲击式破碎机具有破碎比大、适应性强、构造简单、外形尺寸小、*作方便、易于维护等特点。适用于破碎中等硬度、软质、脆性、韧性以及纤维状等多种团体废物。我国在水泥、火力、发电、玻璃、化工、建材、冶金等工业部门广泛应用。
三、剪切式破碎机
剪切式破碎机是通过固定刀和可动刀(往复式刀或旋转式刀)之间的啮合作用，将固体废物切开或割裂适宜的形状和尺寸，特别适合破碎低二氧化硅含量的松散物料。
(一)VonROll型往复剪切式破碎机这种破碎机是由装配在横梁上的可动机架和固定框架构成。在框架下面连接着轴，往复刀和固定刀交错排列。当呈开口状态时，从侧面看上去，往复刀与固定刀呈V字形。庞大废物由上方给入，当V字形闭合时，废物被挤压破碎。虽然驱动速度慢，便驱动力很大。当破碎阻力超过最大值时，破碎机自然开启，避免损坏刀具。其处理量为80—150m3／h(因废物种类而异)，剪切尺寸为300mm。剪切普通钢废物时厚度达200mm。适用于城市垃圾焚烧厂的废物破碎。
(二)Lindemann型剪切式破碎机该机借助预压机压缩盖的闭合将废物压碎，然后再经剪切机剪断，剪切长度可由推杆控制。
(三)旋转剪切式破碎机废物给入料斗，被夹在旋转刀和固定刀之间的间隙内而被剪切破碎，破碎产品下落经筛缝排出机外。该机缺点是当混进硬度大的杂物时,易发生*作事故。
四、辊式破碎机
(一)辊式破碎机的类型
按辊子的特点可分为光辊破碎机和齿辊破碎机两种。光辊破碎机的辊子表面光滑，具压挤破碎兼有研磨作用。用于硬度较大的固体废物的中碎和细碎。齿辊破碎机辊子表面带有齿牙，主要破碎形式是劈碎。用于破碎脆性和含泥粘性废物。齿辊破碎机按齿辊数目又可分为单齿辊和双齿辊破碎机两种。
1．双齿辊破碎机
该机由两个相对转动的齿轮组成，固体废物由上方给入两齿辊中间，当两齿辊同步相对转动时，辊面上的齿牙将物料咬住并加以劈碎，破碎后产品随齿辊转动从下部排出。破碎产品粒度由两齿辊的间隙决定。
2．单齿辊破碎机
单齿辊破碎机由一个旋转的齿辊和一个固定的弧形破碎板组成。破碎板与齿辊之间形成上宽下窄的破碎腔。固体废物由上方给入破碎腔，大块物料在破碎腔上部被长齿劈碎，随后继续落在破碎腔下部进一步被齿辊轧碎，合格破碎产品从下部缝隙排出。
(二)辊式破碎机的特点
辊式破碎机的特点是能耗低、产品过度粉碎程度小，构造简单，工作可靠等。
五、球磨机
(一)球磨机的构造和工作原理
球磨机主要由圆柱形筒形、端盖、中空轴颈、轴承和传动大齿圈等部件组成。筒体内装有直径为25—150mm钢球，其装入量为整个简体有效容积的25—50％。筒体内壁敷设有衬板，除防止简体磨损外，兼有提升钢球的作用。筒体两端的中穿轴颈有两作用：一是起轴颈的支承作用，使球磨机全部重量经中空轴颈传给轴承和机座；二是起给料的漏斗作用。电动机通过联轴器和小齿轮带动大齿圈和筒体缓缓转动。当筒体转动时，在摩擦力、离心力和衬板共同作用下，钢球和物料被衬板提升。当提升到一定高度后，在钢球和物料本身重力作用下,产生自由泻落和抛落，从而对筒体内底脚区内的物料产生冲击和研磨作用，使物料粉碎。物料达到磨碎细度要求后，由风机抽出。
(二)球磨机的应用
磨碎在固体废物处理与利用中占有重要地位。对于矿业废物和工业废物尤其是这样。例如，在煤矸石生产水泥、砖瓦、矸石棉、化肥和得取化工原料等；在硫铁矿烧渣炼铁制造球团，回收有色金属、制造铁粉和化工原料、生产铸石等；电石渣生产水泥、砖瓦、回收化工原料等；钢渣生产水泥、砖瓦、化肥、溶剂等等过程都离不开球磨机对固体废物的磨碎。
低温破碎与湿式破碎
一、低温破碎
(一)低温破碎原理和流程
对于常温下难以破碎的固体废物如汽车轮胎、包覆电线、家用电器等，可利用其低温变脆的性能而有效地破碎。亦可利用不同的物质脆化温度的差异进行选择性破碎，即所谓低温破碎技术。
低温破碎通常采用液氮作致冷剂。液氮具有致冷温度低、无毒、无爆炸危险等优点。但制备液需耗用大量能源，故低温破碎的对象仅限于常温难破碎的废物，如橡胶和塑料。
