如何实现可靠的PCR喂料

作者:Coperion K-Tron公司 John Winski 文章来源:PT塑料网 发布时间:2021-05-19
加工商们正面临着在其产品中使用更多消费后回收材料(PCR)的挑战。然而,实现这一目标在经济和技术上都存在着一定的障碍。喂料设备的设计及其为生产提供的优势将比以往任何时候都显得更加重要。

塑料行业已经认识到,要满足最终用户不断变化的消费行为以及全球范围内越来越严格的环保法规要求,就必须提高生产上的可持续性。回收在实现这一目标中起着关键作用。许多塑料加工业务正面临着如何在工业规模上实施高质量回收的问题。

在这一点上,诸如可生物降解塑料等新的选择还无法满足人们对它们的高预期。这些塑料产品只会在非常特殊的条件下降解。此外,在废料正确处置上对消费者进行的教育工作进展缓慢,而与此同时废品处理行业正在努力开发这种新的材料流应用。特别是当涉及包装应用时,在可预见的未来,传统塑料(例如PET、PE或PVC)将没有竞争力。为了不断减少使用塑料对环境造成的影响,塑料行业别无选择,只能向循环迈进。

为了尽可能在加工中增加二次原料的百分比,从回收公司的角度来看,最好使废塑料与新材料一样易于处理。

对于任何回收系统,机械设备的设计必须适应不断变化的要求,以处理轻质(低堆积密度)和重质(高堆积密度)材料,确保正确的计量。本文将探讨回收加工技术的发展和加工商在评估其当前的喂料设备时应该考虑的因素,以及喂料机的监测和对工艺变化做出反应和调节的能力。这些数据的可用性及其基于工业4.0自动化的管理,可以使最终用户适应未来的制造要求,包括更高的可追溯性、灵活性、适应性和整体有效性。

把物料加入生产过程的挑战

了解喂料过程中主材料和二次材料的显著差异非常重要。与任何回收材料一样,废塑料在尺寸、形式和堆积密度上是不均一的。因此,正确选择喂料技术对于确保最佳的散状物料流是至关重要的。

就投资和操作而言,最适合应用的喂料技术是既要在技术上合适,也要有良好的经济性。依靠已掌握各种技术并且可以在任何情况下提供正确喂料系统的供应商会有帮助。此外,有些供应商还提供如皮带式、振动式和螺杆式喂料机等。每种技术都有其自身的优势,起到关键作用的是将操作要求和生产过程结合在一起的专有加工技术。

单螺杆挤出机在塑料回收中普遍应用,它主要采用容积式喂料机,该喂料机仅适用于喂入密度一致的散状物料。但用来处理二次物料时,会因物料不均的特性而迅速导致流动行为的不规则性。

相比之下,双螺杆挤出机(通常用于二次塑料的升级改造以达到更好的质量)通常与重力式喂料机配合使用,该喂料机运行更精确,并且由于重力信号的作用,可以更好地应对堆积密度和物料流的波动(如图1所示)。而且,其喂料情况能被精确记录。

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图1  Coperion K-Tron重力式喂料机将物料喂入配混过程中

处理流动困难的物料

在某些情况下,喂入回收料给喂料设备供应商带来了挑战。在选择合适的喂料机之前,重要的是确保物料能够通过料斗到达喂料装置。 由于材料尺寸的变化(如图2所示),可能会发生架桥(拱形)或鼠洞。连在一起的回收料片往往会在螺杆排气装置上方形成架桥,这样会导致喂料机缺少物料。最终结果可能对产品配方的完整性造成灾难性的影响,并生成不合格产品。为此,供应商可通过增加外部搅拌来解决这个问题。(如图3所示)。

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图2 PCR的形状和大小各异,这些不同会导致喂料机中出现架桥(拱形)或鼠洞

在使用失重式喂料机(LIW)时,如果控制系统无法滤除外部振动(包括因在进料斗上使用标准振动器而产生的振动),这些振动可能就会干扰LIW信号。市场上也有一些新的控制技术利用在料斗上的振动,比如Coperion K-Tron ActiFlow物料振动流化器(如图4所示),它包括直接与称重系统控制器结合的外部驱动器,可根据称重和控制系统检测到的重力不均的物料流以可变的频率和振幅运行。

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图3喂料机供应商使用各种搅拌系统来防止架桥,因为架桥可能会对产品配方的完整性造成灾难性影响,导致不合格产品的产生

 仅当LIW信号出现异常时,例如有鼠洞或材料架桥时,该实时装置才会激活外部振动。这种“智能”振动装置也可以自我调节频率和振幅,以补偿料斗填充水平或物料流的变化,从而避免形成架桥或鼠洞。

