段 毅

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

礦山機(jī)械低碳環(huán)保發(fā)展模式及關(guān)鍵技術(shù)研究

段 毅

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

礦山機(jī)械是直接用于礦山開(kāi)采、選礦等作業(yè)的機(jī)械，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中扮演著重要角色，其傳統(tǒng)發(fā)展方式對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響較大。本文構(gòu)建了一個(gè)礦山機(jī)械低碳環(huán)保發(fā)展模式的生命周期圖，從設(shè)計(jì)制造、使用、維修和回收再制造四個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)分析礦山機(jī)械的低碳環(huán)保發(fā)展模式，闡述了節(jié)能、環(huán)保維修以及再制造三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

礦山機(jī)械；碳排放量；環(huán)境保護(hù)；回收再制造；低碳

礦山機(jī)械是直接用于礦物開(kāi)采和富選等作業(yè)的機(jī)械，廣義范圍包括探礦機(jī)械、采礦機(jī)械和選礦機(jī)械。礦山機(jī)械服務(wù)于煤炭、化工、建材、冶金等多個(gè)國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)部門(mén)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中扮演著重要角色。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)礦山機(jī)械在取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展的同時(shí)，也面臨著一些嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。比如，礦山機(jī)械在使用過(guò)程中，多采用柴油機(jī)為其提供動(dòng)力，眾所周知，柴油機(jī)不僅工作噪音很大，而且會(huì)產(chǎn)生有害排放物，二氧化碳就是其排出氣體中最主要的成分；在礦山機(jī)械的維修中，又容易產(chǎn)生廢棄物和電磁輻射；可見(jiàn)，傳統(tǒng)的礦山機(jī)械發(fā)展方式碳排放量較大，而且對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)礦山機(jī)械低碳環(huán)保發(fā)展模式已經(jīng)刻不容緩。礦山機(jī)械低碳環(huán)保發(fā)展模式的意義在于：①響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的號(hào)召，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與自然環(huán)境的和諧發(fā)展；②降低企業(yè)成本，提升企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力——礦山機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)通過(guò)加工再制造報(bào)廢零部件，不但減少了資源消耗，而且降低了生產(chǎn)投入，有利于企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的增加和參與行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)；③利用先進(jìn)的技術(shù)和前沿的制造工藝實(shí)現(xiàn)礦山機(jī)械的低碳環(huán)保發(fā)展，反過(guò)來(lái)又將對(duì)技術(shù)和工藝的向前邁進(jìn)產(chǎn)生促進(jìn)作用。

1 礦山機(jī)械低碳環(huán)保發(fā)展模式

在傳統(tǒng)礦山機(jī)械發(fā)展模式中，機(jī)械的生命周期包括設(shè)計(jì)制造、使用、維修以及最終報(bào)廢。低碳環(huán)保發(fā)展模式中礦山機(jī)械生命周期與傳統(tǒng)模式的最大不同之處在于，當(dāng)?shù)V山機(jī)械服務(wù)期滿(mǎn)，面臨報(bào)廢時(shí)，將其重新回收，進(jìn)行再制造加工[1]。礦山機(jī)械低碳環(huán)保發(fā)展模式的生命周期如圖1所示，各周期做出具體分析如下所述。

圖1 礦山機(jī)械低碳環(huán)保發(fā)展模式的生命周期圖

1.1 設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié)

1.1.1 可拆卸性

可拆卸性設(shè)計(jì)是一種使產(chǎn)品易于拆卸并能從材料回收和零件重新使用中獲得最高利潤(rùn)的設(shè)計(jì)方法學(xué)[2]。只有在設(shè)計(jì)階段就考慮到可拆卸性，才能保證在礦山機(jī)械服務(wù)期滿(mǎn)之后，拆卸工程量小，且不會(huì)損傷機(jī)械零部件，所拆下的材料有利用價(jià)值的，還可以進(jìn)行二次加工利用，實(shí)現(xiàn)有效率的回收。

1.1.2 材料選擇

材料是礦山機(jī)械的制造基礎(chǔ)，礦山機(jī)械是否能夠?qū)崿F(xiàn)低碳環(huán)保運(yùn)轉(zhuǎn)，材料是關(guān)鍵。礦山機(jī)械一般都龐大而復(fù)雜，制造中需要利用多種不同材料，這些材料的選擇除了應(yīng)滿(mǎn)足礦山機(jī)械的技術(shù)功能，還應(yīng)該具備以下共性：①無(wú)毒無(wú)害、對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響??；②易于回收利用或者可降解、可再生；③材料之間相容性較好。

