（动力工程及工程热物理专业论文）废旧农膜干法造粒工艺研究及应用性分析.pdf

摘要 摘要 本文结合中韩共同技术开发项目“废旧农用塑料薄膜的回收造粒技术开 发”，研究废旧农膜干法造粒工艺，并讨论干法生产工艺及用此法生产的塑料再 生粒子在中国的适用情况。 为了使干法工艺具实用性，对废旧农膜进行前期干燥处理，以除去泥沙杂 质，经过干燥去杂的农膜不需要水洗即用于干法造粒。研究了挤出造粒机长径 比、切粒方式、废旧农膜组成成分、加热温度、含水量、含沙量、冷却水温等 过程参数对造粒质量的影响，研究了不同工况下再生塑料粒子的力学和热学性 能，对照有关的塑料制品的国家及行业标准推荐干法工艺下再生粒子的理想产 品，为探求一条适合中国国情的废旧农膜回收利用产业化道路提供技术铺垫。 研究结果表明，废旧农膜造粒前的干燥过程能有效地分离泥沙等杂质，且 干燥温度越高、时间越长越有利于分离效果；使用长径比大的挤出机机轴，提 高挤出机均化段和机头的温度，增大模头滤网孔径，能增加再生粒子的生产率； 在低密度聚乙烯( l o v e ) 农膜中添加高密度聚乙烯( n d v e ) 农膜可以改善再生粒 子的力学性能但会导致熔化温度升高，挤出困难；泥沙杂质含量越小，再生粒 子的拉伸弹性模量越小，但是热变形温度高；造粒时农膜含水量越小，则再生 粒子的拉伸弹性模量越大；水冷却后切粒工艺和设备简单，但粒子外形和均匀 度差；冷却水温越高，所得粒子力学性能越好，但是热学性能差。水环热切粒 子外观质量好，性能普遍优于水冷却后的切粒，但对机械要求高，控制复杂。 对挤出机熔融温度高时不仅耗能，而且产生的粒子力学性能差；而熔融温度低 会导致挤出故障，应根据工艺及设备要求，选择合适的切粒方式和加热温度， 本研究中，普通挤出机合理加热温度主机为1 8 0 ，1 9 0 ，2 0 0 ，2 1 0 ，副 机为1 9 0 ，2 0 0 ；水环切粒挤出机合理加热温度为1 5 5 1 2 ，1 4 5 ，1 4 3 ， 1 4 0 。c ，1 3 7 。杂质分离技术是干法工艺的关键所在，也是瓶颈所在，只有解 决干法工艺的粒子品质问题，干法工艺才能真正的步入产业化道路。 千法工艺生产的再生粒子可以用于制造p e 水管，通过添加新料或h d p e 改善管材性能，能够完全符合各类相关标准。 关键词：废旧农膜；干法造粒；气流干燥；挤出机；水环切粒；p e 水管 a b s t r a c t a b s t r a c t s u p p o r t e db yr e s e a r c hc o o p e r a t i o nb e t w e e nc h i n aa n dk o r e ao n t e c h n o l o g i e s f o ri n t e r m e d i a t es t u f f f i n a li n d u s t r i a lg o o d sf r o mw a s t ep l a s t i cf i l m ”s t u d yt i l ed r y p r o c e s st e c h n o l o g yo fw a s t ea g r i c u l t u r a lp l a s t i cf i l mg r a n u l i t i z a t i o n ，a n dd i s c u s s w i t ht h i sp r o c e s st h ei n t e r m e d i a t es t u f fa p p l i c a t i o ni nc h i n a t om a k et h ed r yp r o c e s sm o r ep r a c t i c a l ，w a s t ep l a s t i cf i l mw a sd r i e dt or e m o v e i m p u r i t y d r yp r o c e s sg r a n u l i t i z a t i o nm e a n sa g r i c u l t u r a lf i l mw a sm a d ei n t op e l l e t s w i t h o u tw a t e r - t h ei n f l u e n c eo f p r o c e d u r a lp a r a m e t e r sh a db e e nr e s e a r c h e d , s u c ha s s l e n d e r n e s sr a t i oo fe x t r u d e r , t y p eo fc u t t i n g ，c o m p o s i t i o no ff i l m ，h e a t i n g t e m p e r a t u r e ，w a t e rc o n t e n t ，s o i lc o n t e n t , c o l dw a t e rt e m p e r a t u r e i nd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ，m e c h a n i c a la n dt h e r m a lp