矿山机械低碳环保发展模式及关键技术研究

段 毅

(中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

矿山机械低碳环保发展模式及关键技术研究

段 毅

(中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

矿山机械是直接用于矿山开采、选矿等作业的机械，在国民经济的发展中扮演着重要角色，其传统发展方式对环境的负面影响较大。本文构建了一个矿山机械低碳环保发展模式的生命周期图，从设计制造、使用、维修和回收再制造四个环节来分析矿山机械的低碳环保发展模式，阐述了节能、环保维修以及再制造三项关键技术。

矿山机械；碳排放量；环境保护；回收再制造；低碳

矿山机械是直接用于矿物开采和富选等作业的机械，广义范围包括探矿机械、采矿机械和选矿机械。矿山机械服务于煤炭、化工、建材、冶金等多个国家基础工业部门，在国民经济的发展中扮演着重要角色。进入21世纪，我国矿山机械在取得突飞猛进的发展的同时，也面临着一些严重的环境问题。比如，矿山机械在使用过程中，多采用柴油机为其提供动力，众所周知，柴油机不仅工作噪音很大，而且会产生有害排放物，二氧化碳就是其排出气体中最主要的成分；在矿山机械的维修中，又容易产生废弃物和电磁辐射；可见，传统的矿山机械发展方式碳排放量较大，而且对环境污染严重。坚持可持续发展战略，实现矿山机械低碳环保发展模式已经刻不容缓。矿山机械低碳环保发展模式的意义在于：①响应国家节能减排、发展低碳经济的号召，实现经济、社会与自然环境的和谐发展；②降低企业成本，提升企业的市场竞争力——矿山机械生产企业通过加工再制造报废零部件，不但减少了资源消耗，而且降低了生产投入，有利于企业经济效益的增加和参与行业竞争；③利用先进的技术和前沿的制造工艺实现矿山机械的低碳环保发展，反过来又将对技术和工艺的向前迈进产生促进作用。

1 矿山机械低碳环保发展模式

在传统矿山机械发展模式中，机械的生命周期包括设计制造、使用、维修以及最终报废。低碳环保发展模式中矿山机械生命周期与传统模式的最大不同之处在于，当矿山机械服务期满，面临报废时，将其重新回收，进行再制造加工[1]。矿山机械低碳环保发展模式的生命周期如图1所示，各周期做出具体分析如下所述。

图1 矿山机械低碳环保发展模式的生命周期图

1.1 设计制造环节

1.1.1 可拆卸性

可拆卸性设计是一种使产品易于拆卸并能从材料回收和零件重新使用中获得最高利润的设计方法学[2]。只有在设计阶段就考虑到可拆卸性，才能保证在矿山机械服务期满之后，拆卸工程量小，且不会损伤机械零部件，所拆下的材料有利用价值的，还可以进行二次加工利用，实现有效率的回收。

1.1.2 材料选择

材料是矿山机械的制造基础，矿山机械是否能够实现低碳环保运转，材料是关键。矿山机械一般都庞大而复杂，制造中需要利用多种不同材料，这些材料的选择除了应满足矿山机械的技术功能，还应该具备以下共性：①无毒无害、对环境的负面影响小；②易于回收利用或者可降解、可再生；③材料之间相容性较好。

1.1.3 制造工艺

矿山机械的制造过程也有可能对环境造成污染破坏，因此应该采用绿色制造工艺，高效利用材料和能源，在制造中尽量控制废弃物的产生，减少二氧化碳的排放量。在选择环保的制造工具和加工设备的基础上，改进制造工艺，简化加工程序，例如：采用粉末冶金、压铸、锻造、干式切削、低温切削、高速磨削、钻削、无氰电镀等工艺技术[3]。

1.2 矿山机械的使用环节

1.2.1 低噪音

噪音是矿山机械对环境最恶劣的污染之一，因为它不仅营造了一个嘈杂的生产环境，更严重影响着矿山作业工人的身心健康。根据矿山机械噪音产生的原因，可以将噪音分为以下两类：①由机械部件振动、相互碰撞或摩擦而产生的机械噪音；②由压力变化、液体流动造成的流体噪音[4]。矿山机械噪音产生的根源是振动筛和破碎机。针对噪音产生的原因，矿山机械生产企业应该积极采取相应的措施：选择双模数和双压力角齿轮，或者采用双排齿轮；降低应力幅、振幅；控制能量沿着矿山机械的结构进行流动传播等等[5]。除了在噪音产生的源头上采取措施消除噪音，还可以在噪音隔离以及设计制造消声器等方面进行研究开发。

