摘 要：介紹了廢舊塑料造粒工藝，包括無(wú)熔造粒、濕法造粒、干法造粒、有機(jī)溶劑輔助軟化造粒、復(fù)合再生造粒和熱風(fēng)循環(huán)加熱熔融造粒等，分析了各種造粒工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行了分析對(duì)比，其中熱風(fēng)熔融工藝采用熱風(fēng)直接加熱廢舊塑料進(jìn)而擠出造粒，無(wú)需破碎處理，改善了工作環(huán)境，避免了二次污染，具有很好的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：廢舊塑料；再生造粒工藝；熱風(fēng)熔融；造粒設(shè)備
塑料因其優(yōu)異的性能被廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年，我國(guó)全年累計(jì)生產(chǎn)塑料制品 6188.66萬(wàn)t，比 2012年增長(zhǎng)7.04%。塑料制品給人類(lèi)生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也帶來(lái)了極大的負(fù)效應(yīng)，尤其是廢舊塑料隨著塑料制品使用量的增加急劇上升，并對(duì)環(huán)境造成的污染也日趨嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年，我國(guó)僅一次性塑料飯盒和各種泡沫包裝就達(dá)9500萬(wàn)t，加上報(bào)廢家電、汽車(chē)廢舊塑料和其它廢舊塑料，總量接近2億t[1]。回收再生造粒為廢舊塑料處理提供了一條資源化道路，既減少?gòu)U舊塑料對(duì)環(huán)境的污染，又實(shí)現(xiàn)能源的再生利用。
1、廢舊塑料的處理方式
1.1 填埋處理
對(duì)廢舊塑料進(jìn)行填埋是一種操作簡(jiǎn)單、投資成本低的處理方法。填埋處理通常選擇地勢(shì)低洼處進(jìn)行衛(wèi)生填埋 [2]。塑料具有體積大、質(zhì)量輕、長(zhǎng)期不分解腐爛的特點(diǎn)，填埋廢舊塑料占用土地面積大，嚴(yán)重浪費(fèi)國(guó)土資源，破壞土壤結(jié)構(gòu)，阻礙地下水的流通和滲透，并且填埋后的廢舊塑料經(jīng)雨水長(zhǎng)期沖刷，會(huì)將大量的有害物質(zhì)帶入人類(lèi)生活環(huán)境中，危害人類(lèi)健康。
1.2 焚燒回收熱能
焚燒回收熱能是回收利用廢舊塑料燃燒時(shí)所產(chǎn)生的熱量[3]。對(duì)于難分離、無(wú)法回收的廢舊塑料，可以通過(guò)燃燒回收熱能進(jìn)行處理。該方法可實(shí)現(xiàn)能源的有效利用，變廢為寶，操作方便、成本低，但是焚燒時(shí)氣味難聞，會(huì)釋放多種有害物質(zhì)，如強(qiáng)致癌物質(zhì)二惡英，嚴(yán)重危害人類(lèi)健康和生態(tài)環(huán)境。
1.3 再生造粒
塑料的分類(lèi)方法很多，按各種塑料對(duì)溫度的不同反應(yīng)，可分為熱塑性塑料和熱固性塑料[4]。熱塑性塑料是指在一定溫度范圍內(nèi)，能夠反復(fù)加熱熔化、冷卻固化的塑料，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等；熱固性塑料是指固化后不熔融的塑料，如酚醛、環(huán)氧及不飽和聚酯塑料等。前者在廢舊塑料中占有很大的比重，可通過(guò)再生造粒回收，后者由于固化后不能熔融，回收難度大，常常粉碎后作為填料使用[5]。
再生造粒是一種通過(guò)造粒工藝將廢舊塑料變?yōu)轭w粒的回收方法。再生顆粒可用于成型加工，制得的產(chǎn)品性能與原產(chǎn)品的性能相差不多，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。相比于填埋處理和焚燒處理，再生造粒是真正意義上的資源再生循環(huán)利用。在我國(guó)廢舊塑料回收造粒技術(shù)起步比較早，為資源的再生利用做出了巨大貢獻(xiàn)。然而由于我國(guó)絕大多數(shù)企業(yè)處于小規(guī)模、無(wú)序化的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式，加工過(guò)程易產(chǎn)生污水、廢料，未經(jīng)過(guò)處理直接排放，造成環(huán)境污染，并且我國(guó)廢舊塑料回收造粒效率低、成本高、工作環(huán)境差。再生塑料顆粒的質(zhì)量和再生塑料制品的性能取決于造粒工藝，尋找一條簡(jiǎn)單方便、快捷高效、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)適用的工藝流程是塑料造粒領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。