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图4  Coperion K-Tron ActiFlow物料振动流化器安装在产品区域之外,具有更小的空间要求

喂料技术

作为比较简单的组件,皮带秤喂料机是一种可靠的重量式喂料机,可提供高精度和高效率的过程控制。由于在出料前称重散状物料并主动适应皮带速度,该类喂料机能可靠地喂入大量的散状物料和具有不同流动特性的物料,因此说,皮带秤喂料机适合于处理堆积密度有波动的回收物料。

在许多应用中,为了使物料流平顺或可靠地输送易于在皮带上形成架桥的物料,将皮带秤喂料机与一台螺杆喂料机结合在一起作为预进料系统。称重带式喂料机的另一个优点是,即使配有预进料器,通常也需要比其他固定装置小的垂直间隙。许多皮带秤喂料机还配有可选的耐热硅带,以适于上游被加热的散状物料。

如果要输送较小的回收料或片料,或者将玻璃纤维添加到配混过程中,那么振动式喂料机是一个可行的选项。这类喂料机有各种尺寸,适于输送各种散状物料,并可根据应用选择托盘。振动式喂料机没有遭受磨损的机械部件对于连续运行是有利的,因此这种喂料机几乎无需维护。散状材料也不会经受机械冲击。该类喂料机成功运行的关键是确保物料从加料斗中流到振动喂料模块上方,不形成拱形或架桥。

然而,对于那些致力于尽可能多地使用回收料的公司而言,上述喂料技术还是不能满足需求。如果材料呈现出非常不规则的尺寸或形式,那么在某些情况下必须使用螺杆式喂料机——通常使用单螺杆。该类喂料机的旋转螺杆将物料从料斗输送并喂入下游过程。使用螺杆和水平搅拌器,可确保均匀的物料流。螺杆式喂料机有各种尺寸和配置。

必须区分单螺杆喂料机和双螺杆喂料机的使用。它们均可采用重量和容积设计。双螺杆喂料机的一个特点是可以在价值链稍后的时间点实施——例如在配混中使用。在配混中,该喂料机通过精确喂送较细的散状物料而与众不同,主要适用于添加剂。基于称重技术的高精度和精确的控制算法,双螺杆喂料机可以根据配方把其他材料精确地加入到工艺过程中,从而不断优化最终产品的质量。 

喂料机控制器

如果喂料机供应商为你成功推荐了喂料解决方案,那我们现在就可以了解喂料系统的功能。在讨论喂料机的技术改进之前,有必要了解其工作的基本原理。LIW喂料机由喂料斗、补料装置、带一个变速驱动器的出料装置、重力传感装置(数字或模拟)和控制器组成。喂料机操作员通过把信息发送到喂料机控制器来设置物料进料速度(设定点)(如图5所示)。

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图5 LIW喂料机由喂料器料斗、补料装置、带变速驱动器的出料装置、重力感应装置(数字或模拟)和控制器组成。喂料机操作员通过把信息发送到喂料机的控制器来设置物料进料速度(设定点)

喂料机运行时,出料装置从喂料斗中拉出物料并计量送到下游过程。重力感应装置连续将料斗中的物料重力(净重)报告给控制器。控制器根据净重损失计算实际进料速度,并与设定值进行比较,通过增加或减少出料装置的驱动速度来加快或减慢净重变化(料斗中物料的损失),以使进料速度与设定值匹配。

为防止喂料中断,控制器会定期命令补料装置向补料斗中加料。在每个短暂的补充周期中,来自料斗的净重信号都会增加,因此不能将其用作控制信号来确定要向过程中输送多少物料。为了解决这一问题,LIW喂料机在补料期间会暂时以容积模式运行。

喂料机控制器可以被集成到监控过程控制系统中,该系统可监控过程中的所有喂料机和其他设备。下面说明了LIW喂料机收集的数据如何帮助你及早发现工艺问题,确保产品质量,并在起动之前发现设置错误。

通过提高喂料机性能来提高生产率

LIW喂料机实时收集过程数据的能力可以帮助你在小问题变成大问题之前发现它们。目前的高级控制器可以包括通过多种协议进行通信的功能,有些甚至包括内置的以太网和可选的Wi-Fi模块。更新的控制器能够长时间存储历史数据记录。该数据包括进料速度、净重和驱动速度与进料速度的关系(称为进料因子)。一些喂料机的控制器商甚至可以提供长达6个月的数据存储。

关于作者

John Winski是美国新泽西州塞维尔(Sewel)市Coperion K-Tron公司的销售经理,负责公司美洲区域的喂料机、气动输送和工程系统销售。他在Coperion K-Tron公司拥有32年的工作经验,曾担任服务工程师、项目工程师和区域销售管理职位。

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