固体废物破碎实验

1.　实验目的和意义

本实验为设计研究型实验。通过学生主设计固体废物的破碎实验，使学生初步了解破碎技术的原理和特点，掌握固体废物破碎设备和流程的相关知识。

2.　实验原理及概述

固体废物破碎是利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。磨碎是使小块固体废物颗粒分裂成细粉的过程。固体废物经破碎和磨碎后，粒度变得小而均匀，其目的如下：

（1） 原来不均匀的固体废物经破碎和磨碎之后容易均匀一致，可提高焚烧、热解、熔烧、压缩等作业的稳定性和处理效率。

（2） 固体废物粉碎后堆积密度减少，体积减小，便于压缩、运输、储存及高密度填埋和加速复土还原。

（3） 固体废物粉碎后，原来联生在一起的矿物或连接在一起的异种材料等单体分离，便于从中分选、拣选、回收有价物质和材料。

（4） 防止粗大、锋利的固体废物损坏分选、焚烧、热解等设备或炉腔。

（5） 为固体废物的下一步加工和资源化做准备。

在工程设计中，破碎比常采用废物破碎前的最大粒度（Dmax）与破碎后的最大粒度（dmax）之比来计算。这一破碎比称为极限破碎比。通常，根据最大物料直径来选择破碎机给料口的宽度。

需要说明的是，在理论研究中，破碎比常采用废物破碎前的平均粒度（Dcp）与破碎后的平均粒度（dcp）之比来计算。

3.　破碎设备与原理

破碎固体废物常用的破碎机类型有颚式破碎机、冲击式破碎机、辊式破碎机、剪切式破碎机、球磨机和特殊破碎机等。

1）颚式破碎机

颚式破碎机出现于1858年。它虽然是一种古老的破碎设备，但是由于具有构造简单、工作可靠、制造容易、维修方便等优点，所以至今仍获得广泛应用。颚式破碎机通常都是按照可动颚板（动颚）的运动特性来进行分类的，工业中应用最广的主要有5-1（a）和5-1（b）两种类型。

动颚做简单摆动的双肘板机构（简摆式）的颚式破碎机如图5-1（a）所示；动颚做复杂摆动的单肘板机构（复摆式）的颚式破碎机如图5-1（b）所示。近年来，液压技术在破碎设备上得到应用，出现了液压颚式破碎机，如图5-1（c）所示。

图5-1　颚式破碎机主要类型

（a）简摆式颚式破碎机；（b）复摆式颚式破碎机；（c）液压颚式破碎机
1—固定颚板；2—动颚悬挂轴；3—可动颚板；4—前（后）推力板；5—偏心轴；6—连杆；7—连杆液压油缸；8—调整液压油缸

图5-2所示为国产2 100 mm×1 500 mm简摆式颚式破碎机的构造。它主要是由机架、工作机构、传动机构和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做舒张及收缩运动，从而使动颚时而靠近固定颚，时而又离开固定颚。动颚靠近固定颚时就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。

图5-2　简摆式颚式破碎机的构造

1—机架；2—破碎齿板；3—侧面衬板；4—破碎齿板；5—可动颚板；6—心轴；7—飞轮；8—偏心轴；9—边杆；10—弹簧；11—拉杆；12—砌块；13—后推力板；14—肘板支座；15—前推力板

图5-3所示为复摆式颚式破碎机的构造。从构造上看，复摆式颚式破碎机与简摆式颚式破碎机的区别只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，复摆式颚式破碎机构造简单，但动颚的运动却较简摆式颚式破碎机复杂，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，故称复式摆式颚式破碎机。复摆式颚式破碎机的优点是破碎产品较细，破碎比大（一般可达4～8，简摆式只能达3～6）。规格相同时，复摆式颚式破碎机比简摆式颚式破碎机的破碎能力高20%～ 30%。

图5-3　复摆式颚式破碎机的构造

1—机架；2—可动颚板；3—固定颚板；4，5—破碎齿板；6—偏心转动轴；7—轴孔；8—飞轮；9—肘板；10—调节楔；11—楔块；12—水平拉杆；13—弹簧

2）冲击式破碎机

冲击破碎机大多是旋转式，都是利用冲击作用进行破碎的。其工作原理是：给入破碎机空间的物料块被绕中心轴高速旋转的转子猛烈冲击后，受到第一次破碎，然后从转子获得能量高速飞向坚硬的机壁，受到第二次破碎。在冲击过程中弹回的物料再次被转子击碎，难于破解的物料被转子和固定型板挟持而剪断。破碎产品由下部排出。

