（机械电子工程专业论文）城市生活垃圾塑料分选技术及设备研究.pdf

型量垡丝丝垒一。，。， ，。：塑錾 摘要 废弃塑料在城市生活垃圾中占有相当大的比例，其含量正呈逐年上升的趋势，对塑 料进行分选和资源化利用势在必行。本文分析了对我国城市生活垃圾中的废弃塑料进行 分选、回收利用的必要性，对城市生活垃圾塑料分选技术与设备进行了较为深入系统的 研究，创造性地提出了变重式塑料分选的整体技术，开发了具有自主知识产权的城市生 活垃圾塑料分选设备。 分析了我国城市生活垃圾的组成成分，用灰色系统理论对垃圾组分进行了预测分析， 提出了对城市生活垃圾处理模式进行综合评价的方法，这种方法对我国城市垃圾整治计 划及城市发展长远规划制定和实施有重要指导意义。 对塑料分选技术进行了理论研究，研究了塑料分选设备的工作机理。对物料体在分 选设备中的运动进行了分析，建立了物料体在风选设备中的数学模型，确定了分选设备 的主要参数与分选率的关系，为塑料分选设备的设计和制造打下了理论基础。 研制了城市生活垃圾塑料分选试验台，通过试验确定了塑料分选过程中重要的运动 参数和结构参数，塑料分选率的大小及变化规律填补了国内垃圾塑料分选研究中各参 数对分选率影响研究的空白。 分析了现有塑料分选设备存在的问题，提出了城市生活垃圾塑料分选设备的设计目 标，全面地研究了塑料分选设备各个功能模块的组成特点，并针对设计目标进行了创新 设计。 本研究项目是山东省优秀中青年科学家科研奖励基金项目( 0 2 b s l l 2 ) 的一部分。 关键词：生活垃圾，废弃塑料，分选，变重技术，风力分选，分选设备 山东理t 火学坝十学位论文一 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e 踟o u n to fw a s t e p l a s t i c s 恤m s wi si n c r e a s i n gd a yb yd a y s 印a r a t i o n a 1 1 d r e c l a m a t i o no f p l a s t i c sa r ei m p e r a t i v eu n d e rt | l es i t l l a t i o n ，t h j sp a p e ra n a l y z e dt 1 1 en e c e s s a r yo f t h es e p a m t i n gp l a s t i ca 1 1 dr e c y c l i n gp l 踮t i c 的mt h em s wa t h o m u 曲s t l l d yo nm s wp l a s t i c s s e p a r a t i o nt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ti st a k e n as c h e m en a r n e dc h a l l g e d e n s 时t e c h 证q u ei s d e v e l o p e dc r e a t i v e l y t h e p l a s c i c ss 印a m n o no q u i p m e n t w ed e v e l o p o dh a s i n d e p e n d e m i n l e l l e c t u a lp r o p e r t y n l ec o m p o n e n t 姐dc h a r a c t e n s t i c so fm s wi n o u rc o l l l l 时w a sa n a l y z e d ，a i l dt h e c o m p o n e n t 。f m s w w a se v a l u a t e d b y 印p l y i n g t 1 1 et h e o r y o f g r a ys ”t 咖，a j u d g i n go f m s w d i s p 。s a lm e t h o di sp r e s e n t e d t 1 1 i sm e t h o d w a sv a l u a b l ef 研o p e r a t i o np l a l lo fm s wa n dc i t y p 1 锄血唱 n ep r i n c i p l eo fp l a s t i c s s e p a r a 石o nt c c h n o l o g y a n d e q u i p n l e n t w a s a n a l y z e d a m a t h e m a t i c a im o d e l 南rm em o n o no fw a s t co b j e c ti no q u i p m e n tw a sd e v e j o p e d t h er e l a 石o n b e t w e e n p a r a m e t e r s o fs e p a r a t i n g p l a s