廢舊塑料分選技術及設備的研究

區(qū)輝彬

（1.廣東天保新材料有限責任公司，廣東鶴山529727；2.廣東省廢塑料分選及利用集成裝備與工藝工程技術研究中心，廣東鶴山529727）

塑料具有良好的化學穩(wěn)定性、電絕緣性、絕熱性和力學性能，且密度小、易于加工，因此被廣泛應用于農業(yè)、機械工業(yè)、建筑、交通運輸、國防和醫(yī)療等眾多領域中[1-3]。然而，隨著塑料制品的使用量增加，塑料廢棄物也越來越多，并對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的影響。因此，如何回收處理廢舊塑料，并對其進行再生利用，是塑料行業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要課題，也是保護生態(tài)環(huán)境的關鍵所在。廢舊塑料的回收利用方法主要有能量回收、物理回收和化學回收，其中能量回收是通過燃燒的方式獲得廢舊塑料的熱能；物理回收是將廢舊塑料經分選、清洗、破碎等工藝過程后，重新熔融造?；蚣庸こ尚轮破?；化學回收是通過熱分解或化學分解等技術，將廢舊塑料中的有機成分轉化成石油化工原料[4-6]。

物理回收由于加工工藝簡單、設備成本低、投資少，在我國廢舊塑料再生行業(yè)中最具生產規(guī)模，也是目前國家主要支持的廢舊塑料回收利用方向之一。然而，如果將混合廢舊塑料直接機械加工，其產品價值低、性能差且不穩(wěn)定。為加大廢舊塑料的回收利用和提高再生產品價值，混合塑料的分選尤其重要?；旌蠌U舊塑料的分選是指利用化學組成、透光率、密度等各種特性差異，將混合狀態(tài)的廢舊塑料分離成單一組分，得到優(yōu)質的回收塑料[7]。廢舊塑料經分選后純度得以提高，有利于制成質量更好的再生產品，從而提高經濟效益。文中介紹廢舊塑料回收利用中常用的分選技術及設備，并通過日雜非中空類塑料的分選技術工程方案來闡述不同分選技術及設備在現代化和智能化的再生資源綜合處理設施中的應用。

1 廢舊塑料分選技術

廢舊塑料的分選技術可以分為傳統分選方法和近代分選方法。傳統分選方法有人工分選、密度分選、風力分選等；近代分選方法有顏色分選、近紅外光譜（NIR）分選等。不同方法對分離混合廢舊塑料都是有效的，但是這些方法在使用范圍、分離效率、準確性以及工業(yè)化應用方面各有優(yōu)缺點[8-11]。

1.1 人工分選

人工分選是利用操作人員的識別經驗或借助簡單的儀器，對部分體積較大的塑料制品進行分類處理，例如：各種家用電器外殼、塑料家具、大件兒童玩具等。該方法對設備要求較低，但對操作人員的分選經驗要求較高。人工分選的效果是機器難以替代的，但存在效率低、勞動強度大的缺點。

1.2 篩分分選

篩分分選是利用機械篩將破碎后的廢舊塑料按大于和小于篩孔的物料通過滾動、振動的方式分離的技術。該方法無法識別廢舊塑料種類，在實際應用中往往與其他分選技術配合使用，得以獲得理想的廢舊塑料分選效率。

1.3 密度分選

密度分選是利用不同種類塑料間密度的差異進行廢舊塑料分離的技術。在工業(yè)上，將破碎的混合廢舊塑料依次通過盛有不同密度液體（常用的液體有自來水、飽和食鹽水、氯化鈣溶液等）的分離槽，然后根據塑料在液體中的浮沉情況對塑料進行分類。該方法操作簡單，適用于分離密度差異較大的塑料顆粒，但缺點是會產生大量廢水，且無法分離密度相近的塑料。

1.4 風力分選

風力分選是利用塑料顆粒在空氣流中因粒徑、形狀、密度等差異予以分離，適合于密度差較大的物料之間的分離。風力分選將經破碎的塑料放在分選裝置內噴射，風從橫向或逆向吹入，利用不同塑料對氣流的阻力與自身重力的合力差異進行分選。該方法是目前使用最廣泛的混合廢舊塑料分離方法，常用于分離形狀和尺寸均勻但密度差異較大的塑料顆粒，也可用于去除塑料中的砂石和金屬等雜質。

