趙平建，韓 祎

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 第二工程院，河南 鄭州 450007)

一般來(lái)說(shuō)，電機(jī)繞組中的導(dǎo)體銅為高純度的紫銅材料.紫銅即是工業(yè)純銅，含銅達(dá)99.95%以上，其用途非常廣泛[1].據(jù)統(tǒng)計(jì)每年約50%的銅被加工成紫銅，應(yīng)用于電纜行業(yè).紫銅一般由電解法精制而成[2].電解法精制的銅純度可達(dá)99.99%.因此，廢棄電線電纜及電機(jī)繞組中的金屬銅具有很高的回收價(jià)值[3].另外，從能源利用的角度講，對(duì)廢舊電機(jī)回收再利用所耗費(fèi)的能量和產(chǎn)生的污染要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于新冶煉相同數(shù)量的金屬銅.目前，機(jī)械破碎法是分離廢舊電線電纜中銅和絕緣材料的常用技術(shù)手段之一[4].但是由于電機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，電機(jī)繞組中包含銅繞組、絕緣漆以及矽鋼片，因此對(duì)于廢舊電機(jī)不宜直接進(jìn)行機(jī)械破碎.一般采用加熱法回收廢舊電機(jī)中的銅資源，即在高溫環(huán)境下使絕緣漆氣化，加熱后人工提取繞組銅線[5].

廢舊電機(jī)因其種類(lèi)繁多，形狀各異，對(duì)其精細(xì)拆解需要進(jìn)行加熱，將其中的有機(jī)物燒掉[6].目前，國(guó)內(nèi)小企業(yè)多采用粗放型加熱方式，直接用木柴將電機(jī)加熱，產(chǎn)生的煙氣對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重；少數(shù)大中型企業(yè)通常采用燃?xì)饣蛉加图訜?，間歇性加熱作業(yè)，對(duì)部分煙氣進(jìn)行收集處理，但作業(yè)時(shí)仍會(huì)有大量煙氣遺留在車(chē)間而形成污染.

1 隧道式廢舊電機(jī)加熱系統(tǒng)

1.1 總體方案

經(jīng)過(guò)深入了解現(xiàn)有廢舊電機(jī)拆解生產(chǎn)流程，對(duì)某市金屬再生工業(yè)園區(qū)知名廢舊電機(jī)拆解公司生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)調(diào)研，查閱并分析相關(guān)資料，最終確定了隧道式廢舊電機(jī)加熱系統(tǒng)的總體方案.

該系統(tǒng)采用工業(yè)化計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)化隧道窯[7]加熱系統(tǒng)，對(duì)窯內(nèi)溫度、氣氛和壓力進(jìn)行精確控制，能讓產(chǎn)品熱解達(dá)到最佳水平，實(shí)現(xiàn)余熱多渠道綜合利用，降低能耗，節(jié)省成本，使排放煙氣先后經(jīng)過(guò)兩次焚燒[8]、急速冷卻[9]、活性炭吸附、消石灰脫酸[10]、除塵、兩次活性炭吸附等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了煙氣的環(huán)保無(wú)害化處理，企業(yè)與環(huán)境和諧統(tǒng)一，有利于廢電機(jī)拆解行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[11].

在保證廢舊電機(jī)可燃物在隧道窯內(nèi)充分、完全燃燒的前提下，設(shè)計(jì)時(shí)可將隧道窯劃分為預(yù)熱區(qū)、燃燒區(qū)、急冷區(qū)和緩冷區(qū)四部分.隧道窯內(nèi)廢舊電機(jī)的熱解曲線如圖1所示.

根據(jù)窯車(chē)運(yùn)行速度以及窯車(chē)在各區(qū)停留的時(shí)間，所確定隧道窯窯長(zhǎng)約63.8 m.

圖1 隧道窯內(nèi)廢舊電機(jī)的熱解曲線

隧道式廢舊電機(jī)加熱系統(tǒng)所在的熱處理車(chē)間預(yù)留熱解爐安裝區(qū)域長(zhǎng)75 m、寬24 m.可按功能將該區(qū)域大致分為如下三部分：裝卸車(chē)區(qū)、熱解區(qū)、尾氣處理區(qū).隧道式廢舊電機(jī)加熱系統(tǒng)的總方案圖如圖2所示.其中：裝卸車(chē)區(qū)位于圖示上方；熱解區(qū)安裝熱解爐，位于圖示中間位置；尾氣處理區(qū)包含二次焚燒爐、急冷器、活性炭和消石灰噴粉裝置、布袋除塵器、活性炭箱，位于圖示下方.

