宝钢工业废电气控制柜资源化处置技术探讨

沈海泉,周明远,曹　克(.上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海009;.宝钢工程技术集团有限公司,上海0900)

宝钢工业废电气控制柜资源化处置技术探讨

沈海泉1,周明远1,曹克2
(1.上海第二工业大学环境与材料工程学院,上海201209;2.宝钢工程技术集团有限公司,上海201900)

摘要:简要分析了工业废电气控制柜的产生背景、处置现状,以及资源化的意义,旨在为工业类报废电气设备的资源化提供相关参考。介绍了电气控制柜的基本种类和基本组成,对宝钢工业废电气控制柜进行了调查取样分析和资源化处置的探讨,认为以废旧元器件再商品化为主、材料的资源化为辅是宝钢工业废电气控制柜的最佳处置方式。

关键词:工业电子废弃物;废电气控制柜;资源化

0　引言

当前,我国经济发展新常态面临由制造大国向创新大国的转变,国内工矿企业的技术升级和产业转型的实施,伴随产生了以废电气控制柜为代表的大量工业电子废物,而国内外关于电子废物的处理与处置主要关注的是废旧家用电器和办公电器,目前尚无针对工业电子废物的研究,大量老旧电子电气设备被废弃,至今尚未得到科学的处理处置,其中不乏危险废弃物。可以说,工业电子废物的资源化领域还属空白。宝钢是中国钢铁的领军企业,在产业升级方面一直走在全国乃至世界的前列,同样面临着上述问题,每年有大量的工业电子电气设备尤其是电子电气控制设备报废,目前采取的处理方式是先堆置于专用工业仓库,并定期以废钢铁售卖处理,这种方式不但忽视了此类物资的潜在附加值,而且极有可能导致危险废弃物的流失,造成严重的环境污染。本文针对宝钢报废的电气控制柜进行了调查分析与研究,为工业类报废电气设备的资源化提供相关的参考。

1　电气控制柜的种类与基本组成

电气控制柜资源化的难点在于其种类繁多且多为非标定制件,拆解难以流程化、规范化。目前电气控制柜主要有变频控制柜、PLC控制柜、低压控制柜、高压控制柜、防爆控制柜、电梯控制柜、消防控制柜、砖机控制柜等种类,组成电气控制柜的电器元器件主要有各种继电器、接触器、变频器、PLC、断路器、熔断器、热继电器、按钮、操控开关、调节旋钮、指示灯、指示仪表、触摸显示屏等[1]。据调查,宝钢产生的废弃控制柜中所占比例较大的主要是变频控制柜、PLC控制柜。这两种柜子虽然功能、用途有所不同,但在主要组成上除了核心大部件以外的其他电器元器件基本相同。

变频控制柜有变频、调速、节能等功能,最典型的应用是电机的调速和启动,风机和泵是工业生产中常见的变频控制柜。其一般组成电器元件有:供电母线、控制电源变压器、防雷浪涌器、熔断器、滤波器、空气断路器、接触器、电抗器、变频器、继电器、开关、指示灯、端子板、汇流条、显示屏等[2]。

PLC控制柜是一种采用了计算机技术的可编程控制柜,具有顺序控制、计时计数控制、数据处理、运动控制、闭环控制、通信联网等功能,应用于工业生产和民用领域的方方面面,典型应用如数控机床、自动化生产流水线的电气控制[3-4]。其一般组成电器元件有:PLC主机(包括CPU、存储器、输入端口、输出端口)、供电母线、控制电源变压器、防雷浪涌器、熔断器、滤波器、空气断路器、接触器、电抗器、变频器、继电器、开关、指示灯、端子板、汇流条、显示屏等。

2　宝钢工业废电气控制柜调查与分析

一般工矿企业技术改造的过程中和日常维修中产生的废电子电气设备及器件综合起来主要有:废电气控制柜,废仪表仪器,废机器设备,废变压器,废电瓶电容,废电机,废变速箱,废压缩机,废机床,废电缆线等。据调查,宝钢工业生产过程中每年产生上述的电子废物约1.53万t,比较典型的是:废电气控制柜(变频控制柜、PLC控制柜、低压供电柜等),废仪表仪器,废变压器、废电瓶电容,废电动机。其中65%是各类废电气控制柜,表1和图1统计了宝钢集团2005∼2013年产生废工业电气控制柜的种类和总量。

