林曄琪?徐期勇?劉建國(guó)?孫立兵?肖進(jìn)文?陳欽冬

一、引言

大件垃圾是指重量超過(guò)5千克或體積大于0.2立方米或長(zhǎng)度超過(guò)1米，且整體性強(qiáng)而需要拆解后再利用或處理的廢棄物（如廢家具），以及各種廢家用電器、電子產(chǎn)品等。隨著居民生活條件的改善，大件垃圾清運(yùn)量逐年上漲。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年深圳全市建成拆除處理設(shè)施16處，日均收運(yùn)量達(dá)1148噸。

國(guó)外的大件垃圾處置主要以焚燒和填埋為主。我國(guó)在“十四五”規(guī)劃中提出要全面提高資源利用效率，推行垃圾分類(lèi)和減量化、資源化，減少?gòu)U物進(jìn)入終端的焚燒或填埋處置。《深圳市大件垃圾回收利用管理辦法》中規(guī)定，“進(jìn)入填埋場(chǎng)的處置量不得超過(guò)進(jìn)廠大件垃圾重量的15%”。但大件垃圾整體性強(qiáng)，需要拆解后才能再生利用。然而，我國(guó)大件垃圾處理現(xiàn)有的自動(dòng)化拆解設(shè)備出料雜質(zhì)含量高，且處理效率低，難以實(shí)現(xiàn)有效的資源化利用，其技術(shù)、裝備、工藝路線仍有改進(jìn)提升的空間。

本文實(shí)地調(diào)研了經(jīng)過(guò)工藝路線和設(shè)備升級(jí)的深圳市石巖大件垃圾處理廠，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)算，研究探討了新舊處理工藝與人工拆解程度對(duì)產(chǎn)物資源化和處理效率的影響，以明晰人工與機(jī)械化的協(xié)同作用，為城市大件垃圾的資源化處理提供一定的理論科學(xué)依據(jù)。

二、采樣及分析方法

（一）采樣方法

本研究以深圳市寶安區(qū)石巖大件垃圾處理廠為對(duì)象，處理的物料以沙發(fā)、木椅、床墊、棕櫚為主。根據(jù)此前的研究，椅類(lèi)占比最高，超過(guò)50%，其中皮革沙發(fā)的組分復(fù)雜，因此實(shí)驗(yàn)選取皮革沙發(fā)作為實(shí)驗(yàn)原料，以更好地研究?jī)蓚€(gè)系統(tǒng)的差異。

基于實(shí)際生產(chǎn)情況，實(shí)驗(yàn)選取了三種人工拆解工況與處理工藝進(jìn)行協(xié)同處理：（1）不拆解，物料不進(jìn)行人工拆解直接投入處理系統(tǒng)（圖1a）；（2）簡(jiǎn)單拆解，人工拆出物料外層的大塊海綿與皮革后投入處理系統(tǒng)（圖1c）；（3）精細(xì)拆解，人工拆出物料的皮革、外層的大塊海綿、內(nèi)襯的各小塊海綿后投入處理系統(tǒng)（圖1d）。三種拆解工況均以?xún)蓚€(gè)三人沙發(fā)為一批投入處理系統(tǒng)，通過(guò)人工分選與稱(chēng)重計(jì)算各個(gè)出料口中木質(zhì)、海綿、皮革或布料、金屬的質(zhì)量（圖1b），用于計(jì)算出料口的出口品質(zhì)與總體回收率。實(shí)驗(yàn)重復(fù)兩次。

（二）參數(shù)計(jì)算

1．出口品質(zhì)與回收率

實(shí)驗(yàn)采用出口品質(zhì)（Q）計(jì)算了出料中可回收的木質(zhì)、金屬占各出料口質(zhì)量之和的比重。總回收率（G）表征了出口品質(zhì)達(dá)到90%以上的出料加上手工拆出的可回收海綿占處理的總質(zhì)量的比重，具體的計(jì)算如式（1）～式（4）所示。