1.1.3 制造工藝

礦山機(jī)械的制造過(guò)程也有可能對(duì)環(huán)境造成污染破壞，因此應(yīng)該采用綠色制造工藝，高效利用材料和能源，在制造中盡量控制廢棄物的產(chǎn)生，減少二氧化碳的排放量。在選擇環(huán)保的制造工具和加工設(shè)備的基礎(chǔ)上，改進(jìn)制造工藝，簡(jiǎn)化加工程序，例如：采用粉末冶金、壓鑄、鍛造、干式切削、低溫切削、高速磨削、鉆削、無(wú)氰電鍍等工藝技術(shù)[3]。

1.2 礦山機(jī)械的使用環(huán)節(jié)

1.2.1 低噪音

噪音是礦山機(jī)械對(duì)環(huán)境最?lèi)毫拥奈廴局?，因?yàn)樗粌H營(yíng)造了一個(gè)嘈雜的生產(chǎn)環(huán)境，更嚴(yán)重影響著礦山作業(yè)工人的身心健康。根據(jù)礦山機(jī)械噪音產(chǎn)生的原因，可以將噪音分為以下兩類(lèi)：①由機(jī)械部件振動(dòng)、相互碰撞或摩擦而產(chǎn)生的機(jī)械噪音；②由壓力變化、液體流動(dòng)造成的流體噪音[4]。礦山機(jī)械噪音產(chǎn)生的根源是振動(dòng)篩和破碎機(jī)。針對(duì)噪音產(chǎn)生的原因，礦山機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該積極采取相應(yīng)的措施：選擇雙模數(shù)和雙壓力角齒輪，或者采用雙排齒輪；降低應(yīng)力幅、振幅；控制能量沿著礦山機(jī)械的結(jié)構(gòu)進(jìn)行流動(dòng)傳播等等[5]。除了在噪音產(chǎn)生的源頭上采取措施消除噪音，還可以在噪音隔離以及設(shè)計(jì)制造消聲器等方面進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。

1.2.2 防泄漏

礦山機(jī)械的泄漏一般是指液壓系統(tǒng)的泄漏，是由管道接觸點(diǎn)不嚴(yán)絲合縫、密封表面過(guò)于粗糙或光滑、接合部件存在較大空隙、密封圈老化或者質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，油溫過(guò)高等問(wèn)題導(dǎo)致的油料泄漏。油料泄漏不但影響礦山機(jī)械的正常工作，浪費(fèi)油料資源，同時(shí)也會(huì)對(duì)礦山機(jī)械使用區(qū)的環(huán)境造成負(fù)面影響，而且不可生物降解液壓油可能引發(fā)火災(zāi)。因此，防泄漏是礦山機(jī)械低碳環(huán)保發(fā)展模式的重要環(huán)節(jié)。要防治油料泄漏，首先必須從密封方面著手，利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和優(yōu)良的制造工藝增強(qiáng)設(shè)備的密封性能，努力使油料泄漏減少到最低[6]。然而，由于泄漏的原因并不是唯一的，當(dāng)前的密封技術(shù)水平也存在一些局限，因此，當(dāng)?shù)V山機(jī)械的密封性能提高到一定程度時(shí)，還是可能會(huì)由于出現(xiàn)突發(fā)問(wèn)題而產(chǎn)生泄漏。如果希望礦山機(jī)械完全做到環(huán)保清潔，則應(yīng)該大力推廣水液壓傳動(dòng)和植物油等可生物降解液壓液的應(yīng)用。水液壓傳動(dòng)主要是以包括淡水和海水在內(nèi)的天然水作為液壓工作介質(zhì)[7]，它可以有效地節(jié)約能源，而且即使有一些泄漏也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成太大污染?？缮锝到庖簤阂旱慕M成基礎(chǔ)是植物油、聚乙二醇和合成酯，它不僅可以維持礦山機(jī)械液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且它的耗損產(chǎn)物是清潔無(wú)污染的。

1.2.3 少粉塵

礦山機(jī)械作業(yè)中不可避免地會(huì)排放大量的粉塵，飛揚(yáng)的粉塵不但污染礦山機(jī)械操作工地的環(huán)境，而且，工人吸入粉塵還會(huì)對(duì)人體造成危害。因此，礦山機(jī)械要低碳環(huán)保發(fā)展，就必須采取有效地方式控制粉塵排放，營(yíng)造清潔綠色的操作環(huán)境。防治粉塵的一般設(shè)備是：脈沖布袋除塵器和旋風(fēng)式除塵器，利用它們可以顯著減小粉塵密度。同時(shí)，還可以采用水霧除塵和靜電除塵的技術(shù)，它們的除塵效率高，一次可以?xún)艋嗟臍饬浚医Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能量消耗比較低。另外，因?yàn)槭欠蹓m飄飛造成污染，若用水霧將粉塵沾濕，則可以在很大程度上降低污染，按照這一思路，我們可以在礦山機(jī)械的廢棄物排放結(jié)構(gòu)處安裝水道，專(zhuān)門(mén)用于濕化粉塵?？梢?jiàn)，雖然粉塵是現(xiàn)階段礦山機(jī)械作業(yè)無(wú)法規(guī)避的伴生物，無(wú)法從源頭徹底杜絕，但也可以采用多種方法最大程度地減輕其對(duì)環(huán)境的污染破壞[6]。

