廢棄塑料包裝物在工業(yè)炸藥中再利用技術(shù)與裝備

邱 宇,李 波,于永華,秦衛(wèi)國

(湖北凱龍化工集團(tuán)股份有限公司,湖北 荊門 448000)

0 引言

眾所周知,塑料制品因其具有良好的包裝特性和使用方便等特點(diǎn)被廣泛大量地使用,涉及民爆行業(yè)的原材料、半成品和成品也在大量使用塑料包裝材料,如:聚乙烯薄膜袋、聚丙烯編織袋、震源藥柱殼體等。 按照全國年產(chǎn)工業(yè)炸藥400 萬t 計(jì)算,每年產(chǎn)生的廢舊塑料包裝袋近5 000 t[1-5]。 目前除了少量的廢舊塑料包裝物品被回收利用,大部分都采取填埋或者焚燒方式處理,存在環(huán)境污染問題[6-8]。

本文通過借鑒“廢聚乙烯、聚丙烯編織袋膜破碎擠出再生”技術(shù),對含有危廢的聚乙烯、聚丙烯包裝袋進(jìn)行清洗、干燥、造粒、粉碎處理,并將其作為工業(yè)炸藥可燃劑組分,用于添加膨化硝銨炸藥制備,實(shí)現(xiàn)其有效參與爆炸作功同時實(shí)現(xiàn)無害化回收處理。

1 含塑料粉末的粉狀炸藥配方設(shè)計(jì)

膨化硝銨炸藥是一種新型粉狀無梯工業(yè)炸藥,具有許多起敏化作用的微孔氣泡,爆炸性能優(yōu)良,被廣泛應(yīng)用[9-10]。 公司膨化硝銨炸藥的原配方設(shè)計(jì)見表1。

表1 膨化硝銨炸藥工藝配比

實(shí)際生產(chǎn)一般按94 ∶3 ∶3 的配方進(jìn)行生產(chǎn)。塑料粉末作為額外組分加入,設(shè)計(jì)加入量x%為原組分質(zhì)量和的0%～6%,見表2。 塑料粉末主要含聚乙烯(分子式(C2H4)n)、聚丙烯(分子式(C3H6)n)。

1.1 計(jì)算塑料粉末加入量對膨化硝銨炸藥氧平衡的影響

氧平衡計(jì)算是工業(yè)炸藥配方設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。計(jì)算CaHbOcNd的氧平衡:

式中:Mr為相對分子質(zhì)量;16 為氧的相對原子質(zhì)量。

例:當(dāng)1 kg 膨化硝銨炸藥加入塑料粉末的量為6%時,各組分百分比變化為:

硝酸銨:ω1=94/(100+6)= 88.68%

油相:ω2=3/(100+6)= 2.83%

木粉:ω3=3/(100+6)= 2.83%

塑料粉末:ω4=6/(100+6)= 5.66%

C 的量為:1×88.68%×0/80+1×2.83%×16/224+1×2.83%×15/362+1×5.66%×1n/14n=7.23 mol

H 的量同上計(jì)算為58.19 mol,O 的量同上計(jì)算為34.04 mol,N 的量同上計(jì)算為22.17 mol,則氧平衡OB=16×[34.04-(2×7.23+0.5×58.19)]/1 000=-15.253%或者采用公式

計(jì)算氧平衡:

20 × 88.68% + ( - 342.857) × 2.83% +(-137.017) × 2.83% + (- 342.857) × 5.66% =-15.253%

同理,根據(jù)塑料粉末作為額外組分的加入量x%的變化,可計(jì)算出該配方下膨化硝銨炸藥的氧平衡,見表3 和圖1。

圖1 含塑料粉末的膨化硝銨炸藥的氧平衡

表3 含塑料粉末的膨化硝銨炸藥的氧平衡

通過計(jì)算得知,當(dāng)塑料粉末作為額外組分的加入量為1.288%時,該配方下的炸藥接近零氧平衡。

1.2 計(jì)算塑料粉末加入量對膨化硝銨炸藥爆熱的影響

爆熱(即一定量炸藥爆炸時放出的熱量)分為定壓爆熱和定容爆熱,一般爆炸過程十分迅速,可將爆炸的瞬間視為等容過程,所以一般常用定容爆熱來表示炸藥的爆炸熱效應(yīng)(即化學(xué)反應(yīng)熱效應(yīng))[8-9]。 含塑料粉末的膨化硝銨炸藥的爆熱依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式——阿瓦克揚(yáng)公式對其CaHbOcNd進(jìn)行計(jì)算,即:

當(dāng)正氧平衡時,定容爆熱

當(dāng)負(fù)氧平衡時,定容爆熱

式中,QVfe為炸藥的定容生成熱,單位為kJ/mol;A=[c/(2a+0.5b)]×100%。

根據(jù)塑料粉末作為額外組分的加入量x%的變化,可計(jì)算出該配方下膨化硝銨炸藥的爆熱,見表4。

表4 含塑料粉末的膨化硝銨炸藥的爆熱

通過計(jì)算得知,當(dāng)塑料粉末作為額外組分的加入量從0 增加到6%時,膨化硝銨炸藥的理論爆熱由3 890.64 kJ/kg 降至3 881.71 kJ/kg,爆熱下降0.23%,說明添加塑料粉末在一定量范圍內(nèi),對炸藥爆熱值影響不大。

1.3 計(jì)算塑料粉末加入量對有毒氣體排放量的影響

由表2、表3 可知,當(dāng)塑料粉末作為額外組分的加入量≤1.2%時,為正氧平衡,此時主要有毒氣體為NO 和NO2;當(dāng)塑料粉末作為額外組分的加入量≥1.3%時,為負(fù)氧平衡,此時主要有毒氣體為CO。

根據(jù)塑料粉末作為額外組分的加入量x%的變化,可計(jì)算出該配方下有毒氣體的排放量,見表5。

通過計(jì)算得知,在正氧平衡下,當(dāng)塑料粉末作為額外組分的加入量增多時,有毒氣體量減少;在負(fù)氧平衡下,當(dāng)塑料粉末作為額外組分的加入量增多時,有毒氣體量增多。 理論上,當(dāng)塑料粉末加入量在1.2%～1.3%時,該配方下的膨化硝銨炸藥接近零氧平衡,產(chǎn)生的有毒氣體最少。 實(shí)際上,炸藥爆炸產(chǎn)物與理論計(jì)算確定的產(chǎn)物差別較大,無論正氧平衡還是負(fù)氧平衡的炸藥,其有毒氣體組分中都不可避免地存在CO 和NOx,說明炸藥爆炸過程、產(chǎn)物及有毒氣體含量,與基于氧平衡理論計(jì)算的結(jié)果有較大出入,實(shí)際炸藥配方設(shè)計(jì)中,配方確定主要基于氧平衡、性能和經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮,性能指標(biāo)的控制主要依據(jù)試驗(yàn)測試。

2 含塑料粉末的粉狀炸藥的性能試驗(yàn)

2.1 含塑料粉末的膨化硝銨炸藥配方性能

在試驗(yàn)生產(chǎn)中,按94 ∶3 ∶3 的配方進(jìn)行生產(chǎn),塑料粉末作為額外組分加入,抽檢多個批號的樣品進(jìn)行檢驗(yàn),含塑料粉末的膨化硝銨炸藥檢驗(yàn)均為合格。

2.2 含塑料粉末的膨化硝銨炸藥送檢結(jié)果

委托國家民用爆破器材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對含塑料粉末的膨化硝銨炸藥(塑料粉末作為額外組分加入6%)進(jìn)行了檢測,結(jié)果為:爆速3.5×103m/s,猛度13.4 mm,作功能力320 mL,炸藥爆炸后有毒氣體含量58 L/kg,撞擊感度2%,摩擦感度0%,符合《工業(yè)炸藥通用技術(shù)條件》(GB 28286—2012)的規(guī)定。 在公司內(nèi)部對含塑料粉末的膨化硝銨炸藥進(jìn)行檢驗(yàn),項(xiàng)目與原膨化硝銨炸藥檢驗(yàn)項(xiàng)目一致,主要是油相含量、木粉含量、水分、殉爆距離、爆速、重量、密度、外觀、標(biāo)識、包裝,檢測結(jié)果見表6、表7。 含塑料粉末的膨化硝銨炸藥檢驗(yàn)均為合格。

