摘 要：介紹了廢舊塑料造粒工藝，包括無熔造粒、濕法造粒、干法造粒、有機溶劑輔助軟化造粒、復合再生造粒和熱風循環(huán)加熱熔融造粒等，分析了各種造粒工藝的優(yōu)缺點，并進行了分析對比，其中熱風熔融工藝采用熱風直接加熱廢舊塑料進而擠出造粒，無需破碎處理，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。
關鍵詞：廢舊塑料；再生造粒工藝；熱風熔融；造粒設備
塑料因其優(yōu)異的性能被廣泛用于國民經(jīng)濟的各個領域。據(jù)統(tǒng)計，2013年，我國全年累計生產(chǎn)塑料制品 6188.66萬t，比 2012年增長7.04%。塑料制品給人類生活帶來便利的同時，也帶來了極大的負效應，尤其是廢舊塑料隨著塑料制品使用量的增加急劇上升，并對環(huán)境造成的污染也日趨嚴重。據(jù)統(tǒng)計，2011年，我國僅一次性塑料飯盒和各種泡沫包裝就達9500萬t，加上報廢家電、汽車廢舊塑料和其它廢舊塑料，總量接近2億t[1]?；厥赵偕炝閺U舊塑料處理提供了一條資源化道路，既減少廢舊塑料對環(huán)境的污染，又實現(xiàn)能源的再生利用。
1、廢舊塑料的處理方式
1.1 填埋處理
對廢舊塑料進行填埋是一種操作簡單、投資成本低的處理方法。填埋處理通常選擇地勢低洼處進行衛(wèi)生填埋 [2]。塑料具有體積大、質(zhì)量輕、長期不分解腐爛的特點，填埋廢舊塑料占用土地面積大，嚴重浪費國土資源，破壞土壤結構，阻礙地下水的流通和滲透，并且填埋后的廢舊塑料經(jīng)雨水長期沖刷，會將大量的有害物質(zhì)帶入人類生活環(huán)境中，危害人類健康。
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所產(chǎn)生的熱量[3]。對于難分離、無法回收的廢舊塑料，可以通過燃燒回收熱能進行處理。該方法可實現(xiàn)能源的有效利用，變廢為寶，操作方便、成本低，但是焚燒時氣味難聞，會釋放多種有害物質(zhì)，如強致癌物質(zhì)二惡英，嚴重危害人類健康和生態(tài)環(huán)境。
1.3 再生造粒
塑料的分類方法很多，按各種塑料對溫度的不同反應，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)濟價值。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。在我國廢舊塑料回收造粒技術起步比較早，為資源的再生利用做出了巨大貢獻。然而由于我國絕大多數(shù)企業(yè)處于小規(guī)模、無序化的生產(chǎn)經(jīng)營模式，加工過程易產(chǎn)生污水、廢料，未經(jīng)過處理直接排放，造成環(huán)境污染，并且我國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，尋找一條簡單方便、快捷高效、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟適用的工藝流程是塑料造粒領域研究的重點。
2、造粒工藝
2.1 無熔造粒工藝
無熔造粒工藝流程如圖1所示[6]。
首先將廢舊塑料經(jīng)過清洗、篩選等過程去除金屬等雜質(zhì)，然后將廢舊塑料粉碎并由氣動系統(tǒng)送往壓縮機，通過壓縮系統(tǒng)的壓縮和捻搓作用，使物料變成條狀(這個過程是在塑料維卡軟化點以下并在很短的時間內(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存或用于成型加工。
該工藝不需要外設熱源，壓縮時間能夠精確控制，處理溫度低于塑料維卡軟化點，避免物料受熱降解，但是破碎環(huán)節(jié)對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)生細粉料，造粒效率低。
目前，對體積密度小的薄膜、纖維等主要采用熔融造粒，即把物料加熱到其熔點以上，然后擠出造粒。當廢舊塑料加熱到熔點溫度以上時，會釋放出多種有害氣體，危害工作人員身體健康。針對這個問題，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，該造粒機通過轉(zhuǎn)子和定子上的刀片對廢舊塑料造粒，無需熔融，造粒效率高，其結構簡圖如圖2所示。主要結構包括機身、支架、電機、轉(zhuǎn)子、刀片、定子、 進料口、出料導板、一級篩網(wǎng)和二級篩網(wǎng)，其中刀片呈螺旋狀，一級篩網(wǎng)上的網(wǎng)格大于二級篩網(wǎng)上的網(wǎng)格。工作原理為：首先物料由進料口加入落入箱體內(nèi)，然后轉(zhuǎn)子和定子上的刀片對廢舊塑料進行造粒加工，最后通過一級篩網(wǎng)和二級篩網(wǎng)對不均勻的顆粒進行分離。
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繁雜，表面附著灰塵、泥沙、油漬等，這些雜質(zhì)嚴重影響再生塑料的質(zhì)量，一般通過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，再通過擠出機擠出成型，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、清洗裝置、干燥器完成，塑料熔融在螺桿擠出機中進行，熔融的塑料通過口模擠出并由切粒裝置完成造粒。
