報廢電冰箱的環(huán)保處理技術(shù)

胡 彪，熊英漢，楊三變

（天津理工大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟研究院，天津300191）

報廢電冰箱的環(huán)保處理技術(shù)

胡 彪，熊英漢，楊三變

（天津理工大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟研究院，天津300191）

介紹一種處理報廢電冰箱的技術(shù)。首先對報廢電冰箱進行分解，包括制冷劑回收、壓縮機拆卸、散熱系統(tǒng)和蒸發(fā)系統(tǒng)拆卸、箱體箱門鋼板拆卸、箱體內(nèi)膽拆卸、門襯拆卸和絕熱泡沫剝離等。然后對于拆出的材料作進一步處理，鋼板、管材經(jīng)平整或矯直裁剪之后作為舊板材或舊管材；內(nèi)膽和門襯破碎后作為注塑材料使用；壓縮機組經(jīng)專業(yè)檢測、修復(fù)再利用或作為冶金爐料使用。聚氨酯泡沫需經(jīng)分離回收R11處理，處理工藝路線包括泡沫粉碎、發(fā)泡劑蒸發(fā)、混合氣收集、除塵、儲氣、壓縮、冷凝、節(jié)流以及發(fā)泡劑與空氣的分離；工藝參數(shù)涉及主要工藝環(huán)節(jié)的熱力學(xué)計算，包括破碎后的泡沫中的R11發(fā)泡劑的蒸發(fā)吸熱、混合氣壓縮功耗、冷凝過程的散熱。同時還介紹了應(yīng)用發(fā)泡膠接法的聚氨酯硬泡沫碎屑再成型技術(shù)。采用該工藝處理報廢電冰箱，具有拆解物利用價值高、處理過程能耗低、便于分揀、設(shè)備造價低等優(yōu)點，適合我國國情。

報廢電冰箱；廢家電；資源化；聚氨酯硬泡沫廢棄物

報廢電冰箱是對環(huán)境有害的固體廢棄物。電冰箱的制冷系統(tǒng)和絕熱材料中含有使地球臭氧層變薄的氟利昂，包括R12制冷劑和聚氨酯硬泡沫絕熱材料中的發(fā)泡劑R11。另外，電冰箱結(jié)構(gòu)中所含的各類材料都是寶貴的原材料。有專家預(yù)測，從2006年之后，全國每年約有1 000多萬臺廢棄冰箱產(chǎn)生，每年至少要產(chǎn)生50萬t以上的廢物，數(shù)量十分可觀[1]。從社會可持續(xù)發(fā)展的角度看，報廢后的電冰箱要做環(huán)保處理，必須要將所含的氟利昂進行分離與回收，同時所含的資源也必須得到再利用。報廢電冰箱的處理必須兼顧環(huán)境保護和資源化利用。報廢電冰箱環(huán)保利用的關(guān)鍵之一是處理技術(shù)，國內(nèi)在這方面正處于起步階段，結(jié)合國外的做法和作者的研究成果，提出一種報廢電冰箱環(huán)保處理利用技術(shù)。

1 國內(nèi)外廢棄電冰箱處理技術(shù)現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國家家庭電器化實現(xiàn)時間較早，對于報廢電冰箱處理涉及很早，目前有較好的解決辦法。發(fā)達(dá)國家的處理方法主要受政府法律、技術(shù)經(jīng)濟發(fā)展水平、資源供應(yīng)等因素的影響。德國和日本的處理方法，在發(fā)達(dá)國家中具有代表性。

德國的基本做法是在抽取機油、制冷劑之后，在封閉空間內(nèi)整機粉碎，收集發(fā)泡劑，將碎塊根據(jù)材料性質(zhì)分類，作為原材料再使用[2，3]。粉碎處理工藝最主要的問題是粉碎能耗太高，粉碎后各種材料的混雜造成分選困難，材料利用價值低，設(shè)備購置費用高。

日本資源貧乏，2001年4月1日開始實行《廢舊家電回收法》，規(guī)定電器制造商和進口商對電冰箱、電視機、洗衣機、房間空調(diào)器4種電器有回收和實施再商品化的義務(wù)，即必須按一定比例從廢家電中回收有用的資源并再次制成產(chǎn)品出售[2，3]。日本的基本做法是以拆解為主，將可以直接使用或修復(fù)的零部件進行利用，可以利用的部件包括壓縮機、潤滑劑、制冷劑等，其他的進行無害化或資源化處理。

