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废旧印刷电路板回收自动化生产线的评估试验
文章作者:admin 上传时间:2019/12/7 15:44:44

印刷电路板(PCBs)是一般电子电器设备不可 或缺的组成部分,其废弃量约占电子废物总量 (2016年约为5×10 7 t)的3%以上LI-21。PCBs组成 复杂,含有多种有价金属及有害物质。一方面,废旧 印刷电路板(WPCBs)具有较高的资源性,其所含的 铜、金和银等金属,是天然矿藏的10倍以上"“1;另 一方面,WPCBs是危险废物,其包含大量有毒重金 属(如Pb、Cr、Cd、Hg、As)和有毒有机物(如溴化阻 燃剂、多环芳烃)等"‘6 J。从环境保护和资源可持续 利用的角度来看,废弃印刷电路板的资源化回收已 成为全球关注的热点问题。 

多年来,全球超过70%的WPCBs最终流人中 国,其中只有不到10%的WPCBs由具有资质的专 业公司处理怫J。WPCBs的不合理回收现象仍大量 存在,对环境造成了严重的危害。其主要原因在 于:一是具有资质的专业回收公司的大型环保回收 设备投资大、运行成本高,其所能提供的原材料收 购价格较低,而目前WPCBs价格相对较高,导致其 原材料供应不足;二是小型回收公司或个体户资金 不足,无力购买大型环保回收设备一J,因此,降低 WPCBs回收设备成本以及运行费用是解决上述问 题的有效手段。 目前,与其他废旧电路板回收方法相比,机械一 物理法回收技术因包括多级破碎、磁选、筛分、静电 分选和旋风分选多道工艺,已被证实是一种低成本、 环境友好的WPCBs回收金属方法¨0I。然而,其中 的先决环节——电子元器件(ECs)拆解,目前还停 留在手工操作阶段,即使在具有资质的专业公司中 也是如此‘11|。 为了解决以上问题,陈海焱等¨2|、张明星等¨列 提出一种具有工业化应用前景的WPCBs元器件的 拆解技术,利用工业余热为加热源,以脉动喷吹为动 力源,实现了元器件的高效拆解。Chen等¨4|、曾川 等【l纠对拆解设备内部温度和气流速度分别进行了 数值模拟,对拆解过程的影响因素及影响机制进行 了深人探讨。张尚等¨6|、陈俊冬等Ⅲ1研究了差速 对辊式破碎机的设计原理,并应用于WPCBs的粗碎 过程,取得了良好的破碎效果。贾传伟等¨8。191利用 分级式冲击磨对WPCBs的细碎与分选过程进行研 究,实现了WPCBs细碎与金属分离。然而,这些都 属于独立的基础性研究,技术产业化才是本研究的 最终目标。

 本文的目的在于改进机械_物理法回收技术,完 善ECs拆解和金属回收流程,建立WPCBs回收自动 化生产线,降低回收设备成本和运营成本。 

1 WPCBs回收自动化生产线 

1.1 WPCBs回收工艺流程 为了实现高效、低成本和大规模应用,所建立的 WPCBs回收自动化生产线主要包含3个部分: WPCBs拆解系统、粗碎系统、细碎一金属分离系统。 WPCBs经拆解系统分离出电子元器件和焊锡之后,废旧印刷电路基板(WPWBs)被送 人粗碎系统;先由差速对辊式破碎机进行剪切破碎, 随后被送人锤破机进一步粗碎;最后,所得粗碎产物 被送入细碎—金属分离系统,完成金属与非金属成分 的分离。 

1.2生产线设备 WPCBs回收自动化生产线中,粗碎系统由差速 对辊式破碎机和锤破机组成,细碎一金属分离系统由 分级式冲击磨(含粉碎机和分级机)、滤筒除尘器和引 风机组成。WPCBs回收自动化生产线如图2所示。 该生产线的实验条件¨引为:拆解温度260℃,喷 吹压力0.2 MPa;差速对辊式破碎机中,齿辊1的转速 rl设为10 r/min,齿辊2的转速r2设为20 r/min;细 碎一金属分离系统中的分级式冲击磨的粉碎机主机 频率为2 400 r/min,引风机频率为3 000 r/min。 

2评估试验 

2.1试验材料 为了准确评估WPCBs回收自动化生产线的技 术及经济可行性,选用100 kg废旧电脑电路板为实 验原料,其长、宽、高尺寸范围从150 mm×80 mm× 2 mm到460 mm×330 mm×2 mm,由青岛新天地环 境保护有限责任公司提供。 

2.2试验流程 首先,将WPCBs送入拆解设备,完成元器件的 拆解并记录元器件拆解情况;之后,将拆解后的废旧 电路基板经粗碎设备破碎,收集并记录破碎情况;最 后,将粗碎后的物料送人分级式冲击磨一步完成 WPCBs的细碎以及金属与非金属的分离。 物料金属含量具有差异性,为了获得较好的金 属与非金属分选效果,因此,需要针对物料的特定性 质优化分级式冲击磨的分级机的转速。 