1.5 電磁分選和渦電流分選

電磁分選是利用分選設備產生的磁場使磁性物質從混合廢舊塑料中分離出來的方法，該方法主要用于去除廢舊塑料中混雜的鐵磁性金屬雜質。另一方面，渦電流分選是利用物質導電率不同的一種分選技術，適用于高電導率低密度物質與低電導率高密度物質及導體與非導體之間的分離。渦電流分選可有效回收混合廢舊塑料中的有色金屬（如銅、鉛、鋅等）。電磁分選和渦電流分選聯合使用，可同時去除廢舊塑料中的鐵磁性和非鐵磁性金屬雜質。

1.6 顏色分選

顏色分選是根據塑料的顏色差異進行分離的技術。其工作原理是廢舊塑料通過數個濾色器后，把各個不同的亮度換算成電流值并以此識別，然后通過分離裝置實現不同顏色塑料的分類。該方法適用于分離顏色存在差異的塑料制品，但不能用于識別廢舊塑料的材料種類。

1.7 光選

不同種類的塑料具有不同的光譜性能，通過不同的光介質對聚合物進行掃描，可以快速、準確地鑒別出廢舊塑料的材料種類。目前，應用于廢舊塑料鑒別的光學分選方法主要有X射線分選（XRT/XRF）、近紅外光譜分選（NIR）、中紅外光譜分選（MIR）、激光光譜分選（LIBS）等[12-14]。其中，近紅外光譜分選由于具有光譜分析信號獲取容易和信息量豐富的優(yōu)點，加上該光譜譜區(qū)自身具有的譜帶重疊、吸收強度較低等特點，是目前廢舊塑料分選領域中使用最廣泛和最具規(guī)模的光學分選方法。該方法適用于大多數塑料的識別，而且快捷、可靠、靈敏度高，但缺點是無法識別深色的塑料。因此，常在廢舊塑料的分選過程中，聯合顏色分選使用，提高分選效果。

2 廢舊塑料分選設備

2.1 風力分選設備

風力分選設備的工作原理是利用混合廢舊塑料中的各種物料在空氣介質中因不同受力下的沉降差異而將其分離。按氣流送入方向的不同，風力分選設備可分為水平式和垂直式兩種類型。其中，水平式風力分選設備結構簡單，維修方便，但橫向尺寸較大，占地面積多；垂直式分選設備分選效率高，占地面積少，但風道結構復雜，常采用鋸齒形或多段式分選。另外，風力分選機一般情況下都是采用循環(huán)的氣流，加上廢舊塑料中常帶有大量的粉塵，因此，經過風力分選后的氣流首先在集塵裝置中進行除塵，然后再用鼓風機送回分選機中繼續(xù)使用，形成循環(huán)氣流。

2.2 電磁分選設備

電磁分選設備是在產業(yè)界使用最廣泛的、通用性高的機種之一，適用于具有磁性差異物質的分離。在廢舊塑料回收處理過程中，電磁分選設備常用于去除混雜于塑料中的鐵磁性物質。磁選機種類繁多，按照工作主體部分構造的不同，可以分為：筒式磁選機、輥式磁選機、盤式磁選機、環(huán)式磁選機等。其中，筒式磁選機是目前最通用的磁選機之一，主要由圓筒、磁系、槽體和傳動部分組成。筒式磁選機以圓筒作為磁選功能構造，多為弱磁場及中磁場磁選機，外部有圓筒保護內部磁系，因此被稱為筒式；而輥式磁選機的磁選工作是在具有環(huán)帶式構造的圓輥上完成的，主要包括外部產生磁場的感應輥型磁選機和自身產生磁場的永磁輥型磁選機。

2.3 渦電流分選設備

渦電流分選設備的構成可分為分選機主體和控制柜兩部分，其中主體部分主要由磁輥、喂料系統、分料系統、罩體和機架等機構組成。磁輥是分選機的核心部件，用于產生交變磁場，由永磁體、導磁筒、滾筒組成，通過電氣控制柜調整電機的轉速大小，可分選不同種類的物料。德國STEINERT公司生產的渦電流分選機采用偏心式磁輥系統設計，可有效地分選出鋁、銅等有色金屬和玻璃、塑膠。此外，偏心式磁輥的渦電流分選機可避免傳統同心式磁輥的致命缺點。傳統同心式磁輥會有鐵質粒子滲進皮帶和磁輥滾筒殼間無法排出，因跳動摩擦生熱而戳穿皮帶和滾筒，造成故障。偏心式磁輥不僅可避免此種問題的發(fā)生，而且還可隨物料狀況不同，通過調整磁輥軸線的位置、輸送機的速度、磁輥的轉速以及下料隔板的位置，使物料的分選效果最優(yōu)化。

