隧道式廢舊電機加熱系統(tǒng)的研發(fā)

趙平建，韓 祎

(機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司 第二工程院，河南 鄭州 450007)

一般來說，電機繞組中的導(dǎo)體銅為高純度的紫銅材料.紫銅即是工業(yè)純銅，含銅達99.95%以上，其用途非常廣泛[1].據(jù)統(tǒng)計每年約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99.99%.因此，廢棄電線電纜及電機繞組中的金屬銅具有很高的回收價值[3].另外，從能源利用的角度講，對廢舊電機回收再利用所耗費的能量和產(chǎn)生的污染要遠遠低于新冶煉相同數(shù)量的金屬銅.目前，機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].但是由于電機的結(jié)構(gòu)特性，電機繞組中包含銅繞組、絕緣漆以及矽鋼片，因此對于廢舊電機不宜直接進行機械破碎.一般采用加熱法回收廢舊電機中的銅資源，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].

廢舊電機因其種類繁多，形狀各異，對其精細拆解需要進行加熱，將其中的有機物燒掉[6].目前，國內(nèi)小企業(yè)多采用粗放型加熱方式，直接用木柴將電機加熱，產(chǎn)生的煙氣對環(huán)境污染嚴重；少數(shù)大中型企業(yè)通常采用燃氣或燃油加熱，間歇性加熱作業(yè)，對部分煙氣進行收集處理，但作業(yè)時仍會有大量煙氣遺留在車間而形成污染.

1 隧道式廢舊電機加熱系統(tǒng)

1.1 總體方案

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

該系統(tǒng)采用工業(yè)化計算機控制自動化隧道窯[7]加熱系統(tǒng)，對窯內(nèi)溫度、氣氛和壓力進行精確控制，能讓產(chǎn)品熱解達到最佳水平，實現(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)，實現(xiàn)了煙氣的環(huán)保無害化處理，企業(yè)與環(huán)境和諧統(tǒng)一，有利于廢電機拆解行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[11].

在保證廢舊電機可燃物在隧道窯內(nèi)充分、完全燃燒的前提下，設(shè)計時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)廢舊電機的熱解曲線如圖1所示.

根據(jù)窯車運行速度以及窯車在各區(qū)停留的時間，所確定隧道窯窯長約63.8 m.

圖1 隧道窯內(nèi)廢舊電機的熱解曲線

隧道式廢舊電機加熱系統(tǒng)所在的熱處理車間預(yù)留熱解爐安裝區(qū)域長75 m、寬24 m.可按功能將該區(qū)域大致分為如下三部分：裝卸車區(qū)、熱解區(qū)、尾氣處理區(qū).隧道式廢舊電機加熱系統(tǒng)的總方案圖如圖2所示.其中：裝卸車區(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 隧道式廢舊電機加熱系統(tǒng)總方案圖

1.2 工藝過程

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

整個加熱工藝流程，只需要一名工人進行卸車、裝車作業(yè)即可，其余全部采用自動化控制裝置來實現(xiàn)，使自動化技術(shù)水平大幅提升，工人勞動強度大幅減小.

(1) 在裝車區(qū)，一名工人用行車把裝好料的料框吊裝到空窯車上，裝有料框的窯車在自動機械化裝車區(qū)回車機的推動下，按照設(shè)定節(jié)拍被送至裝車線軌道指定位置并觸發(fā)信號，窯頭轉(zhuǎn)運車在初始狀態(tài)接到信號后，通過推拉小車裝置,把已到達指定位置的窯車送到窯頭轉(zhuǎn)運車上.

圖3 加熱工藝流程

(2) 窯頭轉(zhuǎn)運車將窯車載到窯頭位置，窯頭門1開啟.窯頭轉(zhuǎn)運車把窯車推入爐內(nèi)進車室(圖4)后返回裝車線軌道(初始位置)，等待下一輛裝料窯車.

