礦山機械低碳環保發展模式及關鍵技術研究

段 毅

(中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083)

礦山機械低碳環保發展模式及關鍵技術研究

段 毅

(中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083)

礦山機械是直接用于礦山開采、選礦等作業的機械，在國民經濟的發展中扮演著重要角色，其傳統發展方式對環境的負面影響較大。本文構建了一個礦山機械低碳環保發展模式的生命周期圖，從設計制造、使用、維修和回收再制造四個環節來分析礦山機械的低碳環保發展模式，闡述了節能、環保維修以及再制造三項關鍵技術。

礦山機械；碳排放量；環境保護；回收再制造；低碳

礦山機械是直接用于礦物開采和富選等作業的機械，廣義范圍包括探礦機械、采礦機械和選礦機械。礦山機械服務于煤炭、化工、建材、冶金等多個國家基礎工業部門，在國民經濟的發展中扮演著重要角色。進入21世紀，我國礦山機械在取得突飛猛進的發展的同時，也面臨著一些嚴重的環境問題。比如，礦山機械在使用過程中，多采用柴油機為其提供動力，眾所周知，柴油機不僅工作噪音很大，而且會產生有害排放物，二氧化碳就是其排出氣體中最主要的成分；在礦山機械的維修中，又容易產生廢棄物和電磁輻射；可見，傳統的礦山機械發展方式碳排放量較大，而且對環境污染嚴重。堅持可持續發展戰略，實現礦山機械低碳環保發展模式已經刻不容緩。礦山機械低碳環保發展模式的意義在于：①響應國家節能減排、發展低碳經濟的號召，實現經濟、社會與自然環境的和諧發展；②降低企業成本，提升企業的市場競爭力——礦山機械生產企業通過加工再制造報廢零部件，不但減少了資源消耗，而且降低了生產投入，有利于企業經濟效益的增加和參與行業競爭；③利用先進的技術和前沿的制造工藝實現礦山機械的低碳環保發展，反過來又將對技術和工藝的向前邁進產生促進作用。

1 礦山機械低碳環保發展模式

在傳統礦山機械發展模式中，機械的生命周期包括設計制造、使用、維修以及最終報廢。低碳環保發展模式中礦山機械生命周期與傳統模式的最大不同之處在于，當礦山機械服務期滿，面臨報廢時，將其重新回收，進行再制造加工[1]。礦山機械低碳環保發展模式的生命周期如圖1所示，各周期做出具體分析如下所述。

圖1 礦山機械低碳環保發展模式的生命周期圖

1.1 設計制造環節

1.1.1 可拆卸性

可拆卸性設計是一種使產品易于拆卸并能從材料回收和零件重新使用中獲得最高利潤的設計方法學[2]。只有在設計階段就考慮到可拆卸性，才能保證在礦山機械服務期滿之后，拆卸工程量小，且不會損傷機械零部件，所拆下的材料有利用價值的，還可以進行二次加工利用，實現有效率的回收。

1.1.2 材料選擇

材料是礦山機械的制造基礎，礦山機械是否能夠實現低碳環保運轉，材料是關鍵。礦山機械一般都龐大而復雜，制造中需要利用多種不同材料，這些材料的選擇除了應滿足礦山機械的技術功能，還應該具備以下共性：①無毒無害、對環境的負面影響小；②易于回收利用或者可降解、可再生；③材料之間相容性較好。

1.1.3 制造工藝

礦山機械的制造過程也有可能對環境造成污染破壞，因此應該采用綠色制造工藝，高效利用材料和能源，在制造中盡量控制廢棄物的產生，減少二氧化碳的排放量。在選擇環保的制造工具和加工設備的基礎上，改進制造工藝，簡化加工程序，例如：采用粉末冶金、壓鑄、鍛造、干式切削、低溫切削、高速磨削、鉆削、無氰電鍍等工藝技術[3]。

1.2 礦山機械的使用環節

1.2.1 低噪音

噪音是礦山機械對環境最惡劣的污染之一，因為它不僅營造了一個嘈雜的生產環境，更嚴重影響著礦山作業工人的身心健康。根據礦山機械噪音產生的原因，可以將噪音分為以下兩類：①由機械部件振動、相互碰撞或摩擦而產生的機械噪音；②由壓力變化、液體流動造成的流體噪音[4]。礦山機械噪音產生的根源是振動篩和破碎機。針對噪音產生的原因，礦山機械生產企業應該積極采取相應的措施：選擇雙模數和雙壓力角齒輪，或者采用雙排齒輪；降低應力幅、振幅；控制能量沿著礦山機械的結構進行流動傳播等等[5]。除了在噪音產生的源頭上采取措施消除噪音，還可以在噪音隔離以及設計制造消聲器等方面進行研究開發。

