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加熱熔融造粒等，分析了各種造粒工藝的優缺點，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，改善了工作環境，避免了二次污染，具有很好的發展前景。
關鍵詞：廢舊塑料；再生造粒工藝；熱風熔融；造粒設備
塑料因其優異的性能被廣泛用于國民經濟的各個領域。據統計，2013年，我國全年累計生產塑料制品 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，并對環境造成的污染也日趨嚴重。據統計，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]。回收再生造粒為廢舊塑料處理提供了一條資源化道路，既減少廢舊塑料對環境的污染，又實現能源的再生利用。
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生填埋 [2]。塑料具有體積大、質量輕、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雨水長期沖刷，會將大量的有害物質帶入人類生活環境中，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，如強致癌物質二惡英，嚴重危害人類健康和生態環境。
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，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為顆粒的回收方法。再生顆粒可用于成型加工，制得的產品性能與原產品的性能相差不多，具有很高的經濟價值。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企業處于小規模、無序化的生產經營模式，加工過程易產生污水、廢料，未經過處理直接排放，造成環境污染，并且我國廢舊塑料回收造粒效率低、成本高、工作環境差。再生塑料顆粒的質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、節能環保、經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]。
首先將廢舊塑料經過清洗、篩選等過程去除金屬等雜質，然后將廢舊塑料粉碎并由氣動系統送往壓縮機，通過壓縮系統的壓縮和捻搓作用，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重新造粒，而大顆粒物料和金屬等雜質被再次分離，去除金屬等雜質，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，但是破碎環節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]發明了一種不產生有害氣體的塑料造粒機，該造粒機通過轉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、轉子、刀片、定子、 進料口、出料導板、一級篩網和二級篩網，其中刀片呈螺旋狀，一級篩網上的網格大于二級篩網上的網格。工作原理為：首先物料由進料口加入落入箱體內，然后轉子和定子上的刀片對廢舊塑料進行造粒加工，最后通過一級篩網和二級篩網對不均勻的顆粒進行分離。
2.2 傳統造粒工藝
(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，這些雜質嚴重影響再生塑料的質量，一般通過增加破碎和清洗次數去除這些雜質，從而提高回收產品的質量，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，生產成本高，工作噪音大，易產生粉塵和污水，造成二次污染。
廢舊塑料造粒過程產生大量的塑料粉塵、水及揮發性有機物，會在機器的縫隙中沉淀，使機器磨損嚴重，降低使用壽命，同時這些物質飄散在空氣中對人體非常有害。針對這個問題，吳利剛[10]發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。在生產過程中，除塵機構能迅速地吸收產生的塑料屑和粉塵，并通過排塵管進行收集過濾回收，改善了工作環境，延長了造粒機使用壽命。
劉志等[11]發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，通過驅動電機帶動螺桿轉動，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，增加了分離除雜環節。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節，節約了水資源，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，增加了生產成本。
廢舊塑料在擠出機內隔絕空氣熔煉會產生大量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。傳統造粒機是在外殼上開一個排氣孔，這些有害氣體未經處理直接排放，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。這樣可以實現有毒氣體的零排放,有利于保護環境和改善工作環境。
吳鎮宇[14]發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、攪拌扇片、軸承等。在生產過程中，產生的廢氣通過儲氣 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部分子結構不受破壞，保證了再生塑料的品質。其工藝為：首先將廢舊塑料經分選后破碎成片狀物料，經水洗后進行烘干，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碳酸鈣和有機溶劑三氯化銻放入造粒機內， 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子連續混煉機中混煉，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) 熱風循環加熱熔融造粒。
周獻華等[17]提出了一種熱風循環加熱熔融造粒工藝。 熱風循環加熱熔融造粒是擠出造粒工藝中一種全新的技術，它采用熱風循環加熱廢舊塑料，使塑料熔化，進而擠出造粒。相比于傳統熔融造粒工藝，它是直接加熱廢舊塑料，省去了粉碎、清洗、烘干等過程，改善了工作環境，節約投資成本，避免二次污染，具有廣闊的運用前景。
周獻華等[17-18]根據熱風熔融造粒工藝設計出立式熱風循環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、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速； 擠出口模靠近地面，給后續切粒造成困難等。
熊秋亮[21]在立式熱風循環造粒機的基礎上進行研究，針對立式熱風循環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、螺桿、離心風機、加熱管等。工作原理為：物料由料斗加入，落于篩網上，通過熱風循環加熱，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、離心風機、加熱管，然后進入箱體，這樣往復循環完成加熱。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；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。熔融造粒的傳統工藝簡單，成本低，制品運用廣泛，但是破碎和清洗會產生塑料屑和污水，危害生態環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工藝基礎上有所改進，但仍避免不了破碎和清洗環節。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，可節約生產成本，改善工作環境，避免二次污染，具有很廣闊的發展前景，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。
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