2、造粒工藝
2.1 無(wú)熔造粒工藝
無(wú)熔造粒工藝流程如圖1所示[6]。
首先將廢舊塑料經(jīng)過(guò)清洗、篩選等過(guò)程去除金屬等雜質(zhì)，然后將廢舊塑料粉碎并由氣動(dòng)系統(tǒng)送往壓縮機(jī)，通過(guò)壓縮系統(tǒng)的壓縮和捻搓作用，使物料變成條狀(這個(gè)過(guò)程是在塑料維卡軟化點(diǎn)以下并在很短的時(shí)間內(nèi)完成)，再將條狀物料冷卻后粉碎，控制物料顆粒的大小為 4～8 mm，細(xì)粉料被分離送往壓縮系統(tǒng)重新造粒，而大顆粒物料和金屬等雜質(zhì)被再次分離，去除金屬等雜質(zhì)，大小合格的顆粒被包裝儲(chǔ)存或用于成型加工。
該工藝不需要外設(shè)熱源，壓縮時(shí)間能夠精確控制，處理溫度低于塑料維卡軟化點(diǎn)，避免物料受熱降解，但是破碎環(huán)節(jié)對(duì)塑料顆粒大小控制精度不高，制得的顆粒大小不均勻，易產(chǎn)生細(xì)粉料，造粒效率低。
目前，對(duì)體積密度小的薄膜、纖維等主要采用熔融造粒，即把物料加熱到其熔點(diǎn)以上，然后擠出造粒。當(dāng)廢舊塑料加熱到熔點(diǎn)溫度以上時(shí)，會(huì)釋放出多種有害氣體，危害工作人員身體健康。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，李聿軍等[7]發(fā)明了一種不產(chǎn)生有害氣體的塑料造粒機(jī)，該造粒機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)子和定子上的刀片對(duì)廢舊塑料造粒，無(wú)需熔融，造粒效率高，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。主要結(jié)構(gòu)包括機(jī)身、支架、電機(jī)、轉(zhuǎn)子、刀片、定子、 進(jìn)料口、出料導(dǎo)板、一級(jí)篩網(wǎng)和二級(jí)篩網(wǎng)，其中刀片呈螺旋狀，一級(jí)篩網(wǎng)上的網(wǎng)格大于二級(jí)篩網(wǎng)上的網(wǎng)格。工作原理為：首先物料由進(jìn)料口加入落入箱體內(nèi)，然后轉(zhuǎn)子和定子上的刀片對(duì)廢舊塑料進(jìn)行造粒加工，最后通過(guò)一級(jí)篩網(wǎng)和二級(jí)篩網(wǎng)對(duì)不均勻的顆粒進(jìn)行分離。
2.2 傳統(tǒng)造粒工藝
(1)濕法造粒。
濕法造粒工藝流程如圖3所示[8]，其流程為：收集→分選→破碎→清洗→烘干→熔融→切粒。收集的廢舊塑料種類(lèi)繁雜，表面附著灰塵、泥沙、油漬等，這些雜質(zhì)嚴(yán)重影響再生塑料的質(zhì)量，一般通過(guò)增加破碎和清洗次數(shù)去除這些雜質(zhì)，從而提高回收產(chǎn)品的質(zhì)量，再通過(guò)擠出機(jī)擠出成型，最后熔融的塑料被切割成大小合適、均勻的顆粒。收集和分選由人工完成，破碎、清洗、干燥由破碎機(jī)、清洗裝置、干燥器完成，塑料熔融在螺桿擠出機(jī)中進(jìn)行，熔融的塑料通過(guò)口模擠出并由切粒裝置完成造粒。
圖 2 一種塑料造粒機(jī)
1—破碎機(jī)；2—初洗池；3—攪拌機(jī)；4—第一道清洗；5—第二道清洗；6—第三道清洗；7—離心脫水機(jī)；8—烘干機(jī)；9—擠出機(jī)；10—水槽；11—切粒機(jī)
濕法造粒是普遍使用的造粒方法，其優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡(jiǎn)單，成本低，制品運(yùn)用廣泛[9]；缺點(diǎn)是破碎、清洗、烘干、擠出和切粒都需要專(zhuān)門(mén)的設(shè)備，生產(chǎn)成本高，工作噪音大，易產(chǎn)生粉塵和污水，造成二次污染。