r o p e r t yo fi n t e r m e d i a t es t u f ff r o mw a s t ep l a s t i c f i l mh a da l s ob e e nc o m p a r e d a n dt h ef i n a li n d u s t r i a lg o o d sf r o md r yp r o c e s sw e r e c o m m e n d e d ，w h i c hc a l lm e e tn a t i o h a lc r i t e r i o n sa n dt r a d es t a n d a r d sa b o u tp l a s t i c , i n o r d e rt oo f f e rt e c h s u p p o r t o fw a s t e a g r i c u l t u r a lp l a s t i cf i l mr e c y c l i n g i n d u s t r i a l i z a t i o n ，w h i c hc a l lb ea p p r o p r i a t et oc h i n a sn e e d s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tw i t hd r y i n gp r o c e d u r eb e f o r ew a s t e a g r i c u l t u r a lp l a s t i cf i l mg r a n u l i t i z a t i o ns o i lc a nb es e p a r a t e de f f e c t i v e l y , a n dt h e h i g h e rd r y i n gt e m p e r a t u r ea n dl o n g e rt i m e ，t h em o r es e p a r a t i n ge f f e c t b e s i d e s ， b i g g e rs l e n d e r n e s sr a t i oo fe x t r u d e r , h i g h e rt e m p e r a t u r eo fe x t r u d e rh e a da n df l u x i n g z o n e ，b i g g e rs t r a i n e ra p e r t u r eo fd i eh e a dc a nr a i s et h ep e l l e t sp r o d u c t i v i t y a d d e d h d p et ol d p ef i l mc a ni m p r o v em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fi n t e r m e d i a t es t u i f , b u t m a k em e l t i n gt e m p e r a t u r er i s ea n de x t r u d i n gd i f f i c u l t g e n e r a l l y t h em o r es o i l c o n t e n t ，t h eb i g g e rm o d u l u si nt e n s i o no fi n t e r m e d i a t es t u f f , b u tl o w e rh e a td i s t o r t i o n t e m p e r a t u r e i ti st h es a m et ol e s sw a t e rc o n t e n ta n dh i g h e rc o l dw a t e rt e m p e r a t u r e t h et y p eo fc o l dc u t t i n gi ss i m p l e ，b u tw i t ht h i st y p ep e l l e t sw e r et r a i l i n ga n d b a d r e g u l a r i t i e s t h eo t h e rw a yr o u n d ，f o rh o tc u t t i n gw i t hp e n d u l a rw a t e rr i n g , i tn e e d s h i g hr e q u i r e do ft h em a c h i n ea n dc o m p l e xm a n a g e m e n t b u tw i t ht h i st y p ep e l l e t s w e r eh i 【g h e ra p p e a r a n c eq u a l i t ya n db e t t e rp r o p e r t i e s h i g hh e a t i n gt e m p e r a t u r ec a l l i i a b