黃興元，潘留雯，譚 磊，王 涵
（南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西省輕質(zhì)高強(qiáng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330031）
摘要：提出一種熱風(fēng)熔融的方法對廢舊塑料進(jìn)行再生利用，其特點(diǎn)是：廢舊回收塑料直接進(jìn)行熱風(fēng)加熱熔融后通過螺桿擠出造粒，沒有粉碎過程，無噪音、粉塵飛揚(yáng)；熱風(fēng)熔融的溫度容易控制，防止過熱降解；熱風(fēng)循環(huán)無廢水排出，余熱全部利用。在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計構(gòu)建了試驗(yàn)樣機(jī)并進(jìn)行試驗(yàn)研究。
關(guān)鍵詞： 再生利用；擠出造粒；熱風(fēng)熔融；廢舊塑料
0 前言
塑料制品具有成本低、質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、易成型、絕緣性好及美觀實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、建筑、家電、電子電器、包裝等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，隨著其應(yīng)用的增加，廢舊塑料也越來越多，由于塑料難以自然降解，廢舊塑料給環(huán)境帶來的危害日益嚴(yán)重。眾所周知，廢舊塑料本身就是很重要的再生資源，在當(dāng)今世界石油資源緊缺的大環(huán)境下，許多國家都非常重視研究廢舊塑料的循環(huán)利用，投入了大量的人力和物力［1］，甚至進(jìn)行立法促進(jìn)廢舊塑料回收再利用技術(shù)的突破［2］。我國每年的塑料消費(fèi)量超過80000 kt，回收的廢舊塑料超過18000 kt［3］，是塑料生產(chǎn)和消費(fèi)大國，也是廢舊塑料產(chǎn)生大國，研究如何科學(xué)有效地處理廢舊塑料具有重要意義。
目前廢舊塑料處理主要通過填埋、焚燒和回收利用3個途徑，填埋是將廢舊塑料當(dāng)作垃圾進(jìn)行處置，過程簡單，是最經(jīng)濟(jì)的處理方式，但填埋場占用寶貴的土地資源，產(chǎn)生的滲液容易造成地下水土污染，影響土壤結(jié)構(gòu)，這種處理方式是不可持續(xù)和有危害的［4］。焚燒處理廢舊塑料能減少體積，回收部分能源，殺死其中的細(xì)菌和病毒，操作簡便，成本低，但燃燒產(chǎn)生的有害氣體如二惡英等會釋放到大氣中去［5］?；厥绽檬菍U舊塑料視為可再生資源加以回收再利用，綜合解決資源浪費(fèi)和環(huán)境污染的問題，是最理想的處理方式［6］。廢舊塑料的回收利用可分為化學(xué)回收和機(jī)械回收，化學(xué)回收通過高溫?zé)峤饣蛄呀鈱U舊塑料轉(zhuǎn)化成燃料或化學(xué)原料［7］，化學(xué)回收由于設(shè)備要求高，工藝過程復(fù)雜，造成回收難度大，回收成本高，難以大規(guī)模推廣。機(jī)械回收是指將廢舊塑料經(jīng)過鑒別、分離、清洗、破碎、熔融、造粒后，再次作為塑料原料重新用于產(chǎn)品制造［8‐9］，實(shí)現(xiàn)資源的重復(fù)利用，機(jī)械回收在實(shí)際應(yīng)用中也還存在許多問題［10］：處理過程的粉碎造成粉塵飛揚(yáng)，產(chǎn)生噪音，工人勞動條件差；清洗產(chǎn)生的廢水造成二次污染；粉碎后的體積大，增加運(yùn)輸成本，占用存儲空間。
作者所在研究團(tuán)隊(duì)針對廢舊塑料回收利用提出一種熱風(fēng)熔融方法［11］，其原理是將廢舊塑料直接加入熱風(fēng)熔融裝置，通過熱風(fēng)加熱使其熔融，熔融后塑料熔體和熱風(fēng)分離，分離后的尾氣回到加熱室繼續(xù)加熱升溫再循環(huán)回用，分離后的塑料熔體進(jìn)入輸送擠壓裝置進(jìn)行輸送擠壓，經(jīng)造?？谀Ｔ炝；蛑苯訑D出制品，特點(diǎn)是：廢舊塑料直接通過熱風(fēng)加熱熔融，無粉碎環(huán)節(jié)、無噪音、粉塵飛揚(yáng)；加熱后的尾氣經(jīng)再加熱后重新循環(huán)，余熱得到利用，無廢氣排出；熱風(fēng)溫度容易控制，可有效防止過熱降解；從廢舊塑料加入到造粒，只經(jīng)歷一次加熱熔融過程，避免多次加熱導(dǎo)致的質(zhì)量下降，又節(jié)省了反復(fù)加熱的能耗。本文提出了一種熱風(fēng)熔融的方法 對廢舊塑料進(jìn)行再生利用。
