废弃打印机硒鼓回收过程墨粉防爆研究.pdf

废弃打印机硒鼓回收过程墨粉防爆研究 * 李英顺黄晨朱理立顾卫星杨义晨 上海新金桥环保有限公司， 上海 201201 摘要 对打印机墨粉爆炸的有关参数 包括最大爆炸压力、 爆炸指数 Kmax、 爆炸下限、 粉尘层着火温度、 粉尘云着火温 度 进行了研究。结果表明 墨粉的爆炸压力比其组成树脂粉低， 这可能与其中不可燃的磁性氧化铁添加物有关; 墨 粉的爆炸指数为 18， 易于发生燃烧和爆炸; 墨粉的爆炸下限＜ 50 g/m3 较低， 爆炸上限很高， 易于形成可爆粉尘云， 但高于400 ℃ 时不着火， 不易发生自燃。研究结果将为废弃硒鼓墨粉的防爆提供基础数据， 对防灾决策的深入研究具 有参考价值。 关键词 废弃硒鼓;墨粉;粉尘爆炸;爆炸参数;安全技术 RESEARCH ON TONER EXPLOSION- PROOF IN PROCESS OF RECOVERING WASTE SELENIUM DRUMS OF PRINTERS Li YingshunHuang ChenZhu LiliGu WeixingYang Yichen Shanghai XJQ Environmental Protection Co． ，Ltd，Shanghai 201201，China AbstractThe explosive characteristic parameters of printer toner upper explosive limit;explosive index;low explosion pressure;dust layer ignition temperature and dust cloud ignition temperatureare investigated in this paper． The results show that the toner powder is easily for explosion and the explosion index is at 18;the lower explosive limit is fairly low ＜ 50 g/m3 and the upper explosive limit is high，which is good for dust cloud ing;the toner powder do not ignite or self-ignite at a temperature above 400℃ ． The results provide basic data for preventing toner powder from exploding and a reference in decision making for disaster reduction． Keywordswaste selenium drum;toner;dust explosion;explosive characteristic parameter;safety technology * 上海张江高新技术产业开发区专项资金 ZX200941 。 0引言 据统 计， 2005 年 我 国 废 弃 硒 鼓 量 为 2 024 万 个 ［1］; 2010 年， 预计废弃硒鼓数量将达到7 500 万个。 如果一个废弃硒鼓残余墨粉的量按 100 g 测算， 那么 这些硒鼓的总体积将超过 75 万 m3， 残余墨粉量将达 7 500 t， 如直接填埋， 不仅占用大量土地， 而且还会污 染土壤、 水域和空气。另外， 废弃硒鼓里面的残余墨 粉、 金属、 塑料等材料均可回收利用。因此， 废弃硒鼓 的安全处理与处置显得非常重要。 墨粉 碳粉 是用于静电复印和激光打印等电摄 影显影过程中的主要耗材， 它是由树脂、 颜料、 荷电添 加剂等成分为主要原料的复合物。目前， 普遍墨粉大 致可分为 2 类 一是单组分墨粉， 二是双组分墨粉。 单组墨粉是“提前混合” 的。双组分墨粉有两种不同 的成分 墨粉和载体， 二者在使用过程中混合。双组 分墨粉中含有 90 以上的树脂， 单组分墨粉中含有 60 的树脂。硒鼓墨粉用完以后， 重新充填墨粉再生 使用是资源化梯级利用的最高层次， 一般充粉 3 次 ～ 4 次后可保证硒鼓的正常使用。硒鼓废弃后通常有 10 ～ 20 以质量分数计 的墨粉残留。由于墨粉 是一种微细的粉末， 粒子易带电起火燃烧， 因此， 常规 干法处理容易爆炸， 这无疑增加了对其完全处理的危 险和难度。2000 年 10 月 26 日美国加利福尼亚州里 奇蒙德市 MBA Polymers 公司的废旧塑料回收系统发 生爆炸和火灾， 调查人员认为是静电放电点燃复印机 墨盒内墨粉的粉尘云引起的 ［2］。 目前国 内 外 对 墨 粉 爆 炸 的 研 究 极 少， 日 本 的 Nifuku［3］等在研究工业废弃物的点燃特性时测定了 墨粉的爆炸极限为 70 g/m3。相关研究及标准也多集 中在矿物粉尘、 金属粉尘、 粮食粉尘等， 而对打印机墨 粉的爆炸相关参数缺乏研究 ［4- 5］。 