1.2.2 防泄漏

礦山機械的泄漏一般是指液壓系統的泄漏，是由管道接觸點不嚴絲合縫、密封表面過于粗糙或光滑、接合部件存在較大空隙、密封圈老化或者質量不達標，油溫過高等問題導致的油料泄漏。油料泄漏不但影響礦山機械的正常工作，浪費油料資源，同時也會對礦山機械使用區的環境造成負面影響，而且不可生物降解液壓油可能引發火災。因此，防泄漏是礦山機械低碳環保發展模式的重要環節。要防治油料泄漏，首先必須從密封方面著手，利用先進的科學技術和優良的制造工藝增強設備的密封性能，努力使油料泄漏減少到最低[6]。然而，由于泄漏的原因并不是唯一的，當前的密封技術水平也存在一些局限，因此，當礦山機械的密封性能提高到一定程度時，還是可能會由于出現突發問題而產生泄漏。如果希望礦山機械完全做到環保清潔，則應該大力推廣水液壓傳動和植物油等可生物降解液壓液的應用。水液壓傳動主要是以包括淡水和海水在內的天然水作為液壓工作介質[7]，它可以有效地節約能源，而且即使有一些泄漏也不會對環境造成太大污染?？缮锝到庖簤阂旱慕M成基礎是植物油、聚乙二醇和合成酯，它不僅可以維持礦山機械液壓系統的正常運轉，而且它的耗損產物是清潔無污染的。

1.2.3 少粉塵

礦山機械作業中不可避免地會排放大量的粉塵，飛揚的粉塵不但污染礦山機械操作工地的環境，而且，工人吸入粉塵還會對人體造成危害。因此，礦山機械要低碳環保發展，就必須采取有效地方式控制粉塵排放，營造清潔綠色的操作環境。防治粉塵的一般設備是：脈沖布袋除塵器和旋風式除塵器，利用它們可以顯著減小粉塵密度。同時，還可以采用水霧除塵和靜電除塵的技術，它們的除塵效率高，一次可以凈化更多的氣量，而且結構簡單，能量消耗比較低。另外，因為是粉塵飄飛造成污染，若用水霧將粉塵沾濕，則可以在很大程度上降低污染，按照這一思路，我們可以在礦山機械的廢棄物排放結構處安裝水道，專門用于濕化粉塵。可見，雖然粉塵是現階段礦山機械作業無法規避的伴生物，無法從源頭徹底杜絕，但也可以采用多種方法最大程度地減輕其對環境的污染破壞[6]。

1.3 礦山機械的維修環節

礦山機械在運行工作中，由于操作不當或者設備本身的原因，或多或少都會出現故障。傳統的設備維修，一般會產生固體廢棄物，并帶來電磁輻射等污染，不但破壞環境，更可能對維修人員的身體健康造成不良影響。低碳環保的維修過程應該以提高資源綜合利用效率和對環境污染程度最低為出發點，在滿足節能、減排、降耗的條件下，使礦山機械恢復正常運轉。

1.3.1 廢棄物處置

礦山機械維修中產生的廢棄物是指報廢的零件，切割、削磨過程中產生的碎屑，以及一些廢料垃圾。傳統的廢棄物處置方式是直接對其進行焚燒，這就會產生大量的碳排放。從低碳環保的角度，對廢棄物的處置措施包括：①對維修中產生的固體廢棄物按照種類的不同分開存放，這有利于對廢棄物的分類處理，例如，針對有害廢棄物應進行無害化處理，對于無害廢棄物，進行一般化處理即可；②加快廢棄物處置的產業化，大力推進廢棄物經過科學的處理轉化為可用資源，減少不必要的焚燒。

1.3.2 防電磁輻射

對礦山機械表面修復的現代工藝是：高頻感應加熱、等離子噴涂以及超聲波焊接等等。這些維修工藝的優點是可以迅速有效地修復設備，缺點是存在電磁輻射污染。電磁輻射是電磁波的一種，相互垂直的磁場和電場根據時間的不同而釋放能量。人類作為生物體，包含許多的生物電活動，這些生物電很容易對吸收到的電磁波做出反應，可見，電磁輻射會對維修人員的身體健康造成較大危害[8]。對此，維修過程必須采取以下防治輻射的措施：①利用金屬屏蔽輻射，將電磁輻射的作用控制在一定的空間范圍內，并將屏蔽金屬體接地，以避免二次輻射，提高屏蔽效率；②將可吸收電磁輻射的材料置于輻射區域內，降低輻射污染；③研究遠程遙控維修工藝技術，實現維修人員遠離輻射場所也可以完成維修作業。

1.4 回收再制造環節

礦山機械回收再制造實際上是礦山機械環保維修更深程度的發展。它采用先進科學技術，將報廢機械具備回收價值的零部件作為原材料，進行二次加工改造提升。回收再制造的工藝流程包括：首先將報廢的礦山機械拆解、清洗，然后對零部件進行檢測，篩選出有剩余利用價值的設備零件，對于一些可以直接進行二次利用的零部件，如螺釘，清洗后分類放置，方便以后直接利用；對于另一部分需要加工修復方可再次投入使用的零部件，如箱體、軸體等，進行一定的處理，或改造或修復，并經過檢測，質量合格后再重新使用。對報廢礦山機械的傳統處理方式通常是將機械部件回爐煉鋼，回收再制造的方式不但節約了回爐燃燒所需的能源，還充分利用了報廢機械的剩余價值，最重要的是降低了碳排放量，避免了回爐冶煉對大氣造成的污染。此外，據統計，以報廢礦山機械的零部件為基礎，進行再制造，其能源消耗是“從零開始”完全進行新產品制造的能源消耗的50%，原材料消耗僅是新產品制造的三分之一，勞動力消耗為60%[9]?？梢?，礦山機械的回收再制造正是順應低碳經濟和可持續發展潮流的。

