全自动矿用废塑破碎清洗机组的研制

刘志刚， 张伟旗

(1.江西铜业集团贵溪冶炼厂， 江西 贵溪 335424； 2.江西铜业集团铜材有限公司， 江西 贵溪 335424)

目前，铜精矿运输常选用汽运、铁运等方式，PP和PE塑料编织袋、吨包带和塑料薄膜等是其大宗耗材，可防止铜精矿撒漏，降低铜精矿运输损耗，但因运输方式的不同，以上耗材用量差异很大。待铜精矿运送至料仓后，需及时清理PP和PE塑料编织袋、吨包带、塑料薄膜上粘结或包裹的铜精矿，再通过破碎、清洗，可有效地回收利用有价的铜精矿及PP、PE塑料，以提高铜精矿回收率和PP、PE塑料售价。目前，国内铜冶炼企业大多采用简易机械或人工清洗，效果皆不太理想。而某国内特大型铜冶炼厂铜精矿已达50万吨级，年耗用PP、PE塑料编织袋、吨包带和塑料薄膜干量达300 t以上。

塑料作为二十世纪最伟大的发明，百年来已成功渗透至人们日常生活的各个环节。但废塑难以降解，易造成“视觉污染”和“潜在危害”而破坏生态，后患无穷。目前，经济社会高速发展，环保压力山大，将废塑破碎清洗回收利用，可变废为宝，实现资源循环再利用，废塑资源化利用技术开发与创新已成为国内外学者争相研究的热点和重点，废塑再生行业的发展趋势是实现从家庭作坊式、分散式向规范化、规模化、大资金投入等方向转变。随着企业供给侧改革的不断深入，铜冶金技术的进步，铜冶炼工艺技术装备正朝着低碳冶金、清洁生产、自动化、信息化、智能化先进方向发展，各铜冶炼加工企业对铜精矿用编织袋、吨包带、塑料薄膜等废塑清洗方式和清洗效果的要求越来越高，因而研发一种全自动废塑破碎清洗机组，重点提高铜精矿回收率，降低废塑杂质含量，迫在眉睫。

1 废塑破碎清洗工艺技术分析

塑料制品种类繁多，质轻价廉、强度高、易加工，性能优良，用途极广。按塑料物理、机械、使用等特性，可分为通用、工程(通用、特种)和功能等类塑料，其中通用塑料占绝大多数，量大价廉、成型性好、用途广；工程塑料可作工程材料和代替金属制造机器零部件等；功能塑料则可用于医用、光敏、航空、航天等特殊应用领域。为降低“白色污染”，需将废塑破碎清洗后再包装、运输和储存，可再生加工或模塑成型再生制品。

1.1 废塑破碎技术分析

根据技术原理的不同，废塑破碎技术可划分为四种。

(1)击碎技术。脆性废塑因遭到外冲击力的重击而被粉碎，如重锤等坚硬物体的外来重击、废塑间的相互撞击、废塑自身间与固定硬质钢板的高速冲击等作用；(2)磨碎技术。块状废塑受到不同形状研磨体之间的碾压作用而被粉碎成细小颗粒；(3)压碎技术。体积较大废塑因受到两个相对旋转辊的碾压、两块相对运动的金属板相互挤压、内锥体在外锥形筒中作偏心旋转的挤压等相对压缩力的作用，会被碎成小块，但软质废塑不适用；(4)剪切技术。薄膜、软质制品、韧性物料、片材等废塑被利刃等剪切、穿刺、撕碎成碎片或小块。而铜精矿用PP和PE塑料编织袋、吨包带及塑料薄膜等制品种类繁多、形态各异、区分困难，用后残留物呈现多样化[1]，宜选用剪切技术。

1.2 废塑破碎设备分析

废塑材质、性质不同，因而破碎设备选择也迥异，往往取决于被粉碎废塑的种类、形状和所需的粉碎程度，如剪切式破碎设备常适用于破碎PP、PE、PA及ABS等常温下韧性极好的材料；对质脆易碎的废塑，如硬质PVC、PS、有机玻璃、酚醛树脂、脲醛树脂、聚酯树脂等，受到压缩力或冲击力作用时，极易碎裂成小块，需选用压缩式或冲击式粉碎设备进行破碎；而低温破碎设备则适用于破碎一些软质PVC等低温脆性材料。

1.3 废塑清洗工艺分析

注塑、挤出加工厂生产过程中，塑料及其塑料制品加工遗留的下脚料、边角料和残次品，较洁净、含杂、污染少，可直接破碎回收利用，而绝大多数废塑皆受到污染，需清洗去除杂质，方可回收再利用。废塑清洗可分为物理和化学清洗，多采用传统湿洗法，以去污剂混合液或清水作为清洗介质，以手工、机械、超声、激光等清洗方法为主。