t i c a n dt h e s 印a r a d o ne 伍c i e n c y o fm es e p a r a t i o n e q u i p m e n tw a sd e d u c c d ，t h u sp r o v i d i n g ac e r t a i nb a s i sf o rd e v e l o p i r 冯p l a s t i c ss 印锄t i o n e q u i p m e n t n 啪u 曲a n a l y z i n gd i 腩r e n ts e p a r a t es c h e m e ，t h i sp 印e rp u t f o n a r dac h a i l 护d e l l s 时 t e s t b e d t h em o t i o np a r a m e t e r so fs c p a r a t i n gp l a s d cw e r e 百v e l l ，a i l dt t l ek e yt 砌q u e w a s s o l v e d t h i se q u i p m e n tm l s u p m eb l a l l ko f m em s w s 印a r a c i n ge q u i p m e l l t ， n l ed i s a d v a n t a g e so f p r e s e n tp l a 鲥c ss 印a r a f i o nc q u i p m e n t a r ea i l a l y z e d ，a 1 1 dt h et a 唱e t s 。f n e w ，s t y l ep l a s t i c ss e p a r a i i o ne q u i p m c n ta r ed e v e l o p e d i t i s a n a l y z e de l a b o r a t e l yt | l a t t h e p r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c s 肌dm o d u l e so fp l a s d c ss 印a m c i o ne q u i p m e n t a n d 吐1 e 岫o v a 矗n g d e s i 印h a s b e e nd o n ea c c o r d i n gt om e t a 玛e t so f p l a s n c ss 印a r a t i o ne q u i p m e n t t h i sr e s e a r c hh a sb e e ns u p p o r c e db ye x c e l l e n ty o u t hs c i e n t i s th o n o rf u n do fs h a n d o n g p r o v i n c e i ti sap a r co f m ei t e m s ( 0 2 b s1 1 2 ) k e yw o r d s ：m s w w a s t ep l a s t i c s ，s c p a r a t i o n ，c h a n 百n gd e n s i t yt e c h n 0 1 0 9 y ， w i n d s e p a r a t i o n ，s 印a r a t i o ne q u i p m e n t 儿l 山东王! l ! t 人学蹦一j j 学位论文 j ，6 7 p 7 札 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在指导教师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加阻标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而是 用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确地说 明并表示了谢意。 研究生躲付苏滚时间：睁年6 月旷臼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名坷范连剖嗽：孟帜：毋蛑，月们 1 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 凡是人类切活动过程中产生的，且对所有者已不再具有实用价值而被废弃的固态 或半i 司态物质，通称为固体废物。城市生活垃圾是指在城市居民日常生活中或为城市日 常生活提供服务的活动中产生的固体废物。随着经济的迅速发展，城市范围的不断扩 大和城市人口迅速增加，城市生活垃圾的总量也与日俱增。据统计，我国目前城市生活 垃圾年总产生量已达1 4 亿吨，而且还在不断增长，年增长率约为8 一1 0 ，少数城市 己达到1 5 一2 0 。 近几年随着城市居民生活水平的提高，消费方式的改变，垃圾组分也在不断地发生 变化。