廢舊家電拆解技術及裝備研究進展

黃凱 李英順 褚永怡

（1.上海新金橋環保有限公司 上海 201201；2.國家環境保護廢棄電器電子產品回收信息化與處置工程技術中心 上海 201201）

拆解是廢舊家電零部件、材料再資源化利用的前提，是把廢舊家電分解到若干組成部件的一種系統方法，可分為分類拆解和零部件拆解兩類。分類拆解也稱為整機解體，就是將整臺廢舊家電解體為易于后續處理的元器件，并將物料按照不同材質進行分類，拆解產物有塑料機殼、玻璃、金屬機殼、印制電路板、電纜、電線、顯像管、其他零部件等。零部件拆解亦稱精拆線，主要針對廢舊家電整機解體后的產物。

自2001 年我國啟動廢舊家電回收處理管理工作開始，我國廢舊家電處理及綜合利用行業發展迅速［1］，但不同于國外國情，我國在廢舊家電處理及綜合利用行業制定工藝方案必須充分考慮利用廉價勞動力，提供更多就業機會，以手工拆解與機械處理相結合的方式為主，屬于勞動密集型行業［2］。伴隨著處置成本、人力成本增加，手工拆解方式不僅噪聲大、流程長、效率低，對工人的身體也會造成一定的損傷，因此，如何提高廢棄電器電子產品回收利用行業的拆解效率成為了行業亟待解決的熱點研究問題。2020 年5 月，國家發改委等部委聯合印發《關于完善廢舊家電回收處理體系推動家電更新消費的實施方案》，鼓勵企業加大技術改造，提升廢舊資源循環利用能力。同時，我國大型家電生產企業已投身于生產者責任延伸（EPR）制度、研發，引入產品綠色、易拆解設計，在環保可拆卸性設計方面給予高度重視，但拆解循環、再利用仍是我國家電產業鏈“大循環”上的短板。

國外廢舊家電自動-智能拆解技術研發起步較早，國內通過財政補貼等政策引導，大力扶持技術工藝先進、環境管理規范、資源能源利用效率高、回收體系完善的企業實現良性發展。同時，淘汰設備落后、環保要求不達標、管理混亂的企業。從財政部等部委聯合公布廢舊家電拆解處理獲取補貼的企業名單看，2016年至今未出現新增企業（見圖1），意味著我國廢舊家電拆解生產線普遍都建成于2010—2015年間［3-7］。根據生態環境部發布的《2020 年全國大、中城市固體廢物污染環境防治年報》顯示，29 個省份的94 家處理企業實際開展了廢舊家電拆解處理活動，各處理企業在規模、拆解效率等方面分化日益明顯，面向未來科技發展，自動智能改造需求旺盛。廢棄電器電子產品處理企業拆解工藝流程和處理技術正在向高效化發展，且已經開始技術和裝備的升級改造。本研究通過收集、查閱國內外廢舊家電拆解成套技術及裝備信息，參考學習美國、歐洲和日本等國同行業智能化發展經驗，為我國廢舊家電自動-智能化拆解技術迭代提供參考。自動-智能化拆解是未來發展方向，將提升廢舊家電回收處理水平，既可達到節能減排和資源循環的目標，同時還可產生明顯的經濟和社會效益。廢舊電子電器產品拆解技術設備的改造提效，將有助于國內環保技術水平發展，推動廢舊電器電子產品拆解處理行業綠色、智能和高效發展，而且也能優化產業鏈，為我國實現碳達峰、碳中和“3060目標”貢獻力量［8］。

圖1 我國廢棄電器電子產品處理新增企業公示數量

1 廢舊家電拆解技術及裝備應用現狀

1.1 廢舊電視機

我國廢舊電視機拆解生產線基本上都由多條皮帶輸送機、拆解工作臺組成，由于廢舊電視機來料品牌多、尺寸不一，廢舊電視機物料經皮帶輸送送至工作臺后進行人工拆解，人工分類成外殼、鋁架、印刷線路板和陰極射線管（CRT）等部分拆解產物，電視和電腦顯示器拆解處置的關鍵技術是CRT 組件的回收處理技術，其中涉及CRT 屏錐分離、熒光粉清掃收集工序。常見CRT 屏錐分離方法有熱變形法、物理切割法、化學溶解等濕法技術。我國普遍使用電熱絲分割法開展屏錐玻璃分離工序，并采用干法清洗錐玻璃。激光、金剛石切割法和濕法技術因處理成本、效率問題運用較少。