(1)手工清洗。需根据废塑品种和污染程度决定具体清洗方法，清洗质量差，效率低，劳动强度大，无法满足环保要求，使用范围渐小；(2)机械清洗。因快速、高效、自动化程度高、效果好，现成为清洗方式的主流；而无水清洗则以使用环保碳氢清洗剂清洗居多，勿需使用纯水或自来水，无废水排放，可实现零排放，借助相应的清洗机可循环回收利用，现已普遍应用于3C、精密五金电子领域，且正向手机玻璃、新能源电动车等领域拓展，该工业清洗工艺符合当下环保标准，将是工业清洗未来的发展方向；(3)超声清洗。常用作机械清洗后的二次清洗，可分散、乳化和剥离污物层，清洗效果超过机械清洗的百倍，多用于废地膜等；(4)激光清洗。采用高能激光束照射废塑表面，使其表面污物、颗粒或油污等附着物发生瞬间蒸发或剥离，达到清洁净化的目的，属非接触式精确清洗，勿需使用溶剂或研磨液，不损伤废塑，操作简单，而清洗效果远高于传统工艺，能源消耗低，性价比极高，是真正绿色环保科技，极具推广前景，但该工艺技术装备尚处于探索阶段。

1.4 废塑清洗技术分析

(1)连续式湿法清洗。先由塑料粉碎机对传送带运送来的废塑进行粗粉碎，再送至大块分离段，沉入水底的砂石等被定时送走；物料上浮，经输送辊依次入湿磨机、沉淀池，分离出所有比水重的物质，甚至是极微小颗粒，清洗效果最佳；(2)间歇式湿法清洗。先在水槽中冲洗废塑，由塑料搅拌机清除粘附在废塑表面的淤泥、沙子等松散污垢，使其沉入槽底；碎屑、纸片量大时，由沉淀池中的专用泵进一步净化；由人工分拣出印刷油墨、涂有粘结剂的纸标签等粘附污垢牢固的较大片者，经塑料粉碎机粉碎后，浸泡于热碱水溶液槽中一段时间，再由机械搅拌使之相互磨擦碰撞清除污物，废塑碎末经清洗后最终被送入离心机中甩干，且经两步热空气干燥，其残留水分≤0.5%；(3)瓶片热洗。浮洗、漂洗瓶片过程中，瓶圈、瓶盖及瓶内残留的油污、沉淀物，外部油垢、黏胶及其它污渍，皆可通过热洗与浮洗单元有效地去除，而热洗后残留的药剂可通过漂洗单元清除，使瓶片表面的pH值呈中性，以提高其透明度、洁净度；(4)无水清洗技术。是以空气替代水作为清洗介质，对碎到一定厚度和尺寸的废塑碎片上的污垢，借助摩擦、研磨、碰撞等手段使之脱离且分散在空气介质中；可由旋风分离器分离、除尘器除尘后，即可获得洁净的废塑碎片。

无水清洗技术与传统工艺对比，废薄膜中的杂质可通过清洗+分离除杂质工序有效清除，使再生颗粒纯度得以提高；整个生产过程无废水产生，泥沙和其它杂质集中收集，可大量节水和节省水处理费用，大幅降低二次污染。但因该技术尚未完全成熟，目前正处于试验和探索阶段，仍在不断创新之中，成为废塑再生行业重点研究的方向。

1.5 废塑污染源分析及处理

废塑污染源按品种、来源不同可划分为：(1)有机物污染。源于包装或接触过合成纤维、合成橡胶、洗涤剂、染料、涂料、农药、食品添加剂、药品等；(2)悬浮物污染。源于包装或接触过炭黑、煤尘、铁屑、棉纱、泥砂、黏土、微生物等；(3)油脂污染。源于包装或接触过油脂类物质；(4)溶解物污染。源于包装或接触过纯碱、氯化钠等；(5)颜色污染。源于包装或接触过氧化铁、氯化铜、硫酸磷、染料、颜料等；(6)pH值污染。源于包装或接触过强酸、强碱性物质；(7)微生物污染。源于国外生活消费后的废塑或一次性医用器材；(8)有毒物质污染。源于包装或接触过有机氯农药、多氯联苯及多环芳烃等类有机化合物，各种有毒金属及其氧化物、酸、碱、盐类、硫化物及卤化物等物质。

