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废塑料再生哪家强?盘点欧洲最牛最新的塑料再生技术及装备

楼主:艾邦高分子 时间:2019-01-11 06:51:46

近年来,世界各国针对废塑料再生技术开展了新技术的基础性研究,各国企业也结合废塑料再生领域的生产特点和物料特性,研发了多种型号的集成化的废塑料再生处理设备,设备的系统化、自动化程度显著提高。

以下针对废塑料清洗、分选及再生造粒等工艺领域,将欧洲相关企业的新技术与装备进行简要介绍。


一、废塑料清洗、分选技术与设备

经过使用的塑料产品,或多或少的都会包含各种杂质和污染成份,如标签、覆膜、纸屑、各种粘合剂、砂土、二氧化硅成份、金属片。通常情况下,颗粒越小就越难以去除。但是如果不能有效去除附着在废塑料上的杂质,废塑料回收的后续加工就难以继续,也无法获得质量良好的再生料。因此废塑料的清洗就成为废塑料回收再生处理过程中的一项必不可少但同时也是问题很大的环节。清洗工序的主要问题在于,一方面清洗需要用水,另一方面不断产生清洗废水。随着人们日益认识到水资源的宝贵,需要大量用水的生产工艺本身就被视为对环境具有不良影响,需要限制和改进。加上清洗废水一旦处理不当,便会造成对环境的二次污染,因此废塑料清洗工艺通常被视为废塑料回收流程中对环境影响最大的工序。如何实现集成化、高效、节水的清洗,是目前废塑料回收领域研究的热点领域。

总体看,废塑料清洗工艺主要涉及到五个方面的因素:用水量、时间、温度、化学影响、物理影响。不论进入清洗工艺前的物料含有多少种、多大量杂质,在清洗后的物料中所含杂质的比例必须控制在一定范围内,才能进入后续改性造粒等环节。因此所有新型清洗技术与装备的研究,都需要在满足出口杂质含量要求的基础上,合理调配上述五项要素,取得最佳的集成效果。

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1、Krones公司PET回收处理系统的清洗设计

作为一家有50多年食品灌装和瓶片清洗生产历史的企业,Krones公司一直致力于新型瓶片清洗技术与设备的研发。其PET瓶片自动化清洗设备如图1所示,其主要技术特点是:

(1)具有一定的分选能力;

(2)使用热水喷淋清洗;

(3)分区清洗,分级过滤,提高清洗用水的使用效率。


图1 Krones公司PET瓶片自动化清洗设备

从图1中可知,自动化清洗设备由两个相对独立的装置组成,一个左边的振动筛清洗装置,用于对PET瓶片进行前期清洗;另一个是右边的有三个相对独立清洗分区的自动清洗装置。PET瓶片首先放入振动筛清洗装置进行振动清洗,用于除去较大的杂质和异物。然后通过输送装置从自动清洗装置的左端送入,热水从装置的顶部喷入,旋转的螺旋输送装置将PET瓶片由向右端输送,同时起到翻动的作用。三个独立分区下部水箱中的清洗废水分别流向过滤装置,从左端向右端的三个过滤装置过滤网分为400-200μm,200-100μm和100-20μm。为提高清洗用水的使用效率,新的清洗热水从装置的最右端清洗分区上方喷入,清洗后收集至下方水箱,经过过滤处理后再从中部的清洗分区喷入,收集到下方水箱后再次过滤,最后从最左端清洗分区喷入。最左端清洗分区下方水箱收集的清洗水直接输送到振动筛清洗装置用作清洗用水。

这样始终保证新的清洗水首先用于清洗装置最右端分区,清洗最干净的PET瓶片。然后逐级利用,最后用于清洗装置最左端分区清洗和振动清洗装置,清洗最脏的PET瓶片。通过这种方式节约清洗用水的使用量,达到节水的效果。图2显示了三个分区过滤装置的过滤效果。