垃圾中各成分所占的比例也相应改变。通过研究发现，垃圾中无机物的含量下降， 可回收利用的物资含量明显上升，其中塑料含量变化最大。以北京市为例，1 9 9 5 年垃圾 中的塑料含量约为5 2 0 0 1 年上升到1 2 6 ，6 年之中增加2 倍以上“1 。 表11 国内外一些大城市生活垃圾各种成分的含量( ) 掰班 北京上海南京西安广州济南纽约东京巴黎 成分 、 厨余6 6 76 5 25 2 o5 5 14 2 o5 3 12 7 92 8 12 3 4 塑料8 01 4 51 3 21 0 82 1 01 3 15 ，11 1 71 8 纸类3 09 24 93 51 0 ，95 84 4 83 3 12 8 ，o 金属2 0o 81 30 90 6o 88 06 o3 9 玻璃2 0 53413 13 62 21 1 39 45 4 布类o 52 2 121 56 93 ，20 53 o0 5 无机物 1 7 82 82 3 32 5 11 5 o2 1 82 48 73 7 o 及其它 经调研、采样分析发现，我国城市生活垃圾中的可回收成分平均已超过了1 4 ， 主要由塑料、纸、布、橡胶、金属、玻璃等，其中塑料含量最多，其他成分较少。表 1 1 是国内外一些大城市生活垃圾各种成分的含量“。 塑料以其质轻、强度高、耐腐蚀、易加工等优良性能，在经济建设各个领域发挥重 要作用。塑料在为现代人类文明发展做出贡献的同时，也给环境造成了不可忽视的污染， 即所谓的“白色污染”。目前废弃的塑料造成的“白色污染”现象越来越严重，己成为公 众关心的社会焦点问题，成为市政府部门亟待解决的一大难题。因此，城市生活垃圾中 塑料分选技术与设备的研究尤为迫切。 城市生活垃圾中的塑料绝大多数为轻质薄塑料包装袋，它们的特点是比重轻，含量 多，它们有很好的回收价值。本课题所作的塑料分选技术与设备的研究就是针对这部分 轻质薄塑料进行的。 11 2 意义 塑料加工业作为新兴行业已成为我国国民经济的支柱产业之一，随着塑料产量和用 量的不断增加，随之出现的问题是废弃塑料量也不断增加，而这些废弃塑料一般都会成 为生活垃圾的组成部分。据统计，我国每年产生的废弃塑料大约有1 0 0 万吨，废弃塑料 量约占塑料产量的7 0 。废弃塑料产生量如此之大，而目前我国每年塑料回收利用率却 很少，几乎不到塑料总量的2 0 “”。 从我国城市生活垃圾成分的变化可以看出，废弃塑料在我国是呈逐年递增趋势。废 弃塑料的重量比已增到8 2 l ，而体积比达到3 0 以上，废弃塑料成为增长最迅速的 固体废物之一“”。废弃塑料的大量散落对环境造成了严重的危害，即便是深埋，也需要 2 0 0 年才能自行降解。正是由于塑料具有重量轻、体积大、数量多，自行降解时间长等特 点，若不对其进行有效的处理，而将它们与其它垃圾一起填埋，这样不仅会占据大量土 地，而且污染地下水源、破坏土壤结构，使粮食作物减产，对环境造成了严重的污染。 另一方面，从回收价格看1 ”，以目前市场回收价，塑料1 0 0 0 元，吨( 含量1 3 5 ) ， 废金属7 0 0 元吨( 含量1 1 ) ，废纸5 0 0 元，吨( 含量6 3 ) ，玻璃l o o 元，吨( 含量3 4 ) ， 回收价值比为3 8 ：2 ：9 ：1 ，可以看出废塑料回收价值最高，其它可回收资源类由于含量 少，回收不经济。如果能回收利用垃圾中的这些废弃塑料，既能够减少最终垃圾处置量， 减轻对环境的污染，又能够节约资源，回收能源。因此，对垃圾中废弃塑料的回收和资 源化不仅具有良好的经济效益，还具有良好的社会效益和环境效益。目前我国对废弃塑 料的再利用技术也已比较成熟。如利用废弃塑料加工板材、造粒等技术。以山东枣庄市 l i j 亭区桑村镇为例，该镇利用废弃的白色塑料制品加工、生产塑料编织袋，既解决了环境 污染问题，又增加了农民收入。目前，全镇已建立塑料颗粒加工厂2 0 1 家，塑料编织袋厂 2 3 家，年产编织袋5 亿条，每年可吃掉“白色垃圾”1 2 万吨，形成了废弃塑料的收购、 运输、加工及印刷一条龙，年销售额达3 5 亿元，吸纳农村劳动力6 0 0 0 余人，成为全镇 农民发财致富的支柱产业“”。 废弃塑料回收利用是项变废为利，化腐朽为神奇的事业，是解决生态环境污染的 重要途径，是利国利民、增产节约的重要环节。目前，回收、处理和利用城市生活垃圾 中的废弃塑料己到了不可忽视的地步。为此，世界各国都开始致力于废弃塑料的回收利 用。在废弃塑料的循环再利用过程中，与之密切相关的是垃圾中废塑料分选技术的研究。 塑料的分选是塑料再利用工作不可缺少的重要环节。分选技术及其设备的研究开发在十 五期间被列入国家重点发展项目。本课题对城市生活垃圾中塑料分选技术与设备的研究 不仅具有重要的现实意义，从保护自然，保护生态环境的角度来看，具有造福人类，为 子孙后代留下优美环境的长远意义。 121 国外研究现状 1 2 国内外研究现状及存在问题 废弃塑料的回收利用作为一项节约能源、保护环境的措施，普遍受到重视。尤其是 日本、美国、意大利等一些发达国家，在这方面工作起步早，已经收到了明显的效益，我 国有必要借鉴其经验“”。 