國外廢舊電視機拆解同樣由于來料問題，基本都由人工進行拆解，但在后續工藝中加入了自動化技術，例如，德國早在2002 年在威斯巴登市廢舊家電處理中心將CRT 破碎成2cm 左右的碎塊，然后利用紅外線識別含鉛玻璃。我國在廢舊電視機自動拆解方面也有實踐，開發設計出立體式作業一雙平面物流拆解線、多工位一體旋轉CRT 自動切割臺等，大幅提升了切割效率。

1.2 廢舊冰箱

廢舊冰箱拆解線首先抽出制冷劑和潤滑油，在預處理過程中拆除壓縮機、電機、門封條和箱內玻璃部件。后續工藝中發達國家先進經驗大多采用自動化、機械化程度較高的工序和設備，以破碎、分選技術為主的處理工藝。2003年，日本多家公司和日本家用電器協會建成的廢舊家電回收處理廠已運行多年［9］。廢舊冰箱在經過預拆卸步驟后，后面基本都采用全自動生產線，包括通過自動化設備整體破碎，再經過風選、磁分等工藝后等分離得到不同成分材料。

目前，我國所投產的冰箱拆解線大多于2010—2015年建成，基本吸收了國外先進拆解處理技術及裝備設計經驗，自動化水平也較高。多數企業采用了先進的處理分離技術，配備了自動投料裝置；后拆解階段采用破碎工藝對冰箱進行一個高效拆解過程；后道采用風選、渦電流等風選技術進行破碎后產物分選。生產線配有脈沖除塵裝置，進行除塵凈化。其中，我國在破碎工藝及破碎裝備設計方面，還主要依賴于國外進口，冰箱破碎環節國內大多采用兩段式，先由兩軸撕碎機進行撕碎處理，再由四軸撕碎機進行二次撕碎處理。

壓縮機是廢舊冰箱中具有高價值回收再利用的拆解產物，國外基本使用低溫破碎技術，然后再進行材料回收，這樣的回收技術成本高、能源消耗高、噪聲大，國內在此領域開發了自動智能開蓋技術，設備自動化程度高，開蓋效率高，采用視覺相機確定焊縫位置，即為自動控制刀具的切入點；采用激光測距傳感器保證切割的切深恒定，確保不影響內部零件，從而實現智能化、自動化、批量化拆解過程，符合廢舊壓縮機綠色回收理念［10］。

1.3 廢舊洗衣機

我國廢舊洗衣機基本都是半自動拆解分類生產線，采用皮帶輸送送至工作臺后進行人工拆解方式，多數企業拆解方式較類似，首先拆卸電源線、進出水管等部件，再打開前后左右板門等部件后，取出各種含金屬部件，如線路板、電動機等，通過切割方式拆解得到電動機外殼中的銅線；廢舊線路板通過濕法、火法工藝回收線路板上的元器件，經過壓塊減容金屬部件，再同塑料一起破碎，經過磁選、渦電流分選后回收各類塑料和金屬［11］。

圍繞廢舊洗衣機拆解工藝及裝備方面，我國研究院所、處理企業研發成果豐富，專利授權數量近幾年呈上升趨勢。在洗衣機拆解流水線［12］、擠壓裝置［13］、內桶［14］、波輪［15］、切割設備［16］等方面均有專利報道，有助于我國廢舊家電處理及綜合利用行業內相互借鑒，提升廢舊洗衣機自動化拆解技術水平。

1.4 廢舊空調

我國廢舊空調拆解線基本采用半自動化回收方式，結合手工拆卸工序和機械化拆解設備。前面預處理環節由人工拆卸回收壓縮機、電動機、制冷劑、機油和換熱器等零部件。黃嬌紅等人［17］提出了廢舊空調拆卸流程，包括優化的回收工藝路線，當遇到螺紋銹死等特殊情況的處理，可充分發揮出我國勞動力成本的優勢，保證了回收材料的循環再利用。后續經過粉碎、磁選和渦電流分選等工序回收到廢舊空調中高價值部件。

