一、前言
在城市生活垃圾综合处理工程中，整个处理过程可以分为前处理工序、处理工序和后处理工序三大系统。处理工序包括焚烧、发酵制肥，后处理工序包括焚烧尾气净化处理，焚烧炉渣、前处理工序及制肥过程中分选出的有害物的处理。
前处理工序在整个垃圾处理工程中占有十分重要的地位，它不但是垃圾进入焚烧、发酵等实质处理前的必需工序，对最终处理效果、能否达标排放具有重要意义；而且，前处理工序的设备投资和配套建筑设施的投资分别占到垃圾处理厂设备总投资和建筑设施总投资的40%左右，设备故障和能耗分别约占整个系统设备故障和能耗的一半。因此，研究、开发先进、实用的垃圾前处理设备具有重要意义。
二、现状
目前，国内城市生活垃圾综合处理工艺的前处理工序一般如下：在垃圾卸料场内，由工人对原生垃圾进行翻拣，选出外形尺寸大的垃圾和缠绕物等成分后，由装载车送到垃圾仓，再由行车、抓斗送到给料机。所谓给料机其实就是一个料斗，里面有一～三个螺旋或带刀刃的辊子，用作破袋、破碎，因而也叫破袋机或破碎机，袋装垃圾在给料机中实现破袋和部分破碎。由于结构原因，这种破袋机不能同时破大、小袋。垃圾经破袋、破碎后，被给料机下面的板式输送机近似均匀地带走并送入皮带输送机，然后送入筛分机。给料机和板式输送机一般合称匀料机。
垃圾经筛分后，筛下物经手选、磁选进入发酵工序；筛上物经手选、磁选后进入焚烧炉焚烧。
在上述前处理工序中，需要的设备有：装载机、行车、抓斗、给料机、板式输送机、皮带输送机、筛分机、磁选机。设备种类多、数量多，设备之间的配合、协调受人为因素影响大；设备功率大、能耗高，运行、维护费用高；限于皮带输送机的爬升能力，设备平面布置范围大，占地面积大，垃圾输送距离大，需要的输送设备多；设备安装高差大，对车间建筑要求高。
这种前处理工艺的设计思路来源于国外垃圾焚烧厂焚烧炉给料系统，该系统由垃圾仓、行车、抓斗等组成，垃圾仓的作用除了暂时存放垃圾外，更主要的是原生垃圾中的有机物在这里脱水以提高垃圾的热值，便于焚烧时着火和充分燃烧；行车的作用除运送垃圾外，还有翻堆、拌和的功能。然而，在垃圾综合处理工程中，垃圾中的有机物用于发酵制肥，并不一定要在垃圾仓进行脱水；同时，垃圾在进入焚烧炉前，要经过破袋、筛分，也不必行车、抓斗进行翻堆、拌和。因此，在垃圾综合处理工程中，行车、抓斗系统功能单一，功能与投资明显不对等，技术经济性差。
上述前处理系统还存在严重的功能缺陷：
首先，必须由人工分选出尺寸大于120mm～150mm、不易被给料机破碎的垃圾成分及缠绕物并破大袋，这些工作是由工人在肮脏、恶臭、小山一样的垃圾堆中用锄头、铁揪、铁钩等原始工具进行的，不但严重影响、损害工人的身体健康，分拣效率和效果都很差而且受人为因素影响大，难以实现大件垃圾及缠绕物的有效分拣。而大件垃圾和缠绕物的彻底分拣，是保证匀料机正常运行的前提和关键。实践证明，正是由于大件垃圾和缠绕物不能有效分拣，再加上匀料机自身的工作原理和结构缺陷，使给料机的辊子与辊子之间、辊子与料斗之间、给料机和板式输送机之间经常发生堵塞、卡死，严重时导致设备损坏，成为垃圾处理厂生产线故障率最高的设备之一。
抓斗也是高故障的设备之一，液压驱动式抓斗配件费用高、维修难度大；机械驱动式抓斗钢丝绳消耗大且更换不便，耗时费力。
第二，给料机容易造成过度破碎，即容易将垃圾中不应破碎的玻璃、陶瓷、电池等破碎，导致这些成分在后续分选工序分选难度增大，难以有效分选，从而导致重金属排放严重超标，导致堆肥因重金属含量严重超标和玻璃、陶瓷成分含量高而不能或不适合施用。