s t r a c t m a k ee n e r g yw a s t ea n dp e l l e t sp r o p e r t yl o w e r , b u tl o wh e a t i n gt e m p e r a t u r ec a n r e s u l ti n o p e r a t i n gt r o u b l e s oa c c o r d i n gt op r o c e s s i n gf a c i l i t i e s a n da c t u a l r e q u i r e m e n t ，s u i t a b l ec u t t i n gt y p ea n dh e a t i n gt e m p e r a t u r es h o u l db ec h o s e i nt h i s s t u d yt h ep r o p e rh e a t i n gt e m p e r a t u r eo fn o r m a lh o s te x t r u d ei s1 8 0 1 2 ，1 9 0 ，2 0 0 ，2 1 0 ，a n dt h ea u x i l i a r ye x t r u d e si s1 9 0 ，2 0 0 1 1 1 ep r o p e rh e a t i n g t e m p e r a t u r eo fe x t r u d ew i t hp e n d u l a rw a t e rr i n gi s1 5 5 ，1 4 5 ，1 4 3 ，1 4 0 ，1 3 7 t h ek e yo fd r yp r o c e s si st e c h n o l o g yo fi m p u r i t ys e p a r a t i o n ，w h i c hi sa l s ot h e b o t t l e n e c k i ft h eq u a l i t yp r o b l e mo fi n t e r m e d i a t es t u f ff r o mw a s t ep l a s t i ef i l mi s n t s o l v e d ，t h ed r yp r o c e s so fw a s t ea g r i c u l t u r a lp l a s t i cf i l mr e c y c l i n gi n d u s t r i a l i z a t i o n w o n tb ec o m et r u e i n t e r m e d i a t es t u f ff r o md r yp r o c e s sg r a n u l i t i z a t i o ng a l lb eu s e dt op r o d u c ep e p i p e s t h e s ep i p e sa r ea d d e dt on e w m a t e r i a lo ri - i d p et oi m p r o v ep r o p e r t y , w h i c h c a nb eq u i t eu pt ov a r i o u sc o r r e l a t i v es t a n d a r d s k e yw o r d s ：w a s t ea g r i c u l t u r a lp l a s t i cf i l m ：l d p e ：d r yp r o c e s sp n e u m a t i c c o n v e y i n gd r y i n g ：e x t r u d e ：c u t t i n gt y p e ；p ep i p e 1 i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的 规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本 和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用 影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供 目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有 权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电 子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部 分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：召韵 跏；年弓月扩日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后 适用本授权书。 