黄兴元，潘留雯，谭 磊，王 涵
（南昌大学机电工程学院，江西省轻质高强重点实验室，南昌 330031）
摘要：提出一种热风熔融的方法对废旧塑料进行再生利用，其特点是：废旧回收塑料直接进行热风加热熔融后通过螺杆挤出造粒，没有粉碎过程，无噪音、粉尘飞扬；热风熔融的温度容易控制，防止过热降解；热风循环无废水排出，余热全部利用。在理论分析的基础上，设计构建了试验样机并进行试验研究。
关键词： 再生利用；挤出造粒；热风熔融；废旧塑料
0 前言
塑料制品具有成本低、质量轻、比强度高、耐腐蚀、易成型、绝缘性好及美观实用等优点，在汽车、建筑、家电、电子电器、包装等行业得到广泛应用，随着其应用的增加，废旧塑料也越来越多，由于塑料难以自然降解，废旧塑料给环境带来的危害日益严重。众所周知，废旧塑料本身就是很重要的再生资源，在当今世界石油资源紧缺的大环境下，许多国家都非常重视研究废旧塑料的循环利用，投入了大量的人力和物力［1］，甚至进行立法促进废旧塑料回收再利用技术的突破［2］。我国每年的塑料消费量超过80000 kt，回收的废旧塑料超过18000 kt［3］，是塑料生产和消费大国，也是废旧塑料产生大国，研究如何科学有效地处理废旧塑料具有重要意义。
目前废旧塑料处理主要通过填埋、焚烧和回收利用3个途径，填埋是将废旧塑料当作垃圾进行处置，过程简单，是最经济的处理方式，但填埋场占用宝贵的土地资源，产生的渗液容易造成地下水土污染，影响土壤结构，这种处理方式是不可持续和有危害的［4］。焚烧处理废旧塑料能减少体积，回收部分能源，杀死其中的细菌和病毒，操作简便，成本低，但燃烧产生的有害气体如二恶英等会释放到大气中去［5］。回收利用是将废旧塑料视为可再生资源加以回收再利用，综合解决资源浪费和环境污染的问题，是最理想的处理方式［6］。废旧塑料的回收利用可分为化学回收和机械回收，化学回收通过高温热解或裂解将废旧塑料转化成燃料或化学原料［7］，化学回收由于设备要求高，工艺过程复杂，造成回收难度大，回收成本高，难以大规模推广。机械回收是指将废旧塑料经过鉴别、分离、清洗、破碎、熔融、造粒后，再次作为塑料原料重新用于产品制造［8‐9］，实现资源的重复利用，机械回收在实际应用中也还存在许多问题［10］：处理过程的粉碎造成粉尘飞扬，产生噪音，工人劳动条件差；清洗产生的废水造成二次污染；粉碎后的体积大，增加运输成本，占用存储空间。
作者所在研究团队针对废旧塑料回收利用提出一种热风熔融方法［11］，其原理是将废旧塑料直接加入热风熔融装置，通过热风加热使其熔融，熔融后塑料熔体和热风分离，分离后的尾气回到加热室继续加热升温再循环回用，分离后的塑料熔体进入输送挤压装置进行输送挤压，经造粒口模造粒或直接挤出制品，特点是：废旧塑料直接通过热风加热熔融，无粉碎环节、无噪音、粉尘飞扬；加热后的尾气经再加热后重新循环，余热得到利用，无废气排出；热风温度容易控制，可有效防止过热降解；从废旧塑料加入到造粒，只经历一次加热熔融过程，避免多次加热导致的质量下降，又节省了反复加热的能耗。本文提出了一种热风熔融的方法 对废旧塑料进行再生利用。
1 热风熔融废旧塑料造粒机设计与试验
1. 1 造粒机结构方案设计
根据热风熔融废旧塑料的回收利用原理，设计出如图 1所示的热风熔融塑料回收造粒机原理方案（箭头表示热风循环路径）。
其结构组成包括：热风循环加热系统、搅拌装置、螺杆挤出装置、传动机构和造粒装置。工作原风循环加热系统给热风熔融箱体内提供热风，并让热风循环，对箱体内的废旧塑料进行加热熔融，熔融后的废旧塑料在搅拌装置的作用下经过筛网到熔融箱体的下部出料口，通过螺杆挤出装置使熔融塑料经过口模挤出，最后由切粒结构对挤出的塑料进行造粒。
1. 2 关键部件设计
（1）热风循环加热系统
热风循环加热系统是整个装置中一个非常重要的系统，系统的作用是通过热风为加热废旧塑料提供热量，同时使加热废旧塑料后的尾气通过加热管进行补充加热后循环回用，其组成包括：箱盖、风机、加热管和熔融室，其中风机和加热管采用对称布置，结构方案如图2所示。