廢舊塑料造粒過(guò)程產(chǎn)生大量的塑料粉塵、水及揮發(fā)性有機(jī)物，會(huì)在機(jī)器的縫隙中沉淀，使機(jī)器磨損嚴(yán)重，降低使用壽命，同時(shí)這些物質(zhì)飄散在空氣中對(duì)人體非常有害。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，吳利剛[10]發(fā)明了帶有除塵裝置的塑料造粒機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。主要結(jié)構(gòu)包括塑料破碎機(jī)構(gòu)、加熱融化機(jī)構(gòu)、切粒冷卻機(jī)構(gòu)、排塵管、吸塵套、防塵罩、吸塵機(jī)構(gòu)。在生產(chǎn)過(guò)程中，除塵機(jī)構(gòu)能迅速地吸收產(chǎn)生的塑料屑和粉塵，并通過(guò)排塵管進(jìn)行收集過(guò)濾回收，改善了工作環(huán)境，延長(zhǎng)了造粒機(jī)使用壽命。
劉志等[11]發(fā)明了一種實(shí)用新型塑料造粒機(jī)，該造粒機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、制造成本低，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。主要結(jié)構(gòu)包括造粒機(jī)主體、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、料斗、輸出口模、成品收集箱、底座、支撐架等。工作原理為：將破碎后的廢舊塑料由料斗加入落于料室，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，物料通過(guò)相互間的摩擦和螺桿的帶動(dòng)向口模方向運(yùn)動(dòng)，螺桿機(jī)筒外壁上設(shè)有的加熱片對(duì)固體物料加熱熔融，通過(guò)口模擠出，切割成粒子，最后進(jìn)入成品收集箱。該造粒機(jī)的外壁上設(shè)有保護(hù)殼，保護(hù)殼與造粒機(jī)主體間設(shè)有隔熱層，這樣可以既能保證造粒機(jī)內(nèi)部有足夠的溫度，又能避免工作人員接觸造粒機(jī)被燙傷；造粒機(jī)主體頂部設(shè)有排氣孔和吸氣管道，底部設(shè)有排水孔和排水管道，這樣機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣和廢水可以通過(guò)排氣孔和排水孔迅速排出，避免直接排放，改善工作環(huán)境。
(2)干法造粒。
干法造粒的工藝流程為：收集→破碎→分離除雜→熔融→切粒。干法造粒省去了清洗和烘干過(guò)程，增加了分離除雜環(huán)節(jié)。分離方法分為浮沉分離、浮選分離、電選分離、近紅外線光譜分離等[12]。
相比于濕法造粒，干法造粒省去了清洗和烘干環(huán)節(jié)，節(jié)約了水資源，特別是在水資源嚴(yán)重缺乏的地方非常適用，但由于制品的質(zhì)量取決于除雜是否徹底，需安裝專(zhuān)門(mén)的除雜設(shè)備除雜，增加了生產(chǎn)成本。
廢舊塑料在擠出機(jī)內(nèi)隔絕空氣熔煉會(huì)產(chǎn)生大量CO和少量CO2等有害氣體，并且這些氣體具有一定的壓力，阻礙熔融塑料擠出成條，不能切粒。傳統(tǒng)造粒機(jī)是在外殼上開(kāi)一個(gè)排氣孔，這些有害氣體未經(jīng)處理直接排放，嚴(yán)重危害工作人員身體健康，同時(shí)造成大氣污染。為了克服這個(gè)問(wèn)題，林小明[13]發(fā)明了一種零排放的再生塑料回收機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示。主要結(jié)構(gòu)包括明火鍋爐、排氣孔、煙霧收集箱、氫氧化鈣反應(yīng)罐、壓縮機(jī)、供氧裝置、除水裝置等。機(jī)器運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的CO，CO2和SO2等氣體通過(guò)排氣孔進(jìn)入煙霧收集箱，一方面密度比空氣大的CO2和SO2等氣體在壓縮機(jī)的作用下從煙霧收集箱底部進(jìn)入氫氧化鈣反應(yīng)罐，反應(yīng)生成沉淀；另一方面密度比空氣小的CO從煙霧收集箱頂部進(jìn)入明火鍋爐作為燃?xì)馐褂茫瑹熿F收集箱和明火鍋爐之間設(shè)有除水裝置和供氧裝置，除水裝置用于干燥CO，而供氧裝置為干燥的CO提供燃燒所需的氧氣。這樣可以實(shí)現(xiàn)有毒氣體的零排放,有利于保護(hù)環(huán)境和改善工作環(huán)境。