其中，Q新、Q舊，G新、G舊分別代表新處理工藝和舊處理工藝的出口品質(zhì)和總回收率；m1為篩下物出口中木質(zhì)的質(zhì)量，m2為輕物質(zhì)出口中木質(zhì)的質(zhì)量，m3為重物質(zhì)出口中木質(zhì)的質(zhì)量，m4為磁選機(jī)出口金屬的質(zhì)量；M1為篩下物出口的總質(zhì)量，M2為輕物質(zhì)出口的總質(zhì)量，M3為重物質(zhì)出口的總質(zhì)量，M4為磁選機(jī)出口的總質(zhì)量；Ma為手工拆出的海綿的質(zhì)量，M為皮革沙發(fā)的總重量。

2．人力成本敏感系數(shù)

人力成本敏感系數(shù)表征了在“簡(jiǎn)單拆解對(duì)比不拆解”與“精細(xì)拆解對(duì)比簡(jiǎn)單拆解”的情境下，出口品質(zhì)或總回收率的變化與上述兩種情境人力拆解時(shí)間差值的比值，具體計(jì)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分別代表新工藝中“簡(jiǎn)單拆解對(duì)比不拆解”及“精細(xì)拆解對(duì)比簡(jiǎn)單拆解”的出口品質(zhì)和總回收率人力成本敏感系數(shù)；QA、QB、QC分別代表新處理工藝精細(xì)拆解、簡(jiǎn)單拆解、不拆解的出料品質(zhì)，GA、GB、GC代表新處理工藝精細(xì)拆解、簡(jiǎn)單拆解、不拆解的總回收率，tA、tB、tC代表精細(xì)拆解、簡(jiǎn)單拆解、不拆解的拆解時(shí)間。舊工藝的出口品質(zhì)人力成本敏感系數(shù)T舊1和T舊2，回收率人力成本敏感系數(shù)Y舊1和Y舊2采用與新工藝同等的方法計(jì)算。

3．碳排放與碳回收

本研究分析了實(shí)驗(yàn)中兩種處理工藝的三種拆解工況處理6小時(shí)后的碳排放情況，核算邊界和計(jì)算過(guò)程參考國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)印發(fā)的《工業(yè)其他行業(yè)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南（試行）》及相關(guān)碳排放評(píng)估的文獻(xiàn)，包含運(yùn)輸環(huán)節(jié)、拆解環(huán)節(jié)、末端處置和回收利用環(huán)節(jié)。凈碳排放量ECO2由式（9）計(jì)算，研究單元的碳排放因子如表1所示。

單位凈碳排放量E單位由式（10）計(jì)算：

式中，B電為外購(gòu)的電力消費(fèi)量，EF電為電力供應(yīng)的二氧化碳排放因子，F(xiàn)焚燒為焚燒量，EF焚燒為焚燒產(chǎn)生的碳排放因子，Mi為再生資源i的回收量，COEFraw，i為再生資源i的隱含碳，COEFre，i為再生資源i替代的原生材料隱含碳，D運(yùn)輸為貨車(chē)運(yùn)輸產(chǎn)生的距離，W載重為貨車(chē)的載重量，EF運(yùn)輸為貨車(chē)運(yùn)輸過(guò)程的碳排放因子，L為處理量。

三、結(jié)果與討論

（一）工藝升級(jí)

兩種工藝的流程對(duì)比如圖2所示，新處理工藝改進(jìn)了拆解系統(tǒng)，增加了3D分選結(jié)構(gòu)。其中，破碎機(jī)的齒距及運(yùn)轉(zhuǎn)速率是影響破碎物料尺寸分布特性的主要因素，而篩板孔徑和風(fēng)機(jī)功率則是影響分選效率和品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)，具體參數(shù)如表2所示。通過(guò)統(tǒng)一調(diào)試，兩部分系統(tǒng)間耦合更加緊密。

