廢線路板連續(xù)無氧熱解系統(tǒng)的改造優(yōu)化

周 強 蔡金玲 黎 敏 徐小鋒 蔣振宇

(1.湖南頂立科技有限公司， 湖南 長沙 410137； 2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

電子與信息行業(yè)產(chǎn)品更新迭代浪潮的高速推進產(chǎn)生了大量的廢線路板[1-2]。廢線路板主要由玻璃纖維、環(huán)氧樹脂和多種金屬組成，含有大量的Au、Cu、Al有價金屬，同時也含有Pb、粘接劑和阻燃劑等有害物質(zhì)[3-4]?？紤]到廢線路板的“資源性”和“危害性”的雙重特性[5-7]，國內(nèi)、外從業(yè)人員和學(xué)者對廢線路板的資源化回收進行了大量研究工作。目前，廢線路板的資源化回收方法包括物理法、焚燒法、火法冶金法和熱解法等[8-10]。熱解法對有機物的處理具有工藝溫度低、實現(xiàn)高值資源化回收、煙氣產(chǎn)生量小、尾氣處理成本低等特點，可以實現(xiàn)有機物與無機物的徹底分離，但是運用熱解法處理廢線路板的工業(yè)化案例較少[11-12]。

某公司通過自主研發(fā)研制出了新型連續(xù)式廢線路板無氧熱解裝置。本文立足于該廢線路板連續(xù)無氧熱解系統(tǒng)，針對其存在的處理量不足、無自熱回用系統(tǒng)、無油氣分離系統(tǒng)等問題，介紹該系統(tǒng)如何通過兩次改進優(yōu)化至實現(xiàn)萬噸級廢線路板可控自熱低溫連續(xù)熱解。

1 廢線路板連續(xù)無氧熱解裝置介紹

某公司采用的廢線路板連續(xù)無氧熱解裝置主要由進出料系統(tǒng)、鋼帶式熱解爐、物料冷卻系統(tǒng)、尾氣處理系統(tǒng)、氮氣保護裝置、溫度壓力控制系統(tǒng)等組成(圖1)。熱解爐加熱段長為12 m，鋼帶寬度為1.5 m。原料料倉的物料通過皮帶輸送至進料口，通過雙閘門的形式排空進入熱解爐。熱解過程中，通過氮氣的補入實現(xiàn)無氧熱解。熱解完成后，物料經(jīng)過水冷，然后通過皮帶輸送至出料口。熱解所需的能量由外部天然氣提供，天然氣燃燒后通過熱量輻射爐管間接加熱物料；尾氣經(jīng)過單獨的處理后排放。熱解過程產(chǎn)生的熱解氣直接進入二燃室燃燒，燃燒后的廢氣經(jīng)過空氣換熱器、急冷塔、布袋除塵器和噴淋塔處理后達標(biāo)排放。

圖1 廢線路板連續(xù)無氧熱解裝置工藝流程

廢線路板物料松裝密度為0.8 g/cm3，熱解溫度為500～700 ℃，熱解時間60 min，物料厚度60 mm，物料寬度150 mm，加熱爐體長度12 000 mm，則鋼帶線速度為200 mm/min，廢線路板連續(xù)無氧熱解裝置每小時處理量約為691 kg，按年處理時間300 d計，年處理量約為5 000 t。

該系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)有鋼帶爐密封技術(shù)、熱解爐精準(zhǔn)控溫技術(shù)、尾氣余熱回用技術(shù)等。

1.1 鋼帶爐密封技術(shù)

1.1.1 進出料密封技術(shù)

進料過程中，輸送軌道與置換室密封連接，廢線路板通過推送油缸推入置換室進行清洗和去除攜帶的空氣，然后進入熱解系統(tǒng)熱解(圖2)。置換室設(shè)有進料外閘門、內(nèi)閘門、進氣口和出氣口，通過內(nèi)、外閘門的連續(xù)運作，并保持保護氣體的通入，確保在進入加熱段之前去除廢線路板原料帶入的空氣。廢線路板熱解過程和冷卻過程同樣在保護氣氛下進行，出料時廢線路板也經(jīng)過置換室進行空氣隔離。通過采取這一系列的空氣隔絕處理措施，廢線路板在熱解和冷卻過程中不會被氧化，從而大大提高廢線路板的回收率和品質(zhì)，同時也抑制了廢線路板與空氣燃燒產(chǎn)生煙塵、有害氣體、二噁英等污染物。