指导教师签名： 年月 日 学位论文作者签名： 年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没 有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献 的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原 创性声明的法律责任由本人承担。 签名：易韵 扣l ；年弓月8 日 第1 章引言 1 1 概述 第1 章引言 农用塑料薄膜是温室及大棚保护地的主要覆盖材料，包括棚膜和地膜，我 国农膜年覆盖面积和年用量均居世界首位。目前我国地膜年覆盖面积约 7 2 1 0 6 h m 2 ，年用量4 5 万t ；棚膜年覆盖面积1 4 7 x 1 0 6 h r a 2 ，年用量6 9 万t 。 据农业部统计，1 5 年来中国农作物地膜覆盖面积由3 0 0 0 多万亩增加到目前的 2 2 亿亩以上；农膜年产量由不足3 0 万吨猛增到1 0 0 万吨；农膜品种超过4 0 种； 我国农膜生产和使用量是世界其他国家总和的1 6 倍i “。 随着农用塑料薄膜的大规模使用，带来的环境污染日趋严重，农膜的废弃 与处置已经引起一系列环境问题。由于农用塑料膜不易分解，如果填埋，进入 土壤之后，长期不腐烂，不仅占用大量土地资源，影响土地的通透性和渗水性， 破坏土质，严重危害植物的生长，降低土壤的使用价值，而且还会缠绕农机转 动器件、影响田间作业。在一些产粮地区的试验统计表明，连续使用两年农膜 以上麦田，每亩残留农膜碎片6 9 k g ，小麦减产约9 。连续使用5 年的小麦田， 每亩残留农膜碎片达2 5 k g ，小麦减产2 6 。 可见，对废旧农膜进行回收利用，不仅能起到保护环境维护生态平衡的作 用，而且还能节约资源，提高有限资源的利用率，缓解中国面临的资源短缺的 现状。 1 2 我国废旧农膜处理现状 1 2 1 废旧农膜回收工艺现状 目前，我国废旧农膜的回收利用工艺有以下几种方法【2 捌： ( 1 ) 再生造粒技术 再生造粒是将废旧农膜重新加热塑化、切粒而加以利用，其基本原理是废 日农膜经破碎送入熔融装置，农膜在其熔化温度内被熔化，经挤压切粒，获得 第1 章引言 二次母粒。 ( 2 ) 油化回收技术 塑料是由石油作原料合成的高分子化合物，当将其施加能量切断原子链，可 得到类似油分子构造的物质。油化工艺产出的油品产率可达7 5 8 0 以上， 可用作燃油锅炉用油。但该技术处理难度大，成本高。 ( 3 ) 高温热解技术 高温热解是指高温情况下高分子材料的热降解，阿时放出大量气体。其处 理流程如下：燃烧区有一层沙土，通入气体使沙土如液体一样流动，形成流化 床，欲处理的废旧农膜置于流化床上，反应器是一个完全封闭的系统，温度可 达6 0 0 9 0 0 ，处理废旧农膜时可获得4 4 的燃料气体，2 6 的芳香烃及轻质 汽油和焦油的混合物，和3 0 的固体残渣。虽然获得的燃料气体和油类混合物 可作为燃料使用，但剩余的3 0 残渣必须进行再处理。 ( 4 ) 溶解技术 利用废弃塑料的溶解性能，可以制成各种涂料或粘结荆。把废聚苯乙烯泡 沫塑料溶于二甲苯中，加或不加增塑剂制成透明防水涂料和粘结剂；随后在其 中又加入不同颜料，制成各色建筑涂料。废旧的聚苯乙烯能溶解于有机溶剂中 制成树脂胶，苯系和卤代烷系溶剂能溶解p s 。但该技术处理难度大，需对塑料 进行严格分类。 ( 5 ) 焚烧处理技术 焚烧处理可获得废旧农膜的热能，用于发电。焚烧塑料时放出的热量很大， 易使炉体损坏、维修费用高；燃烧会产生大量的酸性气体h c l 和有毒物质二嗯 英等，造成二次污染；在高温下腐蚀性气体易使焚烧炉损坏，维修费用高；而 且热能利用率低。 ( 6 ) 光降解和微生物降解技术 目前降解农膜处于示范应用阶段，而且降解塑料试验评价方法和标准正在 研究制定中。 再生造粒技术是废旧农膜二次利用中最经济和最方便的方法，产品需求量 大，是适合中国国情的最主要的回收技术。据有关部门统计，一个中等城市每 年产生的塑料废弃物，可满足2 0 家中、小型塑料企业的原料需求，利用废旧塑 料熔融造粒，可以缓解塑料原料供需矛盾。再生造粒的工艺流程是：废旧农膜 加入料斗后，在螺卡下旋转挤压作用和推理作用下压实熔融并通过机头挤出成条 第1 章引言 形或带形，荐由造粒设备切成颗粒，经振动筛的筛选获得所需粒径的塑料颗粒。 废旧农膜再生造粒后，只是改变了外观形状，其化学特性并没有改变，依然具 有良好的综合材料性能，可再次应用于农用塑料膜的生产。目前，废旧农膜再 生造粒主要有两种工艺；湿法造粒工艺和干法造粒工艺【4 】。 ( 1 ) 湿法造粒基本工艺流程如下： 废旧农膜收剿一陂碎| 一随浏一阻兑刹一瞎融造划 废旧农膜通常在不同程度上沾染有油污、垃圾、泥沙等，这些杂质会严重 影响再生塑料制品的质量，可以通过增加破碎和清洗的次数很好地去除泥沙等 杂质，提高回收产品的纯度，因此，破碎和清洗是湿法工艺中两个关键的环节。 湿法造粒是目前世界上普遍采用的一种较为成熟豹工艺，再生后的颗粒纯度较 高，可以用来作为高品质塑料制品的原材料。但多次破碎和清洗所带来的高运 行成本是该工艺存在的主要不足之处。在我国有些企业为了节约运行成本，污 水甚至不加处理直接排放，造成了二次环境污染。 ( 2 ) 干法造粒基本工艺流程如下： 歧旧农膜收集l 一陂碎l 一| 分离( 除杂质) l 一隋融造划 干法造粒省去了清洗和脱水，增加了分离除杂质这一环节，目的是除去农 膜中含有的失量泥沙。