图2 自动清洗装置三个分区过滤装置的过滤效果。

图2(a)中所示过滤网为400μm,

图2(b)所示过滤网为160μm,

图2(c)中所示过滤网为50μm,

可以明显的看出清洗杂质的过滤效果。

2、Herbold公司的分选、清洗一体化设备

德国Herbold公司研发的分选、清洗一体化设备的总体技术特点是:利用保持流动的清洗水对废塑料中所夹杂的砂石、金属、玻璃、纸屑进行去除,同时对将进入下一步工序的废塑料材料进行清洗,并在这一过程中,保持较低的用水量,同时减少硬材料对于设备的磨损。一体化设备的总体示意图如图3所示。


图3 Herbold公司废塑料分选、清洗一体化设备示意图

从图3中可见,一体化设备包括两根输送搅拌螺旋、一套进排水管线系统、一个加料口和三个物料沉降口。废塑料混杂物从左侧的加料口加入,通过两根输送搅拌螺旋的旋转,一边向设备右端输送,一边实现在水流中的清洗。在这一过程中,根据物料的密度差异,会在设备的不同位置发生沉降。对应于不同物料的沉降位置,设备设置了三个物料沉降口。左侧沉降口用于沉降砂石、玻璃、金属等密度大的沉重物料,沉降口下端连接一个螺旋输送器,用于将沉降物从沉降口的水中排出。中部沉降口用于纸浆等浆料沉降物,由于浆料类物料无法使用螺旋输送器输出,因此中部沉降口直接连接排出管。右侧沉降口用于收集废塑料颗粒与碎片,沉降口下端同样连接一个螺旋输送器,用于排出分选、清洗后的废塑料材料。

3、Flottweg公司的分选、清洗、脱水一体化设备

作为生产离心机的专业企业,德国Flottweg(伟乐福)公司基于传统离心机技术研发了的清洗、分选、脱水一体化的废塑料处理设备,其技术特点是:将需要处理的混杂废塑料碎片放入清洗水或清洗液中,利用离心机的高速转动,将液体与废塑料物料甩向离心机筒壁。根据不同废塑料和清洗液体的比重差异实现分选。其工作原理示意图如图4所示。


图4 Flottweg公司废塑料清洗、分选、脱水一体化设备示意图

从图4中可知,含有混杂废塑料的清洗液从离心清洗设备的左端转轴中部管道流入,在离心转子的中部出口流出至离心腔室,在离心力的作用下被甩向筒壁。在这一过程中,比重大于清洗液的废塑料物料会集中在筒壁附近,而比重小于清洗液的废塑料物料会在清洗液的内侧。离心转子上的螺旋对废塑料物料起到输送作用,比重大的物料被输送螺旋输送到设备的右端出口,比重小的物料被输送到设备的左端出口。去除物料的清洗液体通过离心机出口排出。

这种一体化设备的优点在于充分发挥了离心机的作用,可以用较小尺寸的设备实现高效率、连续清洗、分选。通过离心转子与螺旋设计相结合,在清洗物料的同时实现了密度分选。而在螺旋输送物料的同时,离心作用又可以实现物料的脱水,减轻了后续物料干燥工序的压力,有效了降低了能耗。回复“再生塑料”,查看更多再生塑料相关文章


二、基于传感器检测的分选技术与设备

如何实现高效率、自动化的混杂废塑料分选,一直是废塑料回收领域的一项难题。虽然企业和科研机构一直以来针对自动化、集成化的废塑料分选系统开展了大量的研究,但很大程度上,废塑料的高效率分选还是需要使用大量的手工操作。图5所示即为一条典型的人工手工操作与自动化传送系统相结合的废塑料分选系统。


图5 人工手工操作与自动传送装置相结合的分选系统

在这种人工与自动传送装置相结合的分选操作中,混杂废塑料经过清洗、干燥处理后,送入分选系统,由自动化传送装置送到各个工作人员所在的工位。工作人员从输送带上拣出自己所负责的材料,从而实现不同种类废塑料的分选。分选后的废塑料经破碎后由气体输送输送装置输送到后续处理装置。

