黃興元，潘留雯，譚 磊，王 涵
（南昌大學機電工程學院，江西省輕質高強重點實驗室，南昌 330031）
摘要：提出一種熱風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；熱風熔融的溫度容易控制，防止過熱降解；熱風循環無廢水排出，余熱全部利用。在理論分析的基礎上，設計構建了試驗樣機并進行試驗研究。
關鍵詞： 再生利用；擠出造粒；熱風熔融；廢舊塑料
0 前言
塑料制品具有成本低、質量輕、比強度高、耐腐蝕、易成型、絕緣性好及美觀實用等優點，在汽車、建筑、家電、電子電器、包裝等行業得到廣泛應用，隨著其應用的增加，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，在當今世界石油資源緊缺的大環境下，許多國家都非常重視研究廢舊塑料的循環利用，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］，是塑料生產和消費大國，也是廢舊塑料產生大國，研究如何科學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作垃圾進行處置，過程簡單，是最經濟的處理方式，但填埋場占用寶貴的土地資源，產生的滲液容易造成地下水土污染，影響土壤結構，這種處理方式是不可持續和有危害的［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回收和機械回收，化學回收通過高溫熱解或裂解將廢舊塑料轉化成燃料或化學原料［7］，化學回收由于設備要求高，工藝過程復雜，造成回收難度大，回收成本高，難以大規模推廣。機械回收是指將廢舊塑料經過鑒別、分離、清洗、破碎、熔融、造粒后，再次作為塑料原料重新用于產品制造［8‐9］，實現資源的重復利用，機械回收在實際應用中也還存在許多問題［10］：處理過程的粉碎造成粉塵飛揚，產生噪音，工人勞動條件差；清洗產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熔融方法［11］，其原理是將廢舊塑料直接加入熱風熔融裝置，通過熱風加熱使其熔融，熔融后塑料熔體和熱風分離，分離后的尾氣回到加熱室繼續加熱升溫再循環回用，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加熱熔融，無粉碎環節、無噪音、粉塵飛揚；加熱后的尾氣經再加熱后重新循環，余熱得到利用，無廢氣排出；熱風溫度容易控制，可有效防止過熱降解；從廢舊塑料加入到造粒，只經歷一次加熱熔融過程，避免多次加熱導致的質量下降，又節省了反復加熱的能耗。本文提出了一種熱風熔融的方法 對廢舊塑料進行再生利用。
1 熱風熔融廢舊塑料造粒機設計與試驗
1. 1 造粒機結構方案設計
根據熱風熔融廢舊塑料的回收利用原理，設計出如圖 1所示的熱風熔融塑料回收造粒機原理方案（箭頭表示熱風循環路徑）。
其結構組成包括：熱風循環加熱系統、攪拌裝置、螺桿擠出裝置、傳動機構和造粒裝置。工作原風循環加熱系統給熱風熔融箱體內提供熱風，并讓熱風循環，對箱體內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過篩網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過口模擠出，最后由切粒結構對擠出的塑料進行造粒。
1. 2 關鍵部件設計
（1）熱風循環加熱系統
熱風循環加熱系統是整個裝置中一個非常重要的系統，系統的作用是通過熱風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回用，其組成包括：箱蓋、風機、加熱管和熔融室，其中風機和加熱管采用對稱布置，結構方案如圖2所示。
熱風循環過程是風機從熔融室的上部將尾氣吸入從出風口吹向加熱管，使其加熱，并經過下箱體的夾套從熔融室下部進入熔融室，熔融室內有溫度傳感器控制熱風溫度，熱風熔融時，通過控制熱風溫度防止塑料過熱降解，由于熱風溫度比較容易控制，從而能保證造粒塑料的 質量。
（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，攪拌裝置的結構如圖3 所示。工作時，攪拌軸轉動帶動攪拌片在篩網表面做旋轉運動，攪拌片與篩網平面呈傾斜布置，傾角為φ，攪拌片推動塑料在篩面上運動同時對塑料產生一個斜向下的擠壓力，如圖4 所示。
當廢舊塑料進入熔融室就直接浸入在熱風中，由于沒有經過前期破碎，因此廢舊塑料往往為大塊物件，浸入到熱風中的廢舊塑料首先在表面形成熔膜，熔膜內的塑料熔融熱需通過熱傳導穿過熔膜進入固熔界面，因塑料導熱性能差，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使廢舊塑料在篩網上 面滑移，篩網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計，利用螺旋擠壓帶將熔融塑料不停地擠壓到機筒 內，螺桿采用等距變徑的結構設計，使熔體在輸送過程中壓實，如圖6 所示。
（4）切粒機構
切粒采用熱切風冷造粒，切粒機構的結構如圖7所示，從螺桿擠出機頭出來的廢舊塑料熔體經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切刀切斷后，被冷風系統進行冷卻，同時風冷系統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的實驗廢料——聚丙烯（PP），如圖8所示，其熔點溫度在160~170℃，熱風溫度控制在170℃。當熔融室溫度在108℃時開始投入廢舊PP塑料，攪拌機構進行攪拌，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，沒有燒焦現象。
實驗表明，采用熱風熔融方法可以對未經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，使用旋轉刀片進行切粒，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常粘連有熔融的物料，導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雜，首先可能是切粒裝置的問題，因為切粒裝置的刀片結構、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，在后續改進中可以考慮將風冷熱切裝置改為拉條冷切或水冷切粒裝置。
3 結論
（1）針對廢舊塑料的回收方法以及國內外廢舊塑料回收技術應用的研究現狀，提出熱風循環加熱廢舊塑料熔融加熱的方法，并設計和研制出新型熱風循環熔融塑料回收造粒裝置，初步試驗表明，采用熱風熔融的方法可以將未經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，簡化了設備；
（2）擠出造粒過程中出現粒料之間相互粘連，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，相信該技術在完善后具有廣闊的應用前景。
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