全自動礦用廢塑破碎清洗機組的研制

劉志剛， 張偉旗

(1.江西銅業集團貴溪冶煉廠， 江西 貴溪 335424； 2.江西銅業集團銅材有限公司， 江西 貴溪 335424)

目前，銅精礦運輸常選用汽運、鐵運等方式，PP和PE塑料編織袋、噸包帶和塑料薄膜等是其大宗耗材，可防止銅精礦撒漏，降低銅精礦運輸損耗，但因運輸方式的不同，以上耗材用量差異很大。待銅精礦運送至料倉后，需及時清理PP和PE塑料編織袋、噸包帶、塑料薄膜上粘結或包裹的銅精礦，再通過破碎、清洗，可有效地回收利用有價的銅精礦及PP、PE塑料，以提高銅精礦回收率和PP、PE塑料售價。目前，國內銅冶煉企業大多采用簡易機械或人工清洗，效果皆不太理想。而某國內特大型銅冶煉廠銅精礦已達50萬噸級，年耗用PP、PE塑料編織袋、噸包帶和塑料薄膜干量達300 t以上。

塑料作為二十世紀最偉大的發明，百年來已成功滲透至人們日常生活的各個環節。但廢塑難以降解，易造成“視覺污染”和“潛在危害”而破壞生態，后患無窮。目前，經濟社會高速發展，環保壓力山大，將廢塑破碎清洗回收利用，可變廢為寶，實現資源循環再利用，廢塑資源化利用技術開發與創新已成為國內外學者爭相研究的熱點和重點，廢塑再生行業的發展趨勢是實現從家庭作坊式、分散式向規范化、規模化、大資金投入等方向轉變。隨著企業供給側改革的不斷深入，銅冶金技術的進步，銅冶煉工藝技術裝備正朝著低碳冶金、清潔生產、自動化、信息化、智能化先進方向發展，各銅冶煉加工企業對銅精礦用編織袋、噸包帶、塑料薄膜等廢塑清洗方式和清洗效果的要求越來越高，因而研發一種全自動廢塑破碎清洗機組，重點提高銅精礦回收率，降低廢塑雜質含量，迫在眉睫。

1 廢塑破碎清洗工藝技術分析

塑料制品種類繁多，質輕價廉、強度高、易加工，性能優良，用途極廣。按塑料物理、機械、使用等特性，可分為通用、工程(通用、特種)和功能等類塑料，其中通用塑料占絕大多數，量大價廉、成型性好、用途廣；工程塑料可作工程材料和代替金屬制造機器零部件等；功能塑料則可用于醫用、光敏、航空、航天等特殊應用領域。為降低“白色污染”，需將廢塑破碎清洗后再包裝、運輸和儲存，可再生加工或模塑成型再生制品。

1.1 廢塑破碎技術分析

根據技術原理的不同，廢塑破碎技術可劃分為四種。

(1)擊碎技術。脆性廢塑因遭到外沖擊力的重擊而被粉碎，如重錘等堅硬物體的外來重擊、廢塑間的相互撞擊、廢塑自身間與固定硬質鋼板的高速沖擊等作用；(2)磨碎技術。塊狀廢塑受到不同形狀研磨體之間的碾壓作用而被粉碎成細小顆粒；(3)壓碎技術。體積較大廢塑因受到兩個相對旋轉輥的碾壓、兩塊相對運動的金屬板相互擠壓、內錐體在外錐形筒中作偏心旋轉的擠壓等相對壓縮力的作用，會被碎成小塊，但軟質廢塑不適用；(4)剪切技術。薄膜、軟質制品、韌性物料、片材等廢塑被利刃等剪切、穿刺、撕碎成碎片或小塊。而銅精礦用PP和PE塑料編織袋、噸包帶及塑料薄膜等制品種類繁多、形態各異、區分困難，用后殘留物呈現多樣化[1]，宜選用剪切技術。