在廢舊空調換熱器的拆解利用上目前國內主要使用簡單工裝進行手工拆解。圍繞換熱器回收方面，我國研究院所提出各自的分離裝置［18-19］，但都有部分局限性，由于空調中換熱器的結構特征的復雜性、多樣性，不具備普遍適用性，無法實現批量化回收，拆解效率低。對于空調壓縮機的回收，與冰箱壓縮機類似，開蓋技術是關鍵，我國主要使用人工、機械化結合的半自動化回收拆卸方式。

1.5 廢舊電腦

我國廢舊電腦基本都采用人工拆解方式，首先分離出可再利用的部件，然后取下印刷電路板和電線，拆下含危廢部件，付費給有處置資質的公司處理。打碎顯示屏后，取出屏玻璃可循環使用，含鉛錐玻璃需要進行衛生填埋處置。剩余部件再經過破碎、分選工序后回收得到其中的高價值元素。

1.6 廢舊液晶顯示器

液晶顯示器（LCD）電視機的回收處理基本都采取人工與設備相結合的拆解方式。自動化程度較低，但能確保的拆解廢料最大限度的回收利用，保證拆解組件的完整性。拆解廢舊LCD 首先要從其外邊框開始，利用一般的工具對其撬開分離，回收背光燈、玻璃基本等，反射板、導光板和擴散片等拆解產物經破碎分選后再資源化利用。上海新金橋環保有限公司設計了一種廢舊液晶顯示器自動綜合拆解處理系統［20］，每個工序拆解下來的物件分類回收，是一種當前典型的拆解廢棄LCD的技術手段。

分析LCD 外框架的機械結構，拆卸過程并不是一個很復雜的作業，大部分LCD 外框架是通過卡扣結構的連接方式進行連接，少數部分是通過螺絲連接的。上海第二工業大學研發了LCD 自動-智能拆解流水線，依次包含上料工位、切割工位、開孔工位、激光切割工位、分離工位和回收工位，以上各個工位之間采用傳送帶連接，以全自動方式完成工作［21］。

1.7 廢舊小家電

除“四機一腦”外，我國一些廢舊家電處理企業已經具備小家電的拆解能力［22］。手工拆卸方式是廢舊小家電當前高效適用的回收方式，借助流水線對廢舊小家電進行人工拆解該方法可保證分離回收到高價值部件，再經過后續的分離富集處置后，進一步提高分離效率。在2021 年6 月生態環境部發布了《吸油煙機等九類廢棄電器電子產品處理環境管理與污染防治指南》，其中包括移動通信手持機、電話等小九類廢棄電器電子產品，明確了小家電拆解處理環節環保、安全等要求。

為實現廢舊小家電高效環保拆解處理，產學研開發出小家電自動拆解技術與裝備，青島科技大學尹鳳福等人研發出手機螺釘高效、準確的自動化拆解裝備，自動化拆卸廢舊手機上螺釘裝備，通過機器視覺、機械工裝等自動化設備替代傳統的手工旋擰螺釘工序［23］。

2 國內外廢舊家電自動-智能拆解研究現狀

2.1 日本

日本松下廢舊家電拆解企業根據視頻信號區分螺釘形狀，自動進行識別并準確定位，引導機器人使用自動擰緊槍等工具拆卸螺釘。日本NEC 公司研發出了自動化拆卸廢電路板元器件裝備，通過紅外線加熱等方式脫落表面元件，保證沖擊力作用不損部件，再通過加熱處理、表面剝蝕等技術實現電路板上96%以上的焊料脫離。

2.2 美國

美國布里奇波特大學ElSayed 等人［24］研發用于選擇性拆卸廢舊電腦（PC）系統，由一個關節式工業機器人和攝像系統組成，利用視覺系統和遺傳算法在線規劃拆卸序列來應對廢舊電腦構件組成中的不確定性。視覺系統由二維攝像機和激光測距傳感器組成。相機圖像用于識別和定位零部件，將輸入圖像的區域與物料清單（BOM）中提供的零部件預定義信息進行匹配。物料清單中電氣/電子產品可能在使用過程中因使用者修改而發生更改。廢舊電腦隨機存取存儲器（RAM）和連接器（如螺釘）的位置和連接方式可能會根據升級、維修或個人喜好而改變，這就造成了廢舊電腦在拆卸時的不確定性。

