黃興元，潘留雯，譚 磊，王 涵
（南昌大學(xué)機電工程學(xué)院，江西省輕質(zhì)高強重點實驗室，南昌 330031）
摘要：提出一種熱風(fēng)熔融的方法對廢舊塑料進行再生利用，其特點是：廢舊回收塑料直接進行熱風(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；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)建了試驗樣機并進行試驗研究。
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、比強度高、耐腐蝕、易成型、絕緣性好及美觀實用等優(yōu)點，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］，甚至進行立法促進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)作垃圾進行處置，過程簡單，是最經(jīng)濟的處理方式，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］。回收利用是將廢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］，實現(xiàn)資源的重復(fù)利用，機械回收在實際應(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，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，增加運輸成本，占用存儲空間。
作者所在研究團隊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入輸送擠壓裝置進行輸送擠壓，經(jīng)造粒口模造粒或直接擠出制品，特點是：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；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 對廢舊塑料進行再生利用。
1 熱風(fēng)熔融廢舊塑料造粒機設(shè)計與試驗
1. 1 造粒機結(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行補充加熱后循環(huán)回用，其組成包括：箱蓋、風(fēng)機、加熱管和熔融室，其中風(fēng)機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筒送入造粒口模進行造粒，進入螺桿機筒內(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入機筒，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，如圖6 所示。
（4）切粒機構(gòu)
切粒采用熱切風(fēng)冷造粒，切粒機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖7所示，從螺桿擠出機頭出來的廢舊塑料熔體經(jīng)過分流錐分流進入到造粒口模進行擠出造粒，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 樣機試驗
實驗用原料為實驗室內(nèi)的實驗廢料——聚丙烯（PP），如圖8所示，其熔點溫度在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，攪拌機構(gòu)進行攪拌，大約15 min后可以看到螺桿機筒擠出熔融的廢舊塑料。
2 結(jié)果與討論
2. 1 熔融試驗
不裝造粒口模試驗，主要是檢驗熱風(fēng)熔融廢舊塑料能否順利進行，熔融的廢舊塑料能夠順利進入螺桿機筒，由螺桿擠出，實驗結(jié)果如圖9 所示。由圖可以看出，廢舊塑料能夠熔融，并進入機筒由螺桿擠出，沒有燒焦現(xiàn)象。
實驗表明，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行熔融，熔融速度滿足要求。
2. 2 造粒試驗
裝上造粒口模之后進行試驗，擠出情況如圖10所示。試驗中，熔融的廢舊塑料能夠由造粒口模順利擠出，但由于模孔之間距離挨得很近，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
裝上切粒機構(gòu)，使用旋轉(zhuǎn)刀片進行切粒，試驗過程如圖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，因為切粒裝置的刀片結(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，試驗中的條件不一定能滿足要求。因此，在后續(xù)改進中可以考慮將風(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，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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