我國報廢電冰箱處理處于起步階段。除國家發(fā)改委確定的廢家電處理示范企業(yè)外，國家還以不同形式建立基金，資助多家高等院校、研究院所從事相關(guān)的研究。除此之外，國內(nèi)有些機構(gòu)已經(jīng)開始研究處理工藝與技術(shù)開發(fā)，在探索適合國情的處理技術(shù)方面取得了一些階段性成果[4，5]。

2 基于國情的報廢電冰箱環(huán)保處理技術(shù)

我國的社會主義市場經(jīng)濟仍處于探索發(fā)展階段，國情有別于發(fā)達(dá)國家。我國的基本情況是，各類資源的人均占有率位于全球平均水平以下，許多能源和原材料需要進口，各項事業(yè)的建設(shè)資金也不寬裕，但是我擁有豐富勞動力資源和較低勞動力成本。報廢電冰箱處理方法必須要結(jié)合中國國情。

2.1 報廢電冰箱處理技術(shù)的原則與工藝路線

2.1.1 報廢電冰箱處理技術(shù)的原則

在調(diào)研和拆解實驗的基礎(chǔ)上，提出符合我國國情的4條基本原則。

（1）整機處理工藝要結(jié)合冰箱的結(jié)構(gòu)特點，拆解與粉碎相結(jié)合，整個處理過程必須滿足環(huán)保要求。

（2）為了提高材料的利用價值，保證易于分揀，盡可能采用拆解方式，只對必須采用粉碎的部分采用粉碎處理。

（3）拆解處理系統(tǒng)必須適應(yīng)批量和品種變化的柔性要求。

（4）規(guī)劃的拆解生產(chǎn)線，既能滿足生產(chǎn)的效率和環(huán)保要求，又要追求較低的設(shè)備投入，同時能耗要盡可能低。

2.1.2 拆解與破碎處理相結(jié)合的工藝路線

整機分步拆解工藝路線如圖1所示，主要部件——箱體的拆解工藝路線如圖2所示。

圖1 整機拆解工藝路線

圖2 箱體拆解工藝路線

針對不同的拆解部分，采取相應(yīng)的處理方法。鋼板經(jīng)平板、裁切、表面處理后變?yōu)榘宀囊怨┧?；壓縮機組可以拆解成冶金爐料，也可以經(jīng)處理后再利用；箱體內(nèi)襯粉碎造粒作為注塑原材料；拆出的聚氨酯絕熱泡沫再做進一步的環(huán)保處理；其他金屬材料作為冶金原料使用；無用可燃物焚燒處理；不可燃物作無害化填埋。

2.2 聚氨酯硬泡沫的環(huán)保處理技術(shù)

電冰箱絕熱泡沫中的發(fā)泡劑對環(huán)境有嚴(yán)重污染，處理難度大，需進行專門處理。在研究的基礎(chǔ)上，提出一種兼顧環(huán)境保護和資源利用的處理技術(shù)[5，6]。應(yīng)用該技術(shù)，在分離發(fā)泡劑之后，泡沫粉末可用作其他用途的保溫材料。

2.2.1 環(huán)保處理工藝

該技術(shù)的環(huán)保處理工藝如圖3所示。R11發(fā)泡劑以高度彌散的形式分布在硬泡沫的孔穴內(nèi)，應(yīng)采取破碎的方式擊碎孔穴，使發(fā)泡劑釋放。粉碎的粒度越細(xì)越有利于發(fā)泡劑的排除，粉碎粒度可以結(jié)合后續(xù)的利用方式予以確定，泡沫的粉碎可以使用刷式粉碎機[7]。泡沫粉末中的發(fā)泡劑通過蒸餾方法分離，最后再經(jīng)過壓縮液化的方法分離回收發(fā)泡劑R11。

圖3 R11發(fā)泡的聚氨酯硬泡沫廢棄物環(huán)保處理工藝

2.2.2 發(fā)泡劑分離的熱力學(xué)分析與計算

回收過程中收集到的空氣和發(fā)泡劑混合氣體一同參與壓縮。壓縮與分離過程中的主要工藝參數(shù)可以應(yīng)用熱力學(xué)理論計算[5，8]。熱力學(xué)分析計算是分離系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)，應(yīng)用這一理論對10萬臺/年報廢電冰箱絕熱泡沫的處理生產(chǎn)線進行了規(guī)劃設(shè)計[5]。