圖 2 一種塑料造粒機
1—破碎機；2—初洗池；3—攪拌機；4—第一道清洗；5—第二道清洗；6—第三道清洗；7—離心脫水機；8—烘干機；9—擠出機；10—水槽；11—切粒機
濕法造粒是普遍使用的造粒方法，其優(yōu)點在于工藝簡單，成本低，制品運用廣泛[9]；缺點是破碎、清洗、烘干、擠出和切粒都需要專門的設備，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。
廢舊塑料造粒過程產(chǎn)生大量的塑料粉塵、水及揮發(fā)性有機物，會在機器的縫隙中沉淀，使機器磨損嚴重，降低使用壽命，同時這些物質(zhì)飄散在空氣中對人體非常有害。針對這個問題，吳利剛[10]發(fā)明了帶有除塵裝置的塑料造粒機，其結構簡圖如圖4所示。主要結構包括塑料破碎機構、加熱融化機構、切粒冷卻機構、排塵管、吸塵套、防塵罩、吸塵機構。在生產(chǎn)過程中，除塵機構能迅速地吸收產(chǎn)生的塑料屑和粉塵，并通過排塵管進行收集過濾回收，改善了工作環(huán)境，延長了造粒機使用壽命。
劉志等[11]發(fā)明了一種實用新型塑料造粒機，該造粒機結構簡單、體積小、制造成本低，其結構簡圖如圖5所示。主要結構包括造粒機主體、驅(qū)動電機、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，通過驅(qū)動電機帶動螺桿轉(zhuǎn)動，物料通過相互間的摩擦和螺桿的帶動向口模方向運動，螺桿機筒外壁上設有的加熱片對固體物料加熱熔融，通過口模擠出，切割成粒子，最后進入成品收集箱。該造粒機的外壁上設有保護殼，保護殼與造粒機主體間設有隔熱層，這樣可以既能保證造粒機內(nèi)部有足夠的溫度，又能避免工作人員接觸造粒機被燙傷；造粒機主體頂部設有排氣孔和吸氣管道，底部設有排水孔和排水管道，這樣機器運行過程中產(chǎn)生的廢氣和廢水可以通過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，需安裝專門的除雜設備除雜，增加了生產(chǎn)成本。
廢舊塑料在擠出機內(nèi)隔絕空氣熔煉會產(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)造粒機是在外殼上開一個排氣孔，這些有害氣體未經(jīng)處理直接排放，嚴重危害工作人員身體健康，同時造成大氣污染。為了克服這個問題，林小明[13]發(fā)明了一種零排放的再生塑料回收機，其結構簡圖如圖6所示。主要結構包括明火鍋爐、排氣孔、煙霧收集箱、氫氧化鈣反應罐、壓縮機、供氧裝置、除水裝置等。機器運行過程中產(chǎn)生的CO，CO2和SO2等氣體通過排氣孔進入煙霧收集箱，一方面密度比空氣大的CO2和SO2等氣體在壓縮機的作用下從煙霧收集箱底部進入氫氧化鈣反應罐，反應生成沉淀；另一方面密度比空氣小的CO從煙霧收集箱頂部進入明火鍋爐作為燃氣使用，煙霧收集箱和明火鍋爐之間設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。這樣可以實現(xiàn)有毒氣體的零排放,有利于保護環(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，其結構簡圖如圖7所示。主要結構包括底座、電機支架、電機、輸送軸、進料口、 儲氣室、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)過程中，產(chǎn)生的廢氣通過儲氣 室收集，然后通過輸氣管將廢氣輸送到燃燒室并通過燃燒去除 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；5—氫氧化鈣反應罐；6—排氣孔；7—明火鍋爐
圖 6 一種零排放的再生塑料回收機
2.3 新型造粒工藝
(1) 有機溶劑輔助軟化造粒。
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)擠出工藝基礎上加入有機溶劑軟化過程，幫助塑料快速軟化，同時有機溶劑還能保護塑料內(nèi)部分子結構不受破壞，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)水洗后進行烘干，控制物 料的含水率為 1%~4%，通過團粒機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)碳酸鈣和有機溶劑三氯化銻放入造粒機內(nèi)， 通過攪拌混合均勻并進行催化反應得到復合材料，并將復合材料輸送到帶螺桿式電熱熔化機中進行加熱變成稠狀；最后通過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，其成分復雜、強度低、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，沒有發(fā)揮塑料固有的特性。針對這個問題，陳慶等[16]提出了一種復合再生塑料制備方法，與現(xiàn)有技術相比， 該工藝通過無機粉體與廢舊塑料復合，借助無機粉體的透明性、耐熱性、流動性等，還原了再生塑料良好的透明性、耐熱性和加工穩(wěn)定性，使再生塑料運用更廣，降低了再生塑料成本。其工藝為：首先將無機粉體和研磨劑在 120～140℃條件下，通過高速混合機混合，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)混煉機中混煉，使無機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備，通過擠出、切粒、冷卻得到復合再生塑料顆粒。