3D分選裝置彈跳篩在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用下，由主軸、被動(dòng)軸、偏心輪組成的主被動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與支承座和篩板連接，形成平行的四桿機(jī)構(gòu)，篩板產(chǎn)生類(lèi)似于跳躍的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)篩孔使物料完成分離，并實(shí)現(xiàn)篩上物料的繼續(xù)輸送過(guò)程，相比常規(guī)的震篩機(jī)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。由于布料、海綿和皮革等物料在破碎機(jī)中更難以被破碎，在通過(guò)篩選之后更多的會(huì)被留在篩上；相比大尺寸的木塊，這些物料還有面積大、質(zhì)量小的特點(diǎn)，因此可以通過(guò)風(fēng)選將該部分物料進(jìn)一步分離。通過(guò)3D分選機(jī)的篩選，可以將物料分為粒徑大的、重的、能滾動(dòng)的大木塊（3D），粒徑小的、彈跳效果差的小木塊（1D），尺寸大、彈跳效果差的、扁平的、輕的雜質(zhì)（2D）三個(gè)出口。

（二）產(chǎn)物品質(zhì)及資源化

大件垃圾處理后出料的木質(zhì)及金屬組分具有較高的回收利用價(jià)值，其中木質(zhì)組分作為皮革沙發(fā)中質(zhì)量占比最大的部分，其回收利用很大程度影響了皮革沙發(fā)的資源化水平。木質(zhì)作為生物質(zhì)可用于熱力發(fā)電，然而混雜其中的皮革、海綿等會(huì)產(chǎn)生結(jié)渣等問(wèn)題，影響鍋爐熱轉(zhuǎn)化效率，因此生物質(zhì)電廠在回收木質(zhì)組分時(shí)通常對(duì)木質(zhì)成分外的含雜率有控制要求，本實(shí)驗(yàn)以含雜率小于10%為控制條件，即出料品質(zhì)超過(guò)90%。

在使用同組的熟練工人的情況下，拆解120（±5）kg皮革沙發(fā)時(shí)，精細(xì)拆解（848 s）比簡(jiǎn)單拆（362 s）解耗時(shí)增加1.34倍。據(jù)圖3可以看到隨著人工拆解趨于精細(xì)，新舊處理工藝的出口品質(zhì)及總回收率均出現(xiàn)不同程度的提升。從不拆解到簡(jiǎn)單拆解的過(guò)程，由于皮革沙發(fā)中海綿更多地被直接回收，新舊工藝的回收率分別提升了17%與13%。而從簡(jiǎn)單拆解到精細(xì)拆解的過(guò)程，回收率的提升更多的是來(lái)源于其他不可回收輕質(zhì)物被篩分，新舊工藝的回收率分別提升了4%與63%，舊工藝的回收率提升幅度更為顯著，體現(xiàn)了人工拆解對(duì)于舊工藝處理的重要性。與此同時(shí)，人工拆解不穩(wěn)定性大，出料品質(zhì)數(shù)據(jù)波動(dòng)顯著大于精細(xì)拆解。

在出料品質(zhì)方面，新處理工藝的三種拆解工況下出口品質(zhì)均大于90%，而舊處理工藝僅在精細(xì)拆解的工況下可以達(dá)到90%以上。出口品質(zhì)是影響產(chǎn)物回收利用的主要因素，因此新系統(tǒng)的回收率均維持在較高水平（55%～78%）。與之相比，舊處理工藝三種拆解工況的回收率波動(dòng)較大（1%～77%）。舊處理工藝受到人工拆解狀況影響的波動(dòng)更大，主要原因?yàn)榕f處理工藝出料的品質(zhì)均很難高于90%，無(wú)法滿(mǎn)足進(jìn)一步回收的出料品質(zhì)。

綜上所述，人工在提升大件垃圾資源化水平方面有不可或缺的作用，但新處理工藝的篩分能力更強(qiáng)，其有效地減少了對(duì)人工拆解的依賴(lài)，因此，新處理工藝相比舊處理工藝將有更好的應(yīng)用前景。

（三）人力成本敏感系數(shù)分析

人力成本支出占大件垃圾處理費(fèi)用中的重要部分，有必要用更為直觀的指標(biāo)指證人工與機(jī)械化協(xié)同的平衡點(diǎn)位。基于此，本研究用“人力成本敏感系數(shù)”分析人力支出的推升在處理過(guò)程中所能回饋的效益。人力成本敏感系數(shù)越高，反映該種條件下人力投入產(chǎn)生越高的反饋值。