(3) 裝料窯車進入窯內(nèi)進車室，窯頭門1關(guān)閉，窯頭門2開啟，液壓推車機執(zhí)行推車流程，推動窯車向窯尾方向移動，通過窯內(nèi)窯車之間的推力傳遞，窯內(nèi)所有窯車向窯尾移動.當窯內(nèi)距離窯尾最近的一輛窯車到達指定位置時觸發(fā)信號，窯頭門2關(guān)閉，窯尾門開啟.窯尾轉(zhuǎn)運車接到信號后通過其上的推拉小車裝置，把在窯尾觸發(fā)信號的到位窯車拉到窯尾轉(zhuǎn)運車上(圖5).窯尾門關(guān)閉.

圖4 窯車進窯示意圖

圖5 窯車出窯示意圖

(4) 窯尾轉(zhuǎn)運車將出窯窯車送到卸車軌道位置，通過推拉小車裝置把出窯窯車推送到卸車軌道上，出窯窯車在自動機械化卸車區(qū)回車機的推動下到達卸車區(qū)，一名工人使用行車把裝有已燒成料的料框卸下即可.

1.3 系統(tǒng)組成

隧道式廢舊電機加熱系統(tǒng)由一座長度為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、兩輛轉(zhuǎn)運車、回車機、軌道等.

1.3.1 爐體結(jié)構(gòu)

從整體來看，隧道式爐體結(jié)構(gòu)包含左側(cè)墻、右側(cè)墻、爐頂、爐門系統(tǒng)、擋火板、砂封槽等.在爐體長度方向，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).窯車砂封板、砂封槽、窯門系統(tǒng)構(gòu)成完整的窯爐密封結(jié)構(gòu)，有效阻止了煙氣外溢.考慮到少部分時段電機非常大，而大部分時段電機較小的情況，設(shè)計了鉸鏈擋火板裝置，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，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)熱帶下部兩側(cè)雙向交錯位置，燒成帶及二次焚燒爐兩側(cè)雙向、上下交錯位置).燃燒系統(tǒng)沿窯體長度方向分6個溫區(qū)，二次焚燒爐設(shè)一個溫區(qū).全系統(tǒng)在7個溫區(qū)控制下根據(jù)設(shè)定的溫度、壓力自動運行.

1.3.3 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(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)場總線.現(xiàn)場總線通過RS-232/485工業(yè)轉(zhuǎn)換器與計算機通訊，構(gòu)成控制系統(tǒng).采用力控6.1組態(tài)軟件實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集和管理、模擬工藝畫面運行、車位管理、報警記錄、歷史趨勢曲線查詢、報表查詢打印等功能.變頻調(diào)速器控制助燃風機、排煙風機、抽熱風機及除塵風機，保證了助燃風壓力和窯內(nèi)壓力控制的穩(wěn)定.采用電動調(diào)節(jié)閥控制各溫區(qū)助燃風和燃氣，保證了風量和氣量調(diào)節(jié)的穩(wěn)定可靠.采用德國KROM火焰監(jiān)測與點火系統(tǒng)來保證燃燒的安全性.

該自動控制系統(tǒng)由以下部分組成：點火系統(tǒng)；溫度控制系統(tǒng)；壓力控制系統(tǒng)；計算機控制系統(tǒng)；流量、壓力測量系統(tǒng)；車位管理系統(tǒng).

自動控制系統(tǒng)工作原理(圖7)為：測量元件檢測到控制對象的信號，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)定信號比較，并將比較信號傳遞給執(zhí)行機構(gòu)；執(zhí)行機構(gòu)對控制對象進行控制，形成一個閉環(huán)自動控制系統(tǒng).

1.3.4 二次焚燒爐

隧道式熱解爐系統(tǒng)設(shè)有一臺二次焚燒爐.熱解爐內(nèi)的煙氣通過排煙風機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，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)品燃燒時的能耗.

圖7 自動控制系統(tǒng)工作原理

二次焚燒爐處理過的煙氣經(jīng)過空氣換熱器與助燃風換熱，高溫助燃風進入爐內(nèi)，不僅直接減少了天然氣燃料的消耗，同時也提高了燃料的燃燒效率，從而達到節(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.

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

針對爐內(nèi)產(chǎn)生的含二噁英類煙氣，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，為達到更好的二噁英去除效果，在布袋除塵器后又增加一級活性炭吸附箱.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)停留時間大于2 s，達到充分攪動的效果，使煙氣中的二噁英類物質(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，高溫煙氣通過急冷器時與水冷管接觸，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，以減少二噁英類物質(zhì)的再生.