1.2 廢塑破碎設備分析

廢塑材質、性質不同，因而破碎設備選擇也迥異，往往取決于被粉碎廢塑的種類、形狀和所需的粉碎程度，如剪切式破碎設備常適用于破碎PP、PE、PA及ABS等常溫下韌性極好的材料；對質脆易碎的廢塑，如硬質PVC、PS、有機玻璃、酚醛樹脂、脲醛樹脂、聚酯樹脂等，受到壓縮力或沖擊力作用時，極易碎裂成小塊，需選用壓縮式或沖擊式粉碎設備進行破碎；而低溫破碎設備則適用于破碎一些軟質PVC等低溫脆性材料。

1.3 廢塑清洗工藝分析

注塑、擠出加工廠生產過程中，塑料及其塑料制品加工遺留的下腳料、邊角料和殘次品，較潔凈、含雜、污染少，可直接破碎回收利用，而絕大多數廢塑皆受到污染，需清洗去除雜質，方可回收再利用。廢塑清洗可分為物理和化學清洗，多采用傳統濕洗法，以去污劑混合液或清水作為清洗介質，以手工、機械、超聲、激光等清洗方法為主。

(1)手工清洗。需根據廢塑品種和污染程度決定具體清洗方法，清洗質量差，效率低，勞動強度大，無法滿足環保要求，使用范圍漸小；(2)機械清洗。因快速、高效、自動化程度高、效果好，現成為清洗方式的主流；而無水清洗則以使用環保碳氫清洗劑清洗居多，勿需使用純水或自來水，無廢水排放，可實現零排放，借助相應的清洗機可循環回收利用，現已普遍應用于3C、精密五金電子領域，且正向手機玻璃、新能源電動車等領域拓展，該工業清洗工藝符合當下環保標準，將是工業清洗未來的發展方向；(3)超聲清洗。常用作機械清洗后的二次清洗，可分散、乳化和剝離污物層，清洗效果超過機械清洗的百倍，多用于廢地膜等；(4)激光清洗。采用高能激光束照射廢塑表面，使其表面污物、顆粒或油污等附著物發生瞬間蒸發或剝離，達到清潔凈化的目的，屬非接觸式精確清洗，勿需使用溶劑或研磨液，不損傷廢塑，操作簡單，而清洗效果遠高于傳統工藝，能源消耗低，性價比極高，是真正綠色環保科技，極具推廣前景，但該工藝技術裝備尚處于探索階段。

1.4 廢塑清洗技術分析

(1)連續式濕法清洗。先由塑料粉碎機對傳送帶運送來的廢塑進行粗粉碎，再送至大塊分離段，沉入水底的砂石等被定時送走；物料上浮，經輸送輥依次入濕磨機、沉淀池，分離出所有比水重的物質，甚至是極微小顆粒，清洗效果最佳；(2)間歇式濕法清洗。先在水槽中沖洗廢塑，由塑料攪拌機清除粘附在廢塑表面的淤泥、沙子等松散污垢，使其沉入槽底；碎屑、紙片量大時，由沉淀池中的專用泵進一步凈化；由人工分揀出印刷油墨、涂有粘結劑的紙標簽等粘附污垢牢固的較大片者，經塑料粉碎機粉碎后，浸泡于熱堿水溶液槽中一段時間，再由機械攪拌使之相互磨擦碰撞清除污物，廢塑碎末經清洗后最終被送入離心機中甩干，且經兩步熱空氣干燥，其殘留水分≤0.5%；(3)瓶片熱洗。浮洗、漂洗瓶片過程中，瓶圈、瓶蓋及瓶內殘留的油污、沉淀物，外部油垢、黏膠及其它污漬，皆可通過熱洗與浮洗單元有效地去除，而熱洗后殘留的藥劑可通過漂洗單元清除，使瓶片表面的pH值呈中性，以提高其透明度、潔凈度；(4)無水清洗技術。是以空氣替代水作為清洗介質，對碎到一定厚度和尺寸的廢塑碎片上的污垢，借助摩擦、研磨、碰撞等手段使之脫離且分散在空氣介質中；可由旋風分離器分離、除塵器除塵后，即可獲得潔凈的廢塑碎片。