001 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 上海新金桥环保公司自主研发了废旧硒鼓处置 线， 该流水线利用现代粉碎技术， 空气清洗技术， 磁 选、 涡电流分选工艺， 实现废旧硒鼓的自动化破碎和 高效分离， 在有效回收有机墨粉的同时分离回收了废 旧硒鼓中的金属和非金属， 达到废旧硒鼓资源化再生 利用的目的。同时研究了墨粉粉尘的防爆技术， 与欧 洲、 日本的工艺相比， 具有流程简单、 成本低的特点。 1实验设计 1. 1结构与组成 硒鼓是在铝质基材上涂上感光材料组成的， 呈圆 筒状。目前从感光材料的不同， 硒鼓可分为三种 OPC 鼓 有机光导材料 、 硒鼓 Se 硒 和陶瓷鼓 a-si 陶瓷 。主要材料为塑料、 金属及墨粉， 各组分质量分 数见表 1。 表 1废弃打印机硒鼓组分质量分数 成分塑料铁铝铜墨粉 质量分数503110. 218 1. 2爆炸性参数测定方法 爆炸性参数是进行爆炸防护设计的重要依据。 爆炸性参数包括最大爆炸压力、 爆炸指数 Kmax 即规 格化最大爆炸压力上升速率 、 爆炸下限、 极限氧浓 度、 粉尘层着火温度、 粉尘云着火温度和粉尘云点燃 能量等。粉尘层着火温度和粉尘云着火温度二者之 中的较低者为粉尘着火温度。 1 最低着火温度的测定。最低着火温度是衡 量着火难易的标志， 最低着火温度越低表明越易着 火。最低着火温度的测定分为粉尘层和粉尘云两 项， 前者在可控温度的金属圆盘中放置一定厚度的 墨粉层， 而后者是在高德伯尔格 － 格瑞瓦德炉内测 定， 都是采用计算机对数据采集进行采集， 仪器安 装在通风橱内， 以吸收试验过程中的挥发、 分解产 物和烟。 2 爆炸下限质量浓度、 爆炸压力 P 及爆炸压力 上升速率 dP /dt 的测定。P 及 dP /dt 是确定最大 爆炸压力及最大爆炸压力上升速度的依据， 具体测定 方法是用一定体积和压力的压缩空气将一定质量的 墨粉通过电磁阀送入爆炸罐中， 然后用 10 kJ 的化学 点火源点火引爆， 对应的 P 及通过压力传感器检测 并绘制爆炸特性曲线。通过改变墨粉的质量浓度可 测出点燃爆炸的最低质量浓度， 亦即粉尘爆炸下限质 量浓度。 3 最大爆炸压力 Pmax、 最大爆炸压力上升速率 dP /dt max和最大爆炸指数 Kmax的测定。把粉尘试样 放入粉尘容器中， 用压缩空气加压到 2. 0 MPa。将爆 炸室抽成一定真空状态以确保爆炸室在点燃时处于 大气压状态下。启动压力记录仪， 打开粉尘容器的阀 门， 滞后点燃点火源， 对爆炸压力进行记录测定。每 次试验后， 要用空气吹净爆炸室。Pmax、 dP/dt max是 反应 爆 炸 强 度 的 特 征 参 数， 爆 炸 指 数 Km dP / dt mV 1 /3 V 为试验容器的容积 。 根据以上测定方法测得的打印机墨粉爆炸性参 数见表 2， 墨粉与其他物质的爆炸性参数对比结果见 表 3。 表 2打印机墨粉爆炸性参数测定结果 测试参数 最大爆炸压力 / MPa 粉尘层最低 着火温度 粉尘云最低 着火温度 /℃ 爆炸下限 / kg m － 3 爆炸指数 / MPa m s － 1 检测结果0. 59130 ℃熔化， 400 ℃不着火43830 ～ 5018. 00 表 3墨粉与其他相关物质爆炸性参数的比较 粉尘名称 粒径分布 / 125 μm71 μm63 μm32 μm20 μm 爆炸压力 / MPa 爆炸指数 / MPa m s －1 爆炸下限 / kg m － 3 粉尘云着火 温度 /℃ 粉尘层着火 温度 墨粉1009985650. 591830 ～ 50438＞ 400 ℃ 苯乙烯脂32110. 841130450熔化 聚丙烯酸脂100631110. 692. 3125460熔化 环氧树脂9560360. 793. 830510熔化 活性炭9980550. 884. 460790＞ 450 ℃ 101 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期 通过表 2、 表 3 中打打印机墨粉爆炸性参数以及 与其他粉尘 ［6］的爆炸参数特性比较分析结果如下 1墨粉的爆炸压力比一般树脂粉尘低， 这可能 与其中不可燃的磁性氧化铁添加物有关; 2墨粉的爆炸指数很高， 爆炸指数级别为 I 级 Kmax＜ 20 MPam/s ， 接近 II 级粉尘 20 MPam/s ＜ Kmax＜ 30 MPa m/s 。 3墨粉的爆炸下限 低于 50 g/m3 较低， 爆炸上 限很高 在粉尘浓度大时， 爆炸压力略有降低， 但爆炸 指数稳定在 18 MPa m/s ， 易于形成可爆粉尘云; 4粉尘层着火温度测试表明， 在高于400 ℃ 时 不着火， 说明该种粉尘不易发生自燃。 2墨粉粉尘爆炸危险性探讨 20 世纪初， 欧美国家就开始建立实验室进行粉 尘爆炸研究。在 20 世纪 40 年代中期， 德、 美等国就 制订了粉尘防爆国家标准。我国虽然于 20 世纪 50 年代对煤矿爆炸进行了研究， 但工厂粉尘爆炸实验研 究却始于 20 世纪 80 年代初。至今， 我国已颁布有关 粉尘爆炸的 11 个标准， 内容涉及到粮食、 亚麻、 煤粉 等各个方面。