(3) 熱風循環(huán)加熱熔融造粒。
周獻華等[17]提出了一種熱風循環(huán)加熱熔融造粒工藝。 熱風循環(huán)加熱熔融造粒是擠出造粒工藝中一種全新的技術，它采用熱風循環(huán)加熱廢舊塑料，使塑料熔化，進而擠出造粒。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，具有廣闊的運用前景。
周獻華等[17-18]根據(jù)熱風熔融造粒工藝設計出立式熱風循環(huán)加熱廢舊塑料回收造粒實驗樣機及其溫度控制電路，而陳丹等[19-20]在周獻華等研究基礎上完成了實驗研究和改進設計，證實了熱風熔融造粒工藝的可行性。立式熱風循環(huán)加熱廢舊塑料回收造粒實驗樣機結構簡圖如圖8所示。主要結構包括料斗、攪拌軸、攪拌片、篩網(wǎng)、加料螺旋、加熱片、離心風機、電機、加熱管等。工作原理為：物料由料斗加入落于箱體，通過熱風循環(huán)加熱，在攪拌軸作用下加速熔融，并通過螺桿擠出造粒，同時熱風在離心風機作用下，依次通過離心風機、加熱管，然后進入箱體，這樣往復循環(huán)完成加熱。但立式實驗樣機存在一些問題，如尺寸和結構不合理，缺少切粒裝置；攪拌軸和螺桿同軸，無法對攪拌軸和螺桿分別調(diào)速； 擠出口?？拷孛妫o后續(xù)切粒造成困難等。
熊秋亮[21]在立式熱風循環(huán)造粒機的基礎上進行研究，針對立式熱風循環(huán)造粒機所存在的問題，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題。其結構簡圖如圖 9所示。主要結構有料斗、攪拌軸、攪拌片、篩網(wǎng)、螺桿、離心風機、加熱管等。工作原理為：物料由料斗加入，落于篩網(wǎng)上，通過熱風循環(huán)加熱，在攪拌軸作用下加速熔融 并掉落到螺桿上，通過螺桿擠出造粒，同時熱風在離心風機作用下，依次穿過篩網(wǎng)、離心風機、加熱管，然后進入箱體，這樣往復循環(huán)完成加熱。目前該臥式塑料造粒實驗裝置仍存在不足之處，如攪拌軸和攪拌桿連接復雜，不便拆卸和維修；抽氣管擺放位置設計不合理，抽風不均勻；廢舊塑料熔融后粘在攪拌軸上，不能從篩網(wǎng)穿過；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—離心風機；8—電機；9—加熱管
圖九：臥式熱風循環(huán)造粒機結構簡圖
3、結語
相比于無熔造粒，熔融造粒使用更為廣泛，技術更為成熟。熔融造粒的傳統(tǒng)工藝簡單，成本低，制品運用廣泛，但是破碎和清洗會產(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溶劑輔助軟化造粒和復合再生造粒在傳統(tǒng)工藝基礎上有所改進，但仍避免不了破碎和清洗環(huán)節(jié)。熱風熔融造粒工藝采用熱風直接熔融廢舊塑料，無需破碎處理，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備還不完善，仍需設計人員進行艱苦努力，在這方面很下功夫。
參考文獻
[1] 湯桂蘭，等．再生資源與循環(huán)經(jīng)濟，2013，6(1) ：31–35.
[2] 高濤，等．機電工程，2009，26(6):5–8.
[3] 朱俊．化學工業(yè)，2013，31(2):28–31.
[4] 朱曉軍，等．科學之友，2012(2):11–12.
[5] 孔萍，等．資源再生，2008(11):40–42.
[6] 湯德源．工程塑料運用，1999，27(10):16–17.
[7] 李聿軍，等．一種塑料造粒機 : 中國，203579933U
[P].2014-05-07.
[8] 馬莉，等．中國資源綜合利用，2005(2):13–16.
[9] 宋波，等．應用基礎與工程科學學報，2011，19(2):211–221.
[10] 吳利剛．帶有除塵裝置的塑料造粒機 : 中國，203221594U[P].2013-10-02.
[11] 劉志，等．一種塑料造粒機 : 中國，203344204U
[P].2013-12-18.
[12] 張毅民，等．化工進展，2013，32(6):1 401–1 406.
[13] 林小明．一種零排放的再生塑料造粒機 : 中國，203004102U[P].
[14] 吳鎮(zhèn)宇．一種塑料造粒機 : 中國，103481396A[P]．2014-01-01.
[15] 周建，等．一種再生塑料造粒制備方法 : 中國，103481394A[P].2014-01-01.
[16] 陳慶，等．一種復合再生塑料及其制備方法: 中國，102690460A，2012-09-26.
[17] 周獻華．熱風熔融塑料回收造粒機及其控制系統(tǒng)研究[D]．南昌:南昌大學，2011.
[18] 周獻華，等.工程塑料應用，2011，39(2):105–108.
[19] 陳丹，等 . 工程塑料應用，2012，40(9):92–94.
[20] 陳丹．熱風循環(huán)加熱塑料回收造粒機實驗研究與設計[D].南昌:南昌大學，2013.
[21] 熊秋亮．臥式熱風熔融廢舊塑料擠出造粒機研究 [D].南昌 : 南昌大學，2014.
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