無水清洗技術與傳統工藝對比，廢薄膜中的雜質可通過清洗+分離除雜質工序有效清除，使再生顆粒純度得以提高；整個生產過程無廢水產生，泥沙和其它雜質集中收集，可大量節水和節省水處理費用，大幅降低二次污染。但因該技術尚未完全成熟，目前正處于試驗和探索階段，仍在不斷創新之中，成為廢塑再生行業重點研究的方向。

1.5 廢塑污染源分析及處理

廢塑污染源按品種、來源不同可劃分為：(1)有機物污染。源于包裝或接觸過合成纖維、合成橡膠、洗滌劑、染料、涂料、農藥、食品添加劑、藥品等；(2)懸浮物污染。源于包裝或接觸過炭黑、煤塵、鐵屑、棉紗、泥砂、黏土、微生物等；(3)油脂污染。源于包裝或接觸過油脂類物質；(4)溶解物污染。源于包裝或接觸過純堿、氯化鈉等；(5)顏色污染。源于包裝或接觸過氧化鐵、氯化銅、硫酸磷、染料、顏料等；(6)pH值污染。源于包裝或接觸過強酸、強堿性物質；(7)微生物污染。源于國外生活消費后的廢塑或一次性醫用器材；(8)有毒物質污染。源于包裝或接觸過有機氯農藥、多氯聯苯及多環芳烴等類有機化合物，各種有毒金屬及其氧化物、酸、堿、鹽類、硫化物及鹵化物等物質。

因塑料難以自然降解，廢塑料的高效處理便成為環境保護的關鍵問題[2]。以上污染源中，1-4類廢塑不含有毒有害物質，清洗后的水僅需進行簡單處理后即可排放，如沉淀法投資極小。而對5-8類廢塑，廢塑再生加工企業若無資質皆不得收購，有資質的企業則須建立污水處理設施，加強勞動保護，避免人體接觸污染物后受到極大傷害。

目前，國內外廢塑處理的主要方式有：(1)填埋法。廢塑大多被直接填埋，最簡單又經濟，但積累過多會污染土地資源，嚴重影響土壤的透氣性、滲水性和地下水流通，使農作物減產，可利用資源浪費極大，有百害而無一利；(2)焚燒法。利用專業焚燒爐將廢塑燃燒釋放的熱能用來發電，但投資大，設備損耗及維修運轉成本高，需控制燃燒排放的氯、硫等氣體，防止產生二惡英危害大氣環境；(3)物理回收法。目前，我國廢塑回收技術仍以該法為主，除塑料板、管材外，塑料制品使用壽命僅一、二年，廢塑量陡增且其回收利用率僅10%，治理廢塑污染重點就是加以回收、再生及綜合利用，經改性再加工制成成品；(4)化學回收法。分解回收生活廢塑、聚烯烴類廢塑常采用熱解油化技術或催化裂解技術，熱解油化技術的產物以柴汽油、燃料氣、地蠟和聚合單體為主，既無環境污染，又可將塑料還原成石油制品，以高效回收資源；而催化裂解技術的產物則以柴汽油、焦炭為主。

廢塑的成分極為復雜，要遵循“減量化、再利用、資源化”原則，綜合考量其回收價值。廢塑制的資源化需先分選，利于剔除雜質、原料分類等。手工分選機動靈活，優勢明顯，易分類收集不同的形狀、顏色、品質、大小等散落的零星廢塑，但效率低。目前，機械分選技術發展已日臻完善，應用極為廣泛，如對破碎前后混有金屬雜質的廢塑，應采用磁選分類；對固體廢塑顆粒，可以空氣為分選介質，按密度和粒度差異進行分離，宜采用風力分選(氣流分選)；另有溫差分選、靜電分選、密度分選、污染分選等。

