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提高铝回收：分类拣选和除杂技术的调查

摘要：铝回收有着巨大的环境和经济效益，出于节约能源和成本的考量，诸多生产商将增加再生材料的使用作为目标。然而，这些回收材料中杂质的积累成了这一目标的重大阻碍。越来越多的研究和文献表明，不必要的元素的积累是一个日益增长的问题。对于铝这种情况，杂质不确定问题相当大，包括但不限于硅，镁，镍，锌，铅，铬，铁，铜，钒，锰。去除废料流中不必要的元素是由熔融过程的能量的考量来决定的。相比许多金属来说，从铝中去除不需要的元素是有挑战性的。因此，没有简单的热力学方案来解决这个问题，生产商为了在生产过程中自始至终降低元素的积累必须权衡策略。已有各种各样的处理不期望元素的解决方法；每种方法提出了成本与效力（不定期除杂）的交易。目前用原生铝稀释是工业上最常使用的技术方案；当以合成函数出现的所期望的稀释结果决定回用率的高低时，这对回用产生了负面影响。本文提供了在工业和实验室提升废铝纯度和促进回用的可用升级技术的广泛综述。

关键词：回用；升级技术；杂质积累；铝

1. 背景

铝回收有着巨大的环境和经济效益。与其他高容量材料相比，铝生产在初级和次级生产之间有一个最大的能源差异：初级为186 MJ/kg，次级为10–20 MJ／kg（格林，2007）。出于节约能源和成本的考量，诸多生产商将增加再生材料的使用作为目标（2002，美国铝业，2006）。然而，回收材料流中的杂质积累造成了显著而长期的阻碍（刘，2003）。

越来越多的文献和研究表明，在所有回收材料流中，不必要的元素累积是一个日益严重的问题，对于铝这种情况，杂质问题相当大，包括但不限于硅，镁，镍，锌，铅，铬，铁，铜，钒，锰（Kim等人，1997; Viklund-White和Menad，1999; Gesing，2004; Lundqvist等，2004;达斯，2006; Gesing和HARBECK，2008; Gaustad等，2010)。金属回收是一个冶金过程，因此受热力学定律制约。去除废料流中的不必要元素要靠融化过程的能量决定。跟许多元素相比，由于第三节详述的热敏问题，去除铝中的混杂元素难度较大。所以，由于没有简单的解决方案，生产商必须在整个生产过程中确定策略来减轻这种元素积累。

现在有各种各样的解决方案来处理不受欢迎的元素的积累，每一种都对成本和生产率进行了权衡。目前原发性稀释是工业上最常使用的技术方案，在成分确定帽回收速率上，这对必需的稀释产生了负面影响。“向下性循环”，材料回收成为低价值产品，是另一种常见的处理二次污染材料的方法，使得回收材料的使用率较高，但对循环经济有负面影响。向下性循环的一个具体例子是由于适应硅污染的能力更强而用于锻造废料的铸造品。对于减轻负面影响的积累这些操作策略同样重要，对于生产商而言当运营策略无效时存在更多的技术性策略。本文旨在提供这些升级技术的概述，它们除去不必要元素的主要机制分类有（1）物理上分离固体废料流，以防止金属和元素的共混杂（2）通过化学和动力学移动不需要的粒子和熔体元素的提炼技术。

2.预熔技术：物理分离

当物理分离技术被广泛用于废料流的范围时，它们一般用于被切碎的废料（Wilson等，1994）。大多数汽车废料，例如，经过某种切碎过程之前被卖给二级重胶机。这些汽车残骸是很多技术升级的重点，因为它们占生活废料回收的很大一部分（Kelly and Matos, 2010)。在北美，目前大概有200个磨碎机在操作；大多数使用大型锤式粉碎机粉碎废料如报废的汽车残骸，这些碎片一般小于四英寸(Rousseau and Melin, 1989)。下面使用一些之前描述的更先进的物理分离技术，在各种筛选方法中一般采用粒径来分离。脱漆工艺也有着共同之处，在其中废料被加热以除去涂料，纸，塑料，标签和其他涂层。