圖2 隧道式廢舊電機(jī)加熱系統(tǒng)總方案圖

1.2 工藝過(guò)程

根據(jù)隧道窯連續(xù)式加熱工藝要求，經(jīng)過(guò)深入考察研究，設(shè)計(jì)的加熱工藝流程如圖3所示.

整個(gè)加熱工藝流程，只需要一名工人進(jìn)行卸車(chē)、裝車(chē)作業(yè)即可，其余全部采用自動(dòng)化控制裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，使自動(dòng)化技術(shù)水平大幅提升，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大幅減小.

(1) 在裝車(chē)區(qū)，一名工人用行車(chē)把裝好料的料框吊裝到空窯車(chē)上，裝有料框的窯車(chē)在自動(dòng)機(jī)械化裝車(chē)區(qū)回車(chē)機(jī)的推動(dòng)下，按照設(shè)定節(jié)拍被送至裝車(chē)線軌道指定位置并觸發(fā)信號(hào)，窯頭轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)在初始狀態(tài)接到信號(hào)后，通過(guò)推拉小車(chē)裝置,把已到達(dá)指定位置的窯車(chē)送到窯頭轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)上.

圖3 加熱工藝流程

(2) 窯頭轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)將窯車(chē)載到窯頭位置，窯頭門(mén)1開(kāi)啟.窯頭轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)把窯車(chē)推入爐內(nèi)進(jìn)車(chē)室(圖4)后返回裝車(chē)線軌道(初始位置)，等待下一輛裝料窯車(chē).

(3) 裝料窯車(chē)進(jìn)入窯內(nèi)進(jìn)車(chē)室，窯頭門(mén)1關(guān)閉，窯頭門(mén)2開(kāi)啟，液壓推車(chē)機(jī)執(zhí)行推車(chē)流程，推動(dòng)窯車(chē)向窯尾方向移動(dòng)，通過(guò)窯內(nèi)窯車(chē)之間的推力傳遞，窯內(nèi)所有窯車(chē)向窯尾移動(dòng).當(dāng)窯內(nèi)距離窯尾最近的一輛窯車(chē)到達(dá)指定位置時(shí)觸發(fā)信號(hào)，窯頭門(mén)2關(guān)閉，窯尾門(mén)開(kāi)啟.窯尾轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)接到信號(hào)后通過(guò)其上的推拉小車(chē)裝置，把在窯尾觸發(fā)信號(hào)的到位窯車(chē)?yán)礁G尾轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)上(圖5).窯尾門(mén)關(guān)閉.

圖4 窯車(chē)進(jìn)窯示意圖

圖5 窯車(chē)出窯示意圖

(4) 窯尾轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)將出窯窯車(chē)送到卸車(chē)軌道位置，通過(guò)推拉小車(chē)裝置把出窯窯車(chē)推送到卸車(chē)軌道上，出窯窯車(chē)在自動(dòng)機(jī)械化卸車(chē)區(qū)回車(chē)機(jī)的推動(dòng)下到達(dá)卸車(chē)區(qū)，一名工人使用行車(chē)把裝有已燒成料的料框卸下即可.

1.3 系統(tǒng)組成

隧道式廢舊電機(jī)加熱系統(tǒng)由一座長(zhǎng)度為68 m的隧道式熱解爐和一些爐用附屬設(shè)備組成.熱解爐包括爐體結(jié)構(gòu)、燃燒系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、二次焚燒爐、煙氣處理系統(tǒng).爐用附屬設(shè)備包括35輛窯車(chē)、兩輛轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)、回車(chē)機(jī)、軌道等.