2 存在問題及分析

2.1 人工清洗方式

該廠礦用編織袋等廢塑經人工清洗后，含銅精礦量≥15%，若按PP、PE塑料干量300 t/a 計，銅精礦損失≥45 t/a；若銅精礦含銅品位為23%，銅金屬量損失≥10 t/a。按目前銅市場價5萬元/t計，扣除銅精礦冶煉成陰極銅的成本2 200元/t，銅精礦損失達47.8萬元/a。若PP、PE廢塑清洗質量不好，易成為無用的廢料，外賣干料價格也會直降1 000元/t，塑料干量按300 t/a計，損失達30萬元/a，兩項損失總計達77.8萬元/a。

該廠原采用人工方式清洗編織袋等，需用工20余人，清洗效率低，勞動強度大，按每年5萬元/人的勞務費計，勞務費達100萬元/a，且銅精礦回收率低，易產生二次污染環境的大量廢水，后續處理復雜、成本較高。毋容置疑，既難以適應現代化銅冶煉廠生產的要求，又無法滿足環保要求。

2.2 機械清洗方式

廢塑破碎清洗過程中，易產生大量嚴重污染環境的廢氣、廢水。而產生廢氣的主因是混合洗液揮發出的刺激氣味、粉塵污染；產生廢水的主因是污染嚴重的混合洗液、清洗后淘汰的廢水；而該工藝的主要不足則是多次破碎和清洗運行成本高。

目前，我國廢舊塑料回收利用不充分，既浪費資源，又嚴重污染環境、破壞生態[3]。而再生資源是我國破解資源瓶頸的有效突破口，大中型自動廢塑破碎清洗生產線必將取代落后的人工清洗方式，且應用前景十分廣闊。

3 機組主要結構工藝

綜上所述，國內某特大型銅冶煉廠銅精礦用PP和PE塑料編織袋、噸包帶及塑料皮等屬于常溫下韌性極好的薄膜材料，廢塑污染源為懸浮物污染，因而該廠適宜研發剪切式全自動廢塑破碎清洗機組。

3.1 主要結構組成

全自動礦用廢塑破碎清洗機組結構示意圖，如圖1所示。該機組主要由輸送上料機、破碎機、螺旋輸送機、高速摩擦清洗機、漂洗機、甩干機及PLC電控系統等部分組成。它是針對回收銅精礦和廢塑而專門設計的一體化的多級組套，可靈活實現破碎、多次摩擦清洗、多級漂洗、低溫復合清洗及浮水料自動分離漂洗等多種功能，實用安全可靠。而回收高價值的銅精礦則是破碎清洗核心目的，須保證銷售廢塑干料含銅精礦量≤5%。

1.輸送上料機 2.破碎機 3.螺旋輸送機 4.高速摩擦清洗機 5.漂洗機 6.高速摩擦清洗機 7.漂洗機 8.高速摩擦清洗機圖1 全自動礦用廢塑破碎清洗機組結構示意圖

3.2 主要技術參數

齒帶式皮帶輸送機1套，變頻調速電機功率1.5 kW，皮帶規格為7 000 mm×800 mm×3 mm，三層PVC帶檔條；破碎機1臺，電機功率為75 kW，排骨篩篩網直徑為Φ60 mm×80 mm，定刀數量為8把，9CrSi旋轉刀數量為12把；螺旋輸送機1臺，螺桿直徑×長度為Φ400 mm×4 000 mm；高速摩擦機3臺，螺桿直徑×長度為Φ480 mm×3 000 mm；漂洗槽2臺，長度×寬度為6 000 mm×1 500 mm，清洗滾筒5只，下帶錐形排泥斗；爪式輸送機2臺，有效長度×寬度為2 500 mm×1 000 mm，10 mm厚橡膠皮帶加不銹鋼爪；PLC電控系統1套，采用西門子可編程控制器。

3.3 主要優缺點

該機組設有中央控制系統，采用PLC程序自動控制，整條生產線從廢料到成品，連續處理能力大，清洗效率高，脫水性能好，自動化程度高，勞動強度低，運行總成本低，清洗后的廢塑碎末含銅精礦量低于5%，且銅精礦回收率達到95%以上，遠高于人工清洗方式；該機組易操作維護，僅需在上料端、出料端分別安排2人、1人操作即可，設備中間勿需其他人員操作，工作現場環境清潔，節能環保，綜合效果好，應用范圍廣，目前屬于國內編織袋處理首選設備。