冲击式破碎机的主要类型有反击式破碎机、锤式破碎机和笼式破碎机。这3类破碎机的规格都是以转子的直径和长度表示的。下面介绍目前国内外应用较多、适用于破碎各种固体废物的冲击式破碎机。

（1） 反击式破碎机。

反击式破碎机是一种新型高效的破碎设备，它具有破碎比大、适应性广（可破碎中硬、软、脆、韧性、纤维性物料）、构造简单、外形尺寸小、安全方便、易于维护等许多优点，在我国水泥、火电、玻璃、化工、建材、冶金等工业部门广泛应用。反击式破碎机生产率和电动机功率按下面的公式计算。

式中　k1——0.1；

z——转子上板锤的数目；

h——板锤的高度，m；

δ——板锤与反击板之间的间隙，m；

B——板锤宽度，m；

d′——排料粒度，m；

n——转子转数，r/min；

r——破碎产品堆密度，t/m3；

k2——0.5～1.4 kW。

图5-4所示为Hazemag式反击式破碎机。该机装有两块反击板（也叫冲撞板），形成两个破碎腔。转子上安装有两个坚硬的板锤。机构内表面装有特殊的钢制衬板，用以保护机体不受损坏。

图5-4　Hazemag式反击式破碎机

固体废物从上部给入，在冲击和剪切作用下被破碎。该机主要用于破碎家具、器具、电视机、草垫等大型固体废物，处理能力为50～60 m3/h，碎块为30 cm；也可以用来破碎瓶类、罐头等不燃固体废物，处理能力为50～90 m3/h。

（2） 锤式破碎机。

锤式破碎机可分为单转子和双转子两种。单转子又可分为可逆式和不可逆式两种，如图5-5所示。目前普遍采用的为可逆式单转子破碎机。

图5-5 锤式破碎机

（a）不可逆式；（b）可逆式
1—检修孔；2—盖板；3，4—螺栓；5—盖板；6—检修孔

其工作原理是：固体废物自上部给料口给入机内，立即遭到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，可以在销轴上摆动。电动机带动主轴、圆盘、销轴以及锤子以高速旋转。这个包括主轴、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小颗粒通过筛板排出；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，最后经过再次破碎后由筛板排出。图5-5（a）所示为不可逆式破碎机，转子的转动方向如箭头所示。图5-5（b）所示为可逆式锤式破碎机。转子首先向某一个方向移动，该方向的衬板、筛板和锤子端部受到磨损。磨损到一定程度后，转子改为另一个方向旋转，利用锤子的另一端有另一个方向的衬板和筛板继续工作，从而使机器连续工作的寿命几乎提高了一倍。

锤子是破碎机的主要工作机件，通常用高锰钢或其他合金钢等制成。由于锤子的前端磨损较快，所以设计时应考虑锤子磨损后能上下或前后调养。

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5-6所示为BJD型普通锤式破碎机的构造。该机主要用于破碎废旧家具、厨房用具、床垫、电视机、冰箱、洗衣机等大型固体废物，可以破碎到50 mm左右，不能破碎的固体废物从旁路排出。

图5-6　BJD型普通锤式破碎机的构造
1—测量头；2—格栅；3—旁路；4—锤

②　BJD型破碎金属切屑式锤式破碎机。图5-7所示为BJD型破碎金属切屑式锤式破碎机的构造。经该机破碎后，金属切屑的松散体积减小3～8倍，便于运输至冶炼厂冶炼。锤子呈勾形，对金属切屑施加剪切、拉撕等作用力而破碎。

图5-7　BJD型破碎金属切屑式锤式破碎机的构造
1—衬板；2—弹簧；3—锤子；4—筛条；5—小门；6—非破碎物收集区；7—进料口

③　Hammer Mills型锤式破碎机。Hammer Mills型锤式破碎机的构造如图5-8所示。机体由压缩机和锤碎机两部分组成，大型固体废物先经压缩机压缩，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。锤子铰接悬挂在绕中心旋转的转子上做高速旋转，转子半周下方装有筛板，筛板两端装有固定反击板，起二次破碎和剪切作用。该机主要用于废汽车等粗大固体废物的破碎。

图5-8 Hammer Mills型锤式破碎机构造
1—破碎机本体；2—小锤头；3—大锤头；4—压缩给料机；5—切断垫圈；6—栅条

④　Novorotor型双转子锤式破碎机。Novorotor型双转子锤式破碎机的构造如图5-9所示，该机具有两个旋转方向的转子，转子下方均装有研磨板。物料自右方给料口关入机内，经右方转子破碎后排入左方的破碎腔，经左方研磨板运动3/4圆周后借助风力排至上部旋转式风力分级机，分级后的细粒产品自上方排出机外，粗粒产品返回破碎机再度破碎。该机的破碎比可达30。