2.2.2.1 發(fā)泡劑蒸發(fā)與集氣過程分析

R11的沸點23.7℃，發(fā)泡劑的蒸發(fā)過程處于集氣抽氣機的作用下，只要充分吸熱，發(fā)泡劑可以完全蒸發(fā)。若用r表示汽化潛熱，蒸發(fā)質(zhì)量為m的R11發(fā)泡劑吸收的熱量：

收集到的氣體是空氣與發(fā)泡劑的混合氣體。設(shè)發(fā)泡劑R11占混合氣體總體積的比例為rR11,混合氣體的總壓力為P1，那么混合氣體中R11的分壓為：

2.2.2.2 壓縮過程分析與計算

由壓縮機將混合氣體由儲氣壓力P1，加壓至壓縮輸出壓力P2。選擇輸出壓力P2時，應(yīng)考慮保證發(fā)泡劑組分在加壓后能達(dá)到適當(dāng)溫度下的飽和壓力。若經(jīng)絕熱壓縮后組分R11的分壓為：P2-R11=rR11P2，則混合氣體的總壓應(yīng)該達(dá)到：

（1）參與壓縮的空氣，設(shè)壓縮前的空氣溫度T1、壓力為 P1-空氣，壓縮終了空氣理論溫度 T2-空氣、壓力為 P2-空氣，ra為空氣的比熱比，壓縮過程視為絕熱壓縮，則壓縮終了空氣溫度：

設(shè)空氣的定壓比熱為cP-空氣，壓縮過程中消耗的軸功為w空氣壓縮，則有：

（2）參與壓縮的R11發(fā)泡劑

設(shè)壓縮前的發(fā)泡劑組分溫度T1、壓力為P1-R11，壓縮終了發(fā)泡劑理論溫度T2-R11、壓力為P2-R11，rR11為比熱比，壓縮過程視為絕熱壓縮，則壓縮終了R11溫度：

設(shè)R11的定壓比熱為cP-R11，壓縮過程中消耗的軸功為 wR11壓縮，則有：

2.2.2.3 冷凝過程分析與計算

（1）發(fā)泡劑冷凝

第一階段由壓縮終了溫度降至壓焓圖上設(shè)定的冷凝等壓線溫度，此時放熱：

這一熱值可以從R11的壓焓圖上直接讀出[5，9]。

（2）發(fā)泡劑冷凝過程中的空氣冷卻

隨著發(fā)泡劑與冷卻介質(zhì)交換熱量，被壓縮的空氣也同時被冷卻，冷卻放熱：

2.2.3 聚氨酯硬泡沫粉末的再成型利用

已有研究探索將片或塊狀的廢棄聚氨酯硬泡沫膠結(jié)成更大的塊狀材料，但其方法實際應(yīng)用困難較大。筆者經(jīng)過探索，借鑒聚氨酯軟泡沫的成型工藝，將分離發(fā)泡劑之后的聚氨酯碎屑重新發(fā)泡粘接形成新的聚氨酯泡沫材料，并取得初步成功，為利用聚氨酯硬泡沫碎屑生產(chǎn)絕熱泡沫型材提供了重要技術(shù)支持。

主要工藝過程包括將攪拌均勻的混合物料定量注入金屬模中，在一定溫度下發(fā)泡，經(jīng)過一定時間的預(yù)熟化后脫模，再經(jīng)后熟化即可得到新的泡沫塑料。這樣，混合物經(jīng)過了乳化、起發(fā)、膠化、固化等幾個階段，舊的泡沫塑料粉料固結(jié)在新泡沫塑料之中，形成新的泡沫塑料。箱內(nèi)發(fā)泡法的特點是可制造尺寸標(biāo)準(zhǔn)、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，物料損失少，添加泡沫塑料粉料也較為方便。