低温破碎的工艺流程如图所示。将固体废物如钢丝胶管、汽车轮胎、塑料或橡胶包覆电线电缆、废家用电器等复合制品，先投入预冷装置，再进入浸没冷却装置，橡胶、塑料等易冷脆物质迅速脆化，送入高速冲击破碎机破碎，使易脆物质脱落粉碎。破碎产物再进入各种分选设备进行分选。
低温破碎与常温破碎相比，动力消耗可减至1／4以下，噪声降低4dB，振动减轻1／4—1／5。
(二)低温破碎的应用
1．塑料低温破碎
对塑料低温破碎的研究结果表明：①各种塑料的脆化点聚氯乙烯为-5—-20℃、聚乙烯为-95—-135℃、聚丙烯为0—-20℃。②将塑料放在4m长皮带运输机上，在装有300mm厚隔热板的冷却槽内移动。从槽顶喷入液氮，4min后温度降至-75℃；62min后温度降至-167℃。③采用仅具有拉伸、弯曲、压缩作用力的破碎机时，所需动力大于常温破碎。采用冲击式破碎机时，则低温破碎所需动力比常温破碎要小得多。
2．从有色金属混合物、废轮胎、包覆电线等废物中回收铜、铝及锌的低温破碎
美国某研究所研究结果表明，对25-75mm大小的混合金属用锤碎机低温破碎(-72℃，1min)25mm以下产物中可回收97％的铜，100％的铝(不合锌)；25mm以上产物中可回收2．8％的铜，100％的锌(不含铝)，说明能进行选择性破碎分离。3．汽车轮胎的低温破碎经皮带运输机1送来的废轮胎采用穿孔机2穿孔后，经喷洒式冷却装置3预冷，再送浸没式冷却装置4冷却。通过辊式破碎机5破碎分离成“橡胶和夹丝布”与“车轮圆缘”两部分。然后送至安有磁选机的皮带运输机6进行磁选。前者经锤碎机7次破碎后送筛选机8分离成不同粒度的产品，送至再生利用工序。
二、湿式破碎
(一)湿式破碎原理和设备
湿式破碎是利用特制的破碎机将投入机内的含纸垃圾和大量水流一起水流一起剧烈搅拌和破碎成为浆液的过程，从而可以回收垃圾中的纸纤维。这种使含纸垃圾浆液化的特制破碎机称为湿式破碎机。
在该机圆形槽底设有多孔筛，靠筛上安装的切割回转器(装有6把破碎刀)的旋转使投入的含纸垃圾大量水流一起在水槽中剧烈回顾旋搅拌和破碎成为浆液。浆液由底部筛孔排出，经固液分离将其中残渣分离出来，纸浆送至纸浆纤维回收工序进行洗涤、过筛脱水。难以破碎的筛上物质(如金属等)从破碎机侧口排出，再用斗式脱水提升机送至有磁选器的皮带运输机，将铁与非铁物质分离。
(二)湿式破碎的优点
湿式破碎具有以下优点：①使含纸垃圾变成均质浆状物，可按流体处理；②不孽生蛟蝇、无恶臭、卫生条件好；③噪声低、无发热、爆炸、粉尘等危害；④适用于回收垃圾中的纸类、玻璃及金属材料等。
三、半湿式选择性破碎分选
(一)半湿式选择性破碎分选原理和设备
半湿式选择性破碎分选是利用城市垃圾中各种不同物质的强度和脆性的差异，在一下湿度下破碎成不同粒度在碎块，然后通过不同筛孔加以分离的过程。由于该过程是在半湿(加少量水)状态下，通过兼有选择性破碎和筛分两种功能的装置中实现的，因此，把这种装置称为半湿式选择性破碎分选机。
该机由两段不同筛孔的外旋转圆筒筛和筛内与之反向旋转的破碎板构成。垃圾给入圆筒筛首端，并随筛壁上升而后在重力作用下抛落，同时被反向旋转的破碎板撞击，垃圾中脆性物质(如玻璃、陶瓷等)被破碎成细粒碎片，通过第一段筛网排出，剩余垃圾进入第二阶段筒筛，此段喷射水分，中等强度的纸类被破碎板破碎，从第二段筛网排出。最后剩余的垃圾(主要有金属、塑料、橡胶、木材、皮革等)从第三段排出。
(二)半湿式选择性破碎分选的特点
半湿式选择性破碎分选具有以下特点：①能使城市垃圾在一台设备中同时进行破碎和分选作业；②可有效地回收垃圾中的有用物质。从第Ⅰ组产物中可得到纯度为80％的堆肥原料——厨房垃圾；从第Ⅱ组产物中可回收纯度为85—95％的纸类；从第Ⅲ组产物中可得纯度为95％的塑料类，回收废铁纯度达98％；③对进料的适应性好，易破碎的废物首先破碎并及时排出，不会产生过粉碎现象。