采用消石灰噴粉進行煙氣脫硫，通過活性炭噴粉進一步吸附煙氣中剩余的微量二噁英，并通過布袋除塵器對高溫、高濕及腐蝕性強的含塵煙氣進行處理，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)過布袋除塵器，所含顆粒物被布袋濾掉，過濾后的煙氣再經(jīng)過活性炭箱二次吸附，進一步去除煙氣中的二噁英和重金屬物質(zhì)，達到高空排放標準后被除塵風機強制壓入25 m高的煙囪進行高空排放.

除塵器產(chǎn)生的飛灰為危險廢棄物，須統(tǒng)一交由專業(yè)機構(gòu)處理.

2 系統(tǒng)的應(yīng)用分析

2.1 隧道式爐體結(jié)構(gòu)

隧道式廢舊電機加熱系統(tǒng)在廢舊電機拆解行業(yè)中開創(chuàng)性地采用隧道式爐體結(jié)構(gòu).窯體在整個長度方向構(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)相對穩(wěn)定，相對于間歇式加熱爐，對產(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)動連續(xù)式加熱方式，在理想情況下，需要把先進窯的6～8輛窯車上的產(chǎn)品用燒嘴加熱點燃；根據(jù)系統(tǒng)燃燒特性，隨后進窯產(chǎn)品在前面已燃著產(chǎn)品的輻射-對流熱交換作用下，逐步被預(yù)熱，隨著產(chǎn)品往高溫帶的移動，產(chǎn)品最終被引燃；產(chǎn)品被引燃后，擴散出去的熱量也會逐步對后進窯的產(chǎn)品重復(fù)預(yù)熱-引燃過程.這樣依次循環(huán)往復(fù)，使焚燒過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)進度.調(diào)整產(chǎn)能可從如下兩方面進行：一是調(diào)整每個窯車的裝載量；二是調(diào)整每輛窯車的進窯時間.通過自動控制系統(tǒng)，每輛窯車的進窯時間間隔可以設(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

由于廢舊電機拆解的原材料產(chǎn)品種類多、尺寸差別大，小電機容易過燒造成銅線損耗，大電機容易燒不透而造成后續(xù)處理困難，因此該系統(tǒng)一方面通過產(chǎn)品集中裝車，另一方面采用超寬調(diào)節(jié)比燃燒裝置[14]，既滿足了小型產(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，完美地解決了多類型產(chǎn)品的適應(yīng)性問題，得到了用戶的肯定.

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)，使廢舊電機加熱燃燒過程的煙氣經(jīng)過收集、處理，符合國家標準之后排放，在清潔生產(chǎn)方面做到了很好的控制，有效地保護了環(huán)境，避免出現(xiàn)環(huán)保問題.

2.6 自動控制及安全系統(tǒng)的應(yīng)用

該系統(tǒng)在裝車、窯車自動運行、轉(zhuǎn)運車自動轉(zhuǎn)運窯車、轉(zhuǎn)運車自動推送窯車進窯、窯門自動升降、窯車在窯內(nèi)的自動推進、窯車自動出窯和卸車、自動加熱控制等方面的合理設(shè)計，保證了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，基本實現(xiàn)了生產(chǎn)過程自動化，使整個方案的自動化程度保持在高水平，有效地降低了勞動力成本和勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，為廢舊電機拆解行業(yè)熱解車間的自動化工廠模式開辟了新的道路.

該系統(tǒng)現(xiàn)已正常運行并通過環(huán)保檢測，為用戶創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益，也為設(shè)計者贏得了口碑和聲譽.

3 結(jié)束語

所研發(fā)隧道式廢舊電機加熱系統(tǒng)屬國內(nèi)首創(chuàng)，在能源消耗、煙氣收集處理、運行成本、勞動強度、自動化程度等方面優(yōu)于大部分國內(nèi)現(xiàn)有裝備，處于國內(nèi)一流水平，具有良好的市場前景.該系統(tǒng)研發(fā)成功，對廢舊電機拆解行業(yè)裝備技術(shù)水平的提升有一定的推動作用.