1.3.1 爐體結(jié)構(gòu)

從整體來(lái)看，隧道式爐體結(jié)構(gòu)包含左側(cè)墻、右側(cè)墻、爐頂、爐門(mén)系統(tǒng)、擋火板、砂封槽等.在爐體長(zhǎng)度方向，根據(jù)溫區(qū)分布13道擋火板，砂封槽設(shè)置在靠側(cè)墻耐火磚的內(nèi)側(cè).窯車(chē)砂封板、砂封槽、窯門(mén)系統(tǒng)構(gòu)成完整的窯爐密封結(jié)構(gòu)，有效阻止了煙氣外溢.考慮到少部分時(shí)段電機(jī)非常大，而大部分時(shí)段電機(jī)較小的情況，設(shè)計(jì)了鉸鏈擋火板裝置，以有效解決該系統(tǒng)的產(chǎn)品適應(yīng)性問(wèn)題.

爐體耐火材料采用復(fù)合式結(jié)構(gòu)，窯頂采用全硅酸鋁纖維的平頂結(jié)構(gòu).根據(jù)窯內(nèi)使用溫度不同，窯墻從窯頭到窯尾依次使用黏土隔熱磚、高鋁隔熱磚、硅酸鋁纖維模塊、重質(zhì)黏土磚、高鋁隔熱磚，以保證整個(gè)爐體的耐熱使用性和節(jié)能性.爐體結(jié)構(gòu)如圖6所示.

圖6 爐體結(jié)構(gòu)示意圖

1.3.2 燃燒系統(tǒng)

根據(jù)產(chǎn)品的工藝特點(diǎn)，采用小流量多分布技術(shù)，在窯爐的預(yù)熱帶、燒成帶及二次焚燒爐上共布置37只等溫高速燒嘴(分布在預(yù)熱帶下部?jī)蓚?cè)雙向交錯(cuò)位置，燒成帶及二次焚燒爐兩側(cè)雙向、上下交錯(cuò)位置).燃燒系統(tǒng)沿窯體長(zhǎng)度方向分6個(gè)溫區(qū)，二次焚燒爐設(shè)一個(gè)溫區(qū).全系統(tǒng)在7個(gè)溫區(qū)控制下根據(jù)設(shè)定的溫度、壓力自動(dòng)運(yùn)行.

1.3.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)采用了由某型人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器系列儀表構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)總線.現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)RS-232/485工業(yè)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)通訊，構(gòu)成控制系統(tǒng).采用力控6.1組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和管理、模擬工藝畫(huà)面運(yùn)行、車(chē)位管理、報(bào)警記錄、歷史趨勢(shì)曲線查詢(xún)、報(bào)表查詢(xún)打印等功能.變頻調(diào)速器控制助燃風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、抽熱風(fēng)機(jī)及除塵風(fēng)機(jī)，保證了助燃風(fēng)壓力和窯內(nèi)壓力控制的穩(wěn)定.采用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制各溫區(qū)助燃風(fēng)和燃?xì)?，保證了風(fēng)量和氣量調(diào)節(jié)的穩(wěn)定可靠.采用德國(guó)KROM火焰監(jiān)測(cè)與點(diǎn)火系統(tǒng)來(lái)保證燃燒的安全性.

該自動(dòng)控制系統(tǒng)由以下部分組成：點(diǎn)火系統(tǒng)；溫度控制系統(tǒng)；壓力控制系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；流量、壓力測(cè)量系統(tǒng)；車(chē)位管理系統(tǒng).

自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理(圖7)為：測(cè)量元件檢測(cè)到控制對(duì)象的信號(hào)，送給人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器；人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器將其與設(shè)定信號(hào)比較，并將比較信號(hào)傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制，形成一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng).

1.3.4 二次焚燒爐

隧道式熱解爐系統(tǒng)設(shè)有一臺(tái)二次焚燒爐.熱解爐內(nèi)的煙氣通過(guò)排煙風(fēng)機(jī)和排煙管道被傳送到二次焚燒爐內(nèi).排煙支管設(shè)在預(yù)熱帶窯墻內(nèi)部，與爐內(nèi)聯(lián)通.高溫帶的煙氣向預(yù)熱帶流動(dòng)，可將預(yù)熱帶產(chǎn)品提前加熱，從而提升產(chǎn)品溫度，降低了產(chǎn)品燃燒時(shí)的能耗.

圖7 自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理

二次焚燒爐處理過(guò)的煙氣經(jīng)過(guò)空氣換熱器與助燃風(fēng)換熱，高溫助燃風(fēng)進(jìn)入爐內(nèi)，不僅直接減少了天然氣燃料的消耗，同時(shí)也提高了燃料的燃燒效率，從而達(dá)到節(jié)能減排的目的.

