廢棄塑料包裝物在工業炸藥中再利用技術與裝備

邱 宇,李 波,于永華,秦衛國

(湖北凱龍化工集團股份有限公司,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被廣泛大量地使用,涉及民爆行業的原材料、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。 按照全國年產工業炸藥400 萬t 計算,每年產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,對含有危廢的聚乙烯、聚丙烯包裝袋進行清洗、干燥、造粒、粉碎處理,并將其作為工業炸藥可燃劑組分,用于添加膨化硝銨炸藥制備,實現其有效參與爆炸作功同時實現無害化回收處理。

1 含塑料粉末的粉狀炸藥配方設計

膨化硝銨炸藥是一種新型粉狀無梯工業炸藥,具有許多起敏化作用的微孔氣泡,爆炸性能優良,被廣泛應用[9-10]。 公司膨化硝銨炸藥的原配方設計見表1。

表1 膨化硝銨炸藥工藝配比

實際生產一般按94 ∶3 ∶3 的配方進行生產。塑料粉末作為額外組分加入,設計加入量x%為原組分質量和的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

氧平衡計算是工業炸藥配方設計的基本依據。計算CaHbOcNd的氧平衡:

式中:Mr為相對分子質量;16 為氧的相對原子質量。

例:當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 的量同上計算為58.19 mol,O 的量同上計算為34.04 mol,N 的量同上計算為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,根據塑料粉末作為額外組分的加入量x%的變化,可計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

通過計算得知,當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(即化學反應熱效應)[8-9]。 含塑料粉末的膨化硝銨炸藥的爆熱依據經驗公式——阿瓦克揚公式對其CaHbOcNd進行計算,即:

當正氧平衡時,定容爆熱

當負氧平衡時,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%。

根據塑料粉末作為額外組分的加入量x%的變化,可計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

通過計算得知,當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,對炸藥爆熱值影響不大。

1.3 計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;當塑料粉末作為額外組分的加入量≥1.3%時,為負氧平衡,此時主要有毒氣體為CO。

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

通過計算得知,在正氧平衡下,當塑料粉末作為額外組分的加入量增多時,有毒氣體量減少;在負氧平衡下,當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,產生的有毒氣體最少。 實際上,炸藥爆炸產物與理論計算確定的產物差別較大,無論正氧平衡還是負氧平衡的炸藥,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、產物及有毒氣體含量,與基于氧平衡理論計算的結果有較大出入,實際炸藥配方設計中,配方確定主要基于氧平衡、性能和經濟性等方面綜合考慮,性能指標的控制主要依據試驗測試。

2 含塑料粉末的粉狀炸藥的性能試驗

2.1 含塑料粉末的膨化硝銨炸藥配方性能

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

2.2 含塑料粉末的膨化硝銨炸藥送檢結果

委托國家民用爆破器材質量監督檢驗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%)進行了檢測,結果為: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《工業炸藥通用技術條件》(GB 28286—2012)的規定。 在公司內部對含塑料粉末的膨化硝銨炸藥進行檢驗,項目與原膨化硝銨炸藥檢驗項目一致,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、標識、包裝,檢測結果見表6、表7。 含塑料粉末的膨化硝銨炸藥檢驗均為合格。

表7 南京理工大學化學材料測試中心對含塑料粉末的膨化硝銨炸藥的檢測

由前文計算和檢測情況可知,配方設計符合規定要求。 含塑料粉末的膨化硝銨炸藥配方及工藝技術已通過科技成果鑒定。

3 廢棄塑料回收物在工業炸藥中應用方案實施

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”的工藝技術與裝備,采用特殊雙級螺桿造粒機,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,再通過脫水機和磨粉機進行研磨制出塑料微粉。主要工作難點設計控制適用于各類混合塑料編織袋的熔化擠出溫度、團粒的效率和連續性。

經過計算和試驗采用雙螺桿二級擠出、十余個溫控區間調整加熱溫度,雙螺桿二級擠出加熱空間時刻保持負壓狀態,確保無壓力聚集而發生危險。切粒部分采用水冷切方式,通過水冷卻、脫水機后可以有效將混合塑料粒子脫干、硬化并進入磨粉單元順利制粉。 最終制造出細度約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炸藥中應用。

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

圖2 回收處理利用工藝設備(單位:mm)

圖3 回收處理利用工藝流程

圖4 尾氣處理工藝設備

3.2 破碎單元

破碎單元的主要設備是專為 PP 編織袋和PE膜粉碎設計的破碎機,采用干式吸風結構,破碎后的物料通過風機的作用力將物料輸送至單獨設計的料倉內儲存,用于造粒系統。 破碎機采用特殊裁剪式粉碎刀軸設計,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:將含危險化學品的廢塑料制品進行破碎、熔融、造粒,使其符合磨粉機的要求。 造粒單元的主要設備有團粒機、螺桿擠出機和脫水機。 團粒機利用多刀快速粉碎、連續攪拌、混煉摩擦發熱、急速冷卻收縮原理,將塑料薄膜、絲、帶、片、軟塑料管、發泡料、降解料等廢塑料與角料造成顆粒,便于重新摻入新料中使用,是目前新型的塑料回收再生的造粒理想設備。

螺桿擠出機主要供擠出軟、硬聚氯乙烯、聚乙烯等熱塑性塑料之用,它與相應的輔機(包括成型機頭)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、運轉平穩、承載力大、壽命長等特點。

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

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至規定細度。

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

磨盤間隙可調整,可方便控制出料細度,磨盤采用優質模具鋼材制造,可反復修磨,高產量,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生部分尾氣,采用“廢氣輸送管道+噴淋凈化溫控系統+光催化模塊+活性炭吸附系統+風機+排放”方式對尾氣進行處理。

3.6 應用分析

“廢棄塑料包裝物在工業炸藥中再利用技術與裝備”十分契合“創新、綠色”發展理念,替代了原有的廢棄塑料包裝物的焚燒、掩埋處理,規范、合理地收集處置固廢,大大地減少了環境污染,最大限度地將原材料和能源轉化為產品。 可以實現杜絕焚燒、填埋污染環境的傳統做法,又能夠實現替代木粉生產工業炸藥節約成本的目的。

處理廢棄塑料包裝袋產生的成本主要為生產用電和人工成本。 用電情況:整套設備電機功率為233 kW,實際消耗為 70% ～80%;加熱功率為58 kW,實際消耗為 60%～70%,生產線實際消耗約212 kWh。 整個廢棄塑料回收處理生產線的處理能力為80～100 kg/h,按當地人工費、電費來計算,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,產生經濟效益。

行業內其他民爆公司也面臨著生產線上含有危險化學品(硝酸銨、硝酸鈉、工業炸藥專用油相)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保政策和行業發展要求,廢棄塑料包裝物在工業炸藥中再處理應用技術與裝備,符合“創新、綠色”發展理念,適合在行業內推廣應用。