至今尚没有关于粉尘爆炸危险性分级 的国际通用标准， 其中影响较大的是西德和美国的分 级方法， 但前者是以爆炸压力为依据， 而后者则是缺 少理论与客观情况做支撑。所以， 粉尘爆炸危险性分 级不仅要考虑到发生爆炸的可能性还要考虑可能发 生爆炸后的严重程度。其中煤粉爆炸危险性研究较 多， 有关研究也表明以爆炸指数进行分组的方法较为 可行 ［7］。而关于墨粉的研究较少， 更缺失对其危险 性的认定， 笔者认为应以爆炸有关参数， 并结合模糊 数学以及神经网络模型等手段来综合评定分析较为 可靠。 3结语 废弃打印机墨粉的处理与处置对节约资源和保 护生态环境具有重要的意义， 但在干法回收处理时由 于墨粉粒度细、 密度小及含有有机填料等因素， 具有 燃烧和爆炸特性。研究得出 墨粉的爆炸压力较低但 爆炸指数较高， 说明易产生燃烧和爆炸; 但是墨粉在 高于400 ℃ 时不着火， 说明其不容易自燃; 另外， 对墨 粉的危险性尚缺乏用可行的标准来界定， 相关的研究 有待于深入， 以期来指导生产并减少爆炸隐患。 参考文献 ［1］龚滨良． 1999 年中国信息技术产品用消耗品市场展望［J］． 电 子计算机与外部设备， 1998， 22 6 78- 82． ［2］United States Chemical Safety and Harzard Investigation Board ［EB /OL］． 2000- 10- 27 ．http / /www． esdjournal． com/static/ autofire/Richmond_CA_files/Richmond_CA． htm． ［3］Nifukua M，Tsujitab H，Fujinob K．A study on the ignition characteristics for dust explosion of industrial wastes［J］． Journal of Electrostatics，2005 63455- 462． ［4］付羽， 陈宝智， 李刚． 镁粉爆炸机理及其防护技术研究［J］． 工 业安全与环保， 2008， 34 8 1- 3． ［5］谭凤贵． 聚烯烃粉尘爆炸的危险分析与对策建议［J］． 石油化 工安全技术， 2005， 21 6 21- 25． ［6］Eckhoff R．Dust explosions in the process industries［M］． 3rd edition． BurlingtonGulf Professional Publishing，2003 691． ［7］黎锦贤，周心权，曲志明． 煤矿瓦斯风险的综合评价［J］． 煤矿 安全， 2006 3 17- 19． 作者通信处李英顺201201上海市浦东新区上海新金桥环保有 限公司 E- mailLiys xjqhb． com 2010 － 12 － 15 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 94 页 ［4］钢渣直接熔制高档陶瓷产品［J］． 环境工程， 2002 5 41- 42． ［5］冯乃谦， 邢峰． 混凝土与混凝土结构的耐久性［M］． 北京 机 械工业出版社， 2009. ［6］刘秉京． 混凝土结构耐久性设计［M］． 北京 人民交通出版 社， 2007. ［7］Kyong Yun Yeau，Eun Kyum Kim．An experimental study on corrosion resistance of concrete with ground granulate blast － furnace slag［J］． Cement and Concrete Research， 2005， 35 7 1391- 1399． ［8］lker Bekir Topu，Ahmet Raif Boga． Effect of ground granulate blast-furnace slag on corrosion perance of steel embedded in concrete ［J］． Materials and Design， 2010， 31 7 3358- 3365． ［9］梁向宝， 杨丽芬． 转炉钢渣无害高效利用技术生产钢渣熔融 水泥［J］． 环境工程， 1996 6 44- 46． ［ 10］朱桂林， 孙树杉． 钢渣成分对钢渣粉活性的影响［J］． 中国钢 铁业， 2010 9 45- 48． ［ 11］孙家瑛． 钢渣微粉对混凝土抗压强度和耐久性的影响［J］． 建 筑材料学报， 2005， 8 1 63- 66． ［ 12］孟志良， 任继生， 刘志刚， 等． 高掺量粉煤灰混凝土的孔隙液相 碱度与护筋性［J］． 河北农业大学学报， 2000， 23 3 95- 97． 作者通信处朴星君100088北京市海淀区西土城路 33 号中冶建 筑研究总院有限公司 电话 010 82227923 E- mailpiao-xingjun hotmail． com 2010 － 11 － 29 收稿 201 环境工程 2011 年 6 月第 29 卷第 3 期