2.3 德國

德國AU+T 公司是歐洲較早從事廢舊家電回收處置的企業［25］，已經建成了技術成熟、適用性強的回收工藝和裝備，囊括了廢舊空調、冰箱等廢舊家電資源化回收處理流程。德國的柏林科技大學Kernbaum 等人［26］搭建了一套廢舊電視機顯示器混合拆卸系統，由輸送線、自動拆卸平臺和人工干預平臺組成（見圖2），四軸選擇性柔性關節/裝配機械臂（Scara）用于執行擰松螺釘和搬運操作，一個吸力夾持器用于拾取顯示器并將其定位在氣動夾緊裝置上。拆下外部螺釘、顯示器后殼和內部部件。金屬蓋、印刷線路板和電纜連接器分別用雙指夾取器取下并斷開。如果其中某個環節進程失敗，顯示器將被轉移到手動工作區［27］。德國FAPS 是較早研究廢舊線路板自動智能拆卸流程與裝備的科研企業，以逆向裝配方式構建廢舊電路板自動拆卸工序，先將首先通過加熱液體實現廢舊線路板的焊料融化脫離，然后依部件形狀特征采用SCAPA機械裝置自動分揀可回用構件。

圖2 廢舊電視機混合拆卸系統

2.4 西班牙

西班牙奧利坎特大學Torres等人開發了一套廢舊電腦拆卸系統，如圖3所示，該拆卸系統由兩個工業機器人、視覺識別、力矩傳感器和互換拆卸工裝組成，用于拆卸廢舊電腦中光盤驅動器［26］。

圖3 多傳感器協作機器人演示拆卸廢舊電腦中光盤驅動器

3 廢舊家電自動-智能拆卸關鍵技術

拆卸是通過路徑規劃與裝備完成拆卸過程，解除廢舊家電中各部件間約束狀態，以實現子裝配體分離并回收再利用零部件。在制訂拆卸規劃路徑前需要了解清楚待拆零件位置、與其他部件間的連接關系、拆卸優先級、適用的拆卸裝備、拆卸成本及拆卸方向上的自由程度等信息。按照拆卸程度、工藝、自動化程度及目的等拆卸依據，可將拆卸方案分類為不同標準［28］，詳見表1。

表1 拆卸方法分類

拆卸技術主要有活性拆卸、自動拆卸及其他拆卸技術與工具。活性拆卸受限于安全性問題，未來運用前景不明。自動拆卸與機器人技術結合在正向裝配生產線中應用廣泛，但因涉及在逆向拆卸中存在諸多不確定性，因此自動智能化拆卸水平依舊較低，當前自動化拆卸技術有基于傳感技術、拆卸族開發自動化和半自動拆卸技術［29-30］，其余拆卸技術與裝備包括基于圖像識別系統、超聲波傳感器識別切割位置、嵌入式的柔性螺釘自動拆卸裝備、大螺栓拆卸器等［31］，前兩種已經研發出有適用于廢舊空調和洗衣機自動化拆卸的智能裝備，其中所需的關鍵核心技術有識別技術、傳感技術、工業機器人技術和智能控制技術。

3.1 識別技術

圖像采集與處理系統是自動化智能化拆卸裝備的核心部分，影響到被采集對象的圖像質量，決定了智能拆解動作的精準度。現今識別技術基本采用工業相機、工控機及照明光源等設備構成視覺成像的基本硬件環境［32］。相機是視覺識別系統中不可或缺的，其選型主要由信號分類、分辨率、幀數、數據傳輸等因素綜合判定［33］。作為廢舊家電的連接零部件，螺釘的定位與識別技術是自動化拆卸的重要一環，李響和陳天星等人［34］使用粗定位與精定位相結合的定位模式，提高了螺釘定位的穩定性，同時研發出基于幾何形狀特征，對待識別的和標準模板的螺釘特征進行采集和提取，通過圖像匹配完成了螺釘的智能識別及分類。

國外自動智能拆解技術與識別基本都以光學識別、數據庫等技術為主，首先采用識別設備采集廢舊家電元器件位置數據，計算定位后反饋至決策系統，再使用加熱、機械化切割分離等裝備后續無損或破壞性拆解，最后在組裝一體化設備時也需要綜合考慮技術精度性、普遍適用性和成本等因素。