3 社會效益和經(jīng)濟效益分析

該處理技術(shù)對制冷劑的回收和絕熱泡沫中的分離回收都是工藝重點。應(yīng)用該技術(shù)不僅可以很好地解決報廢電冰箱所含氟利昂對于環(huán)境的危害，而且也有可觀的經(jīng)濟與社會效益。根據(jù)現(xiàn)行廢舊原材料的市場價格，保守計算，拆解10萬臺容積為160L的廢電冰箱，制冷劑循環(huán)管路為紫銅管時，獲得的材料價值約為2065.84萬元，制冷劑循環(huán)管路為鋼管時，獲得的材料價值約為1504.84萬元[4]。如果設(shè)計拆解工廠的定員為50～60人，處理量為10萬臺/年，而10萬臺基本上相當(dāng)于百萬人口城市每年報廢的電冰箱數(shù)量。因此，推廣應(yīng)用該技術(shù)具有良好的經(jīng)濟與社會效益。

4 結(jié)論

綜上所述，結(jié)合中國國情，出于社會可持續(xù)發(fā)展的要求，無害化處理和資源化利用是報廢電冰箱進行處理的最佳選擇。處理工藝在滿足環(huán)境保護要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能提高拆解材料的利用價值，降低設(shè)備造價和處理能耗，同時要保證拆解材料易于分選，這樣才能保證整個處理系統(tǒng)具有較低的運行成本，所研究的處理技術(shù)完全滿足這樣的要求。報廢電冰箱處理項目的實際實施，應(yīng)按照供應(yīng)鏈管理的模式進行，上游要建立合理、有效和經(jīng)濟的回收渠道，中游要實現(xiàn)規(guī)?；幚恚掠我l(fā)展利用回收材料的產(chǎn)業(yè)，只有這樣才能將廢舊冰箱回收處理事業(yè)納入健康發(fā)展的軌道。

[1] 劉小麗.中國主要電子廢物產(chǎn)生量估算[J].中國人口資源與環(huán)境，2005，15(5)：113-117.

[2] 張友良，田 暉.國外廢家電回收利用現(xiàn)狀及進展[J].家用電器科技，1999(6)：27-28.

[3] 瑞典德國廢舊家電回收利用體系考察報(新華網(wǎng))[EB/OL].[EB/OL].http：//www.sx.xinhuanet.com/qyzx/2004-03/31/content_1883501.htm.

[4] 胡 彪，李 健.基于國情的廢電冰箱資源化利用和無害化處理方法[J].中國資源綜合利用，2007，25(1)：18-22.

[5]胡 彪，李 健.R11發(fā)泡的聚氨酯硬泡沫廢棄物環(huán)保處理工藝[J].中國資源綜合利用，2007，25(6)：17-21.

[6] 胡 彪，李 健.聚氨酯硬泡沫廢棄物無害化處理方法：中國，200710056468.2[P].2007-01-16.

[7] 胡 彪，李 健.聚氨酯泡沫刷式粉碎機：中國，200710056467.8[P].2007-01-16.

[8] 廉樂明.工程熱力學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999：4，196-199.

[9] M J Skovrup，H J H Knudsen，H V Holrn.Refrigeration utilities Version 1.21[CP].Dep.Of Energy Engineering，DTU，1998.

An environment friendly treating process on waste refrigerators

HU Biao，XIONG Yinghan，YANG Sanbian
（Institute of Circular Economy，Tianjin University of Technology,Tianjin 300191,China）

A treating process on waste refrigerators is introduced.Firstly,waste refrigerators are disassembled.This procedure includes refrigerants recycling;dismantling the compressor,radiator and evaporator;dismantling the steel shell,inner pot and bushing of the tank and door;peeling off the foam insulation.Then the disassembled materials are further treated:steel plates and tubes are recycled after being planished or slittered;bushing of the tank and door are crumbled and recycled as injection moulding material;compressor is tested and repaired or utilized as smelting material for metallurgical industry.PU foam could be recycled after removing R-11,and the process includes comminuting the foam,vaporizing the R-11 vesicant,dealing with the mixed gas which consists of gathering,removing dust,storing,compressing,condensing,throttling,as well as separating air from R-11 vesicant.The parameters of this process involve thermodynamic calculation,such as heat absorption in R-11evaporation,power consumption in gas compression,heat dissipation in condensation,etc..It also demonstrated the re-molding technology of PU rigid foam debris with foam cementing method.This process is a proper way to treat waste refrigerators under the current situation for efficient utilization,easy sorting,low power consumption and facility cost.

waste refrigerator;waste home appliance;recycling;waste polyurethane rigid foam

X705

A

1674-0912（2010）01-0035-04

2009-11-18）