人力成本敏感系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖4所示，T新1和Y新1分別為2.19×10-4和5.59×10-4，而T新2和Y新2僅為2.79×10-5和7.87×10-5。這首先說(shuō)明了相較于出口品質(zhì)，總回收率對(duì)人力的投入其反饋更為敏感，這可以歸因人工拆出的海綿直接影響了總體回收率。其次，對(duì)于新處理工藝，使用簡(jiǎn)單拆解的工況就已經(jīng)達(dá)到了理想的品質(zhì)和回收率，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)投入人力將使得邊際效益更為不顯著；對(duì)于舊處理工藝，在簡(jiǎn)單拆解的情境下繼續(xù)投入人力，出料的出口品質(zhì)和回收率依舊可獲得較大的提升，以回收率為例，Y舊1是Y舊2的2.91倍，說(shuō)明舊處理工藝的精細(xì)拆解是十分必要的（表3）。

（四）碳排放與碳回收分析

從各研究單元的碳排放可以看出（圖5、圖6），新舊兩種工藝不可回收物焚燒所產(chǎn)生的碳排放是總體碳排放中占比最高的環(huán)節(jié)，舊工藝為90%，新工藝為78%，分別是碳排量中占比第二的外購(gòu)電力碳排放的4.6倍和18倍，因此控制不可回收物的產(chǎn)生將大幅減少焚燒產(chǎn)生的碳排放。雖然可回收金屬替代原生材料的碳排放因子較高，但回收量較少，因此兩種工藝所產(chǎn)生的負(fù)碳效益均不足5%。對(duì)于木材與海綿的回收，新處理工藝產(chǎn)生的木材與海綿回收物減排是舊處理工藝的2.2倍和32%，說(shuō)明對(duì)于新處理工藝來(lái)說(shuō)，木質(zhì)是主要被回收物，但舊處理工藝的篩分能力不足，導(dǎo)致木質(zhì)物回收不足，回收物主要依賴(lài)人工拆解出的海綿。

新處理系統(tǒng)引入了3D分選設(shè)備和雙軸破碎機(jī)，增加的能耗對(duì)比舊處理工藝額外產(chǎn)生了50%的外購(gòu)電力碳排放量，但新設(shè)備對(duì)處理資源化水平的提升，使得殘余物及其運(yùn)輸所產(chǎn)生的碳排放總計(jì)減少了128%，回收物替代原生材料所產(chǎn)生的負(fù)碳效益增加了176%。綜合來(lái)看，新處理工藝相比舊工藝的總排量減少了59%，新舊兩種處理工藝的單位凈排量分別為-1.06 kgCO2/kg與-0.03 kgCO2/kg，新處理工藝相比舊處理工藝有更好的環(huán)境效益。

由表4對(duì)兩種工藝的三種拆解工況進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，新處理工藝所有拆解工況都能滿(mǎn)足負(fù)碳效益，而簡(jiǎn)單拆解單位凈排量（-1.3 kgCO2/kg）對(duì)比不拆解的單位凈排量（-1.4 kgCO2/kg）差值僅有0.1 kgCO2/kg，綜合經(jīng)濟(jì)效益，可以認(rèn)為簡(jiǎn)單拆解在保證了環(huán)境效益的前提下，是更優(yōu)的拆解工況。相比新處理工藝，舊處理工藝僅在精細(xì)拆解這一工況下滿(mǎn)足單位凈排量的負(fù)碳效益。

四、結(jié)論

隨著處理工藝的升級(jí)，舊處理工藝在資源化率、對(duì)環(huán)境的友好性上與新處理系統(tǒng)均體現(xiàn)了一定差距。

一是兩種處理工藝對(duì)于人工拆解都是必要的，舊處理工藝僅在精細(xì)拆解的工況下達(dá)到理想的資源化水平，對(duì)于新處理工藝來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單拆解為最優(yōu)的拆解工況。

二是新處理工藝增加了3D分選系統(tǒng)，優(yōu)化了處理流程，有效地提升了處理能力與資源化水平。在人工簡(jiǎn)單拆解工況下新處理工藝相比舊處理工藝出口品質(zhì)提升了38%，回收率提升了429%。

三是新處理工藝具有更好的環(huán)境效益，焚燒是處理過(guò)程最大的碳排放源，木材是最大的回收源。

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（責(zé)任編輯：榮榮）