吳鎮(zhèn)宇[14]發(fā)明了一種塑料造粒機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7所示。主要結(jié)構(gòu)包括底座、電機(jī)支架、電機(jī)、輸送軸、進(jìn)料口、 儲(chǔ)氣室、放氣閥、輸氣管、燃燒室、出料口、支撐板、輸送筒、濾 網(wǎng)、攪拌扇片、軸承等。在生產(chǎn)過(guò)程中，產(chǎn)生的廢氣通過(guò)儲(chǔ)氣 室收集，然后通過(guò)輸氣管將廢氣輸送到燃燒室并通過(guò)燃燒去除 CO等有害氣體，減少有毒氣體的排放。
1—供氧裝置；2—除水裝置；3—煙霧收集箱；4—壓縮機(jī)；5—氫氧化鈣反應(yīng)罐；6—排氣孔；7—明火鍋爐
圖 6 一種零排放的再生塑料回收機(jī)
2.3 新型造粒工藝
(1) 有機(jī)溶劑輔助軟化造粒。
周建等[15]提出了一種再生塑料造粒的制備方法，該工藝在傳統(tǒng)擠出工藝基礎(chǔ)上加入有機(jī)溶劑軟化過(guò)程，幫助塑料快速軟化，同時(shí)有機(jī)溶劑還能保護(hù)塑料內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)不受破壞，保證了再生塑料的品質(zhì)。其工藝為：首先將廢舊塑料經(jīng)分選后破碎成片狀物料，經(jīng)水洗后進(jìn)行烘干，控制物 料的含水率為 1%~4%，通過(guò)團(tuán)粒機(jī)將物料聚集成直徑為0.3~2cm、堆積密度為 600~1000kg/m3的顆粒；其次將廢舊塑料和重質(zhì)碳酸鈣和有機(jī)溶劑三氯化銻放入造粒機(jī)內(nèi)， 通過(guò)攪拌混合均勻并進(jìn)行催化反應(yīng)得到復(fù)合材料，并將復(fù)合材料輸送到帶螺桿式電熱熔化機(jī)中進(jìn)行加熱變成稠狀；最后通過(guò)擠出裝置將軟化的廢舊塑料擠出得到再生塑料，并由切粒裝置將再生塑料切成顆粒。
(2) 復(fù)合再生造粒。目前再生塑料大都為多種塑料的混合體，其成分復(fù)雜、強(qiáng)度低、加工性能差、色澤暗淡，因此再生塑料大都用于低端塑料制品，沒(méi)有發(fā)揮塑料固有的特性。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，陳慶等[16]提出了一種復(fù)合再生塑料制備方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比， 該工藝通過(guò)無(wú)機(jī)粉體與廢舊塑料復(fù)合，借助無(wú)機(jī)粉體的透明性、耐熱性、流動(dòng)性等，還原了再生塑料良好的透明性、耐熱性和加工穩(wěn)定性，使再生塑料運(yùn)用更廣，降低了再生塑料成本。其工藝為：首先將無(wú)機(jī)粉體和研磨劑在 120～140℃條件下，通過(guò)高速混合機(jī)混合，得到混合均勻的漿狀體；其次將混合均勻的漿狀體加入研磨機(jī)中研磨成粉體，并與增塑劑和廢舊塑料一起加入雙轉(zhuǎn)子連續(xù)混煉機(jī)中混煉，使無(wú)機(jī)粉體嵌入完全塑化的廢舊塑料中形成均勻體；最后將得到的均勻體直接加入擠出造粒設(shè)備，通過(guò)擠出、切粒、冷卻得到復(fù)合再生塑料顆粒。
(3) 熱風(fēng)循環(huán)加熱熔融造粒。
周獻(xiàn)華等[17]提出了一種熱風(fēng)循環(huán)加熱熔融造粒工藝。 熱風(fēng)循環(huán)加熱熔融造粒是擠出造粒工藝中一種全新的技術(shù)，它采用熱風(fēng)循環(huán)加熱廢舊塑料，使塑料熔化，進(jìn)而擠出造粒。相比于傳統(tǒng)熔融造粒工藝，它是直接加熱廢舊塑料，省去了粉碎、清洗、烘干等過(guò)程，改善了工作環(huán)境，節(jié)約投資成本，避免二次污染，具有廣闊的運(yùn)用前景。