銅精礦用編織袋經過破碎、清洗后，可直接用于銷售或造粒后再銷售，能將廢舊物資變成可循環再利用的原料。該機組實用性較強，但存在前期投資成本較高(通常投資費用在50萬至100萬之間)，設備占地面積較大，電耗較高等缺點。

3.4 機組工藝流程

目前，國內普遍采用廢塑破碎清洗工藝，技術較成熟，高品質塑料制品的原材料也常選用廢塑破碎清洗后顆粒純度較高的物料。為使操作人員從粉塵飛揚的環境和繁重的體力勞動中徹底解脫出來，原來由人工完成的工作現可由全自動破碎清洗設備完成。其工藝流程為：人工放料→斜提升機→破碎機→螺旋輸送機→一次摩擦清洗并甩干→一次漂洗→一次爪式撈料機→二次摩擦清洗并甩干→二次漂洗→二次爪式撈料機→三次摩擦清洗并甩干→干燥脫水機→打包或裝袋。先清理編織袋等廢塑，經人工分揀后，不得混入廢鐵、塊礦、石頭、垃圾等雜物，以確保破碎機特別是刀片無損傷，否則損傷無法修復。

4 機組技術裝備的集成

4.1 皮帶輸送機與破碎機

廢塑經人工分揀后，直接放置在皮帶輸送機上，由上料機斜向提升至破碎機入口，落入破碎機破碎。而加裝永磁吸鐵裝置的齒帶式皮帶輸送機，可提供防滑防卡保護。

針對PP和PE編織袋、噸包帶及塑料薄膜等廢塑的強韌性、高纏繞性特點，有針對性開發了加重組合刀心結構，高速12位圓周剪切，工位多、效率高、抗力好，破碎機破碎功率高，剪切干凈利于清洗，可防止卡料和物料側滑；刀具均采用9CrSi合金鋼和耐磨模具鋼鑄造，堅固難用，且設有液壓傾轉機構便于換刀，使用壽命長；通過定刀與旋轉刀片的剪切力，將廢塑剪切成50 mm以內的塊狀或絲狀小料，可使單機產能翻倍提升；篩網設計制作成排骨型篩網且增設加強筋，更持久耐用，碎料室不易形成擁堵。被破碎好的廢塑碎末由破碎機下方的篩網落入螺旋輸送機中，再經過斜向提升至一級摩擦清洗機中。破碎機的破碎能力決定了清洗能力，其破碎能力又由破碎機的刀片長度和數量決定，破碎機刀片長度常選用600、900、1 200 mm三種，刀片越長破碎能力越大，破碎效果越好；破碎時，加水破碎，破碎機實際變成了一臺高效的清洗機，實現銅精礦粉與編織袋等的分離。

4.2 摩擦清洗機

一級摩擦清洗機屬于核心設備，可提高清洗速度和質量。它是針對軟質塑料碎末含水量大、含精礦高、易裹雜的特點而設計，為確保廢塑碎末的清洗效果，通常先后設有三臺摩擦清洗機。其設有螺旋轉軸、強力清洗葉片、異形清洗腔室、封閉式進水和排水機構，在螺旋推送力的作用下，處于高速翻轉狀態下的物料脫水后抵達復合螺旋處，物料展開充分并頻繁產生摩擦，待物料行進至出料段則被甩出料口；其內部設有篩網，過濾破碎機中清洗的礦漿，盡量降低后續機器處理的難度。讓物料在高速帶水狀態下充分摩擦并翻轉，可使銅精礦與廢塑碎末表面產生剝離，其中摩擦清洗機與廢塑碎末可清洗分離出約80%的銅礦粉。