3.2 傳感技術

傳感技術是廢舊家電拆卸系統的關鍵技術之一。針對不同的對象，選擇合適的傳感器，才能達到安全可靠、運行穩定等效果。為此，必須對測量目的、測量對象、使用條件等諸多方面有較全面的了解。以拆卸路徑最短、高價值零部件拆卸損壞最小為目標，設計自動拆卸系統，加入傳感器可實時反饋待拆產品所處狀態，比對產品設計信息，根據結果，確定各工序拆卸工作及拆除零件，由此制定規劃出最佳拆卸路徑，其中傳感器是必不可少的環節［29］。

3.3 工業機器人技術

工業現代化發展至今，由機器代替人類勞動是一個發展趨勢。拆解廢舊家電是一個工業生產的逆向工程，國內外已對機器人輔助拆解工藝提出新的想法并有實際的應用，但仍需繼續優化拆解工藝，設計出高效、可靠、成本低廉的自動化拆解設備。從機器配合人工到實現全機械自動化的方向前進。

由于廢舊家電回收處理行業所收品牌、型號不同，工業機器人應用沒有統一、標準化執行規劃路徑，替代人工精細化、復雜程度高的拆卸過程比較困難。當前，工業機器人技術比較適用于自動上下料環節，取代人工操作，如日本松下廢舊家電拆解企業在拆解電視機的上料環節使用搬運機器人，一邊發出警報一邊將載廢舊電視車自動搬運過來上線，這可以很好地控制生產節拍，避免人為因素對生產節拍產生的影響，并且在減少人工成本、提高生產效率和產品質量、保障作業安全等方面起到了顯著作用。

3.4 智能控制技術

智能控制技術在汽車行業、倉儲物流行業、建筑行業和化工行業等領域中能提高系統穩定性、改善魯棒性，使其成為自動智能控制研究中的一個重要部分。先進的智能控制技術具有感受環境、自適應或自學習能力，進而作出決策控制的能力。工業生產過程中，控制大腦都采用PLC（可編輯邏輯控制器），PLC 工作時通過查詢輸入端并根據其狀態打開或關閉輸出，用戶通常用軟件或編程器輸入程序從而獲得期望的結果。

廢舊家電拆卸過程作為家電生產裝配的逆向操作，來料型號、大小不一，無法按照統一標準化預設的路徑規劃來完成拆卸任務，但統一型號的廢舊小家電拆卸控制控制時可行性較高。方國平和季仲致［35］開發了基于PLC、機器人技術相融合的動力鋰電池自動拆解裝備。該套裝備以西門子S7-1200系列PLC為主要控制模塊，使用了PROFIBUS 總線、MODBUS 總線、PROFINET 總線等信號控制方法實現了設備與控制器之間的數據輸入輸出。PLC 通過PROFIBUS 總線實現了機械手的當前狀態讀取、并下達運動指定的命令信號；通過MOSBUS總線交互了料倉、環切和切斷3個模塊中電機的數據；以PROFINET總線協議為基礎實現HMI觸摸屏和工業控制計算機數據交換，實現了設備運行狀態讀取和控制的目的。另外，由于存在不確定性、非線性性、復雜性的特點及受參數變化、外部負載擾動等因素影響，模糊控制、神經網絡控制和遺傳算法控制多被應用于智能控制技術，以達到高控制精度的要求。

4 結語

隨著科技進步與發展，家電行業產品在不斷加速迭代的過程中，報廢數量勢必大規模增長，過往傳統的人工拆解與半機械化拆解方式已無法滿足大規模工業化發展的要求。因此，結合國內外先進成熟的圖像識別、破碎、光電分選等技術，研發出適用于國內廢舊家電拆解新工藝及裝備已成為末端處置行業的必然要求。本研究在系統梳理國內外相關研究后發現歐美等發現已經將機器人技術運用到廢舊家電自動智能化拆卸過程中，并有實際運用案例，“自動化、智能化、綠色化”升級改造方向將是未來發展趨勢。而如何通過改造升級和設備更新，在現有拆解產線基礎上提高廢舊家電處理的機械化、自動化和智能化水平，成為我國廢舊家電處理企業面臨的首要問題。同時，剛開始投入自動智能化拆解設備的成本必然大，容易造成回收企業的虧損，自動智能設備投入需要經濟效益評價，并需要從國家相關部委層面制定鼓勵性政策，以推動企業形成符合我國國情的先進、適用、經濟、高效的環保型廢棄家電拆解處理技術與裝備。