1 熱風(fēng)熔融廢舊塑料造粒機(jī)設(shè)計與試驗(yàn)
1. 1 造粒機(jī)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計
根據(jù)熱風(fēng)熔融廢舊塑料的回收利用原理，設(shè)計出如圖 1所示的熱風(fēng)熔融塑料回收造粒機(jī)原理方案（箭頭表示熱風(fēng)循環(huán)路徑）。
其結(jié)構(gòu)組成包括：熱風(fēng)循環(huán)加熱系統(tǒng)、攪拌裝置、螺桿擠出裝置、傳動機(jī)構(gòu)和造粒裝置。工作原風(fēng)循環(huán)加熱系統(tǒng)給熱風(fēng)熔融箱體內(nèi)提供熱風(fēng)，并讓熱風(fēng)循環(huán)，對箱體內(nèi)的廢舊塑料進(jìn)行加熱熔融，熔融后的廢舊塑料在攪拌裝置的作用下經(jīng)過篩網(wǎng)到熔融箱體的下部出料口，通過螺桿擠出裝置使熔融塑料經(jīng)過口模擠出，最后由切粒結(jié)構(gòu)對擠出的塑料進(jìn)行造粒。
1. 2 關(guān)鍵部件設(shè)計
（1）熱風(fēng)循環(huán)加熱系統(tǒng)
熱風(fēng)循環(huán)加熱系統(tǒng)是整個裝置中一個非常重要的系統(tǒng)，系統(tǒng)的作用是通過熱風(fēng)為加熱廢舊塑料提供熱量，同時使加熱廢舊塑料后的尾氣通過加熱管進(jìn)行補(bǔ)充加熱后循環(huán)回用，其組成包括：箱蓋、風(fēng)機(jī)、加熱管和熔融室，其中風(fēng)機(jī)和加熱管采用對稱布置，結(jié)構(gòu)方案如圖2所示。
熱風(fēng)循環(huán)過程是風(fēng)機(jī)從熔融室的上部將尾氣吸入從出風(fēng)口吹向加熱管，使其加熱，并經(jīng)過下箱體的夾套從熔融室下部進(jìn)入熔融室，熔融室內(nèi)有溫度傳感器控制熱風(fēng)溫度，熱風(fēng)熔融時，通過控制熱風(fēng)溫度防止塑料過熱降解，由于熱風(fēng)溫度比較容易控制，從而能保證造粒塑料的 質(zhì)量。
（2）攪拌裝置
攪拌裝置由攪拌軸、攪拌片固定桿、攪拌片以及底部的螺旋擠壓帶構(gòu)成，攪拌軸上安裝攪拌片固定桿，攪拌桿上對稱安裝有彈性的攪拌片，兩邊各安裝有3片，攪拌裝置的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。工作時，攪拌軸轉(zhuǎn)動帶動攪拌片在篩網(wǎng)表面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，攪拌片與篩網(wǎng)平面呈傾斜布置，傾角為φ，攪拌片推動塑料在篩面上運(yùn)動同時對塑料產(chǎn)生一個斜向下的擠壓力，如圖4 所示。
當(dāng)廢舊塑料進(jìn)入熔融室就直接浸入在熱風(fēng)中，由于沒有經(jīng)過前期破碎，因此廢舊塑料往往為大塊物件，浸入到熱風(fēng)中的廢舊塑料首先在表面形成熔膜，熔膜內(nèi)的塑料熔融熱需通過熱傳導(dǎo)穿過熔膜進(jìn)入固熔界面，因塑料導(dǎo)熱性能差，熱阻隨著熔膜厚度的增加而增加，則熔融速度隨熔膜厚度的增加而減慢。為加快熔融速度，攪拌裝置通過攪拌片驅(qū)使廢舊塑料在篩網(wǎng)上 面滑移，篩網(wǎng)上分離板刃角將塑料表面熔膜刮下，同時廢舊塑料塊在熱風(fēng)的加熱下軟化，在攪拌片的擠壓下變形貼向篩面可使更多的熔膜被刮下，分離板擋住未熔融的塑料塊從而將熔膜與芯部未熔融的料塊分離，擠壓分離過程如圖5 所示。
（3）螺桿擠出裝置