日本塑料处理促进协会、美国d o w 化学公司利用水力旋风分离器进行分选；美国凯 洛格公司和r e n s s e l a s e r 工学院共同开发了一种利用溶剂的选择性分选废弃塑料的技术； 意大利g o v o n i 公司、美国国家回收技术公司利用x 射线及热源识别进行分选，这种技术 在意大利、比利时、英国等的一些国家广泛采用。这些公司的废弃塑料分选技术都取得 了较好的效果。除此之外，还有利用各类塑料静电发生状态及带电情况不同的静电筛选 法；从倾斜筛下部鼓入空气使废弃塑料碎片流动而分离的流动式风力筛选法；根椐塑料 密度差，利用水或其它液体进行分离的湿式重力筛选法；利用各种塑料的脆化温度不同， 在低温下有选择地粉碎，同时达到分选目的的温差分选法等多种方法。 意大利是目前欧洲回收利用废弃塑料工作做的最好的国家之一。意大利对废弃塑料 回收一般是将塑料碎片和纸片一起收集，并用于法分选，分离后的废弃塑料经粉碎后，用 磁筛除去铁等金属杂质，经清洗、脱水、干燥后，通过螺杆挤出机进行造粒。这种回收 料加入新料后，能保证其具有足够的力学性能，可以用来生产垃圾袋、异型材、中空制 品等产品。协德技术公司，是世界上固体废物处理和再生工业技术工程和设备生产的佼 佼者。研究范围包括固体废物粉碎，废弃塑料回收利用再生技术等，如将废弃塑料袋、 瓶、膜等垃圾，经粉碎搅拌加工，直接生产出比木材性能更优良的板材，用途广泛，很 山东理工大学硕士学位论文第三章塑料分选技术理论研究 值得木材依靠进口的我国借鉴。 综合国外的城市生活垃圾塑料分选技术，现有的塑料分选方法主要有m “，：光选、 电选、风力分选、密度分选、水力旋流器分选、浮选等多种方法。其中，光选法适合于 块状塑料的分选，对于破碎后的细粒塑料，由于光谱中的某些波段会发生位移，难以分 选。此外，也不宜分选厚度薄的片状塑料或黑色塑料。而水力旋流器分选和浮选都属于 湿式分选法，这些方法用水多，且需要处理脱水、干燥及废水处理等过程。电选法分离 耗能少，分选率高，易于分选用比重法无法分离的废弃塑料，但对分选物料的湿度及粒 度要求较高，结构复杂。风力分选比较适合于重物质与塑料的分选，用于塑料分选的终 处理时，分选率不高。因此在城市生活垃圾塑料分选中常采用几种方法的组合多级分选。 1 2 2 国内研究现状 我国现行的城市生活垃圾处理模式，主要是填埋或堆肥处理，分选技术还不成熟。 相对一些发达国家，对于城市生活垃圾中的塑料分选所作的研究不多，起步较晚。 随着对分选技术与设备研究要求的提出，近年来国内也出现了一些科研机构从事废 弃塑料分选的研究。如湖南省长沙市研制的城市生活垃圾塑料分选装置，该装置主要用 于从发酵后的有机废物残渣中分离出塑料碎片，它由一个带有尖针的梳选筒和带有凹槽 的梳选板以及两条皮带输送机组成。皮带输送机将残渣输至梳选筒的下部，梳选筒的尖 针转动时选出塑料碎片，经梳选板分离后由输送机输出。重庆沃地利生物有机肥有限责 任公司研制的“l j f ”型垃圾分选机，它包括垃圾分选，科学制肥，废弃塑料处理等工艺 过程，能把废弃塑料的大部分分选出来。北京华通环保设备公司研制开发的皿f s 城市 生活垃圾资源化综合处理成套技术设备，它由分选、焚烧、发酵三大系统组成，其中城 市生活垃圾分选机是分选系统的关键设备，它将生活垃圾中的绝大部分软塑料分选出来。 同济大学研制成功了城市生活垃圾处理生产线。上海研制成功了城市生活垃圾自动分 选和资源化综合利用装置。此外，深圳、福建等几个省市也有一些机构从事研究”1 。 1 2 3 存在问题 通过调研以及查阅大量文献资料，现有垃圾资源化分选设备普遍具有以下特点：处 理工艺复杂，设备数量多，造价高，少者投资上千万元，多者投资数亿元。而适合中国 国情的，只针对城市生活垃圾中塑料分选的设备国内外尚未见研究报道。如采用现有的 设备分选塑料，不仅投资大，而且设备也不能得到有效的利用。所以，为市场开发一种 工艺简单、投资少、塑料分选率高、制造敏捷的生活垃圾塑料分选设备具有重要的现实 意义。 1 3 本文的研究内容 在总结前人工作的基础上，本论文针对现有塑料分选技术与设备存在的问题，并结 合淄博市城市生活垃圾的实际情况进行分析与研究，开发出具有自主知识产权的城市生 活垃圾塑料分选技术及设备，应用于环卫工程中。 1 研究我国城市生活垃圾组成成分，用灰色系统理论对垃圾组分进行了预测分析， 提出了用综合评价原理确定城市生活垃圾处理模式的方法。 2 研究对城市生活垃圾中有用成分进行分选的必要性，根据垃圾特性并结合我国具 体国情，首次提出了对城市生活垃圾中塑料成分进行分选的新技术一变重分选技术。这 种技术与一般传统的塑料分选技术相比，具有成本低，分选工序少，操作方便，分选率 高等优点。 3 研究了城市生活垃圾塑料分选机械设计及理论，确定了塑料分选过程中重要的性 能参数和结构参数，为塑料分选机的设计和制造打下了理论基础a 4 设计并制造出城市生活塑料分选试验台，采用居民小区的生活垃圾进行了大量试 验，对所得试验数据进行回归分析，确定了最佳工艺参数，试验结果与理论分析基本一 致。 5 针对城市生活垃圾塑料分选设备的功能特点，提出主要功能模块的设计目标，根 据主要模块的设计目标对结构进行创新设计。 