热风循环过程是风机从熔融室的上部将尾气吸入从出风口吹向加热管，使其加热，并经过下箱体的夹套从熔融室下部进入熔融室，熔融室内有温度传感器控制热风温度，热风熔融时，通过控制热风温度防止塑料过热降解，由于热风温度比较容易控制，从而能保证造粒塑料的 质量。
（2）搅拌装置
搅拌装置由搅拌轴、搅拌片固定杆、搅拌片以及底部的螺旋挤压带构成，搅拌轴上安装搅拌片固定杆，搅拌杆上对称安装有弹性的搅拌片，两边各安装有3片，搅拌装置的结构如图3 所示。工作时，搅拌轴转动带动搅拌片在筛网表面做旋转运动，搅拌片与筛网平面呈倾斜布置，倾角为φ，搅拌片推动塑料在筛面上运动同时对塑料产生一个斜向下的挤压力，如图4 所示。
当废旧塑料进入熔融室就直接浸入在热风中，由于没有经过前期破碎，因此废旧塑料往往为大块物件，浸入到热风中的废旧塑料首先在表面形成熔膜，熔膜内的塑料熔融热需通过热传导穿过熔膜进入固熔界面，因塑料导热性能差，热阻随着熔膜厚度的增加而增加，则熔融速度随熔膜厚度的增加而减慢。为加快熔融速度，搅拌装置通过搅拌片驱使废旧塑料在筛网上 面滑移，筛网上分离板刃角将塑料表面熔膜刮下，同时废旧塑料块在热风的加热下软化，在搅拌片的挤压下变形贴向筛面可使更多的熔膜被刮下，分离板挡住未熔融的塑料块从而将熔膜与芯部未熔融的料块分离，挤压分离过程如图5 所示。
（3）螺杆挤出装置
螺杆挤出装置的作用是将刮下的塑料熔体通过螺杆和机筒送入造粒口模进行造粒，进入螺杆机筒内的塑料都是塑料熔体，因此和普通挤出螺杆相比，这里的螺杆只起熔体输送和压实的作用，不需要具备固体输送和塑化功能，螺杆的长度便可大大缩短。为使被刮下的塑料熔体进入机筒，在搅拌轴上增加螺旋挤压带设计，利用螺旋挤压带将熔融塑料不停地挤压到机筒 内，螺杆采用等距变径的结构设计，使熔体在输送过程中压实，如图6 所示。
（4）切粒机构
切粒采用热切风冷造粒，切粒机构的结构如图7所示，从螺杆挤出机头出来的废旧塑料熔体经过分流锥分流进入到造粒口模进行挤出造粒，在口模出口处由旋转切刀切断后，被冷风系统进行冷却，同时风冷系统中的气流将其输送到出料口收集。
1. 3 样机试验
实验用原料为实验室内的实验废料——聚丙烯（PP），如图8所示，其熔点温度在160~170℃，热风温度控制在170℃。当熔融室温度在108℃时开始投入废旧PP塑料，搅拌机构进行搅拌，大约15 min后可以看到螺杆机筒挤出熔融的废旧塑料。
2 结果与讨论
2. 1 熔融试验
不装造粒口模试验，主要是检验热风熔融废旧塑料能否顺利进行，熔融的废旧塑料能够顺利进入螺杆机筒，由螺杆挤出，实验结果如图9 所示。由图可以看出，废旧塑料能够熔融，并进入机筒由螺杆挤出，没有烧焦现象。
实验表明，采用热风熔融方法可以对未经粉碎处理的废旧塑料进行熔融，熔融速度满足要求。
2. 2 造粒试验
装上造粒口模之后进行试验，挤出情况如图10所示。试验中，熔融的废旧塑料能够由造粒口模顺利挤出，但由于模孔之间距离挨得很近，经口模挤出后，挤出料流有时黏在一起，容易给切粒造成困难。
2. 3 切粒试验
装上切粒机构，使用旋转刀片进行切粒，试验过程如图11所示，由图可以看出，切粒比较困难，切粒过程中切刀上经常粘连有熔融的物料，导致切粒难以正常进行下去，切出的粒料也不够光滑。
造成这种情况的原因比较复杂，首先可能是切粒装置的问题，因为切粒装置的刀片结构、刀片的切粒速度可能影响到切粒过程；其次是料流的温度，由于风冷热切对料流材料、温度等要求较高，试验中的条件不一定能满足要求。因此，在后续改进中可以考虑将风冷热切装置改为拉条冷切或水冷切粒装置。
3 结论
（1）针对废旧塑料的回收方法以及国内外废旧塑料回收技术应用的研究现状，提出热风循环加热废旧塑料熔融加热的方法，并设计和研制出新型热风循环熔融塑料回收造粒装置，初步试验表明，采用热风熔融的方法可以将未经破碎的废旧塑料原料直接进行加热熔融并挤出造粒，缩短了工艺流程，简化了设备；
（2）挤出造粒过程中出现粒料之间相互粘连，且熔体和刀具也有粘连，影响造粒过程，需要后期改进，尽管如此，相信该技术在完善后具有广阔的应用前景。
参考文献：
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