2.1.磁

磁分离是一种分离有色金属和铁废料的方法。通常，一个带废料的传送带将材料送到附近的另一个配备汝铁硼磁铁的传送带。作为接近磁体的废料，铁磁的一部分（主要是钢和一些铁）被吸引到磁铁和拉出到第二输送带，而部分有色金属落入收集箱。这种技术被广泛用于与二级铝行业。它的主要限制是有色金属废料流要进一步分离是不可能的，它仍然可能包含许多无磁性污染部分，例如塑料，玻璃，橡胶，不锈钢，铜，锌，镁等。

2.2.空气分离

使用空气分离废料流的技术有着许多不同的名称：风力分洗，气刀，淘洗，簸扬，空气柱等。它们不同的名字指的是使它们的工作稍不同的机制。输送带系统经常用来吸拔汽车上的轻材料如塑料、橡胶和泡沫。这些轻量级组件通常被称为“碎渣”并填埋（Gesing，2001）。在一个垂直的空气分离系统，回收的材料流通过供给空气向上推；重金属在底部收集，和其他材料通过各种进料进一步推向上。大多数二次再熔设施将使用某种空气分离的F定量技术来创建一个主要的金属废料流。主要缺点是重量轻的金属产品，如使用饮料罐和碎片，是一个较小的尺寸（Veasey等，1993）。

2.3.涡流分离

最初开发的从家庭废物中铝罐排序，很快标准行业使用涡流进一步分离汽车的有色残留。涡流分离很大部分优势在于混合汽车（和其他）废料（表1）的混合金属的电导率范围。涡电流分离是一个与磁分离相近似的概念。一个转子内衬钕铁硼磁体交替北极到南极。转子产生一个外部磁场排斥非磁性导电金属；这导致其从废料刘排出，留下非金属粒子。磁场可以用转子的速度来控制。在废铁中产生的涡电流（i）可以是由下式给出：（1）。A是横截面面积，L为厚度，是电导率，B是磁通密度，v是振动频率，（K *v* B）是跨越一个废料碎片的电势差 (Kercher and Webb, 1982)。由于这种技术依赖于在材料内产生的磁性斥力，某些形状，例如电线和箔片不能被分离出来，因为他们不能产生足够的涡流。此技术已经被报道分离非铁成分的进一步应用（Gesing，2001）。这项技术的推广利用不同电导率的金属将产生不同的涡流，并将因此被抛出不同的距离。通过设置这些不同的收集箱到转子的距离，利用贱金属分离废料流是可能的。

表1 几种金属的电导率

表2 汽车报废零部件种类和典型密度范围

2.4.沉浮法/重介质分离

水槽浮动分离对不同有色金属材料密度采用水基泥浆与已知的特定的比重。例如，在一个切碎的汽车废料流里，许多组件具有不同的密度（表2），这使得它是一个优秀的应用技术。细颗粒在这一过程首先被筛选出来，这些往往是填埋或运至手选设备。对于一个典型的三步骤过程，所得馏分开始在水浴（具体的一个开始)，使大量非金属馏分分离（塑料、泡沫、木材等）。接下来，2.5倍重力分离镁和高密度塑料。控制镀液的比重，添加磁铁矿、硅铁粉。第三浴有着3.5的特殊比重，锻铝金属出来，留下较重的铜、锌、铅等金属成分。这种技术的一些缺点包括保持恒定的高费用，密度泥浆以及中空或船形金属的损失组件。

流化床片浮法技术也在发展；这是用沙床和强制气流通过床的干燥技术。通过改变气流的速度控制沙的密度，因此分离不同密度的废料不需要转移至不同的液浴。控制对流和润滑油的问题让这种技术难以商业化。