1.3 礦山機(jī)械的維修環(huán)節(jié)

礦山機(jī)械在運(yùn)行工作中，由于操作不當(dāng)或者設(shè)備本身的原因，或多或少都會(huì)出現(xiàn)故障。傳統(tǒng)的設(shè)備維修，一般會(huì)產(chǎn)生固體廢棄物，并帶來(lái)電磁輻射等污染，不但破壞環(huán)境，更可能對(duì)維修人員的身體健康造成不良影響。低碳環(huán)保的維修過(guò)程應(yīng)該以提高資源綜合利用效率和對(duì)環(huán)境污染程度最低為出發(fā)點(diǎn)，在滿(mǎn)足節(jié)能、減排、降耗的條件下，使礦山機(jī)械恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.3.1 廢棄物處置

礦山機(jī)械維修中產(chǎn)生的廢棄物是指報(bào)廢的零件，切割、削磨過(guò)程中產(chǎn)生的碎屑，以及一些廢料垃圾。傳統(tǒng)的廢棄物處置方式是直接對(duì)其進(jìn)行焚燒，這就會(huì)產(chǎn)生大量的碳排放。從低碳環(huán)保的角度，對(duì)廢棄物的處置措施包括：①對(duì)維修中產(chǎn)生的固體廢棄物按照種類(lèi)的不同分開(kāi)存放，這有利于對(duì)廢棄物的分類(lèi)處理，例如，針對(duì)有害廢棄物應(yīng)進(jìn)行無(wú)害化處理，對(duì)于無(wú)害廢棄物，進(jìn)行一般化處理即可；②加快廢棄物處置的產(chǎn)業(yè)化，大力推進(jìn)廢棄物經(jīng)過(guò)科學(xué)的處理轉(zhuǎn)化為可用資源，減少不必要的焚燒。

1.3.2 防電磁輻射

對(duì)礦山機(jī)械表面修復(fù)的現(xiàn)代工藝是：高頻感應(yīng)加熱、等離子噴涂以及超聲波焊接等等。這些維修工藝的優(yōu)點(diǎn)是可以迅速有效地修復(fù)設(shè)備，缺點(diǎn)是存在電磁輻射污染。電磁輻射是電磁波的一種，相互垂直的磁場(chǎng)和電場(chǎng)根據(jù)時(shí)間的不同而釋放能量。人類(lèi)作為生物體，包含許多的生物電活動(dòng)，這些生物電很容易對(duì)吸收到的電磁波做出反應(yīng)，可見(jiàn)，電磁輻射會(huì)對(duì)維修人員的身體健康造成較大危害[8]。對(duì)此，維修過(guò)程必須采取以下防治輻射的措施：①利用金屬屏蔽輻射，將電磁輻射的作用控制在一定的空間范圍內(nèi)，并將屏蔽金屬體接地，以避免二次輻射，提高屏蔽效率；②將可吸收電磁輻射的材料置于輻射區(qū)域內(nèi)，降低輻射污染；③研究遠(yuǎn)程遙控維修工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)維修人員遠(yuǎn)離輻射場(chǎng)所也可以完成維修作業(yè)。

1.4 回收再制造環(huán)節(jié)

礦山機(jī)械回收再制造實(shí)際上是礦山機(jī)械環(huán)保維修更深程度的發(fā)展。它采用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，將報(bào)廢機(jī)械具備回收價(jià)值的零部件作為原材料，進(jìn)行二次加工改造提升?；厥赵僦圃斓墓に嚵鞒贪ǎ菏紫葘?bào)廢的礦山機(jī)械拆解、清洗，然后對(duì)零部件進(jìn)行檢測(cè)，篩選出有剩余利用價(jià)值的設(shè)備零件，對(duì)于一些可以直接進(jìn)行二次利用的零部件，如螺釘，清洗后分類(lèi)放置，方便以后直接利用；對(duì)于另一部分需要加工修復(fù)方可再次投入使用的零部件，如箱體、軸體等，進(jìn)行一定的處理，或改造或修復(fù)，并經(jīng)過(guò)檢測(cè)，質(zhì)量合格后再重新使用。對(duì)報(bào)廢礦山機(jī)械的傳統(tǒng)處理方式通常是將機(jī)械部件回爐煉鋼，回收再制造的方式不但節(jié)約了回爐燃燒所需的能源，還充分利用了報(bào)廢機(jī)械的剩余價(jià)值，最重要的是降低了碳排放量，避免了回爐冶煉對(duì)大氣造成的污染。此外，據(jù)統(tǒng)計(jì)，以報(bào)廢礦山機(jī)械的零部件為基礎(chǔ)，進(jìn)行再制造，其能源消耗是“從零開(kāi)始”完全進(jìn)行新產(chǎn)品制造的能源消耗的50%，原材料消耗僅是新產(chǎn)品制造的三分之一，勞動(dòng)力消耗為60%[9]。可見(jiàn)，礦山機(jī)械的回收再制造正是順應(yīng)低碳經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展潮流的。