分离方法有手工分离、磁力分离、静电分离、风筛分离、 重力分离和温差分离等方法，如表1 1 1 5 1 。其中重力分离是根据塑料密度差，利 用水或其它液体进行湿式筛选，属于湿式工艺，其它方法均适合于干式工艺。 磁力分离主要是除去混入在废旧农膜中的钢铁碎屑杂质；静电分离是利用各类 塑料静电发生状态及带电情况不同，通过预选设定电压的高压电极分离出废旧 农膜的方法，特别适用于带极性的聚氯乙烯，分离纯度可达百分之百；风筛分 离是将经粉碎的农膜放在分离装置内喷射，风从横向或逆向吹入，利用气流的 阻力与自重的合力差进行分离，适用于分离农膜中混入的石子和砂子等；温差 分离是利用各种塑料的脆化温度不同，在低温下有选择地粉碎，同时达到分离 目的的方法i o j 。 表1 1 废塑料的分选技术 异物的异种塑料分选装置 分选法分选原理 分选的分选举例 磁力分选o 利用磁性材料的磁性分选磁性分选机 利用非铁金属在不同磁场中产生 涡流分选 o 涡流分选机 的涡流分选非铁金属 3 第1 章引言 续表 异物的异种塑料分选装黄 分选法分选原理 分选的分选举例 利用导电性的不同，利用其带电 静电分选o静电分选机 不同进行分选 根据不同固体粒子的大小进行分振动过滤网 粒子分选 选旋转过滤网 比风力 根据在气体中固体沉降速度进行风力分选机 重分选分选流动层分选机 分 比重液 oa根据比重差对液体进行分选沉降分离机 选 分选 气泡上浮 向水中吹入气泡。利用气泡附着气泡上浮 分选进行分离 分选机 色彩分选 根据颜色不同进行分选 色彩分选机 溶剂分选 根据溶解度不同进行分选 注：o ，可分选：a ，可部分分选；x ，不可分选。 干法造粒工艺的关键在于提高杂质分离的技术水平，这方面也有成功的实 例，例如日本塑料处理促进协会与朋东铁工所共同成功地开发了一种工艺：先 将废农用薄膜粗碎成5 0 r a m 左右的碎片，然后分两次用热风将其干燥。干燥装置 中设置磁铁以除去铁屑或铁片。第一次干燥的投料量为5 0 0 k g h ，第二次的投料 量( 经第一次干燥后) 为l o o k g h 。在干燥过程中，水分蒸发排入大气，土砂等杂质 经干燥装置内的振动筛、筛选机分离筛选除去，最后将回收得到的片状薄膜进 一步粉碎成8 m m 后熔融造粒，即可作为原料加工成各种制g , t ”。 1 2 2 废旧农膜回收造粒的生产技术现状 庞大的市场需求和低成本的劳动力，再加上投资少，技术要求不高等原因， 使我国回收造粒企业很多。但由于技术管理水平较低，一些小加工企业经常被 关闭停产，2 0 0 2 2 0 0 3 年有些地区关闭停产的加工厂超过正常工作的。 我国废旧农用塑料膜回收造粒的生产现状，简单概括主要有以下五个方面： ( 1 ) 废旧农膜资源丰富，但流通环节不畅，开发利用严重不足。根据国家 经贸委公布，“九五”期间，每年大约有1 4 0 0 万吨废旧塑料没有得到回收利用，再 生利用率只有2 5 ，直接资源浪费高达2 8 0 亿元年。 4 第1 章引言 ( 2 ) 以小作坊为主，缺乏交流合作，设备比较落后，技术含量不高，管理 不善，新观念、新技术、新工艺、新设备普及困难，产品档次低。 ( 3 ) 少数地区起步较早，形成一定规模，但观念、技术及管理滞后，发展 方向不明，后劲严重不足。 ( 4 ) 缺乏领头型企业。在加入w t o 的谈判中，中国承诺对外开放再生塑料 市场，市场竞争将更加残酷和激烈。 ( 5 ) 国家对废旧农膜回收造粒加工行业的扶持力度不足。虽然国家出台了 一些优惠政策，但目前绝大多数企业没有条件引进开发新技术、新工艺、新设 备，产品技术含量和附加值低，阻碍了回收造粒的发展进程。 此外，国有企业负担重、市场竞争能力差，企业年年亏损，难以对技术改 造进行投资。这些都导致了废旧农膜回收造粒虽然有经济效益，但是长期以来 技术水平很低的状况。具体的技术问题例如：夹杂大量泥沙的废旧农膜使再生 颗粒的纯度低，限制了再生粒料的应用范围；除杂效果不好的粒料对后续处理 机械会造成严重的磨损，影响机器正常的运行；复杂的除杂质工艺带来的高运 行成本使很多企业不愿意负担等。甚至有一些小的作坊，对洗涤废旧农膜的污 水不经过处理就直接排放到农田或废水池里，对回收后不能加工的废料，采用 露天焚烧的方法，这些都会严重污染水和空气。所以，如何低成本高效率的除 去废旧农膜中混有的杂质，提高产品的纯度和减少机器设备磨损，保护环境是 废旧农膜再生造粒技术的关键所在。 1 2 3 塑料造粒机械生产现状 改革开放以来，我国塑料机械工业高速发展。近年来，通过与外商合作、 合资及生产许可证转让，引进国外的先进制造技术以及国内的研制开发，中小 型塑料挤出造粒机基本形成了系列产品。大型塑料挤出造粒机也进入了消化吸 收和自行设计相结合制造国产挤出造粒枫的阶段。据不完金统计，我国共有塑 料机械生产企业2 8 0 多家，1 9 9 4 年全行业工业总产值2 2 亿元，1 9 9 5 年生产塑料加 工机械设备8 5 0 0 0 台( 套) ，已进入世界塑机生产大国的行列。仅就双螺杆挤出 机生产企业来说，截止1 9 9 4 年己发展到6 0 多家，生产能力达1 2 0 0 台( 套) ，其 中同向双螺杆混炼挤出造粒机生产企业有2 0 多家，年生产同向双螺杆混炼挤出 造粒机3 0 0 多台( 套) 。 