因塑料难以自然降解，废塑料的高效处理便成为环境保护的关键问题[2]。以上污染源中，1-4类废塑不含有毒有害物质，清洗后的水仅需进行简单处理后即可排放，如沉淀法投资极小。而对5-8类废塑，废塑再生加工企业若无资质皆不得收购，有资质的企业则须建立污水处理设施，加强劳动保护，避免人体接触污染物后受到极大伤害。

目前，国内外废塑处理的主要方式有：(1)填埋法。废塑大多被直接填埋，最简单又经济，但积累过多会污染土地资源，严重影响土壤的透气性、渗水性和地下水流通，使农作物减产，可利用资源浪费极大，有百害而无一利；(2)焚烧法。利用专业焚烧炉将废塑燃烧释放的热能用来发电，但投资大，设备损耗及维修运转成本高，需控制燃烧排放的氯、硫等气体，防止产生二恶英危害大气环境；(3)物理回收法。目前，我国废塑回收技术仍以该法为主，除塑料板、管材外，塑料制品使用寿命仅一、二年，废塑量陡增且其回收利用率仅10%，治理废塑污染重点就是加以回收、再生及综合利用，经改性再加工制成成品；(4)化学回收法。分解回收生活废塑、聚烯烃类废塑常采用热解油化技术或催化裂解技术，热解油化技术的产物以柴汽油、燃料气、地蜡和聚合单体为主，既无环境污染，又可将塑料还原成石油制品，以高效回收资源；而催化裂解技术的产物则以柴汽油、焦炭为主。

废塑的成分极为复杂，要遵循“减量化、再利用、资源化”原则，综合考量其回收价值。废塑制的资源化需先分选，利于剔除杂质、原料分类等。手工分选机动灵活，优势明显，易分类收集不同的形状、颜色、品质、大小等散落的零星废塑，但效率低。目前，机械分选技术发展已日臻完善，应用极为广泛，如对破碎前后混有金属杂质的废塑，应采用磁选分类；对固体废塑颗粒，可以空气为分选介质，按密度和粒度差异进行分离，宜采用风力分选(气流分选)；另有温差分选、静电分选、密度分选、污染分选等。

2 存在问题及分析

2.1 人工清洗方式

该厂矿用编织袋等废塑经人工清洗后，含铜精矿量≥15%，若按PP、PE塑料干量300 t/a 计，铜精矿损失≥45 t/a；若铜精矿含铜品位为23%，铜金属量损失≥10 t/a。按目前铜市场价5万元/t计，扣除铜精矿冶炼成阴极铜的成本2 200元/t，铜精矿损失达47.8万元/a。若PP、PE废塑清洗质量不好，易成为无用的废料，外卖干料价格也会直降1 000元/t，塑料干量按300 t/a计，损失达30万元/a，两项损失总计达77.8万元/a。

该厂原采用人工方式清洗编织袋等，需用工20余人，清洗效率低，劳动强度大，按每年5万元/人的劳务费计，劳务费达100万元/a，且铜精矿回收率低，易产生二次污染环境的大量废水，后续处理复杂、成本较高。毋容置疑，既难以适应现代化铜冶炼厂生产的要求，又无法满足环保要求。

2.2 机械清洗方式

废塑破碎清洗过程中，易产生大量严重污染环境的废气、废水。而产生废气的主因是混合洗液挥发出的刺激气味、粉尘污染；产生废水的主因是污染严重的混合洗液、清洗后淘汰的废水；而该工艺的主要不足则是多次破碎和清洗运行成本高。

目前，我国废旧塑料回收利用不充分，既浪费资源，又严重污染环境、破坏生态[3]。而再生资源是我国破解资源瓶颈的有效突破口，大中型自动废塑破碎清洗生产线必将取代落后的人工清洗方式，且应用前景十分广阔。

3 机组主要结构工艺

综上所述，国内某特大型铜冶炼厂铜精矿用PP和PE塑料编织袋、吨包带及塑料皮等属于常温下韧性极好的薄膜材料，废塑污染源为悬浮物污染，因而该厂适宜研发剪切式全自动废塑破碎清洗机组。

3.1 主要结构组成

全自动矿用废塑破碎清洗机组结构示意图，如图1所示。该机组主要由输送上料机、破碎机、螺旋输送机、高速摩擦清洗机、漂洗机、甩干机及PLC电控系统等部分组成。它是针对回收铜精矿和废塑而专门设计的一体化的多级组套，可灵活实现破碎、多次摩擦清洗、多级漂洗、低温复合清洗及浮水料自动分离漂洗等多种功能，实用安全可靠。而回收高价值的铜精矿则是破碎清洗核心目的，须保证销售废塑干料含铜精矿量≤5%。