1.3.5 煙氣處理系統(tǒng)

煙氣處理系統(tǒng)包括窯體密封、煙氣收集、排煙系統(tǒng)、煙氣處理等部分.

廢舊電機(jī)在熱解爐內(nèi)受熱會(huì)產(chǎn)生大量含有機(jī)物成分的高熱值煙氣，并含有二噁英類(lèi)(PCDD、PCDF)有害物質(zhì)，因此煙氣必須經(jīng)過(guò)環(huán)保處理才能排放[12].

針對(duì)爐內(nèi)產(chǎn)生的含二噁英類(lèi)煙氣，本文采用目前最成熟的煙氣處理工藝[13]，即煙氣高溫焚燒+急冷降溫+活性炭噴粉+消石灰噴粉+布袋除塵工藝，為達(dá)到更好的二噁英去除效果，在布袋除塵器后又增加一級(jí)活性炭吸附箱.其具體工藝流程如圖8所示.

圖8 煙氣處理工藝流程

熱解爐為全密封結(jié)構(gòu)，爐內(nèi)熱解產(chǎn)生的煙氣通過(guò)密閉不銹鋼管道被送入煙氣二次焚燒爐.

按照“3T”原則，二次焚燒爐保證煙氣在適宜的溫度(1 150～1 200 ℃)下充分燃燒，并讓煙氣在焚燒爐內(nèi)充分湍流混合，使煙氣在焚燒爐內(nèi)停留時(shí)間大于2 s，達(dá)到充分?jǐn)噭?dòng)的效果，使煙氣中的二噁英類(lèi)物質(zhì)在高溫環(huán)境下完全分解.

煙氣急冷器采用間接水冷形式，高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)急冷器時(shí)與水冷管接觸，其所攜帶熱量被冷卻水帶走，煙氣溫度急劇下降，大量的循環(huán)冷卻水在1 s內(nèi)將煙氣溫度降到200 ℃以下，以減少二噁英類(lèi)物質(zhì)的再生.

采用消石灰噴粉進(jìn)行煙氣脫硫，通過(guò)活性炭噴粉進(jìn)一步吸附煙氣中剩余的微量二噁英，并通過(guò)布袋除塵器對(duì)高溫、高濕及腐蝕性強(qiáng)的含塵煙氣進(jìn)行處理，以便將煙氣中的粉塵除去.

含有消石灰和活性炭粉的煙氣經(jīng)過(guò)布袋除塵器，所含顆粒物被布袋濾掉，過(guò)濾后的煙氣再經(jīng)過(guò)活性炭箱二次吸附，進(jìn)一步去除煙氣中的二噁英和重金屬物質(zhì)，達(dá)到高空排放標(biāo)準(zhǔn)后被除塵風(fēng)機(jī)強(qiáng)制壓入25 m高的煙囪進(jìn)行高空排放.

除塵器產(chǎn)生的飛灰為危險(xiǎn)廢棄物，須統(tǒng)一交由專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)處理.

2 系統(tǒng)的應(yīng)用分析

2.1 隧道式爐體結(jié)構(gòu)

隧道式廢舊電機(jī)加熱系統(tǒng)在廢舊電機(jī)拆解行業(yè)中開(kāi)創(chuàng)性地采用隧道式爐體結(jié)構(gòu).窯體在整個(gè)長(zhǎng)度方向構(gòu)成固定的預(yù)熱帶、燒成帶、急冷帶、緩冷帶，可以保證爐內(nèi)各截面的熱狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，相對(duì)于間歇式加熱爐，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量控制有很大的提升.

2.2 連續(xù)式加熱工藝的應(yīng)用

該系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品特性，采用“預(yù)熱-引燃-完全燃燒-冷卻”聯(lián)動(dòng)連續(xù)式加熱方式，在理想情況下，需要把先進(jìn)窯的6～8輛窯車(chē)上的產(chǎn)品用燒嘴加熱點(diǎn)燃；根據(jù)系統(tǒng)燃燒特性，隨后進(jìn)窯產(chǎn)品在前面已燃著產(chǎn)品的輻射-對(duì)流熱交換作用下，逐步被預(yù)熱，隨著產(chǎn)品往高溫帶的移動(dòng)，產(chǎn)品最終被引燃；產(chǎn)品被引燃后，擴(kuò)散出去的熱量也會(huì)逐步對(duì)后進(jìn)窯的產(chǎn)品重復(fù)預(yù)熱-引燃過(guò)程.這樣依次循環(huán)往復(fù)，使焚燒過(guò)程只需少量的天然氣消耗即可，大大地節(jié)省了天然氣能源.