图1　宝钢2005∼2013年各年份产生废工业电气控制柜的种类和总量Fig.1 Trends for the type and amount of Baosteel’s waste industrial electrical control cabinet generated from 2005 to 2013 each year

表1　宝钢产生废工业电气控制柜统计Tab.1 The types and quantities of Baosteel’s waste industrial electrical control cabinet

可见,宝钢集团每年产生废旧的盘、箱、柜(各种电气控制柜)在0.85万台左右。由图1可见宝钢历年产生废电气控制柜总量是稳定波动的,不同类别电气控制柜产生的量也是稳定波动的,平均每4年出现一次峰值,实际为高炉大修年,且产量约为1.02万台/a,其中,大部分是废变频柜和废PLC柜。

3　宝钢工业废电气控制柜拆解与价值预测

3.1废电气控制柜拆解分析

3.1.1拆解样品

拆解样品主要来自于宝钢所淘汰生产线中的各种电气控制设备(见图2),限于工业控制柜体积和重量较大等因素,共抽取了5套随机种类的电气控制柜作为本实验样本。

图2　样品现场采集示意图Fig.2 Schematic diagram of samples collected in the field

3.1.2初次拆解

初次拆解的目的是将电气控制柜中的主要元器件从箱体中完整拆下,统计元器件的种类和数量,预估整个宝钢此类废旧元器件的产生总量,并对其再商品化市场价值进行评估。拆解所得元器件的种类、数量和价值见表2。据宝钢以往维修经验数据,80%的元器件有回用价值,在此基础上按年产1.02万套废电气控制柜计,估算宝钢大修年份产生的废电气控制柜中各类可用电气元器件的总量,并调查了不同元器件新品和旧品的市场均价,对每一种元器件的二手市场价值进行预测。保守估计,废电器控制柜产量最高年份产生的元器件二手市场总价可达1 121.8万元。其中,价值量主要集中于接触器、输出滤波器、变频器、PLC、触摸屏等二次利用率较高或产量较大的电气元器件上,电抗器、开关、指示灯等的二手市场价值量也较为可观。

表2　废电气柜初步拆解器件种类及价值预测Tab.2　Preliminary dismantling experimental five sets of electrical cabinets and forecast data obtained

3.1.3二次拆解

二次拆解的目的是对初次拆解所得核心大部件及其他代表性元器件进一步拆解以了解其材料组成比例和危险废物含有情况,并对核心大部件材料的再生资源市场价值进行了评估,对材料简易资源化与深度资源化进行了对比。

图3为主要元器件进一步拆解示意图。实验拆解了由初拆所得的全部核心大部件(3台变频器、2套PLC)总计101.7 kg,对拆解后的各类材料进行分类和称重,计算了不同材料所占比重,并根据再生资源市场价格分别进行了估值,结果见表3。本实验大部件的资源化估值为835.72元,而图4和图5则反映了线路板和铜对大部件组成材料的资源化再生市场价值的贡献,两者重量占比之和为23.45%,然而价值占比之和达到了71%,体现了两者是提升工业废电气控制柜附加值的主体,并推算出宝钢大修年份废变频器和废PLC拆解材料资源化价值为167.144万元。

图3　主要元器件进一步拆解示意图Fig.3 Schematic diagram of the main components of a further dismantling

图4　各材料组分质量占比Fig.4 The weight proportion of each material component

图5　各材料组分价值占比Fig.5 The value proportion of each material component

3.2废电器控制柜集成线路板元素含量分析

(1)分析仪器。电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES,Thermo,A-6300)。

(2)分析样品。线路板粉末样品经消解处理后所得无色溶液。

(3)实验步骤。首先将拆解所得12.01 kg线路板破碎混合均匀,再取适量碎料研磨成粉末,接着取2 g粉末用10 mL王水(HCl:HNO3=3:1,体积比)将其消解,用带滤头的针筒过滤出1 mL溶液,然后稀释并定容100 mL至比色管中即得待测样品。依此法再做若干组平行样,最后用ICP分别测定其各元素含量(mg/L),经单位换算可计算出本次实验的变频器和PLC样品线路板中各类贵金属重量,并计算其所占比重、价值量,具体结果如表4所示。

表3　电气控制柜样品中主要大部件的拆解及资源化价值预测Tab.3　The resource reuse value estimate of the main large parts in the electrical control cabinet sample

表4　对线路板的元素分析和资源化价值预测Tab.4　The elemental analysis and resource value estimate of the of the board