6 对城市生活垃圾塑料分选技术与设备的研究进行了总结与展望。 第二章城市生活垃圾组成分析及处理模式综合评价 2 1 1 组成成分 2 1 城市生活垃圾组成分析 城市生活垃圾组成成分可分为有机物、无机物和可回收物等多种类型。其中，可回 收物包括：塑料、废纸、玻璃、金属、纤维等，这部分物质可通过回收和处理过程，经 分类重新进入生产领域。近年来垃圾组成成分有了较大的变化，随着人们饮食习惯、燃 料结构以及包装形式的改变，城市生活垃圾中无机物成分比例下降，可回收利用成分比 例增加。值得人们注意的是，废弃塑料的增长最为迅速，随着城市居民生活水平的提高， 塑料等的废弃量将会越来越大。垃圾组分的变化趋势将有利于城市生活垃圾的资源化， 并列城市生活垃圾中塑料分选技术及设备的研究提出了新的要求。 以淄博市城区为例，该市区普遍采取集中供暖，其垃圾成分在全国许多大中城市具 有一定的代表性。我们在淄博市的几个垃圾中转站进行数据采样，参考中华人民共和国 城镇建设行业标准c j 厂r3 0 3 9 9 5 城市生活垃圾采样和物理分析方法。1 ，通过试验分析 和数据处理，确定了淄博市城市生活垃圾组成成分。如表2 1 所示。 表2 1 试验采样垃圾成分( 重量) 有上表可以看出，淄博市城市垃圾成分中有机物所占比重最大，可回收废品类重量 比为2 51 ，其中以塑料最大。垃圾中塑料的重量比达到1 3 1 ，占可回收废品类的5 2 左右。垃圾中各成分的含量与我国多数大中城市的含量基本一致，具有代表性。 2 1 2 城市生活垃圾产生状况预测 对城市生活垃圾产生状况进行预测的方法很多，既有质的分析预测方法，又有量的 分析预测方法。质的分析预测方法是由预测者根据已有的历史资料和现实资料。依靠个 人经验、有关知识和综合分析能力，对城市垃圾产生状况质的变化规律性做出判断。运 用质的分析预测方法不需要高深的数学知识，可以充分利用人的经验判断能力、想象力， 6 能节省时间，节约费用，但预测结果难免会带有主观片面性或数量不明确的缺点。量的 分析预测方法是在已经认识事物质的规律性的基础上，依据数据资料建立数学模型，对 城市垃圾产生状况做出量的预测，其预测结果比较客观，预测精度较高。常用方法有灰 色预测法、逐步回归法、成长曲线法等“1 。本文对城市生活垃圾组分预测运用的是量的 分析预测法。由于城市垃圾的产生与许多因素有关，而且与各因素的关系不一定是线性， 具有灰色系统的特，而灰色系统预测法的预测方法不关心其内部因素的复杂关系，只需5 个以上的原始数据，就可以对灰色系统进行分析、建模、预测，其数学方法并不复杂， 而预测却可达到较高的精度。因此，在众多方法中灰色系统预测法具有显著的优势。本 文采用灰色预测法对城市生活垃圾组分进行预测。 l基于灰色系统理论的城市生活垃圾组分预测方法“” 以城市生活垃圾各组分所占重量比为研究数据，城市生活垃圾组分预测的目的就是 根据统计得到的城市生活垃圾各组分所占重量比数据来预测未来一段时间内城市生活垃 圾各组分所占重量比。 对统计得到的城市生活垃圾各组分所占重量比的原始数据： x o ( f ) = x o ( r ) fr = l ，2 ，以) = x o ( 1 ) ，工o ( 2 ) ，一，z o ( ) ) ( 2 一1 ) 作一次累加，得到生成数据x “( f ) ： x 1 ( f ) = 工1 ( f ) i f = 1 ，2 ，- ，九) = 工1 1 ( 1 ) ，x q ( 2 ) ，t - ，x 1 ( 玎) ) ( 2 2 ) 其中： z ( ，) = x 。( 七) ( 2 - 3 ) 女z 1 由式( 2 3 ) 可得到生成数据与原始数据的关系为： x o ( n ) = 工1 ( h ) 一工1 ( n 一1 ) ( 2 4 建立灰色预测的一阶单变量微分方程g m ( 1 ，1 ) 模型： z ”( f ) + 甜”( f ) = “ ( 2 5 ) d f 式中：d ，“为灰色参数，工( 1 ( f ) 为一次累加值，f 为时间变量。 g m ( 1 ，1 ) 模型的离散形式的解为： j m ( f + 1 ) ：ix ( 。o ) 一旦l e x p ( 口r ) + 兰( 2 6 ) l口j 对灰色模型g m ( 1 ，1 ) 式( 2 5 ) 进行离散化，则有： 工n o + 1 ) 一工1 0 ) + 兰 工 根据式( 2 4 ) ，式( 2 7 ) 可以写成： 些查些! 銮茎些尘茎 鹜兰。 篓三耋垄窭生誊兰堡鉴篁翟錾j 鲨耋銮耋：耋：坠 x 伸。十1 ) = 一兰k “o + 1 ) 十z ( i o ) + “ ( 2 _ 8 ) 令 = k ( 2 ) ，x ( 3 ) ，x ( ”) r ， 则得到 b = 一妻眇( 1 ) 十川2 ) 】1 一；( 2 ) + x ( 3 ) l 一抄b 叫 l x = b a ( 2 9 ) 用最小二乘法求解口，“，可得： 五= 陋7 矗】- 1 8 7 x ( 2 - 1 0 ) 知道了灰色参数口，“，则由式( 2 6 ) 可以得到主1 ( f + 1 ) 的预测值，进而可以得到城市 垃圾组分的预测值i 。o + i ) 。 