周獻(xiàn)華等[17-18]根據(jù)熱風(fēng)熔融造粒工藝設(shè)計(jì)出立式熱風(fēng)循環(huán)加熱廢舊塑料回收造粒實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及其溫度控制電路，而陳丹等[19-20]在周獻(xiàn)華等研究基礎(chǔ)上完成了實(shí)驗(yàn)研究和改進(jìn)設(shè)計(jì)，證實(shí)了熱風(fēng)熔融造粒工藝的可行性。立式熱風(fēng)循環(huán)加熱廢舊塑料回收造粒實(shí)驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖8所示。主要結(jié)構(gòu)包括料斗、攪拌軸、攪拌片、篩網(wǎng)、加料螺旋、加熱片、離心風(fēng)機(jī)、電機(jī)、加熱管等。工作原理為：物料由料斗加入落于箱體，通過(guò)熱風(fēng)循環(huán)加熱，在攪拌軸作用下加速熔融，并通過(guò)螺桿擠出造粒，同時(shí)熱風(fēng)在離心風(fēng)機(jī)作用下，依次通過(guò)離心風(fēng)機(jī)、加熱管，然后進(jìn)入箱體，這樣往復(fù)循環(huán)完成加熱。但立式實(shí)驗(yàn)樣機(jī)存在一些問(wèn)題，如尺寸和結(jié)構(gòu)不合理，缺少切粒裝置；攪拌軸和螺桿同軸，無(wú)法對(duì)攪拌軸和螺桿分別調(diào)速； 擠出口模靠近地面，給后續(xù)切粒造成困難等。
熊秋亮[21]在立式熱風(fēng)循環(huán)造粒機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，針對(duì)立式熱風(fēng)循環(huán)造粒機(jī)所存在的問(wèn)題，提出把立式改成臥式，解決了立式切粒困難和攪拌軸和螺桿同軸問(wèn)題。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 9所示。主要結(jié)構(gòu)有料斗、攪拌軸、攪拌片、篩網(wǎng)、螺桿、離心風(fēng)機(jī)、加熱管等。工作原理為：物料由料斗加入，落于篩網(wǎng)上，通過(guò)熱風(fēng)循環(huán)加熱，在攪拌軸作用下加速熔融 并掉落到螺桿上，通過(guò)螺桿擠出造粒，同時(shí)熱風(fēng)在離心風(fēng)機(jī)作用下，依次穿過(guò)篩網(wǎng)、離心風(fēng)機(jī)、加熱管，然后進(jìn)入箱體，這樣往復(fù)循環(huán)完成加熱。目前該臥式塑料造粒實(shí)驗(yàn)裝置仍存在不足之處，如攪拌軸和攪拌桿連接復(fù)雜，不便拆卸和維修；抽氣管擺放位置設(shè)計(jì)不合理，抽風(fēng)不均勻；廢舊塑料熔融后粘在攪拌軸上，不能從篩網(wǎng)穿過(guò)；熔融物料擠出困難等。
圖八：1—料斗；2—攪拌軸；3—攪拌片；4—篩網(wǎng)；5—加料螺旋；6—加熱片；7—離心風(fēng)機(jī)；8—電機(jī)；9—加熱管
圖九：臥式熱風(fēng)循環(huán)造粒機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3、結(jié)語(yǔ)
相比于無(wú)熔造粒，熔融造粒使用更為廣泛，技術(shù)更為成熟。熔融造粒的傳統(tǒng)工藝簡(jiǎn)單，成本低，制品運(yùn)用廣泛，但是破碎和清洗會(huì)產(chǎn)生塑料屑和污水，危害生態(tài)環(huán)境和工作人員身體健康。新型造粒工藝中有機(jī)溶劑輔助軟化造粒和復(fù)合再生造粒在傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，但仍避免不了破碎和清洗環(huán)節(jié)。熱風(fēng)熔融造粒工藝采用熱風(fēng)直接熔融廢舊塑料，無(wú)需破碎處理，可節(jié)約生產(chǎn)成本，改善工作環(huán)境，避免二次污染，具有很廣闊的發(fā)展前景，但是與之配套的再生造粒設(shè)備還不完善，仍需設(shè)計(jì)人員進(jìn)行艱苦努力，在這方面很下功夫。
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