1.输送上料机 2.破碎机 3.螺旋输送机 4.高速摩擦清洗机 5.漂洗机 6.高速摩擦清洗机 7.漂洗机 8.高速摩擦清洗机图1 全自动矿用废塑破碎清洗机组结构示意图

3.2 主要技术参数

齿带式皮带输送机1套，变频调速电机功率1.5 kW，皮带规格为7 000 mm×800 mm×3 mm，三层PVC带档条；破碎机1台，电机功率为75 kW，排骨筛筛网直径为Φ60 mm×80 mm，定刀数量为8把，9CrSi旋转刀数量为12把；螺旋输送机1台，螺杆直径×长度为Φ400 mm×4 000 mm；高速摩擦机3台，螺杆直径×长度为Φ480 mm×3 000 mm；漂洗槽2台，长度×宽度为6 000 mm×1 500 mm，清洗滚筒5只，下带锥形排泥斗；爪式输送机2台，有效长度×宽度为2 500 mm×1 000 mm，10 mm厚橡胶皮带加不锈钢爪；PLC电控系统1套，采用西门子可编程控制器。

3.3 主要优缺点

该机组设有中央控制系统，采用PLC程序自动控制，整条生产线从废料到成品，连续处理能力大，清洗效率高，脱水性能好，自动化程度高，劳动强度低，运行总成本低，清洗后的废塑碎末含铜精矿量低于5%，且铜精矿回收率达到95%以上，远高于人工清洗方式；该机组易操作维护，仅需在上料端、出料端分别安排2人、1人操作即可，设备中间勿需其他人员操作，工作现场环境清洁，节能环保，综合效果好，应用范围广，目前属于国内编织袋处理首选设备。

铜精矿用编织袋经过破碎、清洗后，可直接用于销售或造粒后再销售，能将废旧物资变成可循环再利用的原料。该机组实用性较强，但存在前期投资成本较高(通常投资费用在50万至100万之间)，设备占地面积较大，电耗较高等缺点。

3.4 机组工艺流程

目前，国内普遍采用废塑破碎清洗工艺，技术较成熟，高品质塑料制品的原材料也常选用废塑破碎清洗后颗粒纯度较高的物料。为使操作人员从粉尘飞扬的环境和繁重的体力劳动中彻底解脱出来，原来由人工完成的工作现可由全自动破碎清洗设备完成。其工艺流程为：人工放料→斜提升机→破碎机→螺旋输送机→一次摩擦清洗并甩干→一次漂洗→一次爪式捞料机→二次摩擦清洗并甩干→二次漂洗→二次爪式捞料机→三次摩擦清洗并甩干→干燥脱水机→打包或装袋。先清理编织袋等废塑，经人工分拣后，不得混入废铁、块矿、石头、垃圾等杂物，以确保破碎机特别是刀片无损伤，否则损伤无法修复。

4 机组技术装备的集成

4.1 皮带输送机与破碎机

废塑经人工分拣后，直接放置在皮带输送机上，由上料机斜向提升至破碎机入口，落入破碎机破碎。而加装永磁吸铁装置的齿带式皮带输送机，可提供防滑防卡保护。

针对PP和PE编织袋、吨包带及塑料薄膜等废塑的强韧性、高缠绕性特点，有针对性开发了加重组合刀心结构，高速12位圆周剪切，工位多、效率高、抗力好，破碎机破碎功率高，剪切干净利于清洗，可防止卡料和物料侧滑；刀具均采用9CrSi合金钢和耐磨模具钢铸造，坚固难用，且设有液压倾转机构便于换刀，使用寿命长；通过定刀与旋转刀片的剪切力，将废塑剪切成50 mm以内的块状或丝状小料，可使单机产能翻倍提升；筛网设计制作成排骨型筛网且增设加强筋，更持久耐用，碎料室不易形成拥堵。被破碎好的废塑碎末由破碎机下方的筛网落入螺旋输送机中，再经过斜向提升至一级摩擦清洗机中。破碎机的破碎能力决定了清洗能力，其破碎能力又由破碎机的刀片长度和数量决定，破碎机刀片长度常选用600、900、1 200 mm三种，刀片越长破碎能力越大，破碎效果越好；破碎时，加水破碎，破碎机实际变成了一台高效的清洗机，实现铜精矿粉与编织袋等的分离。