1-輸送軌道； 2-置換室內(nèi)閘門； 3-置換室外閘門； 4-置換室進氣口； 5-置換室排氣口； 6-推送油缸圖2 插板閥進出料密封系統(tǒng)

1.1.2 鋼帶動密封技術(shù)

為了避免外界空氣進入爐膛，鋼帶進出爐膛均采用特殊的水壓密封。水壓密封由鋼帶主動輪、機架、上滾輪、壓輥、后爐管、鋼帶與底架等組成(圖3)，采用水封的方式，可在不破壞鋼帶爐的前提下，防止外界的空氣進入爐內(nèi)，確保爐膛的完全密封。該密封技術(shù)可以實現(xiàn)爐內(nèi)3 000 Pa正壓零泄漏。

1-主動輪； 2-機架； 3-鋼帶； 4-上滾輪； 5-壓輥； 6-后爐管； 7-底架圖3 鋼帶動密封示意圖

1.2 熱解爐精準(zhǔn)控溫技術(shù)

為了實現(xiàn)精準(zhǔn)控溫，熱解爐馬弗爐采用獨特結(jié)構(gòu)與技術(shù)。整個熱解裝置爐管由法蘭、筋板、上爐管、下爐管、碳化硅板和氣盒等組成(圖4)。

1-法蘭； 2-筋板； 3-上爐管； 4-下爐管； 5-碳化硅板； 6-氣盒圖4 馬弗爐結(jié)構(gòu)示意圖

1)爐內(nèi)采用多溫區(qū)小燒嘴控溫加熱，每個溫區(qū)的燒嘴單獨控制，可以實現(xiàn)均溫性，也可以自動根據(jù)溫度調(diào)節(jié)補風(fēng)量。

2)每個溫區(qū)采用1個高精度智能控溫儀和1支K分度號熱電偶控溫，另設(shè)1個智能控溫儀表及1支熱電偶作監(jiān)控報警。

3)采用優(yōu)質(zhì)保溫材料和新型設(shè)計，加熱區(qū)域的溫度均勻性好，爐內(nèi)截面的溫度均勻性可以達到±3 ℃。

1.3 尾氣余熱回用技術(shù)

廢線路板低溫?zé)峤庋b置的核心系統(tǒng)采用余熱回收技術(shù)。尾氣余熱回收風(fēng)冷換熱系統(tǒng)如圖5所示。在尾氣處理系統(tǒng)中，二次高溫燃燒后的高溫尾氣通過風(fēng)冷換熱器進行換熱，換熱后產(chǎn)生的200～300 ℃熱風(fēng)為二燃室燒嘴提供助燃補氧風(fēng)。熱解尾氣的出口設(shè)置在廢線路板進料段附近，熱解過程產(chǎn)生的尾氣從加熱段經(jīng)過進料段再排出，對進入爐內(nèi)的廢線路板原料進行預(yù)熱。以上方式可實現(xiàn)尾氣熱能的回收利用，節(jié)能減排，降低裝備能耗。