第1 章引言 目前我国废旧农膜回收造粒机械制造企业主要分布在山东、辽宁、江苏、 甘肃、河南、北京等地，其中大规模企业极少。根据中国机械信息网的一份调 查资料显示：固定资产达1 0 0 0 万元的企业只占2 3 ，乡镇小企业占3 4 ，合资 企业占1 1 ，个体企业占4 。而小企业无论是技术力量、生产设备，还是管理 水平，都很薄弱，因而只能生产中低等的产品，导致产品结构不合理，低水平 的中小型造粒机充斥市场，而高水平、高性能的机械却供不应求。 1 2 4 塑料回收造粒机械技术水平现状 我国塑料回收造粒机械严重依赖进口，国产造粒机械技术含量低，质量不 稳定，存在一定的二次污染，很多生产工艺及设备存在安全隐患。虽然有一些 塑料回收造粒机械企业不仅占据了国内的较大市场分额，还有相当数量的产品 出口国外，但出口产品主要销往发展中国家，属中低档产品，利润薄，竞争力 不高。就整体技术水平而言，与国外发达国家的差距在2 0 年以上。此外国内塑 料回收造粒机械企业在技术创新上的投入很少，主要仿制国内外同行产品，鲜 有自主知识产权的产品。根据对中国专利信息网信息的统计，近1 9 年来塑料回 收造粒和造粒机械制造方面的专利发明数量见图1 1 。 3 0 2 5 2 0 爨1 5 1 0 a 0 1 9 8 51 9 8 71 9 8 91 9 9 11 9 9 31 9 9 51 9 9 71 9 9 92 0 0 12 0 0 3 焦褂 图1 11 9 8 5 - 2 0 0 3 年我国塑料回收造粒机械专利申请数量p ：涉及塑料再生造粒的所有方 面，包括塑料造粒机械及工艺) 从图1 1 可见，我国在塑料再生造粒方面专利数量很少，塑料造粒机械方面 拥有自主专利权的技术产品更少，缺乏对拥有自主知识产权的产品的开发是国 内塑料机械产品长期落后于国外，国内产品雷同的主要原因之一。而同时，国 6 第1 章引言 内针对塑料机械的专门研究机构也很少，普遍存在着科研创新经费严重不足的 问题。 图1 1 中的专利内容主要集中在对造粒机械和造粒工艺方法的改进上： ( 1 ) 对造粒机械的改进 主要是通过对调刀系统的设计，保证了出料质量和切粒量的均匀性；对传 动系统的设计，确保了压力流速稳定，挤出的条料粗细均匀、密实、连续；对 热源的设计，节省了电能，改善了操作人员的劳动环境。使造粒机构具有体积 小，结构简单，可靠性好，精度高，成本低，耗能量小，使用寿命长，噪声小 等特点。 ( 2 ) 对造粒工艺的改进 主要是通过对清洗废水的处理，实现了无二次污染的“白色污染”治理； 对破碎清洗干燥挤出切粒程序的重新整合，提高了生产效率和产品质量。使整 个造粒工艺流程科学合理，无污染且效率高。 为贯彻联合国巴西环发大会通过的“2 l 世纪议程”提出的经济社会可持续 发展的方针，促使人口、资源、环境协调发展，推动废塑污染闯题的解决，国 家环保局已将废旧塑料列为2 1 世纪在环保领域要控制的三大重点之一，指出必 须强化管理、依靠科技进步搞好回收利用。但是废旧农膜的回收造粒不仅仅是 技术问题，它需要建立全社会的处理体系和科学合理的回收系统，同时也需要 政府的支持和生产部门的重视，例如建立合理的回收网点，实施适当的财政补 贴。更重要的是加大科技创新的投入，吸引专业技术人才，实现规模化和专业 化生产。随着我国进入w t o ，具有自己知识产权的技术将更加重要。开发经济 高效的干式塑料再生造粒技术不仅适合我国国情，而且推广容易、见效快。而 研发经济高效的干式杂质分离技术和简易可靠的切粒技术是实施废弃农膜干式 再生造粒工艺的关键。 1 3 本文的工作及任务 在了解废旧农膜材质、物理化学特性及相关测试技术的基础上，提出废旧 农膜干法造粒工艺构想：根据构想搭建实验台，通过干燥除杂实验、造粒工艺 及过程参数研究、再生粒子品质测定等对废旧农膜干法造粒工艺进行研究；评 价最终工艺对环境的影响及其产业化可行性，调研分析再生粒子的应用范围和 第1 章引言 市场潜力。为解决废旧农膜回收利用工艺问题提供一种参考方法，以求发展中 国废弃农膜的回收市场，在环境保护和经济利益两方面建立双赢的局面，实现 低成本运行高品质产出，使该工艺成功步入产业化道路。主要研究内容如下： ( 1 ) 废旧农膜干燥去杂实验：研究干燥温度和干燥次数( 时间) 的影响， 根据实验结果提出合适的干燥模型，并进行干燥过程计算模拟； ( 2 ) 废旧农膜干法造粒工艺及过程参数研究：研究挤出机长径比、切粒方 式、废旧农膜组成成分、加热温度、含水量、含沙量、冷却水温等过程参数对 干法造粒工艺的影响： ( 3 ) 废旧农膜干法造粒工艺经济性及应用性分析，根据粒子品质分析提出 适合中国国情的最佳应用途径。 8 第2 章废旧农膜干燥除杂质实验研究 2 1 引言 第2 章废旧农膜干燥除杂质实验研究 废旧农膜特别是地膜的含水含泥沙量较大，例如用于试验研究原样( 来源 上海郊区沙土质瓜地) 的含水量为4 4 5 ，含沙量为3 1 8 ，p e 含量仅为2 3 7 。 如直接用于挤出造粒，不仅磨损机器，而且再生粒子品质低，可应用范围小， 所以在造粒之前须对废旧农膜进行除杂、干燥预处理。 现行工艺是通过清洗去除沾染在废旧农膜上的杂质后脱水，但是清洗所带 来的废水处理要求以及高运行成本是其主要不足之处，所以考虑省去清洗和脱 水步骤，直接对废旧农膜进行干燥，除去农膜中的水分，随着水分的减少。