4.2 摩擦清洗机

一级摩擦清洗机属于核心设备，可提高清洗速度和质量。它是针对软质塑料碎末含水量大、含精矿高、易裹杂的特点而设计，为确保废塑碎末的清洗效果，通常先后设有三台摩擦清洗机。其设有螺旋转轴、强力清洗叶片、异形清洗腔室、封闭式进水和排水机构，在螺旋推送力的作用下，处于高速翻转状态下的物料脱水后抵达复合螺旋处，物料展开充分并频繁产生摩擦，待物料行进至出料段则被甩出料口；其内部设有筛网，过滤破碎机中清洗的矿浆，尽量降低后续机器处理的难度。让物料在高速带水状态下充分摩擦并翻转，可使铜精矿与废塑碎末表面产生剥离，其中摩擦清洗机与废塑碎末可清洗分离出约80%的铜矿粉。

4.3 漂洗机与爪式捞料机

漂洗机可实现废塑碎末漂洗、料杂分离，属于清洗环节重点设备。为确保废塑的漂洗效果，常配置有两台漂洗机，而每台漂洗机设有由电机驱动、链条传动的5台漂洗轮组，漂洗轮可在水中滚动漂洗废塑。其方形水槽的上层设有多级漂洗轮组、物料输出机构和给水溢水装置，由漂洗轮组拨动、打散和输送物料，可有效地实现浮选分离、沉淀分离，而物料则由规定通道输出。

漂洗机尾端设有爪式捞料机，它是减少水槽脏水进入的后续机械。工作过程中，捞出的料会直接送入高速摩擦机中，进行下一级摩擦清洗。为使运行更可靠、捞料更彻底，应设计选用特种不锈钢齿链式、抓勾式结构，便于短距离传输和料水分离。

4.4 干燥脱水机

摩擦机脱水效果较差的主因是受到废塑碎末的弯曲、包裹作用，必须采用强制挤压、加热风干燥法使含水量高的废塑碎末脱水，以便直接销售。先由压力机挤压废塑碎末水分一次，脱除大部分水份，再通过高温热风将废塑碎末充分打散并产生摩擦碰撞，可蒸发且逐级排出其表面的水份。待废塑碎末干燥后，可直接装袋和打包销售或造粒后销售。需造粒的废塑碎末，可不经过热风干燥，通过摩擦脱水后，直接入造粒机。

4.5 铜精矿的回收与水的循环利用

该机组耗水量多的共有5处，分别为破碎机、一二级摩擦清洗机(三级摩擦机勿需加水)、一二级漂洗机，其中破碎机和漂洗机的耗水量较大，通常清洗后的水由地沟自流回一级沉淀池，而含有矿粉的水则通过五级沉淀，其中80%的铜精矿将在一级沉淀池沉淀。为了获得铜精矿，可利用压滤机压滤脱水后收集，或定期采用挖机在一级沉淀池挖取，再送至备料车间精矿库。

由五级沉淀池澄清后的循环水可用作清洗的补水，各加水口用水由水泵提供。由于水中含有大量漂浮的废塑碎末，须在泵入口加装多级不锈钢筛网，拦截废塑碎末，防止废塑碎末进入水泵中。

4.6 PLC电气控制系统

为实现整条生产线的自动化控制，构建了一个以PLC为核心的控制系统。该控制系统采用西门子S7- 200PLC、Smart700触摸屏，触摸屏界面设计了参数设置、自动操作、手动操作、监控和报警显示界面，可实现整条生产线的的连锁运行和在线监控。PLC与触摸屏采用串行通信方式通信，硬件上通过通讯电缆把触摸屏与PLC连接起来。该系统操作简单方便、自动化程度高、人机界面良好，可实现远程监控和自动连锁运行。

PLC程序包含一个主程序、五个子程序；PLC程序编写有每台电动机的运行程序、故障停机程序、连锁停机程序。破碎机过载停机时，皮带输送机会自动停止，否则破碎机入口将堵料；该程序还设有一键自动运行、一键自动停机功能。由于控制系统实现了自动化，仅需在加料端人工加料即可，破碎、摩擦清洗、漂洗作业等皆勿需人员操作。

5 结语

随着国家绿色发展战略和“禁废令”的推进实施，废塑回收技术的快速进步，国内废塑循环利用经济体系建设的加快，国内废塑行业得以快速发展。新常态下，国内经济下行压力加剧，废塑处理技术备受关注，回收利用是废弃资源循环利用的核心工作[4]，而废塑处理目的就是无害化、减量化和资源化，可提高资源利用率，成为新的经济增长点，工业潜力巨大。企业应深入践行绿色发展理念，共同抵制、拒绝“二次污染”，并能变废为宝，满足清洁生产、达标排放、总量控制的要求，实现环境保护生态化，资源利用集约化，生产过程低碳化，产出回报最大化，促进人与自然和谐共生，建设环境友好型社会。