2 城市生活垃圾组分预测 垃圾中可回收再利用的废品类有多种物质，本文仅对纸类、塑料、金属、玻璃等几种回 收价值较高的物质进行预测。由于上海市历年的城市生活垃圾数据资料统计的比较全面，故 以上海市为例，对城市生活垃圾组分进行预测。表2 2 给出了上海市1 9 9 5 2 0 0 0 年城市生活 垃圾各组分的变化情况”1 。 表2 2 上海市城市生活垃圾各组分变化表( 重量) 淡 1 9 9 51 9 9 61 9 9 71 9 9 8 1 9 9 92 0 0 0 纸类 6 5 06 6 88 ，0 58 7 7 9 2 38 0 2 塑料 1 1 2 l1 l8 4 l l7 81 3 4 81 4 4 6 1 4 9 3 金属 0 9 1o 6 8 0 5 80 7 3 o8 4o 8 5 玻璃 38 14 0 64 0 l5 1 5 5 3 64 ，1 4 按照前面灰色预测法的构造方式，根据表2 2 提供的原始数据，可得到城市生活垃 圾各组分的预测值，分别由表2 3 、2 4 、2 5 、2 6 所示。 8 表2 3 纸类组分预测值( ) 根据以上表中所得数据，数据拟合处理后可画出城市生活垃圾各组分的增长趋势图， 如图2 ，1 和图2 2 所示。其中图2 1 中表示的是垃圾各组分的实际增长趋势，为了提高 垃圾各组分增长趋势的可比性，便于观察，将垃圾各组分的增长趋势在同一个基准上表 示，即得到了图2 2 垃圾各组分的增长趋势对比图。 1 8 1 6 1 4 一1 2 誊1 0 墨s 6 4 2 0e =e = 2 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 年份 + 型料+ 纸类+ 玻璃一金属 图2 1 垃圾各组分的增长趋势图 9 搴 d 恻 + 塑料+ 纸娄十玻璃x 一金属 图2 2 垃圾各组分的增长趋势对比图 由以上图表可以看出，上海市城市生活垃圾中塑料的增长幅度最大，到2 0 0 5 年，塑料重 量比的预测值约为1 7 6 。 此外，作者还对北京、天津、济南等一些城市的生活垃圾进行了研究，通过这些分析和 研究，得出以下结论：城市生活垃圾中纸类、塑料、金属、玻璃等几种回收利用物质的比例 是逐年增加的，增长i 禹变由大到小依次为塑料、纸类、玻璃、金属，其中塑料的增长幅度最 大，废弃塑料的回收再利用势在必行。 2 2 城市生活垃圾处理模式评价 2 2 1 城市生活垃圾处理模式 目前城市生活垃圾处理较普遍采用的方法有填埋法、堆肥法、焚烧法和资源化处理 四种“”“。 】填埋法主要指城市垃圾卫生填埋。卫生填埋由于技术比较成熟，操作管理简单， 处理量大，投资和运行费用低，因而是当今主要的垃圾处理方式。其不足之处在于垃圾 减容效果差，占用土地资源大。随着垃圾产出量的增多将需大量的土地作为填埋场地， 因此垃圾的减量化变得尤为重要。 2 ，焚烧法在国外采用较多。垃圾中许多固体废物含有潜在的能量，可通过焚烧回 收利用。经焚烧后固体废物体积可减少8 0 9 0 若焚烧装置较为先进，其体积可减 少至原体积的5 左右。因而焚烧法可同时达到减量化，无害化和资源化的目的。但我国 城市垃圾中可燃物含量还不是很高，固而其热值低，单一采用焚烧法处理难于维持燃烧， 故焚烧时还需加辅助燃料，难以充分体现回收能量的价值。此外，燃烧含有氯、溴的废 物时，会产生二嗯英，造成严重的二次污染。 3 堆肥处理在发达国家采用较少，而在发展中国家发展迅速，原因是发展中国家 城市生活垃圾中可利用的纸、金属、塑料等大都被选出，剩余垃圾中有机成分较高，适 合堆肥。堆肥技术在我国也一度倍受欢迎。但经过前期的实践证明，堆肥的卫生条件差， 占地面积大，且生产的有机肥料效率低，成本高，异物多，难以达到实用效果。 4 垃圾中可回收再利用的废品有废纸、废塑料、废玻璃、废橡胶、废电池、废弃 金属等。资源化就是回收利用垃圾中的这些废弃资源，这样不但可以减少最终需要无害 化处置的垃圾量，减轻对环境的污染，而且能够节约资源、利用能源，减少垃圾的处理 处置费用。 仅用上述一种方法对垃圾处理不能达到有效的效果，采用几种方法的组合，可以优 势互补。结合我国具体国情，适合近期我国各大城市的生活垃圾处理模式主要有如下几 种： l 、全部填埋； 1 0 山东理工大学硕士学位论文第三章塑料分选技术理论研究 2 ) 焚烧+ 残渣填埋： 3 ) 分选回收+ 有机质堆肥+ 不可堆肥物填埋 4 ) 分选回收+ 分选剩余填埋。 2 2 2 运用模糊数学对城市生活垃圾处理模式综合评价 城市生活垃圾处置系统中模糊的概念普遍存在，如减量化、无害化、资源化的好坏 程度等，没有明确的外延，只能用模糊的集合去评价。影响城市生活垃圾处理方法选择 的因素很多，且其重要程度及权重各异，应结合实际，因地制宣地选择影响因素并确定 其权重。 表2 7 四个方案的参数值表( ) 注：表中减量化系数为生活垃圾最终处置前与经过处理后质量减少的百分比，资源化系数为生活 垃圾最终处置前经过处理后回收利用物与进料垃圾的质量百分比。“。 设评价因素论域：x = ( 处理费用) ，z ：( 减量化) ，( 资源化) ) 对评价因素的评语论域为：y = h ( 堆肥处理) ，y ：( 焚烧处理) ，乃( 填埋处理) ， 一。