2.3 WPCBs拆解试验 ECs拆解是WPCBs拆解系统的关键环节,其主 要功能是将ECs、焊锡和基板分离,然后对ECs中有 价值的材料进行回收利用,对含有毒有害物质的元 器件进行无害化处理旧0|。热处理法是使ECs和基 板分离的较好方式旧¨。拆解温度和喷吹压力是元 器件拆解的主要影响因素。 电子电器产品中所用焊锡多为63%Sn37%Pb, 其熔点为183.3℃,但考虑到拆解速率和热传导梯 度等因素,对于一块大约600 g的WPCBs来说,拆解气 源温度应不低于260 oC,喷吹压力应不小于0.2 MPa 才能满足元器件从WPCBs上脱落的需求喁,22|。 WPCBs拆解试验过程见图3。由图可知,拆解 系统主要包括进料口、工作腔、脉冲喷吹管和出料 口。在拆解ECs时,WPCBs经人料口进人工作腔, 加热一段时间后由脉冲喷吹管提供喷吹激震力,使 元器件脱落。拆解完成后,废旧电路基板和元器件 由出料口收集。 试验结果表明,在260 oC、0.2 MPa这组最优条 件下,WPCBs上的元器件基本脱落,其拆解率达 95%以上,并且所有元器件外观均无损坏。 WPCBs拆解系统在拆解过程中WPCBs无需固 定,拆解设备适用性广;具有自动送料与卸料功能, 生产效率高;采用工业余热作为热源供应,因此, WPCBs拆解系统设备简单,运行成本低,同时减少 了工业余热的热污染旧,14J。 

2.4 WPWBs粗碎试验 粗碎系统的功能是使WPWBs中金属与非金属 解离。WPWBs中混合着强化树脂、金属、玻璃纤维 等物质,硬度高、韧性强。WPWBs的破碎设备的选 择决定了设备能耗的高低、运行稳定性以及分离效 率旧3|,因此,WPCBs粗碎系统采用差速对辊式破碎 机和锤破机进行粗碎。 图4为差速对辊式破碎机的结构简图。差速对 辊式破碎机由左、右双动力系统、箱体和一对辊筒组 成。当WPCBs进入差速对辊式破碎机时,每副辊齿 相互咬合提供剪切力,齿辊1与齿辊2相向运动; 2个辊筒转速不同,能够提供拉伸作用,因此, WPCBs同时受到齿辊1与齿辊2对其产生的摩擦 力与压力,实现了对WPWBs的第1次粗碎。 WPWBs粗碎试验见图5。由图可知,WPWBs 先经人料口进入差速对辊式破碎机,调节其2个不 同齿辊的转速,对WPWBs进行剪切破碎,使 WPWBs中金属与非金属解离,完成第1次粗碎。 将第1次粗碎的产物再经锤破机进行简单锤破,实 现了WPWBs的第2次粗碎。每1次粗碎完成之 后,WPWBs由出料口收集。 WPWBs粗碎试验结果表明,当齿辊1的转速为 10 r/min、齿辊2的转速为20 r/min,即2个辊筒的 差速比为l:2时,90%以上的WPWBs被剪切为 15 mm x 15 mm以下的粗碎产物,剪切破碎效果良 好,实现了第1次粗碎过程。随后,再采用锤破机将 粗碎产物进一步减小至8 mm×8 mm以下,以便更 好地满足分级式冲击磨对进料的粒径要求。 

2.5 粗碎产物的细碎_金属分离试验 图6为分级式冲击磨的原理图。分级式冲击磨 不但可以将粗碎产物实现进一步细碎,还能实现金 属与非金属的分离Ⅲ1,粗碎产物的细碎与金属分离 是一步完成的,因此减少了设备数量,节约了设备投 资、能源消耗以及占地面积。 图7是粗碎产物的细碎一金属分离试验过程。 当粗碎产物进入分级式冲击磨时,直接落入高速旋 转的磨盘中,粗碎产物首先被冲击磨中的锤头击碎; 在锤头产生的离心力作用下,粗碎产物与锤头及外 周边固定的齿形轨道产生高速碰撞,实现了粗碎产 物的再次细碎;然后,细碎的物料经内部的上升气 流带到分级区,实现金属与非金属的分离,并对已 粉碎至预期粒度的非金属粉进行收集。由于金属的 密度较大,因此在重力的影响下,金属被留在了冲 击磨中。 