1.2.2 防泄漏

矿山机械的泄漏一般是指液压系统的泄漏，是由管道接触点不严丝合缝、密封表面过于粗糙或光滑、接合部件存在较大空隙、密封圈老化或者质量不达标，油温过高等问题导致的油料泄漏。油料泄漏不但影响矿山机械的正常工作，浪费油料资源，同时也会对矿山机械使用区的环境造成负面影响，而且不可生物降解液压油可能引发火灾。因此，防泄漏是矿山机械低碳环保发展模式的重要环节。要防治油料泄漏，首先必须从密封方面着手，利用先进的科学技术和优良的制造工艺增强设备的密封性能，努力使油料泄漏减少到最低[6]。然而，由于泄漏的原因并不是唯一的，当前的密封技术水平也存在一些局限，因此，当矿山机械的密封性能提高到一定程度时，还是可能会由于出现突发问题而产生泄漏。如果希望矿山机械完全做到环保清洁，则应该大力推广水液压传动和植物油等可生物降解液压液的应用。水液压传动主要是以包括淡水和海水在内的天然水作为液压工作介质[7]，它可以有效地节约能源，而且即使有一些泄漏也不会对环境造成太大污染。可生物降解液压液的组成基础是植物油、聚乙二醇和合成酯，它不仅可以维持矿山机械液压系统的正常运转，而且它的耗损产物是清洁无污染的。

1.2.3 少粉尘

矿山机械作业中不可避免地会排放大量的粉尘，飞扬的粉尘不但污染矿山机械操作工地的环境，而且，工人吸入粉尘还会对人体造成危害。因此，矿山机械要低碳环保发展，就必须采取有效地方式控制粉尘排放，营造清洁绿色的操作环境。防治粉尘的一般设备是：脉冲布袋除尘器和旋风式除尘器，利用它们可以显著减小粉尘密度。同时，还可以采用水雾除尘和静电除尘的技术，它们的除尘效率高，一次可以净化更多的气量，而且结构简单，能量消耗比较低。另外，因为是粉尘飘飞造成污染，若用水雾将粉尘沾湿，则可以在很大程度上降低污染，按照这一思路，我们可以在矿山机械的废弃物排放结构处安装水道，专门用于湿化粉尘。可见，虽然粉尘是现阶段矿山机械作业无法规避的伴生物，无法从源头彻底杜绝，但也可以采用多种方法最大程度地减轻其对环境的污染破坏[6]。

1.3 矿山机械的维修环节

矿山机械在运行工作中，由于操作不当或者设备本身的原因，或多或少都会出现故障。传统的设备维修，一般会产生固体废弃物，并带来电磁辐射等污染，不但破坏环境，更可能对维修人员的身体健康造成不良影响。低碳环保的维修过程应该以提高资源综合利用效率和对环境污染程度最低为出发点，在满足节能、减排、降耗的条件下，使矿山机械恢复正常运转。

1.3.1 废弃物处置

矿山机械维修中产生的废弃物是指报废的零件，切割、削磨过程中产生的碎屑，以及一些废料垃圾。传统的废弃物处置方式是直接对其进行焚烧，这就会产生大量的碳排放。从低碳环保的角度，对废弃物的处置措施包括：①对维修中产生的固体废弃物按照种类的不同分开存放，这有利于对废弃物的分类处理，例如，针对有害废弃物应进行无害化处理，对于无害废弃物，进行一般化处理即可；②加快废弃物处置的产业化，大力推进废弃物经过科学的处理转化为可用资源，减少不必要的焚烧。

1.3.2 防电磁辐射

对矿山机械表面修复的现代工艺是：高频感应加热、等离子喷涂以及超声波焊接等等。这些维修工艺的优点是可以迅速有效地修复设备，缺点是存在电磁辐射污染。电磁辐射是电磁波的一种，相互垂直的磁场和电场根据时间的不同而释放能量。人类作为生物体，包含许多的生物电活动，这些生物电很容易对吸收到的电磁波做出反应，可见，电磁辐射会对维修人员的身体健康造成较大危害[8]。对此，维修过程必须采取以下防治辐射的措施：①利用金属屏蔽辐射，将电磁辐射的作用控制在一定的空间范围内，并将屏蔽金属体接地，以避免二次辐射，提高屏蔽效率；②将可吸收电磁辐射的材料置于辐射区域内，降低辐射污染；③研究远程遥控维修工艺技术，实现维修人员远离辐射场所也可以完成维修作业。