1.4 連續(xù)無氧熱解裝置優(yōu)點

連續(xù)無氧熱解裝置具有以下特征：

1)物料無需舟皿盛裝，直接均勻布置在連續(xù)運行的不銹鋼鋼帶上進行處理。氣體的流動性好，不存在死角。

2)加熱裝置均勻布置于爐體內(nèi)部，熱解反應(yīng)充分，實現(xiàn)廢線路板充分碳化。

3)利用環(huán)形鋼帶等傳動裝置，實現(xiàn)廢線路板自動鋪料以及自動進出料，設(shè)備自動化程度高。

4)爐體分區(qū)控溫，溫場調(diào)控性好，產(chǎn)品在爐內(nèi)加熱與工況條件一致，質(zhì)量穩(wěn)定。

5)物料在爐內(nèi)為靜止?fàn)顟B(tài)，料層較薄，熱量及氣氛滲透性好，尾氣出口基本無揚塵。

1.5 連續(xù)無氧熱解裝置存在的問題

連續(xù)無氧熱解裝置安裝完成后，通過試運行發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

1)物料無法冷卻，出料溫度為100 ℃左右，在這個溫度下物料與空氣接觸后會發(fā)生反應(yīng)，致使回收得到的產(chǎn)品品質(zhì)低。

2)產(chǎn)能達不到萬噸級處理規(guī)模，無法形成規(guī)模化、工業(yè)化經(jīng)濟效益。

3)無自熱回用系統(tǒng)，大量的熱能被浪費，導(dǎo)致裝備能耗高。

4)無油氣分離系統(tǒng)，無法實現(xiàn)熱解油、熱解氣的高值化資源利用。

針對上述問題，對廢線路板連續(xù)無氧熱解裝置進行改造，重點考慮提高產(chǎn)能和增加物料冷卻功能。

2 第1次改造優(yōu)化

為了提高產(chǎn)能，該系統(tǒng)增加了一節(jié)加熱爐體，總加熱爐體長度為20 m，出料結(jié)構(gòu)改成多級螺旋結(jié)構(gòu)。加熱方式還是天然氣間接加熱爐體，熱解過程中產(chǎn)生的熱解氣同樣進入二次燃燒室燃燒(圖6)。

圖6 廢線路板連續(xù)無氧熱解裝置第1次改造后工藝流程圖

經(jīng)過工藝優(yōu)化，廢線路板物料松裝密度為0.8 g/cm3，熱解溫度為500～700 ℃，熱解時間60 min，物料厚度80 mm，物料寬度150 mm，加熱爐體長度20 000 mm，則鋼帶線速度約為333 mm/min，廢線路板連續(xù)無氧熱解裝置每小時處理量約為1 662 kg，按年處理時間300 d計，年處理量約為11 000 t。

熱解段增長后，熱解氣產(chǎn)生量增大，原來的二次燃燒室無法實現(xiàn)熱解廢氣的無害化處理，因此將原來的二次燃燒室體積加大8 m3，從而實現(xiàn)熱解廢氣的充分燃燒。

第1次改造后，廢線路板無氧連續(xù)熱解系統(tǒng)實現(xiàn)了萬噸級的處理規(guī)模，尾氣處理系統(tǒng)可以實現(xiàn)熱解氣的無害化處理；采用多級螺旋的冷卻方式，物料出料溫度可以降至50 ℃以下，不會發(fā)生二次反應(yīng)，確保了產(chǎn)品的高質(zhì)量回收。但該系統(tǒng)缺乏油氣分離系統(tǒng)、自熱回用系統(tǒng)，依然無法滿足線路板全組分回收的要求。

3 第2次升級改造

第2次改造主要集中在油氣分離系統(tǒng)、自熱回用系統(tǒng)等方面。

物料熱解過程中產(chǎn)生的熱解混合氣經(jīng)過重力捕油器、一級捕油器、二級捕油器、三級捕油器后收集得到熱解油。熱解油冷凝完成后，通過堿洗塔、水洗塔進行脫鹵，脫鹵后生成的熱解氣作為熱源給熱解爐提供能量(熱解裝置啟爐時采用天然氣作為熱源，運行正常后采用熱解氣即可)。熱解氣通過多點式進風(fēng)的方式均勻給熱解爐提供熱量，實現(xiàn)恒溫?zé)峤狻峤鈿馊紵蟮膹U氣經(jīng)尾氣處理系統(tǒng)處理后達標(biāo)排放。改造后的工藝流程如圖7所示。

圖7 第2次升級改造后的工藝流程圖

第2次改造后的系統(tǒng)采用的關(guān)鍵技術(shù)如下：

3.1 多通道通氣溫場精準(zhǔn)控制技術(shù)

針對廢線路板熱解裝備因氣氛分布不均勻?qū)е挛锪戏磻?yīng)不充分的問題，開發(fā)了基于大型裝備密封的多通道供氣技術(shù)及裝置，如圖8所示。從圖8可以看出，向廢線路板熱解裝備進料端、反應(yīng)段和出料端提供目標(biāo)氣體時，通過控制多端供氣流量，確保目標(biāo)氣體匯入方向與反應(yīng)物料運行方向相反，形成氣體定向流動調(diào)控體系。各級裝置密封連接，氣體流動形成閉環(huán)，將熱處理裝備氣氛與外界雜質(zhì)氣氛有效隔離，解決現(xiàn)有技術(shù)裝備氣氛不充足的問題，提高熱處理效率。

圖8 多通道供氣溫場精準(zhǔn)控制技術(shù)及裝置

3.2 熱解裝備全流程智能控制技術(shù)