图1 美国废钢出口国的价值

2.5.色选 - 手工和光谱技术

色选利用色差从有色金属废料流里分离铝和锌，铜，黄铜和不锈钢。最基本的颜色排序应用是手工排序，它普遍用于劳动力低成本的国家。最近，美国对这些国家出口产品废料大幅增长（图1）；出口到台湾、韩国、香港和中国的价值近五年增长了五倍。手工分拣的能力超越观察的证据没有被报道；然而，据估计，中国工人分选有色汽车切丝时能实现精度高达99％（铸币厂，2006年）。由于独特的表面特性不同，他也被引用，手工排序能分拣锻造和铸造铝组分（Rao，2006）。

色选也可以通过自动化过程发生。一个计算机分析每个废料的图像，并根据特殊的颜色范围，引导他们到不同的饲料。此技术不受颗粒大小或形状的影响，所以它有重介质和涡电流分离缺乏的许多功能。化学蚀刻通常与色差一起用来分拣，以进一步分离非铁金属的级分。这项技术有分离铝合金系列的能力。例如，在用盐酸溶解硫酸铜酸蚀刻剂使色选机识别5XXX，6XXX系列（含镁）合金(Schultz and Wyss, 2000)。其他腐蚀剂如硫酸将彩色高硅锰合金是一种浅灰色的颜色，而用2XXX，3XXX，和7XXX系列分离锌和铜合金将使颜色较暗 (Schultz and Wyss, 2000)。阻碍这种方法广泛使用的两个关键障碍是，（1)蚀刻对环境和经济的影响，（2）表面粗糙度（从使用所引起的）和加工完成的热处理可大大影响最终识别和分离碎片的颜色。

2.6.其他光谱技术

光谱今年来更加广泛的用于识别铝镁合金的分类。在这项技术中，各种废料通过一系列传感器，其中触发的三种主要的激活方法有：（1）X射线，（2）中子通量，和（3）脉冲激光。其来源是金属产生发射的X射线荧光—X射线，gamma;射线荧光的中子通量，和一个光脉冲激光发射。这些光谱是由各种类型的探测器和一台计算机然后将发送片的信号到合适的纸槽。手持式X射线荧光（XRF）是目前正在使用的，但其成本较高阻碍其普及使用。XRF，废料光谱比是根据其主要合金元素确定的，因为铝具有很低的特征辐射，除非在真空下否则不能读取。荧光分选性商业化研究表明它能分辨主要的合金但不能确定具体的合金(Krotkov等, 1993)。中子活化需要长时间曝光中子通量的时间，由于其有限的强度，因此未被商业化。

一种特别的技术是激光诱导击穿光谱（LIBS），其利用脉冲激光器和光发射光谱仪，对锻铝和铸铝的分拣有极高准确性（Gesing等，2003年）。LIBS最早开发与洛斯阿拉莫斯国家实验室；它的第一个应用项目——金属废料的鉴定在1990年在一个联合项目与德国金属，前身是一家大型矿业和工程公司，总部设在德国(Sattler, 1990; Sattler and Yoshida, 1993)。在这种方法中，传感器检测到一块废料激活脉冲激光。激光打中金属表面产生产生原子发射。光学光谱是由多色和光电二极管检测器读取其并将信号发送到计算机系统（Gesing等，2001年）。这个系统可以将一块废料直接引导到适当的容器使用机械臂。另一个系统的发展是气表，其中检测器发送其触发信号令废金属喷射到正确的容器。LIBS具有过流分离技术的优点—用于汽车和航空航天应用，因为它有高速大容量的可能性。它有能力分离锻造和铸造合金和由锻造合金排序合金系列（Gesing等，2002年，2003年）。然而，用于商业仍然存在一些缺点。脉冲激光只能穿透一个小的距离的金属表面，因此，废料必须是无润滑油，油漆和其他涂料。即使当废料是清楚的，在表面上的氧化物的形成可能会导致错误的读数。无论如何，这项技术已获得应用，特别在汽车上（Gesing和HARBECK，2008）。

2.7.热挤压

热挤压工艺是一种热机械分离方法是目前的一

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