可见,要进一步实现废塑料材料的自动分选,使用合适的技术替代人工操作,是目前自动化分选技术研究的重点方向。对于密度差别大的物料分选,可以使用风力、浮力、振动等技术。但对于密度差别并不大的各种混在废塑料的分选,目前主要探索方向是利用传感器检测技术,实现人工操作的替代。

有代表性的是由法国Pellenc公司、德国S+S公司、德国TiTech公司等研发的基于光谱、近红外等多种检测技术实现的自动化分选系统。相关分选系统的基本原理如图6所示(TiTech)。


图6 基于传感器检测的废塑料自动分选系统(TiTech)工作原理图

在图6所示分选系统中,没有分类的混杂废塑料从左端进入传送系统。传送系统运送混杂废塑料经过分选传感器的扫描探头,相关信息被分选系统读取进行判断,判断后控制分选装置对该材料进行分选。系统的关键技术点在于检测技术,检测技术必须能够解决以下问题:

(1)如何准确读取塑料材料的信息,并准确判断材料种类;

(2)如何实现高速扫描和判断。

以光谱检测方式为例,从图7中可以看出PLA材料的瓶片与PET材料的瓶片在检测器中的显示差异。


图7 PLA材料瓶片与PET材料瓶片的光谱检测

在基于传感器检测的废塑料自动分选系统中,可以使用的检测技术包括:

  • 颜色识别传感器(COLOR)

通过分析材料的可见光、红外线、紫外线及其他范围的光谱,识别材料的颜色进行分选判断。

  • 近红外传感器(NIR)

    根据不同材料所表现的不同的反射光谱进行分选判断。

  • X射线透视(XRT)

    根据不同种类材料的不同原子密度,进行分选判断。

  • 电磁传感器(EM)

    根据材料不同的电导率和磁导率进行分选判断。

  • 可见光谱传感器(VIS)

    对透明、不透明材料进行可见光谱识别与分选判断。

  • X射线荧光技术(XRF)

    根据材料的原子特性进行分选判断。


三、再生造粒的集成处理技术与设备

对于废塑料的机械物理回收方法而言,最后一步工艺很大比例都是采用单螺杆挤出机或双螺杆挤出机进行造粒或制品成型。具体工艺就是将前期破碎、清洗、干燥后的物料碎片加入挤出机中,通过熔融塑化、过滤、混炼、排气脱挥后进行造粒。针对废塑料的再生造粒,一些技术要求和新料改性造粒是类似的,包括控制加工温度,提升塑化质量、提高混炼效果等要求;但由于废塑料种类多、杂质多,因此与新料加工不同,废塑料再生还必须考虑到混杂塑料的均一化、杂质的高效高质量过滤、挥发成份的脱除等因素。再生造粒作为废塑料再生的最后和最重要工序,直接决定了再生料的最终质量,因此也一直是技术研究的热点和重点。

目前关于再生造粒设备的研究趋势,主要在于系统集成与优化,其技术特点是:以挤出造粒或成型设备为核心,注重加强前、后处置技术的整合,形成前处理、挤出、过滤、排气及其他操作的系统集成,从而实现废塑料再生加工的系统化、自动化程度,以更好的处理难处理物料,提高生产效率,改善生产环境。很多国内外设备制造企业开展了相关新产品的研究与生产,包括新型集成造粒设备、新型加料前处理装置和新型过滤装置。


1、Starlinger公司的两阶挤出造粒集成化技术

奥地利Starlinge(史太林格)公司针对经过印刷的回收混杂料与高污染回收料再生处理,研发了由两台单螺杆挤出机组成的高效双阶排气挤出造粒集成化处理设备。设备流程示意如图8所示。


图8 Starlinge公司的双阶排气挤出造粒集成化处理设备

在上图所示的集成化处理设备中,主要包含:

  1. 单螺杆主挤出机、

  2. 单活塞反流过滤装置、

  3. 连续旋转过滤装置、

  4. 计量加料装置、

  5. 抽真空排气口1、

  6. 排气口2、

  7. 排气式单螺杆挤出机、

  8. 水环切粒装置、

  9. 自动切粒机等设备。

废塑料回收料经加料口加入单螺杆主挤出机,熔融后被挤出到过滤装置中过滤杂质。根据物料物性的不同,过滤器可以选择使用单活塞反冲洗过滤装置或连续旋转过滤器。过滤后的物料通过计量加料装置进入排气式单螺杆挤出机的加料口。最终物料经排气式单螺杆挤出机挤出后,可以根据实际情况选择使用水环切粒装置造粒,也可以使用一般的拉条机头,经水槽冷却后切粒处理。需要注意的是,排气式单螺杆挤出机设置有两个强制抽真空排气口,但与常见的排气式挤出机将排气口设置机筒中端不同,这里将抽真空排气口1的位置设置在加料口的后端。这是因为一般情况下物料加入排气式挤出机时是固体状态,只有经过固体输送、熔融后才会析出挥发成份。而在图8所示的集成化处理过程中,物料在进入排气式挤出机时已经处于熔融状态,并且由于在此之前物料在流经过滤装置时,有机杂质也通常会产生大量挥发气体,因此抽真空排气口1的位置设置加料口的后端,保证了可以将物料中析出的挥发成份及时排出。

该集成处理设备的技术优势在于:

  • 可以选用长径比较短的主挤出机,缩短物料在挤出机螺杆中的停留时间,降低剪切影响。从而避免物料的降解,提高有机杂质的过滤效果;

  • 对主挤出机和排气式挤出机采用分开的驱动电机和转速控制系统,可以获得较低的生产比能耗(每公斤产量的能耗);

  • 可以针对主挤出机和排气式挤出机采用灵活的螺杆直径和转速设计方案,从而提高生产处理能力,获得高产量;

  • 确保物料在熔融后立即流入过滤装置,避免由于熔体温度降低导致物料凝固,减少物料对于过滤网的磨损;

  • 在熔融物料进入排气式单螺杆基础前设置计量加料装置,可以增加熔体的接触面积,同时使熔体保持较低的流动压力,从而增强排气效果,提升再生塑料的质量;

  • 在通过集成处理设备直接生产制品时,如需要加入玻纤等添加材料增强改性,可以在物料经过过滤器后加入,从而降低了由于高剪切所导致的添加材料破碎率。

此外,在单螺杆主挤出机的加料装置选型时,可以根据回收废塑料的不同情况选择不同的设计方案,如图9所示。


图9 Starlinge公司双阶排气挤出造粒集成化处理设备的加料装置

  • 图9(a)所示的加料装置的特点在于将螺旋输送装置与单螺杆主挤出机集成,装置简单,可以实现物料种类的快速变换。物料通过螺旋输送装置从料池中提取,然后依靠重力加入单螺杆主挤出机的加料口,属于冷加料方式。

  • 图9(b)所示的加料装置的特点在于将静电吸附装置、前破碎装置、熔融物料池与单螺杆主挤出机集成,可以用于高含水物料的处理。物料经传送带送至破碎装置入口,破碎装置中的破碎刀对物料进行破碎前处理,然由破碎装置出口处的传送带将破碎后的物料输送到熔融物料池入口,在这里由静电吸附装置对物料进行杂质吸附,实现一定的分选效果。物料在熔融物料池中被加热熔融,并被螺杆送入挤出机机筒,加料方式属于热加料。

  • 图9(c)所示的加料装置的特点在于将静电吸附装置、单轴破碎机与单螺杆主挤出机集成,可以对不需要前破碎处理的物料实现较高程度的自动化处理。

2、EREMA公司的组合式排气挤出造粒集成化技术

奥地利EREMA公司研发的废塑料高效排气再生造粒集成化设备在热塑性废塑料的再生应用中,主要优势在于处理需要高脱挥效果的印刷膜料,需要均化处理的混杂废塑料、清洗过的膜片、多层复合膜料等物料的再生加工。为了得到高质量的再生料,这类物料的再生加工过程需要具有高性能的脱挥排气效果和高效率的过滤能力。