⑤　辊式破碎机，又称对辊破碎机。其具有结构简单、紧凑、轻便及工作可靠、价格低廉等优点，广泛用于处理脆性物料和含泥黏性物料，作为中、细破碎之用。图5-10所示为辊式破碎机的构造。该机的工作过程是：旋转的工作转辊借助摩擦力将给到它上面的物料块拉入破碎腔内，使之受到挤压和磨削作用（有时还兼有劈碎和剪切作用）而破碎，最后由转辊带出破碎腔成为破碎产品排出。按辊子表面构造分为光滑辊面和非光滑辊面（齿辊或沟槽辊）两大类。前者处理硬性物料，后者处理脆性物料。

图5-9　Novorotor型双转子锤式破碎机的构造
1—细料级产品出口；2—风力分级机；3—物料入口

图5-10　辊式破碎机的构造
（a）单可动辊式；（b）双可动辊式

光滑辊面只能是双辊机；非光滑辊面则可以是单辊机、双辊机和三辊机，但在通常的生产工艺中很少使用三辊机。

各种对辊机又可分为固定轴承、单可动和双可动轴承三种。固定轴承对辊机因异物落入后容易被破坏，现在已经不再使用；双可动轴承对辊机的优点是机座不受破碎力的影响，但因为构造相对复杂，故现在也已不再使用。

对辊机按两个辊的转速一般分为快速（周速4～7.5 m/s）、慢速（周速2～3 m/s）和差速3种。快速对辊机生产率高，是工业中最常用的一种。

辊式破碎机传动装置分为单式传动和复式传动两种，规格用辊子直径D×长度L表示。辊式破碎机生产率Q（t/h）和电动机功率N可分别用下式表示：

式中　n——辊子转速，r/min；

r0——破碎产品的堆密度，t/m3；

d——破碎产品的最大粒度，m；

L——辊子长度，m；

D′——辊子直径，m；

η——辊子长度利用系数和排料松散度系数（对于中硬物料，η为0.2～0.3；

对于黏性和潮湿物料，η为0.4～0.6）。

式中　v——辊皮的圆周速度，m/s；

k——系数（k=0.6dD+0.15；D和d为给料与排料粒度）；

N——分别为光辊和齿辊电动机功率，kW。

图5-11所示为双辊式（光面）破碎机结构，它由破碎辊、调整装置、弹簧保险装置、传动装置和机架等组成。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。

3） 剪切式破碎机

这类破碎机安装固定刃和可动刃，可动刃分为往复刃和回转刃，其作用是将固体废物剪切成段或块。

（1） 往复剪切破碎机。

图5-12所示为Von Roll型往复剪切式破碎机结构，固定刃和可动刃通过下端活动铰轴连接，像一把无柄剪刀。开口时侧面呈V形破碎腔。固体废物投入后，通过液压装置缓缓将活动刃推向定刃，将固体废物剪成碎片（块）。

图5-11　双辊式（光面）破碎机结构

图5-12　Von Roll型往复剪切式破碎机结构

往复剪切破碎机一般具有7片固定刃和6片活动刃。刃的宽度为30 mm，由特殊钢制成，磨损后可以更换。液压油泵最高压力为130 kgf/cm2（1 kgf/cm2=98.066 5 kPa），功率为37 kW，电压为220 V。该机的处理时速为80～150 m3/h（会因固废物种类而略有不同），可将厚度为200 mm的普通钢板剪至30 mm，适用于城市垃圾焚烧厂的固体废物破碎。

（2） Lindemann式剪切破碎机。

如图5-13所示，该机分为预备压缩机和剪切机两部分。固体废物送入后先压缩，再剪切。预备压缩机通过一对钳形压块的开闭将固体废物压缩。压块一端固定在机座上，另一端由液压杆推进或拉回。剪切机由送料器、压紧器和剪切刀片组成。送料将固体废物每推进一次，压块就将固体废物压紧定位，剪刀从上往下将固体废物剪断，如此往复工作。

（3） 旋转剪切破碎机。

旋转剪切破碎机的结构构造示意图如5-14所示。该机由固定刃（1～2片）和旋转刃（3～5）片及投入装置等构成，固体废物在固定刃和旋转刃之间被剪断。该机的缺点是当混进硬度较大的杂物时，容易发生操作事故。