表7 南京理工大學(xué)化學(xué)材料測試中心對含塑料粉末的膨化硝銨炸藥的檢測

由前文計(jì)算和檢測情況可知,配方設(shè)計(jì)符合規(guī)定要求。 含塑料粉末的膨化硝銨炸藥配方及工藝技術(shù)已通過科技成果鑒定。

3 廢棄塑料回收物在工業(yè)炸藥中應(yīng)用方案實(shí)施

3.1 廢棄塑料回收工藝與裝備

借鑒“廢聚乙烯、聚丙烯編織袋膜破碎擠出再生”的工藝技術(shù)與裝備,采用特殊雙級螺桿造粒機(jī),真空擠壓、水冷造粒方式對含危廢的廢舊PP、PE 包裝袋造粒處理,再通過脫水機(jī)和磨粉機(jī)進(jìn)行研磨制出塑料微粉。主要工作難點(diǎn)設(shè)計(jì)控制適用于各類混合塑料編織袋的熔化擠出溫度、團(tuán)粒的效率和連續(xù)性。

經(jīng)過計(jì)算和試驗(yàn)采用雙螺桿二級擠出、十余個溫控區(qū)間調(diào)整加熱溫度,雙螺桿二級擠出加熱空間時刻保持負(fù)壓狀態(tài),確保無壓力聚集而發(fā)生危險。切粒部分采用水冷切方式,通過水冷卻、脫水機(jī)后可以有效將混合塑料粒子脫干、硬化并進(jìn)入磨粉單元順利制粉。 最終制造出細(xì)度約20 目的混合塑料粉末,作為可燃劑組分按一定比例加入粉狀工業(yè)炸藥中應(yīng)用。

該技術(shù)與裝備主要包括破碎機(jī)、團(tuán)粒機(jī)、螺桿擠出機(jī)、水環(huán)切粒系統(tǒng)、離心脫水機(jī)、風(fēng)送系統(tǒng)、切粒機(jī)、顆粒真空上料機(jī)、塑料磨粉機(jī)、振動篩等設(shè)備,生產(chǎn)能力和塑料粉末主要指標(biāo):造粒磨粉生產(chǎn)能力80～100 kg/h,塑料粉末的細(xì)度(-20 目)≥95%,水分≤0.50%,生產(chǎn)線采用PLC 控制系統(tǒng),具有自動控制溫度、記錄、報警等功能,設(shè)計(jì)安裝布置合理、生產(chǎn)順暢,完成了研制要求。 工藝設(shè)備及流程如圖2、圖3 所示。

圖2 回收處理利用工藝設(shè)備(單位:mm)

圖3 回收處理利用工藝流程

圖4 尾氣處理工藝設(shè)備

3.2 破碎單元

破碎單元的主要設(shè)備是專為 PP 編織袋和PE膜粉碎設(shè)計(jì)的破碎機(jī),采用干式吸風(fēng)結(jié)構(gòu),破碎后的物料通過風(fēng)機(jī)的作用力將物料輸送至單獨(dú)設(shè)計(jì)的料倉內(nèi)儲存,用于造粒系統(tǒng)。 破碎機(jī)采用特殊裁剪式粉碎刀軸設(shè)計(jì),最大限度減少震動及噪聲,延長粉碎刀壽命。

3.3 造粒單元

造粒工序目的:將含危險化學(xué)品的廢塑料制品進(jìn)行破碎、熔融、造粒,使其符合磨粉機(jī)的要求。 造粒單元的主要設(shè)備有團(tuán)粒機(jī)、螺桿擠出機(jī)和脫水機(jī)。 團(tuán)粒機(jī)利用多刀快速粉碎、連續(xù)攪拌、混煉摩擦發(fā)熱、急速冷卻收縮原理,將塑料薄膜、絲、帶、片、軟塑料管、發(fā)泡料、降解料等廢塑料與角料造成顆粒,便于重新?lián)饺胄铝现惺褂?是目前新型的塑料回收再生的造粒理想設(shè)備。