工业用线路板中主要含金、锡、铜、镍、银等有色金属以及其他非金属材料,其中含量最大的有色金属是铜,占13.8%,非金属材料是整个线路板材料组成中占比最大的部分,达到了78.17%。

而由图6和图7可以看出工业废线路板中含量仅为21.83%的有色金属是其价值的绝对体现,因此有色金属的提取是工业废线路板资源化的核心,尤其是金的含量直接决定废线路板的价值,其次是银,锡、铜的价值量也较显著。

图6　各有色金属质量占比Fig.6 The weight proportion of each Non-ferrous metals

图7　各有色金属价值占比Fig.7 The value proportion of each Non-ferrous metals

工业电气用线路板中的金含量为0.032%,即每吨工业废线路板中含320 g金,远高于近年来民用类电脑主板(废线路板)的每吨80 g[5],略低于郭杰、曾伟民等[6-7]报道的每吨450 g。本次实验中线路板的深度资源化估值合计为1 600.71元。

4　结语

(1)工矿企业的技术升级和产业转型,伴随产生大量以废电气控制柜为代表的工业电子废物,通过对宝钢集团近9年产生的废电气控制柜的调查和分析,认为对其资源化利用途径和工艺技术应引起足够重视。

(2)以废电气控制柜中电气元器件再商品化和基础材料再生循环利用为宗旨,预测了宝钢废电气控制柜价值总量。随机抽取5台电气控制柜为试样,可知在宝钢高炉大修年份,产生的1.02万台废电气控制柜中的元器件再商品化总价值可达1 121.8万元;此外,废电气控制柜的壳体、固定盘、铜排条、铜线等其他废旧铜铁材料的重量占比达95%,即0.95万t,按废钢价1 670元/t保守估算,此部分价值总计为1 586.5万元。那么先将废旧元器件进行二次利用,再结合材料的资源化,可保守估计宝钢集团年产生电气控制柜的资源化价值总量在2 708.3(1 121.8+1 586.5)万元左右,这仅仅是宝钢工业电子废物中的电气控制柜控制部分,可以预见,整个宝钢乃至全国工矿企业的工业电子废物资源化处理处置将具有显著的经济效益。

参考文献:

[1]张维杰.电气控制柜设计与施工探讨[J].山东工业技术,2014(3):157.

[2]刘佳畅.浅谈变频控制柜设计安装规范[J].变频器世界,2008(6):60-64.

[3]电气控制与PLC技术[M].北京:清华大学出版社, 2005.

[4]夏克桥.浅谈PLC技术在矿山机电控制中的应用[J].中国新技术新产品,2009(4):91-91.

[5]周全法.废旧家电资源化技术[M].北京:北京化学工业出版社,2012.

[6]郭杰,李佳,路洪洲,等.基于循环经济概念下的废弃电路板的再利用[J].材料导报,2006(11):25-27.

[7]曾伟民,朱海珍,叶子婕,等.生物湿法冶金技术回收废弃线路板中有价金属的研究进展[J].有色金属科学与工程,2013(1):26-30.

中图分类号:X32

文献标志码:A

文章编号:1001-4543(2015)03-0196-05

收稿日期:2015-04-16

通讯作者:周明远(1963–),男,辽宁本溪人,教授,博士,主要研究方向为城市固体废弃物处理与处置。电子邮箱zhoumingyuan@sspu.edu.cn。

Discussion on Baosteel’s Industrial Waste Electrical Control Cabinet Resource Disposal Technology

SHEN Hai-quan1,ZHOU Ming-yuan1,CAO Ke2
(1.School of Environmental and Materials Engineering,Shanghai Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209,P.R.China;2.Baosteel Engineering and Technology Group Co.,Ltd., Shanghai 201900,P.R.China)

Abstract:The background and status and significance of resources disposition of the industrial waste electrical control cabinet is briefly analyzed.It aims to provide relevant reference of the resource manner which is for the scrap industrial electrical equipment.The basic types and the basic composition of electrical control cabinet are introduced.It also investigates and analyzes the industrial electrical control cabinet of Baosteel and discusses the disposal way of Baosteel’s industrial waste electric control cabinet.The results show that the best disposal way of Baosteel’s waste electrical control cabinet is based on the reuse of waste components and the resources of its material is supplement.

Keywords:industrial electronic waste;waste electrical control cabinet;resource reuse