图5-13　Lindemann式剪切破碎机
（a）预备压缩机；（b）剪切机

图5-14　旋转剪切破碎机的结构构造

4） 球磨机

图5-15所示为球磨机的构造示意图。该设备主要由圆柱形筒体、端盖、中空轴承、轴承和传动大齿轮组成。筒体内装有直径为25～150 mm的钢球，两端装有中空轴颈。中空轴颈有两个作用：一是起轴承的支承作用，使球磨机全部重量经中空轴颈传给轴承和机座；二是起给料和排料的漏斗作用，电动机通过联轴器与小齿轮带动大齿圈和筒体慢慢转动。当筒体转动时，在摩擦力、离心力和衬板共同作用下，产生自由下落和抛落，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。物料达到磨碎细度后由风机抽出。

图5-15　球磨机的构造示意图
1—筒体；2—端盖；3—轴承；4—大齿轮

磨碎在固体废物处理与利用中占有重要地位。例如，用煤矸石生产水泥、砖瓦、矸石棉、化肥和提取化工原料等，用钢渣生产水泥、砖瓦、化肥、溶剂以及对垃圾堆肥深加工等过程都离不开球磨机对固体废物的磨碎。

4.　实验内容及步骤

（1） 实验设备。

颚式破碎机主要用于破碎各种中等硬度的岩石、矿石和固体废物，是冶金、环境、建材化工等行业及其实验室中的重要设备。

100（150）破碎机主要技术参数为：进料口尺寸100（150）mm；最大进料尺寸100（150）mm；排料口尺寸5～25 mm；电动机型号YO-31-4；转速1 400 r/min；功率2.2 kW；外形尺寸（长×宽×高）为615×380×620 mm；重量190 kg；生产率480～1 800 kg/h。

本机器主要由机体、偏心轴、连杆、颚板以及调节机构等主要部分组成，通过三角皮带将动力传给连杆，带动活动颚板进行破碎物料。出料粒度通过手轮、横杆等进行调节。

机体由铸铁制成，上部有支承偏心轴的孔，前壁装有固定颚板，壁装有调节螺杆等装置，两侧均装有衬板。

偏心轴两侧的圆锥滚子轴承支承于机体上；两端安装皮带轮及飞轮，间的两圆锥滚子轴承/与连杆连接。

连杆是由球墨铸铁制成的，上面装有活动鄂板，下面的凹槽是调节机构的支撑点，调节机构的作用是调节并控制出料粒度。它是通过转动小手轮带动螺母与调节螺杆产生相对运动从而达到调节和控制的目的，调节机构的一端支撑在连杆上，另一端通过横杆支撑于机体上。

固定鄂板和游动颚板采用耐磨性好的高锰钢铸成。

（2） 设备使用时应该注意的事项。

①　机体安装基础必须牢靠、平整，以防机体受力不均引起破裂。

②　试车前必须检查破碎机的各个紧固件是否紧固，用手转动皮带轮，并观察其是否灵活。若发现不正常，则应查明原因，予以排除，之后方可试车。

③　试车时必须空载，空载试车时，旋动小手轮以检查调节机构是否灵活、有无润滑油，空载10 min后无异常现象方可使用。

④　破碎物料的硬度最好不要超过中等硬度，以免加快零件的损坏，减少零件寿命。

⑤　为了出料方便，安装时可适当提高整机的安装高度。

（3） 实验材料的准备及实验。

①　自备典型城市生活垃圾、工业垃圾、建筑垃圾等1 kg。

②　分选可以用颚式破碎机破碎的垃圾，最大尺寸小于100 mm。

③　实验操作过程要做好记录：根据破碎机的使用说明书，确定实验步骤，观察破碎前后物料的物理尺寸和表面化学变化，并对实验材料破碎前后体积和质量进行详细的记录。

④　启动破碎机数分钟后，将垃圾投入破碎机进行破碎。

⑤　将破碎样品收集，进行筛分。

⑥　根据以上实验记录及数据计算，完成实验报告，并对实验结果进行讨论，分析误差产生原因，并提出实验改进意见与建议。

（4） 实验结果处理。

①　实验结果计算：根据实验过程的数据记录，对固体废物堆积密度及变化、体积减小百分比及破碎比进行计算。

②　计算生产率。

5.　讨论

（1） 简述各种破碎机的特点。

（2） 简述固体废物堆积密度及变化、体积减小百分比和破碎比的计算方法。

（3） 提出实验改进意见与建议。