这种基于反流技术的一体化高效排气再生造粒集成化设备工作原理如图10所示。其中主体设备是一台两段组合的单螺杆挤出机,此外还包括前处理装置、特种螺杆、反流过滤装置、排气过滤装置、机头、切粒装置等设备。


图10 INTAREMA®双阶单螺杆高效排气再生造粒集成化设备示意图

如图10中所示,图中黑色颗粒代表杂质、白色颗粒代表挥发性成分。物料由输送装置送入前处理装置,经过切断、熔融处理,形成的熔融物料被螺杆送入单螺杆挤出机机筒,并向前流向反流过滤装置过滤杂质。过滤后的物料继续随螺杆的转动向前流动,在过滤排气装置处进一步过滤,并排除挥发成份。随后物料流向机头与造粒装置进行造粒成型。单螺杆挤出机的设计不同于常见挤出机,采用了两段式组合设计,即靠近加料端的一阶螺杆与靠近机头端的二阶螺杆在反流过滤装置处通过连接装置相连,这样反流过滤装置除了发挥对熔融物料进行杂质过滤的作用,还在实际上起到了螺杆支座的作用,缩短了螺杆的长径比。

在整个装置中,熔体排出的挥发成份由两处排气装置排出,第一个排气装置设在前处理装置处,第二个排气装置设在二阶螺杆中部。

集成化的设备的前处理装置是EREMA公司研发的多功能集成装置,将切断、均化、加热、干燥、减容、缓冲、加料等功能集于一体,对于混杂废塑料、膜片料的处理具有很好的效果。在生产中,物料经过传送带送达前处理装置的入口,可更换切断刀对物料进行剪切式切断。所采用的剪切式切断和转轴式破碎刀相比,虽然速度慢、破碎后物料尺寸较大,但适用于松散的膜、片、易碎废塑料材料,具有低成本、易更换、易清洗、少振动的优点,并可以切断大尺寸物料。

物料经切断后进入前处理装置罐体内,被混合、加热至熔融。这种类似反应罐的设计,使得混杂物料的不同成分可以充分混合在一起,从而达到均一化的密度、温度和湿度。在加热过程中,螺杆对物料的翻动确保了熔体中的挥发成份脱出,并从设在前处理装置处的排气装置排出。同时,前处理装置通过将膜、片等物料熔融,避免了膜片等轻、松类物料难以被螺杆输送的问题,保证了螺杆可以充分发挥输送作用,更有效的将物料送入挤出机机筒。前处理装置这种减容作用的效果是非常明显的,如10μm的BOPP膜料处理前后的密度分别为25Kg/m3和375Kg/m3,100μm的LDPE膜料处理前后的密度分别为180Kg/m3和380Kg/m3,35μm的LLDPE膜料处理前后的密度分别为110Kg/m3和390Kg/m3。前处理装置有效的提高了设备单位时间内处理加工废塑料的能力,同时还能够发挥缓冲器的作用,解决物料从输送带运来的速度和挤出机处理量不一致的问题,避免了频繁调整挤出机螺杆转速,可以实现长时间稳定生产。

从集成设备排气设计看,在熔融、输送过程中,大部分的挥发成份在前处理装置的罐体通过排气装置排出,对于小部分随着熔融物料进入机筒的挥发成份,一方面通过螺杆的设计使它们能回到前处理装置的罐体,另一方面将通过设在二阶螺杆处的第二个排气装置排出。而同时,随着熔融物料在螺杆机筒中流动,及在反流过滤装置中过滤,还会进一步产生新的挥发成份,这些挥发成份也将在第二排气装置排出。从集成设备过滤设计看,在单螺杆挤出机中设置了两处过滤装置,一个是反流过滤装置,另一个是在二阶螺杆中部的排气过滤装置。这样通过两处排气装置、两处过滤装置的设计,可以保障实现较好的杂质过滤和挥发成份脱除效果,提高再生料的质量。

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如果需要在再生料加工中添加填充材料,如农用地膜回收填充CaCO3、回收PA6.6填充玻璃纤维等,可以应用如图11所示的改进集成化设备,其中将双阶单螺杆挤出机改变为一台单螺杆挤出机、熔体齿轮泵和一台双螺杆挤出机的组合设计。