第三，分选效率低、效果差。在现有的分选工艺中，一般将垃圾按粒度简单分为筛上物和筛下物，再分别对筛上物和筛下物进行人工手选和磁选。由于筛上物和筛下物的尺寸分布范围大、成分复杂、抛物类成分多，磁选的效果受到影响。手选的效果更差，特别是对于筛下物中的电池、小玻璃等有害成分，效果更差。有的工程设置了风力分选、弹跳分选等分选工序，设置风选工序的意图主要是回收纸张、塑料等可以回收利用的成分，获得经济效益；设置弹跳分选的意图主要是选出电池、陶瓷、砖石等成分。但由于生活垃圾的成分复杂多样、各组成成分的物理特性差异大，风力分选、弹跳分选的效率和效果不理想，技术经济性差。某大型垃圾分选回收设备的验收现场有这样一个场面：在近二米长的废纸输送带上就只有一张纸，回收效率可见一斑。
筛上物经手选、磁选后送往焚烧炉焚烧。由于这部分垃圾的粒度或外形尺寸范围大，因而量也大，在被送进焚烧炉前，难以采用合适的方法和设备对其进行适当破碎；而不经破碎直接进入焚烧炉，就会产生这样的后果：或者尺寸大的垃圾不能充分燃烧，燃烧产物不能达标排放甚至产生新的更难以处理的有害物质，如二恶英类；或者必须增加垃圾在焚烧炉内的停留时间，这样不但会降低焚烧炉的实际处理能力，还可能产生新的、难以处理的有害物，如氮氧化物。
有的垃圾厂在焚烧炉前设置了简单的破碎设备——一般和焚烧炉进料机构设置成一体，因难以同时兼顾经济性和技术性，实际效果不好。
筛下物中包含了几乎全部的干电池和玻璃成分及大部分的重金属。同样由于粒度分布范围大、量多，手选和磁选的效果都较差；对于在破袋工序中被破碎了的电池和玻璃，几乎完全无能为力。因此堆肥重金属含量高、玻璃渣含量高也就成为必然！
总之，目前的前处理系统可以概括为：建设费用高、运行故障高、能耗高、维护费用高，效率低、效果差。不但其功能和所占投资比例、能耗比例、运行维护费用比例严重不对等，而且还是整个工程排放达标难、堆肥质量差的重要原因。城市生活垃圾综合处理要走出上述困境，就必须从前处理工序入手。
三、城市生活垃圾前处理集成系统
城市生活垃圾前处理集成系统是我们在分析、研究国内外多个工程资料，考察国内多个垃圾处理工程，与业内人士广泛交流的基础上，结合我们多年来在化工工程及设备、锅炉设备、自动控制、环保工程实践等方面的技术沉淀和成功开发大型复杂机电成套设备的经验积累，从研究城市生活垃圾处理工艺出发，开发的一套工艺与设备、机械与电气、设备各组成单元之间高度整合；简单、高效，适合我国城市生活垃圾成分，并与我国目前及今后一个时期的经济、社会发展水平相适应的城市生活垃圾前处理集成系统。
城市生活垃圾前处理集成系统由装载机、垃圾破袋分选——匀料设备、皮带输送机、破碎机、磁选机、精选机和人工分拣组成，它整合了原前处理系统中由人工进行的大件垃圾分选和行车、抓斗、给料机、板式输送机、筛分设备、皮带输送机等设备的全部功能。
开放式垃圾破袋分选机由机架、侧板、挡板机构、1级滚筒组、2级滚筒组、L形栅格板和分别安装在它们下面的1、2、3号集料器等组成。相邻滚筒之间的净间距等于或略大于垃圾的分选尺寸，滚筒的表面布置有能对垃圾起到拨送、撕扯作用的刀刃，滚筒通过轴承安装在机架上并与传动机构相连。滚筒组上缘构成大块垃圾输送面，相邻滚筒及其相应的刀刃构成小块垃圾通过的筛孔。1级滚筒组、2级滚筒组和L形栅格板分别构成一、二、三级筛面。挡板机构由大挡板、小挡板和驱动机构等组成，大挡板联接在驱动机构上，小挡板铰接在大挡板上，小挡板上可以设置钉、钩或刀刃。挡板机构的作用是对袋装垃圾产生运动阻力，增强破袋、破碎效果，当遇到大块垃圾时大挡板能自动抬起让其通过。