螺桿擠出機(jī)主要供擠出軟、硬聚氯乙烯、聚乙烯等熱塑性塑料之用,它與相應(yīng)的輔機(jī)(包括成型機(jī)頭)配合,可加工多種塑料制品,如膜、管、板、絲帶等,線上主要用于造粒。 其采用漸開線齒輪傳動,具有噪聲小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、承載力大、壽命長等特點(diǎn)。

脫水機(jī)主要用于PP、PE 粒子脫干。 破碎過的薄膜和編織袋通過輸送帶進(jìn)入壓實(shí)倉,壓實(shí)倉設(shè)置電流控制輸送帶和過渡料倉的螺旋送料的運(yùn)行和停止,壓實(shí)倉內(nèi)通過刀片把物料切碎。 切粒部分采用熱切方式,水冷卻后經(jīng)過脫水機(jī)將粒子脫干。

3.4 磨粉單元

磨粉工序目的:將造粒工序輸送的塑料顆粒磨細(xì)至規(guī)定細(xì)度。

磨粉包含顆粒真空上料機(jī)、塑料磨粉機(jī)。 具有高產(chǎn)量低能耗的特點(diǎn),工作部分由一個高速旋轉(zhuǎn)的磨盤和一個固定的磨盤組成,物料通過時間短,產(chǎn)生熱量少,是PE、PP 等熱敏性物料的最佳磨粉設(shè)備。

磨盤間隙可調(diào)整,可方便控制出料細(xì)度,磨盤采用優(yōu)質(zhì)模具鋼材制造,可反復(fù)修磨,高產(chǎn)量,能耗低,操作方便。 磨粉過程全密封,無粉塵泄漏。

3.5 尾氣處理

廢棄塑料回收處理過程會產(chǎn)生部分尾氣,采用“廢氣輸送管道+噴淋凈化溫控系統(tǒng)+光催化模塊+活性炭吸附系統(tǒng)+風(fēng)機(jī)+排放”方式對尾氣進(jìn)行處理。

3.6 應(yīng)用分析

“廢棄塑料包裝物在工業(yè)炸藥中再利用技術(shù)與裝備”十分契合“創(chuàng)新、綠色”發(fā)展理念,替代了原有的廢棄塑料包裝物的焚燒、掩埋處理,規(guī)范、合理地收集處置固廢,大大地減少了環(huán)境污染,最大限度地將原材料和能源轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品。 可以實(shí)現(xiàn)杜絕焚燒、填埋污染環(huán)境的傳統(tǒng)做法,又能夠?qū)崿F(xiàn)替代木粉生產(chǎn)工業(yè)炸藥節(jié)約成本的目的。

處理廢棄塑料包裝袋產(chǎn)生的成本主要為生產(chǎn)用電和人工成本。 用電情況:整套設(shè)備電機(jī)功率為233 kW,實(shí)際消耗為 70% ～80%;加熱功率為58 kW,實(shí)際消耗為 60%～70%,生產(chǎn)線實(shí)際消耗約212 kWh。 整個廢棄塑料回收處理生產(chǎn)線的處理能力為80～100 kg/h,按當(dāng)?shù)厝斯べM(fèi)、電費(fèi)來計(jì)算,平均每千克廢棄塑料包裝袋約1.95 元。 而處理后的廢棄塑料可作為原材料利用,產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

行業(yè)內(nèi)其他民爆公司也面臨著生產(chǎn)線上含有危險化學(xué)品(硝酸銨、硝酸鈉、工業(yè)炸藥專用油相)的聚乙烯、聚丙烯包裝袋的處理問題,原來的焚燒或者掩埋的處理方式已不符合國家環(huán)保政策和行業(yè)發(fā)展要求,廢棄塑料包裝物在工業(yè)炸藥中再處理應(yīng)用技術(shù)與裝備,符合“創(chuàng)新、綠色”發(fā)展理念,適合在行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。