螺桿擠出裝置的作用是將刮下的塑料熔體通過螺桿和機(jī)筒送入造?？谀＿M(jìn)行造粒，進(jìn)入螺桿機(jī)筒內(nèi)的塑料都是塑料熔體，因此和普通擠出螺桿相比，這里的螺桿只起熔體輸送和壓實(shí)的作用，不需要具備固體輸送和塑化功能，螺桿的長度便可大大縮短。為使被刮下的塑料熔體進(jìn)入機(jī)筒，在攪拌軸上增加螺旋擠壓帶設(shè)計，利用螺旋擠壓帶將熔融塑料不停地擠壓到機(jī)筒 內(nèi)，螺桿采用等距變徑的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使熔體在輸送過程中壓實(shí)，如圖6 所示。
（4）切粒機(jī)構(gòu)
切粒采用熱切風(fēng)冷造粒，切粒機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖7所示，從螺桿擠出機(jī)頭出來的廢舊塑料熔體經(jīng)過分流錐分流進(jìn)入到造?？谀＿M(jìn)行擠出造粒，在口模出口處由旋轉(zhuǎn)切刀切斷后，被冷風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，同時風(fēng)冷系統(tǒng)中的氣流將其輸送到出料口收集。
1. 3 樣機(jī)試驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)用原料為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)廢料——聚丙烯（PP），如圖8所示，其熔點(diǎn)溫度在160~170℃，熱風(fēng)溫度控制在170℃。當(dāng)熔融室溫度在108℃時開始投入廢舊PP塑料，攪拌機(jī)構(gòu)進(jìn)行攪拌，大約15 min后可以看到螺桿機(jī)筒擠出熔融的廢舊塑料。
2 結(jié)果與討論
2. 1 熔融試驗(yàn)
不裝造粒口模試驗(yàn)，主要是檢驗(yàn)熱風(fēng)熔融廢舊塑料能否順利進(jìn)行，熔融的廢舊塑料能夠順利進(jìn)入螺桿機(jī)筒，由螺桿擠出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示。由圖可以看出，廢舊塑料能夠熔融，并進(jìn)入機(jī)筒由螺桿擠出，沒有燒焦現(xiàn)象。
實(shí)驗(yàn)表明，采用熱風(fēng)熔融方法可以對未經(jīng)粉碎處理的廢舊塑料進(jìn)行熔融，熔融速度滿足要求。
2. 2 造粒試驗(yàn)
裝上造粒口模之后進(jìn)行試驗(yàn)，擠出情況如圖10所示。試驗(yàn)中，熔融的廢舊塑料能夠由造?？谀ｍ樌麛D出，但由于?？字g距離挨得很近，經(jīng)口模擠出后，擠出料流有時黏在一起，容易給切粒造成困難。
2. 3 切粒試驗(yàn)
裝上切粒機(jī)構(gòu)，使用旋轉(zhuǎn)刀片進(jìn)行切粒，試驗(yàn)過程如圖11所示，由圖可以看出，切粒比較困難，切粒過程中切刀上經(jīng)常粘連有熔融的物料，導(dǎo)致切粒難以正常進(jìn)行下去，切出的粒料也不夠光滑。
造成這種情況的原因比較復(fù)雜，首先可能是切粒裝置的問題，因?yàn)榍辛Ｑb置的刀片結(jié)構(gòu)、刀片的切粒速度可能影響到切粒過程；其次是料流的溫度，由于風(fēng)冷熱切對料流材料、溫度等要求較高，試驗(yàn)中的條件不一定能滿足要求。因此，在后續(xù)改進(jìn)中可以考慮將風(fēng)冷熱切裝置改為拉條冷切或水冷切粒裝置。
3 結(jié)論
（1）針對廢舊塑料的回收方法以及國內(nèi)外廢舊塑料回收技術(shù)應(yīng)用的研究現(xiàn)狀，提出熱風(fēng)循環(huán)加熱廢舊塑料熔融加熱的方法，并設(shè)計和研制出新型熱風(fēng)循環(huán)熔融塑料回收造粒裝置，初步試驗(yàn)表明，采用熱風(fēng)熔融的方法可以將未經(jīng)破碎的廢舊塑料原料直接進(jìn)行加熱熔融并擠出造粒，縮短了工藝流程，簡化了設(shè)備；
（2）擠出造粒過程中出現(xiàn)粒料之間相互粘連，且熔體和刀具也有粘連，影響造粒過程，需要后期改進(jìn)，盡管如此，相信該技術(shù)在完善后具有廣闊的應(yīng)用前景。
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