熱解裝備智能控制系統(tǒng)主要由集散控制系統(tǒng)、智能反饋控制系統(tǒng)和可視化系統(tǒng)組成(圖9)，可實現(xiàn)各工段運行狀態(tài)、原料進料及輸送狀態(tài)、出爐物料及輸送狀態(tài)、煙囪排放狀態(tài)、系統(tǒng)整體運行狀態(tài)等多方面的可視化，最終由中央控制系統(tǒng)進行統(tǒng)一調(diào)控。

圖9 智能控制系統(tǒng)設(shè)計及集成技術(shù)路線

由圖9可以看出，智能控制系統(tǒng)開發(fā)可編程邏輯控制器等集成性在線監(jiān)測設(shè)備，設(shè)計尾氣流量等數(shù)據(jù)及圖像釆集模塊，實現(xiàn)全流程及重要指標(biāo)可視化；綜合檢驗數(shù)據(jù)顯著性、敏感性，確定回收利用全流程的智能控制關(guān)鍵點；基于專家交互和PID 智能閉環(huán)反饋等技術(shù)，設(shè)計有機物裂解溫度等調(diào)控模塊，實現(xiàn)重要工藝參量智能控制。

可視化系統(tǒng)包括溫度變送器、流量計、壓力變送器、氧分析儀、網(wǎng)絡(luò)高清攝像機、錄像機和顯示器，采用實時圖像數(shù)據(jù)采集與在線監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)熱解全流程及關(guān)鍵指標(biāo)可視化。

中央控制系統(tǒng)主要由集散控制系統(tǒng)(DCS)統(tǒng)一管理，主要包括組態(tài)界面工控機監(jiān)控平臺、主電控柜系統(tǒng)、遠程 IO 模塊和現(xiàn)場實時監(jiān)控系統(tǒng)等各大模塊組成，其作用是實現(xiàn)熱解過程在線監(jiān)測及核心指標(biāo)的實時控制。

廢線路板連續(xù)無氧熱解裝置采用可編程控制器(PLC)進行控制，配備監(jiān)控器，可清晰查看裝置每個部位的具體運行情況。系統(tǒng)采用K分度熱電偶測量爐內(nèi)溫度；傳送帶采用變頻調(diào)速控制，可以直接讀取傳送帶的運行速度；系統(tǒng)還具備遠程診斷的接口及功能。此外，系統(tǒng)設(shè)有冷卻水超溫報警、點火故障報警及電機故障報警等警告設(shè)施，并具有緊急制動的功能，可提高設(shè)備的安全使用性能。

3.3 熱解油氣定向分離捕集技術(shù)

廢線路板連續(xù)無氧熱解裝置凈化系統(tǒng)包括重力捕油器、一級捕油器、二級捕油器、三級捕油器、堿洗塔以及水洗塔。通過多級捕油器可以實現(xiàn)熱解油定向捕集、有害元素深度脫除，實現(xiàn)廢線路板中的油、氣完全分離和清潔回收利用。

3.4 第2次改造后優(yōu)勢

與第1次升級改造相比，第2次優(yōu)化改造通過增加油氣分離系統(tǒng)，熱解氣的產(chǎn)生量降低至原來的30%，不僅減少了有毒有害氣體的排放量，而且降低了尾氣處理成本，達到節(jié)能減耗的目的。通過收集熱解油并且進行除雜脫鹵等處理，熱解油可以作為替代能源，苯酚等成分經(jīng)過提取后也可以作為原料或替代能源二次利用，真正實現(xiàn)熱解油的高值資源化回收。此外，通過溫場流場精準(zhǔn)控制技術(shù)，熱解過程產(chǎn)生的氣體較少且較純凈，有利于提高資源回收產(chǎn)率。

4 結(jié)束語

通過對廢線路板可控低溫連續(xù)熱解系統(tǒng)的兩次改造，解決了原系統(tǒng)處理規(guī)模小、熱解產(chǎn)物回收質(zhì)量差、熱解油和熱解氣資源化利用低、無法實現(xiàn)精準(zhǔn)控制和系統(tǒng)能耗高等問題。改造完成后，該示范工程可以實現(xiàn)萬噸級處理規(guī)模，并且油氣高效定向分離后，熱解油、熱解氣可以實現(xiàn)高效高質(zhì)量的資源化回收。此外，通過熱能回收利用，實現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。該示范工程的建設(shè)為我國廢線路板熱解技術(shù)理論體系和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)裝備取得突破提供了技術(shù)支撐。