( 资源化处理) 以淄博市为例进行计算如下： 淄博2 0 0 3 年生活垃圾组分见表2 1 。 淄博市生活垃圾采用4 个方案的参数值见表2 7 。 为以上4 种方案分别构造矩阵并求出评价值： 处理费用x 对4 个方案的评语为：( 1 1 1 ，1 8 2 ，1 0 2 ，1 1 5 ) ，因为对于处理费用来说， 我们希望越小越好，即越少其重要性越大，因此对原始数据进行归一化处理，才能反映 其重要性。首先归一化上述数据后彳导：( o 2 2 ，o 3 6 ，0 2 0 ，0 2 3 ) ，然后分别用“l ”减去 上述值得：( o 7 8 ，o 6 4 ，0 8 0 ，o ，7 7 ) ，再归一化得：( o 2 6 ，o 2 1 ，0 2 7 ，0 2 6 ) 。 减量化x ，对4 个方案的评语为：( o 6 8 ，o 7 6 ，0 ，o 2 5 ) ，归一化后得：( o 4 0 ，o 4 5 ， 0 ，o 15 ) 。 山东理t 大学颁j 学位论文第二章城市生活垃圾特性分析及处型方式评价 资源化而对4 个方案的评语为：( 0 5 1 ，o 1 0 ，0 ，0 8 0 ) ，归一化后得：( o 3 6 ，o 0 7 ， o ，o 5 7 ) 。 则得模糊关系矩阵如下 xke x ，o 2 6o 2 1o 2 70 2 6 五o 4 0 o 4 5oo 1 5 爿3 o - 3 6o 。0 70o 5 7 城市生活垃圾处理模式最早普遍采用的是处理费用低的原则，即只考虑无害化和处 理费用，此时墨= 1 ，o ，o ) 。随着城市生活垃圾产生量的增加，减量化、资源化的重要性 同益增大，对此分别设定不同的权重，即： x ，= 1 ，o ，o ；x 2 = 0 8 ，o 2 ，o ) ；五2 o 6 ，0 3 ，0 1 ) ；丑3 o 4 ，0 4 ，o 2 ) ： 也= o 2 ，o 5 ，o 3 ) ；x 。= o 1 ，o 6 ，o 3 ：爿7 2 o ，o 8 ，0 2 ) ：以2 o ，1 ，0 ) 。 通过不同权重的引入，可得出各方案的重要性随减量化增加的趋势。 判断矩阵： = x r 。 式中：阡? 概率集合： r 。模糊关系集合。 当x = 1 ，o ，o ) 时得： o - 2 6 0 2 1o f 2 7 o 2 6 呒l = ( 1 ，o ，o ) io 4 0 o 4 5oo 1 5 i o 3 6 o | 0 7o o - 5 7 j = f o 2 6 o 2io 2 7 o ，2 6 】 同理得： 呒2 = o 2 9 o 2 6o 2 2 o 2 4 】；，= 【o ，3 1 o 2 7o 1 6 o 2 6 。= o 3 4 o 2 8o 1 1 o 2 8 】；呒5 = 【o 3 6 o 2 9o 0 5 o 3 0 】 。= o 3 7o 3 lo 0 3 o 2 9 ；，= 【o 4 0 o 3 7 o o 2 3 ； 。= o 4 0 o 4 5 o o 1 5 】。 2 23 垃圾处理模式评价结果 对生活垃圾处理方案参数进行归一化处理，得到模糊关系矩阵，引入不同的权重进 行计算，计算结果见表2 8 堆肥、焚烧、填埋、资源化处理的重要性随费用权重系数f ，减量化权重系数j 以及 资源化权重系数z 的变化趋势分别见图2 3 、2 4 、2 5 所示。 1 2 堂玺些三查耋堡圭耋篁誊苫篓三耋。，墼垩耋耋兰奎盘鲞i 2 塑兰錾翟i 互些丝 表2 8 计算结果 0 2 1 o 2 6 0 2 7 0 2 8 0 2 9 o 3 l 0 3 7 o 2 7 o 2 2 0 1 6 o 1 l 0 0 5 0 0 3 0 0 2 6 02 4 0 2 6 02 8 o 3 0 0 2 9 0 2 3 8o1 0o 0 4 00 4 500 1 5 注：表中f ，为垃圾处理模式处理费用权重系数变化，j i 为减量化权重系数的变化，z i 为资源化权重系 数的变化。 趔 甜 塞 0 002 0 4o 6o 8 权重系数f 十堆肥+ 焚烧十填埋* 一分选 图2 3 堆肥、焚烧、填埋、分选的概率值随权重系数f 变化图 薯 辩 0 ： 00 20 4 0 6o 8 权重系数j 十堆肥+ 焚烧十填埋哼七一分选 图2 4 堆肥、焚烧、填埋、分选的概率值随权重系数j 变化图 1 3 ；，( 2 2 i 3 4 o o 0 o 0 o o o o 叭 o 叭 吣 吣 雌 0 8 6 4 2 1 ， 叭 o o 4 趔o 3 懈0 2 囊0 1 0 o 20 3 权重系数z + 堆肥- 一焚烧十填埋一分选 图2 5 堆肥、焚烧、填埋、分选的溉率值随权重系数z 变化图 用模糊数学对城市生活垃圾处理模式的综合分析结果为：当垃圾处理费用受到重视 时，填埋的概率值最大；而当减量化成为首要的因素时，焚烧的概率值最大。随着资源 化因素越来越受到人们的重视，对垃圾进行分选回收的处理模式将会得到更为广泛的应 用。 