1.4 回收再制造环节

矿山机械回收再制造实际上是矿山机械环保维修更深程度的发展。它采用先进科学技术，将报废机械具备回收价值的零部件作为原材料，进行二次加工改造提升。回收再制造的工艺流程包括：首先将报废的矿山机械拆解、清洗，然后对零部件进行检测，筛选出有剩余利用价值的设备零件，对于一些可以直接进行二次利用的零部件，如螺钉，清洗后分类放置，方便以后直接利用；对于另一部分需要加工修复方可再次投入使用的零部件，如箱体、轴体等，进行一定的处理，或改造或修复，并经过检测，质量合格后再重新使用。对报废矿山机械的传统处理方式通常是将机械部件回炉炼钢，回收再制造的方式不但节约了回炉燃烧所需的能源，还充分利用了报废机械的剩余价值，最重要的是降低了碳排放量，避免了回炉冶炼对大气造成的污染。此外，据统计，以报废矿山机械的零部件为基础，进行再制造，其能源消耗是“从零开始”完全进行新产品制造的能源消耗的50%，原材料消耗仅是新产品制造的三分之一，劳动力消耗为60%[9]。可见，矿山机械的回收再制造正是顺应低碳经济和可持续发展潮流的。

2 矿山机械低碳环保的关键技术

矿山机械低碳环保发展模式的实现同样需要先进的科学技术作支撑。为最大限度地减少能源消耗，减少碳，特别是二氧化碳的排放量，减轻矿山机械对生态环境的污染和破坏，矿山机械生产企业应该掌握如下关键技术。

2.1 节能技术

矿山机械作为矿山开发的主要设备，运转需要消耗大量能源，而能源的消耗必将导致大气中温室气体的增加。因此，节能技术是矿山机械低碳发展的必然选择。矿山机械的主要设备包括制砂设备、磨粉设备和破碎设备等。节约能源、控制有害气体排放就应该从这三个设备着手。采用冲击式破碎机，它的优点是在同等产量的条件下，能量消耗较低，而且破碎效率高；运用MTW系列欧式梯形磨粉机，该设备不但自动化程度很高，而且十分节省电力资源；选择履带移动式破碎站，它综合了受料、破碎和传送的设备，是一条完整的破碎作业流水线，在高效完成作业任务的同时，燃油节省率高达25%。除了以节约能源的方式来控制二氧化碳的排放，我们还可以考虑研发使用清洁能源。

2.2 环保维修技术

维修是矿山机械生命周期的必经环节，环保维修技术主要包括以下几方面。①热喷涂新技术。这项技术通过对矿山机械磨损的零部件进行喷涂修复，以使报废的零部件能够重新投入使用，有利于资源节约。②虚拟维修技术。它不同于传统的现场维修方式，是一种采用计算机软件，远程操作来解决矿山机械故障的维修手段。它的优点在于远程控制，不但便捷高效，而且有利于避免维修人员吸收维修中产生的电磁辐射。③绿色切削技术。该技术主要针对需要滚齿、铣削的矿山机械零部件维修加工。它最显著的特点是能够将有附加值的废弃物回收再利用，将有害废弃物进行无害化处理。

2.3 再制造技术

报废矿山机械的加工再制造依赖于先进的科学技术，主要是通过以下关键技术实现对废旧产品性能的改造和提升：①高速电弧喷涂技术；②纳米电刷镀技术；③激光表面熔覆技术。采用前两种技术修复的矿山机械产品，其耐磨性优越，采用后一种方法加工再制造的产品成品率高，性能良好。

[1] 李燕, 黄伟华, 黄亦扬, 等. 基于绿色理念的矿山机械修复再利用[J].矿山机械, 2008, 36(16): 55-58.

[2] 张艳. 矿山机械的绿色设计分析[J].机械设计与制造, 2005(9): 167-168.

[3] 方明烨. 矿山机械的绿色技术及应用[J]. 矿山机械, 2002(6): 6-8.

[4] 彭佑多. 环境友好型矿山机械内涵及研究现状[J]. 煤炭学报, 2009, 34(4): 560-571.

[5] 李俊生. 对矿山机械若干问题的思考[J]. 科学之友, 2008(23): 15-16.

[6] 管荣根, 顾玲, 陈静. 矿山机械环保问题的探讨[J]. 矿山机械, 2001(8): 6-9.

[7] 杨曙东, 李壮云. 水压传动的发展及其关键基础技术[J]. 机床与液压, 2000(10):6-9, 26.

[8] 田铖, 赵建民. 矿山机械绿色维修的探讨[J]. 矿山机械, 2005, 33(10): 81-83.

[9] 张德权. 基于节能减排的矿山机械再制造技术应用[J]. 中国新技术新产品, 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

国家重大仪器设备开发专项项目资助(编号：2012YQ030126)

段毅(1973-)，男，博士后，高级工程师，研究方向为资源安全管理，E-mail：dy371@126.com。

TD4

A

1004-4051(2017)02-0152-03