图11 INTAREMA® 单螺杆+双螺杆排气再生造粒集成化设备示意图

如图11中所示,熔融物料经过反流过滤器后,经过熔体齿轮泵建压,进入双螺杆挤出机。在这里,通过控制熔体齿轮泵的转速,即可以解决熔融物料经过反流过滤器后的流动压力控制问题,同时也解决了双螺杆挤出机的计量供料问题,从而与填充物料的计量加料装置相配合,较高精度地控制填充物料所占的比例。双螺杆挤出机设有排气装置,用于脱除熔融物料中的挥发成份。

这种单螺杆+双螺杆的集成设备设计方案具有很好的物料适应性,可以应用于多种不同的物料及混杂料。

单螺杆+双螺杆集成设备与双阶单螺杆集成设备相比较,单螺杆长度缩短,热应力影响减少,双螺杆挤出机可以实现精确计量加料,有助于进一步提升再生料质量。设备排气装置都是两个,但过滤装置只有一个,即反流过滤装置。如果需要提高过滤效果,可以考虑在熔体齿轮泵的入口前,或熔体齿轮泵出口与双螺杆挤出机加料口间增加一个过滤装置。

在熔融废塑料过滤装置研究方面,EREMA公司研发了新型激光盘片过滤装置,通过与前述的双阶单螺杆集成设备、单螺杆+双螺杆集成设备相配合使用,用于过滤含有木纤维、纸、铝箔、铜箔的热塑料膜片废塑料,或高污染的、用传统过滤装置无法过滤的膜片物料。这种新型过滤装置使用了的过滤盘片具有许多通过激光加工技术加工的、直径极小的过滤孔,过滤孔在厚度方向上为锥形,具有自清功能,可以有效避免堵塞。盘片材料为高硬度、高耐磨特种钢,具有较好的抗变形性能和使用寿命。这种新型激光盘片过滤装置的使用原理如图12所示。


图12 INTAREMA®新型激光盘片过滤装置示意图

从图12中可见,熔融的物料从上方流道流入过滤装置,并被导流槽均匀导向中心腔室过滤盘片内侧,经过左右两片过滤盘片的过滤,滤去杂质的物料进入中心腔室的外侧,并经过分流流道再汇合后从过滤装置的下方出口流出。过滤装置中间的螺杆不断旋转,由于左右两端的螺纹是相反的,因此被过滤盘片滤孔阻拦住的含有杂质的物料被螺杆导向左右两端的出口流出。

整个装置中,中心腔室的左右两片过滤盘片是固定不动的,转动螺杆的中央有一块动盘,动盘上装有刮刀,对可能在过滤盘片内侧形成的滤饼层进行刮出。动盘的旋转同时起到了对进入过滤装置的物料的导流作用。

这种新型过滤装置与传统滤网过滤装置相比,具有以下优点:

  • 未通过过滤盘片的杂质立即被物料从过滤装置分流出口带走,不会像传统过滤装置那样堆积在滤网前部区域;

  • 过滤能力在生产过程中始终保持稳定,通过转盘上的刮刀旋转和物料的流动,杂质无法过滤盘片内侧形成较厚的滤饼层,因此不会出现传统过滤装置过滤能力在生产过程不断减弱的现象,需要定期变换并清洗滤网;

  • 过滤盘片和转盘刮刀均使用高耐磨材料,可以保证较长的使用寿命。


四、结论

可以看出,欧洲设备制造企业针对废塑料的清洗、分选及再生造粒等工艺领域开展了大量的研究探索,一批具有较强应用性的新技术与新成果已经实现产业化。从相关新技术与设备的研发中,即体现了欧洲设备制造企业对推进废塑料回收再生产业的节能降耗与绿色化的高度重视和不懈努力,也为废塑料回收再生产业的技术升级和企业转型探索了一条可持续的发展道路,为相关材料、制品生产企业提供了新的发展思路。

(文/ 张冰)


来源:废塑料那些事


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