2 3 塑料分选的工艺流程 由上一节对城市生活垃圾组分进行的组成分析可以看出，城市生活垃圾可回收废品 类中以塑料所占比重最大，以淄博市为例，城市生活垃圾中可回收废品类的重量比为 2 5 1 ，其中值得人们关注的是，塑料的含量超过可回收废品类的一半以上，而其它可回 收废品类，含量相对较少。淄博市的垃圾组分在国内大多数城市中具有一定的代表性。 鉴于此特点，可以把城生活垃圾仅分为塑料与非塑料两大类，从总的垃圾中分选出塑料 的成分。 在研究国内外城市生活垃圾资源化分选设备的基础上，根据城市生活垃圾和其中废弃 塑料的特点，结合试验结果，提出了从城市生活垃圾中分选塑料的工艺流程，如图2 6 所示。 举 鋈 圾 图2 6 从城市生活垃圾中分选塑料的工艺流程 山东理工大学硕士学位论文第三章塑料分选技术理论研究 整个工艺流程中最为重要的过程包括破袋、风选以及变重处理等工序。 1 近年来，越来越多的居民习惯于用垃圾袋盛贮垃圾，城市生活垃圾袋装化已逐步 成为许多城市生活垃圾的收集方式，原始的生活垃圾在分选之前多以袋装的形式存在。 因而破袋问题是垃圾分选预处理必须首先解决的问题分选塑料的工艺流程的第一步就 是对袋装垃圾进行破袋处理，在对垃圾进行破袋的同时，还可以将垃圾破碎成所要求的 粒度大小。由于我国的城市生活垃圾主要以混装为主，成分复杂，针对这特点，设计 成具有防止垃圾缠绕、垃圾过破碎及具有退让保护功能，能实现选择性破碎作用的破袋 装置。 2 破袋后的下一工序是对垃圾进行风选。风选被许多国家广泛地应用在城市垃圾的 分选中，本工艺的主要分选手段也是采用风选，垃圾处理过程中先后经历两级风选。一 级风选的作用是将塑料等轻物料从重物料中分离出来，二级风选的作用是将塑料从轻物 料中分离出来。一级风选后的垃圾被分成三个区：重组分区( 厨余、无机物、玻璃等) 、 混合区、以及轻组分区( 塑料、纸等) 。其中，重物料可直接填埋；混合区由于轻重物分 离不明显，返回到前面重新风选：轻组分区内由于塑料、纸等一些轻物质的物理特性非 常接近，仅靠一级风选不能将其分开，需进行二次分选，即将塑料、纸等轻物质进行特 殊工艺处理变重后，再进行风选将塑料从轻物质中有效分离出来，然后根据不同用途 进行后处理。 变重处理是本工艺中最为重要的工艺过程之一，变重分选是塑料分选中的创新分选 技术。一级风选后的塑料、纸等轻物质由于物理特性非常相近，很难进行分选。以往的 塑料分选方法主要有静电分选法、加热法。其中，静电分选电压高，设备大，需要分选 的物质粒度小，成本高，并对物质的湿度要求较高；加热法耗能比较大，经济性差。本 课题采用特殊工艺变重处理，根据不同物质亲水性之间的差异，对轻物质浸水改变塑 料和纸等轻物质的容重和形状特性，然后采用风选，将塑料和纸成功进行分离的变重分 选技术，这种方法分选塑料工序少，节省投资，分选率高。变重处理工艺过程通过浸 水和挤水装置完成。浸水装置将轻物质垃圾在水池浸泡一定合适时间后捞出，送往挤 水装置。浸泡时间是一重要参数，时间太短，达不到变重的目的；时间太长，影响处 理效率。通过多次试验可以得到最佳浸泡时间，并通过雨刮电机、齿轮传动实现转 轴一次自动转动l 4 圈的间歇运动，完成浸水过程。垃圾挤水装置将浸水后的垃圾进 行压缩，保证挤水后的垃圾合适的含水量，含水量太多浪费水资源，含水量太少达不 到变重的目的。通过一个液压驱动系统和控制系统配合来完成变重。 以上城市生活垃圾处理工艺流程是以城市生活垃圾组成分析为基础，从我国的具体 国情出发设计的，具有工艺简单、投资少、分选塑料针对性强等特点。 2 4 本章小结 综上所述，本章主要做了以下工作： 1 分析了城市生活垃圾的组成成分，并以淄博市为例，研究了生活垃圾中各成分所 占垃圾比重的具体数据。 2 对城市生活垃圾的组成成分，运用灰色系统理论进行了预测分析，分析结果表明： 城市生活垃圾中可回收利用物质的比例呈逐年增长的趋势，其中，塑料的增长幅度最大， 废弃塑料的回收再利用势在必行。 3 分析了目前城市生活垃圾主要的处理模式，运用模糊数学原理对城市生活垃圾处 理模式进行了综合评价，指出随着资源化因素要求越来越高，对垃圾进行分选的处理模 式将会得到更为广泛的应用。 4 研究了对城市生活垃圾中有用成分进行分选的必要性，从我国国情出发，确定了 城市生活垃圾塑料分选的工艺流程。根据垃圾的特性，提出了一种从生活垃圾中分选塑 料的新技术变重分选技术。这种技术具有成本低，操作简便分选工序少，塑料分选 率高等特点。 1 6 第三章塑料分选技术理论研究 3 1 塑料分选机理 塑料分选设备的主要功能是把城市生活垃圾中的废弃塑料成分分离出来，我们采用 一种特殊的新型工艺来实现，其工艺流程见图2 6 所示，该工艺的主要分选手段采用风 选。 风力分选通常简称风选，又称气流分选，它是以空气为分选介质，在气流作用下使 固体废物按密度和粒度大小进行分选的一种方法。因而风力分选的过程是以各种物料 体在空气中的沉降规律为基础的。这种方法是使垃圾中的轻质组分分离和聚集，并回收 其中主要的有用成分如塑料等的主要手段之。 3 1 1 风力分选原理 风力分选是利用固体废物中的各种物料体在空气介质中不同受力下的沉降规律差异 而将它们分离的。固体物料体在静止的介质中的沉降速度主要取决于自身所受的重力和 介质的阻力。重力是指物料体在介质中的重量，其值可用下式表示： 竹一