含 沙量也随着减少。 2 2 干燥方式及干燥器 干燥技术从很早以前就在一般的制造过程中作为原料和产品的加工工序得 到应用。通常是指将热量加于湿物料并排除挥发性湿分( 大多数情况下是水) ， 而获得一定湿含量固体产品的过程，涉及面很广。蒸发、去除水分的方法根据 加热方式可分类如下： ( 1 ) 直接加热方式以炽热气体直接接触处理物进行干燥( 热风受热 型) 。 ( 2 ) 间接加热方式以炽热媒体间接接触处理物进行干燥( 传热受热 型) 。 ( 3 ) 其他方式利用红外线、高频、微波等。 干燥效果以原料的含水量及干燥物的含水量来表示。物质的水分，一般分 为表面水分( 附着水分) 和内部水分。在干燥工序中，表面水分容易通过热风 等在较短时间内去除，而内部水分通过毛细管到达表面需要一段时间，蒸发慢。 因此需要选择滞留时间长的干燥装置。另外，废弃物干燥废气中多含有异味成 分，对其要进行处理( 除异味) 1 5 1 。 随着生产的发展，对于干燥技术、干燥装备的需求有了更高的要求。对于 9 第2 章废旧农膜干燥除杂质实验研究 废旧农膜而言，由于农膜上沾有泥土、菜叶等杂质，需在干燥的同时分离杂质， 所以扰动性较强的干燥器更加适合，比如转筒干燥器、流化床干燥器等f 8 】。 2 2 1 转筒干燥器 转筒干燥器的主体是略带倾斜并能回转的圆筒体。湿物料从左端上部加入， 经过圆筒内部时，与通过简内的热风或加热壁面进行有效地接触而被干燥，干 燥后的产品从右端下部收集。在干燥过程中，物料借助于圆筒的缓慢转动，在 重力的作用下从较高一端向较低一端移动。简体内壁上装有顺向抄板( 或类似 装置) ，不断地把物料抄起又洒下，使物料的热接触表面增大，以提高干燥速 率并促使物料向前移动：干燥过程中所用的热载体一般为热空气、烟道气或水 蒸气等。如果热载体( 如热空气、烟道气) 直接与物料接触，则经过干燥器后， 通常用旋风除尘器将气体中挟带的细粒物料捕集下来，废空气则经旋风除尘器 后放空。转筒干燥器是最古老的干燥设备之一，目前仍被广泛使用于冶金、建 材、化工等领域。 图2 1 是端面吹入型叶片式穿流转筒干燥器的简图，其筒体水平安装，沿筒 体内壁圆周方向等距离装有许多从端部入口侧向出口侧倾斜的叶片( 百叶窗) 。 热风从端部进入转筒底部，仅从下部有料层的部分叶片问隙吹人筒内，因此能 有效地保证干燥在热风与物料的充分接触下进行，不会出现短路现象。物料则 在倾斜的叶片和筒体的回转作用下，由入口侧向出口侧移动，其滞留时间可用 出口调节隔板调节。在回转筒体外壁四周装有箱型壳体，并沿回转筒体长度方 向分成3 4 个独立的室。每个室都有独立的鼓风机、空气加热器以及进气口和 排气口。热风温度以及循环风量、排气量均能自行调节。这种类型的干燥器体 积传热系数大，约为3 4 9 1 7 4 5 w ，( m 3 。) ，干燥时间短，约为l o 3 0 m i n ，物料 的填充率较大，约为2 0 3 0 ，装置容积相对较小。料层阻力为9 8 5 8 8 p a ， 通过风速一般为0 5 1 5 m s ，筒体的转速约为常规直接加热转筒干燥器的1 2 左 右，使用的热风温度为1 0 0 3 0 0 。c 。在工业上，常用这种干燥器干燥粒状、块 状或片状物料。此外，像塑料颗粒一类必须干燥到很低水分的物料以及像术片、 纸桨渣、大柴棒等密度小的物料，都可以用它来干燥。 1 0 第2 章废旧农膜干燥除杂质实验研究 热 原料 2 2 2 流化床干燥器 i 热 产品 图2 1 叶片式穿流转筒干燥器 流化床是6 0 年代发展起来的一种干燥技术，目前在化工、轻工、嚣药、食 品以及建材工业都得到了广泛的应用。由于干燥过程中固体颗粒悬浮于干燥介 质中，因而流体与固体接触面较大，热容量系数可达8 0 0 0 2 5 0 0 0 k j ( m 3 h - ) ( 按 干燥器总体积计算) ，又由于物料剧烈搅动，大大地减少了气膜阻力，因而热 效率较高，可达6 0 8 0 ( 干燥结合水时为3 0 4 0 ) 。流化床干燥装置 密封性能好，传动机械又不接触物料，因而不会有杂质混入，这对要求纯洁度 高的制药工业来说也是十分重要的。 目前，国内流化床干燥装置，从其类型看主要分为单层、多层，卧式和喷 雾流化床、喷动流化床等。从干燥的物料来看，大多数的产品为粉状，颗粒状， 晶状。被干燥物料的湿含量一般为1 0 3 0 ，物料颗粒度在1 2 0 目蛆内。 单层流化床可分为连续、间歇两种操作方法。连续操作多应用于比较容易 干燥的产品，或干燥程度要求不很严格的产品。多层流化床干燥装置与单层相 比，在相同条件下设备体积较小，产品干燥程度亦较为均匀，产品质量也比较 好控制。多层床因气体分布板数增多，床层阻力也相应地增加。多层床热利用 率较高，所以它适用于降速阶段的物料干燥。多层床操作的最大困难，是由于 物料与热风的逆向流动，各层既要形成稳定的沸腾层，又要定量地移出物料到 下层，如果操作不妥，则沸腾层即遭破坏。目前将物料送到下一段的构件，有 溢流管式和穿流多孑l 板式两种。国内多层流化床多数是采用溢流管式结构。由 于多层流化床干燥器制造较为复杂，操作控制也不容易掌握，故近年来有将其 ，l 一 第2 章废旧农膜干燥除杂质实验研究 改为多室流化床的趋势，即改为低风速的卧式多室流化床干燥器。