垃圾提升匀料机是目前广泛使用的斗式提升机的改进。以独特的受控卸料代替斗式提升机采用的重力诱导、惯性抛洒卸料，避免了重力诱导、惯性抛洒卸料对物料的几何尺寸等物理特性的限制并有自动清理残留物料的功能，适合垃圾等成分、形状、尺寸差异大以及带粘性的物料的提升输送。在垃圾处理工程中可代替行车、抓斗、板式输送机用于垃圾的提升输送、均匀给料；可与螺旋输送机等配合使用代替翻堆机、铲车等设备用于堆肥翻仓、出仓等作业；可用以调整工序之间的高差、以减少皮带输送机的爬升角度和长度，减小车间面积和高度。具有结构简单、布置灵活、操控方便、节省投资、降低运行费用，便于实现生产过程自动化等优点。设备的动力机构可安装在下部，便于安装维护。
精选机是在充分研究垃圾成分、处理目的、排放标准、堆肥质量要求的基础上，整合多种分选技术开发的一套简单、高效、经济的电池专用分选设备。
以下简要介绍垃圾前处理集成系统的工作原理和过程。
装载车以一定的时间间隔不断将原生垃圾送入开放式破袋分选机的前端部，被垃圾覆盖和与垃圾有效接触的滚筒在转动过程中将垃圾向相邻的下一个滚筒拨送。这一过程连续向后复制，延续到所有滚筒。在这个过程中，同时实现大小垃圾袋的破袋和多级筛分。破袋有两种形式，一种是滚筒上的刀刃拨动袋装垃圾时，袋装垃圾在自重、其他垃圾的挤压、碰撞作用和挡板的阻碍作用下，被刀刃划破包装袋；另一种方式是当袋装垃圾处于两根滚筒之间时，垃圾袋被差速转动的刀刃撕裂。破袋的同时有一定破碎作用。
垃圾的分类是这样实现的：当垃圾在滚筒组上面被向后拨送时，一类粒度的垃圾成分从1级滚筒组的滚筒之间进入下面的1号集料器；二类粒度的垃圾和少许一类粒度的垃圾进入2号集料器；其余的垃圾进入L形栅格板，三类粒度的垃圾从栅格之间的间隙进入3号集料器；剩下的大块垃圾翻越L形栅格板的短边进入大件垃圾收集槽，为4号垃圾。
第一类粒度最小，成分包括灰渣、有机物和全部的干电池和碎小玻璃、陶瓷等。该部分垃圾经1号集料器进入1号垃圾提升匀料机，由1号垃圾提升匀料机送入精选机并辅以手选，分选出碎纸、轻质塑料、电池和大部分玻璃、陶瓷类成分后由1号皮带输送机送进发酵仓发酵制肥。第二类成分包括塑料、竹木、玻璃、陶瓷等，经2号集料器被2号垃圾提升匀料机送入2号皮带输送机，再经手选、磁选后送到焚烧炉。第三类由3号集料器直接进入3号皮带输送机，经手选后进入破碎机进行破碎，然后由3号垃圾提升匀料机提升到合适的高度经滑槽直接输送到2号皮带输送机，和第二类垃圾一起经磁选后送到焚烧炉。第四类尺寸最大，先由人工对其中不适合焚烧和不能进入破碎机的成分进行分选、拆解后送到破碎机破碎，然后同样经3号垃圾提升匀料机进入2号皮带输送机、经磁选后进入焚烧炉焚烧——此处破碎机要处理的垃圾量就少多了。
破袋分选匀料设备采用实时全自动控制，具有较完善的故障检测、故障报警、故障保护和一定的故障自动排除功能，大多数运行故障可以在线及时自动处理，运行中只需配备一～二名工人。
垃圾前处理集成系统所需安装、操作面积不到原系统所需面积的一半，且省去了整个行车车间；设备安装高差小，皮带输送机台数少、长度短；电机功率只略相当于被整合设备的三分之一。以日处理能力200吨的垃圾厂为例，可节省投资80万元以上（一台13.5米的5吨抓斗式行车及轨道等附属设施约27万元，行车车间建筑面积约600平米，包括配套设施40～45万元——仅此两项即可节约投资约70万元），设备故障和运行费用降低50%以上，同时为垃圾充分燃烧、缩短烟气在炉膛的停留时间，减少氮氧化物、二恶英类有害物的生成创造了有利条件，是解决目前城市生活垃圾处理行业严重存在的“三高一超”（建设投资高、设备故障高、运行费用高、排放超标）现象的优选方案，具有十分显著的经济效益和社会效益。
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