2 礦山機械低碳環保的關鍵技術

礦山機械低碳環保發展模式的實現同樣需要先進的科學技術作支撐。為最大限度地減少能源消耗，減少碳，特別是二氧化碳的排放量，減輕礦山機械對生態環境的污染和破壞，礦山機械生產企業應該掌握如下關鍵技術。

2.1 節能技術

礦山機械作為礦山開發的主要設備，運轉需要消耗大量能源，而能源的消耗必將導致大氣中溫室氣體的增加。因此，節能技術是礦山機械低碳發展的必然選擇。礦山機械的主要設備包括制砂設備、磨粉設備和破碎設備等。節約能源、控制有害氣體排放就應該從這三個設備著手。采用沖擊式破碎機，它的優點是在同等產量的條件下，能量消耗較低，而且破碎效率高；運用MTW系列歐式梯形磨粉機，該設備不但自動化程度很高，而且十分節省電力資源；選擇履帶移動式破碎站，它綜合了受料、破碎和傳送的設備，是一條完整的破碎作業流水線，在高效完成作業任務的同時，燃油節省率高達25%。除了以節約能源的方式來控制二氧化碳的排放，我們還可以考慮研發使用清潔能源。

2.2 環保維修技術

維修是礦山機械生命周期的必經環節，環保維修技術主要包括以下幾方面。①熱噴涂新技術。這項技術通過對礦山機械磨損的零部件進行噴涂修復，以使報廢的零部件能夠重新投入使用，有利于資源節約。②虛擬維修技術。它不同于傳統的現場維修方式，是一種采用計算機軟件，遠程操作來解決礦山機械故障的維修手段。它的優點在于遠程控制，不但便捷高效，而且有利于避免維修人員吸收維修中產生的電磁輻射。③綠色切削技術。該技術主要針對需要滾齒、銑削的礦山機械零部件維修加工。它最顯著的特點是能夠將有附加值的廢棄物回收再利用，將有害廢棄物進行無害化處理。

2.3 再制造技術

報廢礦山機械的加工再制造依賴于先進的科學技術，主要是通過以下關鍵技術實現對廢舊產品性能的改造和提升：①高速電弧噴涂技術；②納米電刷鍍技術；③激光表面熔覆技術。采用前兩種技術修復的礦山機械產品，其耐磨性優越，采用后一種方法加工再制造的產品成品率高，性能良好。

[1] 李燕, 黃偉華, 黃亦揚, 等. 基于綠色理念的礦山機械修復再利用[J].礦山機械, 2008, 36(16): 55-58.

[2] 張艷. 礦山機械的綠色設計分析[J].機械設計與制造, 2005(9): 167-168.

[3] 方明燁. 礦山機械的綠色技術及應用[J]. 礦山機械, 2002(6): 6-8.

[4] 彭佑多. 環境友好型礦山機械內涵及研究現狀[J]. 煤炭學報, 2009, 34(4): 560-571.

[5] 李俊生. 對礦山機械若干問題的思考[J]. 科學之友, 2008(23): 15-16.

[6] 管榮根, 顧玲, 陳靜. 礦山機械環保問題的探討[J]. 礦山機械, 2001(8): 6-9.

[7] 楊曙東, 李壯云. 水壓傳動的發展及其關鍵基礎技術[J]. 機床與液壓, 2000(10):6-9, 26.

[8] 田鋮, 趙建民. 礦山機械綠色維修的探討[J]. 礦山機械, 2005, 33(10): 81-83.

[9] 張德權. 基于節能減排的礦山機械再制造技術應用[J]. 中國新技術新產品, 2012(20): 80.

Research on development mode and key technical of low-carbon environmental protection in mining machinery

DUAN Yi

(State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China)

The mining machinery, which is directly used in minerals mining and beneficiation, plays the role of the national economy, and the Traditional development mode has a negative influence on the environment. The author builds the life cycle of the low carbon environment protection development mode of mining machinery, analyzing of mining machinery from the four areas of design and manufacture, using, maintenance, recovery and remanufacturing. The author states three key technical from the energy conservation, environment protection maintenance, and remanufacturing.

mining machinery; carbon emission; environment protection; recovery and remanufactu-ring；low carbon

2016-06-21

國家重大儀器設備開發專項項目資助(編號：2012YQ030126)

段毅(1973-)，男，博士后，高級工程師，研究方向為資源安全管理，E-mail：dy371@126.com。

TD4

A

1004-4051(2017)02-0152-03