4.3 漂洗機與爪式撈料機

漂洗機可實現廢塑碎末漂洗、料雜分離，屬于清洗環節重點設備。為確保廢塑的漂洗效果，常配置有兩臺漂洗機，而每臺漂洗機設有由電機驅動、鏈條傳動的5臺漂洗輪組，漂洗輪可在水中滾動漂洗廢塑。其方形水槽的上層設有多級漂洗輪組、物料輸出機構和給水溢水裝置，由漂洗輪組撥動、打散和輸送物料，可有效地實現浮選分離、沉淀分離，而物料則由規定通道輸出。

漂洗機尾端設有爪式撈料機，它是減少水槽臟水進入的后續機械。工作過程中，撈出的料會直接送入高速摩擦機中，進行下一級摩擦清洗。為使運行更可靠、撈料更徹底，應設計選用特種不銹鋼齒鏈式、抓勾式結構，便于短距離傳輸和料水分離。

4.4 干燥脫水機

摩擦機脫水效果較差的主因是受到廢塑碎末的彎曲、包裹作用，必須采用強制擠壓、加熱風干燥法使含水量高的廢塑碎末脫水，以便直接銷售。先由壓力機擠壓廢塑碎末水分一次，脫除大部分水份，再通過高溫熱風將廢塑碎末充分打散并產生摩擦碰撞，可蒸發且逐級排出其表面的水份。待廢塑碎末干燥后，可直接裝袋和打包銷售或造粒后銷售。需造粒的廢塑碎末，可不經過熱風干燥，通過摩擦脫水后，直接入造粒機。

4.5 銅精礦的回收與水的循環利用

該機組耗水量多的共有5處，分別為破碎機、一二級摩擦清洗機(三級摩擦機勿需加水)、一二級漂洗機，其中破碎機和漂洗機的耗水量較大，通常清洗后的水由地溝自流回一級沉淀池，而含有礦粉的水則通過五級沉淀，其中80%的銅精礦將在一級沉淀池沉淀。為了獲得銅精礦，可利用壓濾機壓濾脫水后收集，或定期采用挖機在一級沉淀池挖取，再送至備料車間精礦庫。

由五級沉淀池澄清后的循環水可用作清洗的補水，各加水口用水由水泵提供。由于水中含有大量漂浮的廢塑碎末，須在泵入口加裝多級不銹鋼篩網，攔截廢塑碎末，防止廢塑碎末進入水泵中。

4.6 PLC電氣控制系統

為實現整條生產線的自動化控制，構建了一個以PLC為核心的控制系統。該控制系統采用西門子S7- 200PLC、Smart700觸摸屏，觸摸屏界面設計了參數設置、自動操作、手動操作、監控和報警顯示界面，可實現整條生產線的的連鎖運行和在線監控。PLC與觸摸屏采用串行通信方式通信，硬件上通過通訊電纜把觸摸屏與PLC連接起來。該系統操作簡單方便、自動化程度高、人機界面良好，可實現遠程監控和自動連鎖運行。

PLC程序包含一個主程序、五個子程序；PLC程序編寫有每臺電動機的運行程序、故障停機程序、連鎖停機程序。破碎機過載停機時，皮帶輸送機會自動停止，否則破碎機入口將堵料；該程序還設有一鍵自動運行、一鍵自動停機功能。由于控制系統實現了自動化，僅需在加料端人工加料即可，破碎、摩擦清洗、漂洗作業等皆勿需人員操作。

5 結語

隨著國家綠色發展戰略和“禁廢令”的推進實施，廢塑回收技術的快速進步，國內廢塑循環利用經濟體系建設的加快，國內廢塑行業得以快速發展。新常態下，國內經濟下行壓力加劇，廢塑處理技術備受關注，回收利用是廢棄資源循環利用的核心工作[4]，而廢塑處理目的就是無害化、減量化和資源化，可提高資源利用率，成為新的經濟增長點，工業潛力巨大。企業應深入踐行綠色發展理念，共同抵制、拒絕“二次污染”，并能變廢為寶，滿足清潔生產、達標排放、總量控制的要求，實現環境保護生態化，資源利用集約化，生產過程低碳化，產出回報最大化，促進人與自然和諧共生，建設環境友好型社會。