2 礦山機(jī)械低碳環(huán)保的關(guān)鍵技術(shù)

礦山機(jī)械低碳環(huán)保發(fā)展模式的實(shí)現(xiàn)同樣需要先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)作支撐。為最大限度地減少能源消耗，減少碳，特別是二氧化碳的排放量，減輕礦山機(jī)械對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染和破壞，礦山機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該掌握如下關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 節(jié)能技術(shù)

礦山機(jī)械作為礦山開(kāi)發(fā)的主要設(shè)備，運(yùn)轉(zhuǎn)需要消耗大量能源，而能源的消耗必將導(dǎo)致大氣中溫室氣體的增加。因此，節(jié)能技術(shù)是礦山機(jī)械低碳發(fā)展的必然選擇。礦山機(jī)械的主要設(shè)備包括制砂設(shè)備、磨粉設(shè)備和破碎設(shè)備等。節(jié)約能源、控制有害氣體排放就應(yīng)該從這三個(gè)設(shè)備著手。采用沖擊式破碎機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)是在同等產(chǎn)量的條件下，能量消耗較低，而且破碎效率高；運(yùn)用MTW系列歐式梯形磨粉機(jī)，該設(shè)備不但自動(dòng)化程度很高，而且十分節(jié)省電力資源；選擇履帶移動(dòng)式破碎站，它綜合了受料、破碎和傳送的設(shè)備，是一條完整的破碎作業(yè)流水線(xiàn)，在高效完成作業(yè)任務(wù)的同時(shí)，燃油節(jié)省率高達(dá)25%。除了以節(jié)約能源的方式來(lái)控制二氧化碳的排放，我們還可以考慮研發(fā)使用清潔能源。

2.2 環(huán)保維修技術(shù)

維修是礦山機(jī)械生命周期的必經(jīng)環(huán)節(jié)，環(huán)保維修技術(shù)主要包括以下幾方面。①熱噴涂新技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)對(duì)礦山機(jī)械磨損的零部件進(jìn)行噴涂修復(fù)，以使報(bào)廢的零部件能夠重新投入使用，有利于資源節(jié)約。②虛擬維修技術(shù)。它不同于傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)維修方式，是一種采用計(jì)算機(jī)軟件，遠(yuǎn)程操作來(lái)解決礦山機(jī)械故障的維修手段。它的優(yōu)點(diǎn)在于遠(yuǎn)程控制，不但便捷高效，而且有利于避免維修人員吸收維修中產(chǎn)生的電磁輻射。③綠色切削技術(shù)。該技術(shù)主要針對(duì)需要滾齒、銑削的礦山機(jī)械零部件維修加工。它最顯著的特點(diǎn)是能夠?qū)⒂懈郊又档膹U棄物回收再利用，將有害廢棄物進(jìn)行無(wú)害化處理。

2.3 再制造技術(shù)

報(bào)廢礦山機(jī)械的加工再制造依賴(lài)于先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，主要是通過(guò)以下關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)廢舊產(chǎn)品性能的改造和提升：①高速電弧噴涂技術(shù)；②納米電刷鍍技術(shù)；③激光表面熔覆技術(shù)。采用前兩種技術(shù)修復(fù)的礦山機(jī)械產(chǎn)品，其耐磨性?xún)?yōu)越，采用后一種方法加工再制造的產(chǎn)品成品率高，性能良好。

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Research on development mode and key technical of low-carbon environmental protection in mining machinery

DUAN Yi

(State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology(Beijing), Beijing 100083, China)

The mining machinery, which is directly used in minerals mining and beneficiation, plays the role of the national economy, and the Traditional development mode has a negative influence on the environment. The author builds the life cycle of the low carbon environment protection development mode of mining machinery, analyzing of mining machinery from the four areas of design and manufacture, using, maintenance, recovery and remanufacturing. The author states three key technical from the energy conservation, environment protection maintenance, and remanufacturing.

mining machinery; carbon emission; environment protection; recovery and remanufactu-ring；low carbon

2016-06-21

國(guó)家重大儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目資助(編號(hào)：2012YQ030126)

段毅(1973-)，男，博士后，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橘Y源安全管理，E-mail：dy371@126.com。

TD4

A

1004-4051(2017)02-0152-03