3结果与讨论 

3.1 回收产物的微观形貌表征 为了评价分级式冲击磨的破碎与分级效果,对 回收产物进行SEM分析,回收产物的扫描电镜图像 如图8所示。 由图8a可以看出,回收的金属铜粉颗粒呈球 状,1 mm筛网过筛率为99%,有利于进一步的提纯 与应用。由图8b可知,回收所得的非金属富集体呈 暗灰色,主要由柱状和小颗粒状物质组成,粒径较金 属富集体小,0.425 mm筛网过筛率为95%。 

3.2生产线评估方法 评估试验完成后,利用电感耦合等离子体发射 光谱仪(ICP—OES)测量原料与回收物料中铜的含 量,并利用扫描电子显微镜(SEM)分析物料的表面 形态。 生产线的评估参数主要由元器件拆解率和金属 与非金属分离效率组成。 元器件拆解率的计算公式为 xi=(·一笔)×,。。%, c,, 式中:x。为拆卸率,%;n,为拆卸后WPCBs上电子 元器件的数量;n:为拆卸前WPCBs上电子元器件 的数量。 金属与非金属分离效率的计算公式为 K:盟×100%/, 』.一 ^ ‘ mowo (2) 式中:K为金属与非金属的分离效率,%;m。为进入 分级式冲击磨的原料质量,kg;m,为回收金属的质 量,kg;W。为原料中铜的含量,%;W。为回收金属中 铜的含量,%。 

3.3 回收产物分离效率的优化 分级式冲击磨的分级机转速对金属与非金属回 收产物的分离效率有很大的影响。因此,根据所用 的物料特点,进行了冲击磨的分级机转速优化实验。 分级机转速对回收产物分离效率的影响见表1。 表1 分级转速对回收产物分离效率的影响 Tab.1 Effect of stage speed on separation efficiency of recycled products 由表1可知,分级式冲击磨的分级机转速的增 加有助于提高金属与非金属的分离效率以及金属富 集体中的铜品位。当分级机转速为l 800 r/min时, 金属与非金属的分离效率达94.4%,其中,回收的 金属富集体中铜品位达95.4%。 

3.4经济性评估 由于原材料价格与回收技术无关,因此只对回 收金属的工艺成本与利润进行经济评估。其中,只 考虑设备折旧费和能源(电力和工业余热)折旧费, 不考虑人工费、运输费等费用。在将WPCBs回收自 动化生产线应用于实际生产之前,还应作更为具体 详细的经济性评价。 所进行的经济性评估中,价格均来自当前市场 价格。假定WPCBs回收自动化生产线处理量为 0.3 t/h,使用寿命为3 650 d,每天工作时间为8 h。 细碎—金属分离试验结果表明,金属与非金属的 分离效率达94.4%,回收铜粉中铜品位达95.4%。 假设原材料WPCBs的价格约为5 913元t./t,其铜含 量约为20%;废铜价格按37 812形t计(其铜品位 为95.4%);拆解设备投资4约为20.7万元,耗电 量P。为10 kW(包括输送管道的热量);工业余热 (废蒸汽)消耗量按每吨WPCBs消耗0.16 t废热 计;对辊式破碎机投资B约为75 900元,耗电量P。 为10 kW;锤破机投资C约为55 200元,耗电量P,为 7.5 kw;分级式冲击磨投资D约为20.7万元,耗电量 P。为30 kW;四川省电力成本E约为0.8形(kW·h); 四川省废蒸汽F约为20.7形t。 WPCBs回收自动化生产线的拆解工艺成本M 的计算公式为 d P. M=—面蒜+E×恙+F舢0 … 650 8 0 3 0 3 163 。 ××. 一. 。‘~ (3) 改进的机械一物理生产线工艺成本Ⅳ的计算公 式为 Ⅳ=3』650罴‰0 3一警0 3 一 ×8×.…、 o(4) . ”、。7 经计算可知,WPCBs回收自动化生产线每处理 每吨WPCBs的拆解工艺成本为53.6元;而改进的 机械-物理生产线工艺成本为165.3元;该生产线每 处理1 t的WPCBs,利润可达803元。可见,WPCBs回收自动化生产线成本低、能耗低、利润高,并且对 环境没有危害,符合WPCBs资源化技术的要求。

 4结论 

1)分级式冲击磨实现了WPCBs的进一步细碎 和回收产物的分离,节约了设备投资和占地面积。

2)分级式冲击磨的分级机转速对回收产物的 分离效率影响较大。当分级机转速为1 800 r/min 时,金属与非金属回收物的分离效率达94.4%;回 收的金属富集体中铜品位达95.4%。 

3)ECs拆解工艺利用工业余热为热源,脉冲喷 吹为动力源,实现了元器件的低成本、高效率自动化 拆解。 

综上,WPCBs回收自动化生产线成本低、能耗 低、利润高,对环境没有危害,符合WPCBs资源化技 术要求,实现了WPCBs回收的大规模、工业化生产。