2.3 產(chǎn)能的方便可調(diào)性

該系統(tǒng)可由設(shè)備使用方根據(jù)自身產(chǎn)能，合理安排生產(chǎn)進(jìn)度.調(diào)整產(chǎn)能可從如下兩方面進(jìn)行：一是調(diào)整每個(gè)窯車(chē)的裝載量；二是調(diào)整每輛窯車(chē)的進(jìn)窯時(shí)間.通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)，每輛窯車(chē)的進(jìn)窯時(shí)間間隔可以設(shè)定，設(shè)定范圍為20～60 min/輛.操作人員只需要簡(jiǎn)單操作就可以完成設(shè)定.該系統(tǒng)能夠保證產(chǎn)能的大范圍可調(diào)，使用性能良好.

2.4 產(chǎn)品適應(yīng)性

由于廢舊電機(jī)拆解的原材料產(chǎn)品種類(lèi)多、尺寸差別大，小電機(jī)容易過(guò)燒造成銅線損耗，大電機(jī)容易燒不透而造成后續(xù)處理困難，因此該系統(tǒng)一方面通過(guò)產(chǎn)品集中裝車(chē)，另一方面采用超寬調(diào)節(jié)比燃燒裝置[14]，既滿(mǎn)足了小型產(chǎn)品階段窯內(nèi)熱量輸入極小、燒嘴小火狀態(tài)的工藝要求，又滿(mǎn)足了大型產(chǎn)品階段快速升溫、快速燒成的工藝要求，完美地解決了多類(lèi)型產(chǎn)品的適應(yīng)性問(wèn)題，得到了用戶(hù)的肯定.

2.5 煙氣收集處理系統(tǒng)的應(yīng)用

該系統(tǒng)根據(jù)廢舊電機(jī)加熱燃燒特性，設(shè)置了窯體密封系統(tǒng)和煙氣收集處理系統(tǒng)，使廢舊電機(jī)加熱燃燒過(guò)程的煙氣經(jīng)過(guò)收集、處理，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)之后排放，在清潔生產(chǎn)方面做到了很好的控制，有效地保護(hù)了環(huán)境，避免出現(xiàn)環(huán)保問(wèn)題.

2.6 自動(dòng)控制及安全系統(tǒng)的應(yīng)用

該系統(tǒng)在裝車(chē)、窯車(chē)自動(dòng)運(yùn)行、轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)窯車(chē)、轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)自動(dòng)推送窯車(chē)進(jìn)窯、窯門(mén)自動(dòng)升降、窯車(chē)在窯內(nèi)的自動(dòng)推進(jìn)、窯車(chē)自動(dòng)出窯和卸車(chē)、自動(dòng)加熱控制等方面的合理設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，基本實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，使整個(gè)方案的自動(dòng)化程度保持在高水平，有效地降低了勞動(dòng)力成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為廢舊電機(jī)拆解行業(yè)熱解車(chē)間的自動(dòng)化工廠模式開(kāi)辟了新的道路.

該系統(tǒng)現(xiàn)已正常運(yùn)行并通過(guò)環(huán)保檢測(cè)，為用戶(hù)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，也為設(shè)計(jì)者贏得了口碑和聲譽(yù).

3 結(jié)束語(yǔ)

所研發(fā)隧道式廢舊電機(jī)加熱系統(tǒng)屬?lài)?guó)內(nèi)首創(chuàng)，在能源消耗、煙氣收集處理、運(yùn)行成本、勞動(dòng)強(qiáng)度、自動(dòng)化程度等方面優(yōu)于大部分國(guó)內(nèi)現(xiàn)有裝備，處于國(guó)內(nèi)一流水平，具有良好的市場(chǎng)前景.該系統(tǒng)研發(fā)成功，對(duì)廢舊電機(jī)拆解行業(yè)裝備技術(shù)水平的提升有一定的推動(dòng)作用.