卧式流化床 干燥器停留时间可任意调节，压力损失小，并可得到干燥均匀的产品。主要缺 点是热效率低于多层床，尤其采用较高风温时。但如果能够调节各室的进风温 度和风量，并逐室降低之；或采用热风串联通过各室的方法，那么热效率也是 可以提高的。目前大多数卧式流化床采用负压操作。对于大面积卧式流化床干 燥器，可采用隔板把干燥室分成6 8 室，物料从隔板与分隔板之间的间隙中穿 过，操作较为稳定，效果良好。流化床气体分布板的型式有筛板、筛网以及烧 结密孔板等。 2 2 3 振动流化床干燥器 普通流化床干燥机在干燥颗粒物料时，可能会存在下述问题：当颗粒粒度 较小时形成沟流或死区；颗粒分布范围大时夹带会相当严重；由于颗粒的返混， 物料在机内滞留时间不同，干燥后的颗粒含湿量不均；物料湿度稍大时会产生 团聚和结块现象，而使流化恶化等。为了克服上述问题，出现了数种改型流化 床，其中振动流化床就是一种较为成功的改型流化床。 振动流化床，就是将机械振动施加于流化床上。调整振动参数，使返混较 严重的普通流化床，在连续操作时能得到较理想的活塞流。同时，由于振动的 导入，普通流化床的上述问题会得到相当大改善。工业应用中已出现了许多不 同结构形式的振动流化床，图2 2 为采用曲柄摇杆机构的振动流化床。 图2 , 2 曲柄摇杆振动流化床干燥器 1 2 第2 章废旧农膜干燥除杂质实验研究 2 2 4 脉冲式流化床干燥器 脉冲式流化床( p f b ) 是流化床技术的一种改型，其流化气体是按周期性方 式输入的。在一大的矩形床内，脉冲流化区可以随气流的周期性易位而在某有 利条件范围内进行变化。 热空气 圈2 3 周期性变换气流位置的脉冲流化床干燥器 图2 3 0 0 表示的是周期性地改换气流位置的脉冲流化床干燥的工作原理，热 空气流过旋转阀分布器，而分布器周期性地遮断空气流并引导它流向强制送风 室的各个区段，送风室是位于常规流化床支承网的下面。在“活化”室内的空 气流化了位于活化室上的床层段。当气体朝着下一个室时，床层流化段几乎变 成停滞状态。实际上，由于气体的压缩性和床层的惯性，整个床层在活化区还 能进行很好的流化。 与常规流化床干燥器相比，具有“易位”气流的脉冲流化床具有如下优点： 1 ) 异向性的大颗粒( 例如直径为2 0 3 0 m ，厚度为1 5 3 5 m m 的蔬菜) 也能良 好流化；2 ) 压降降低( 约7 1 2 ) ；3 ) 最小流化速度减小( 约8 2 5 ) ； 4 ) 改善床层结构( 无沟流，较好的粒子混合) ；5 ) 浅床层操作；6 ) 能量节省 最高达5 0 。 1 3 第2 章废旧农膜干燥除杂质实验研究 p f b 的主要操作参数：床高0 1 o 4 m ；压降3 0 0 1 8 0 0 p a ；气速0 3 1 8 m s ( 与颗粒特性有关) ；气体脉冲频率4 1 6 h z 。 2 2 5 气流干燥器 气流干燥也称“瞬间干燥”，是固体流态中稀相输送在干燥方面的应用。 该法是使加热介质( 空气、惰性气体、燃气或其他热气体) 和待干燥固体颗粒 直接接触，并使待干燥固体颗粒悬浮于流体中，因而两相接触面积大，强化了 传热传质过程，广泛应用于散状物料的干燥单元操作，气流干燥流程图如图2 4 所示。 l 。 、 一 、 ： ， - - 宦 一 q 甾 玄 k 厘 毋 l 一抽风机；2 一布袋除尘器；3 一排气管：4 一旋风除尘器；5 一干燥管 6 - - 螺旋给料器；7 加热器；8 一鼓风机 图2 4 气流干燥基本流程图 气流干燥的特点是：1 ) 气固两相问传热传质的表面积大；2 ) 热效率高、 干燥时间短、处理量大；3 ) 气流干燥器结构简单、紧凑、体积小，生产能力大 4 ) 操作方便；5 ) 气流干燥的缺点是流动阻力降较大，动力消耗较大。 1 4 第2 章废旧农膜干燥除杂质实验研究 2 3 实验方案及实验台介绍 2 ，3 1 实验目的 实验主要任务是干燥废旧农膜，在干燥的同时分离泥沙杂质。实验研究干 燥温度和干燥时间对干燥效果的影响，以及干燥过程中农膜含水量和含沙量之 间的关系。 2 3 2 实验台介绍 干燥实验台结构如图2 5 ，实物如图2 6 ，包括进风、加热、给料、干燥分离 及收集五部分。将粉碎成l o c m x l o c m 左右的废旧农膜投入给料器4 ，随热空气进 入收尘器，通过给料器转速控制投料速度，电子数字压力测量计控制风量，热 电偶控制干燥温度。本实验中，给料器转速6 r r a i n ，动压t 8 0 p a ，管径1 5 0 r a m ， 管长l o m 。 1 一风机；2 一阀门；3 一加热器；4 一给料器：5 一热电偶；6 一分离装置 7 一旋风除尘器；8 - - 布袋除尘器 图2 5 干燥实验台 1 5 第2 章废旧农膜干燥除杂质实验研究 a 布袋收尘器 2 3 3 实验操作过程 b 旋风收尘器c 加料及风机 图2 6 干燥实验台实物图 ( 1 ) 预热 由于干燥实验要求的温度高于室温，在采取一定的保温措掩后，仍需进行 一段时间的预热过程。首先打开风机处的暖风机，使其提供相对高温的气流， 然后打开风机，使风管外侧的电熟丝通电加热，直至升温到要求温度。 ( 2 ) 调节风压 温度达到要求后，开启风机出口处控制阀，利用数字压力测量计测量风管 中压力，调节控制阀来使风