2.4 顏色分選設備

顏色分選設備利用物料之間顏色、反光率的差異，用光電比色的方法和分選設備實現不同顏色物料的分類。顏色分選機型式多樣，但其結構主要由上料單元、圖像采集識別單元、分選執(zhí)行單元和下料單元組成。其中，圖像采集識別單元是顏色分選機的核心部分，直接關系到顏色分選機的性能、效率和成本，主要包括高清攝像頭、圖像采集卡、圖像處理計算機、光源和背景。目前，顏色分選機已經普遍應用于各種行業(yè)，如農業(yè)、食品加工業(yè)、化學工業(yè)、礦石工業(yè)等。此外，廢舊塑料專用的顏色分選機可按照顏色對ABS，PC，PE，PET等各種塑料制品實行分類，提高分選效果。

2.5 近紅外光譜分選設備

近紅外光譜技術可實現適應工業(yè)化生產需求的非接觸無損檢測、毫秒級的快速檢測，近年來廣泛應用于各種物質檢測領域。近紅外光譜分選設備包括上料、傳送、識別、分離以及控制等模塊。識別模塊主要包括近紅外光譜儀及其附屬部件。隨著陣列檢測器件生產技術的日趨成熟，采用固定光路、光柵分光、陣列檢測器構成的NIR儀器，以其性能穩(wěn)定、掃描速度快、分辨率高、信噪比高以及性價比優(yōu)越等特點，正被逐漸推廣[15]。美國NRT公司生產的NIR分選機聯合使用漫反射與透射技術采集光譜信息，并通過飛行中探測技術檢測噴射飛行中的物料，減少相關運動誤差和傳送帶干擾，提高準確率和純度。挪威TOMRA公司生產的NIR分選機使用創(chuàng)新的不需外部光源的NIR掃描系統，可降低高達70%的能耗，且更易于維護。雖然近紅外光譜分選技術目前存在難以識別深色塑料的瓶頸，但其在塑料分選領域極具潛力，是現代化和自動化塑料分選的主流技術之一。

2.6 人工智能

近年來，隨著科學發(fā)展，人工智能技術逐漸成熟，并涉及到再生資源回收利用領域。美國NRT公司和法國MACHINEX公司最近相繼發(fā)布了其新型分揀機器人Max-AITM和SamurAITM。其中，分揀機器人Max-AITM采用多層神經網絡和視覺系統來查看和識別物體，與人類的方式相似，而分揀機器人SamurAITM采用人工智能技術和四關節(jié)結構來識別和分揀材料，分揀速度可達70次/min。目前，人工智能分揀機器人Max-AITM和SamurAITM已經分別在相關的資源回收企業(yè)進行安裝和使用，并取得很好的效果。此外，人工智能分揀機器人還能通過學習不斷改進，從而提高整體系統性能，確保最精確的識別，實現最高的回收率和純度水平。傳感器技術、通信技術和計算機技術構成了現代信息技術的三大支柱，在信息系統中分別起著“感官”、“神經”和“大腦”的作用[16]。人工智能分揀機器人通過卓越的傳感器技術分析目標物料的成分，達到識別廢舊塑料種類的效果，并利用機械手臂進行高速分揀處理。相信隨著人工智能和傳感器技術的發(fā)展與普及，智能化與自動化將是信息時代的資源回收產業(yè)的趨勢。

3 分選技術方案

日常生活中回收的非中空類廢舊塑料多為盆、筐、水果籃、塑料凳等民用日常雜品，主要成分為PP，PE，PS/ABS和其他雜質，其中雜質主要為金屬、泥沙、硅膠、玻璃、標簽、殘留液體、輕質物料、木屑紙屑等。天保新材料有限責任公司針對此類混合廢舊塑料設計了以風力分選、顏色分選、NIR分選為主，并輔以人工分選、電磁分選和人工智能的分選技術方案。該方案的處理量可達4.5 t/h。其工藝流程如表1所示。

表1 日雜非中空類廢舊塑料的分選工藝流程

以日雜非中空類廢舊塑料為原料，該分選技術方案通過聯合使用風選機、顏色分選機和NIR分選機，實現對混合廢舊塑料中的PP，PE，PS/ABS按照顏色和材質進行分類，并配合磁選機和金屬探測器，以及人工智能將塑料混合物中的各種雜質剔除,并回收分選系統尾料、衍生料中的可再生資源，從而提高廢舊塑料的純度和回收率。該分選技術方案借鑒國外先進分選技術，結合我國國情，建立現代化的資源回收處理系統，實現廢舊塑料的回收利用，符合塑料工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

4 結束語

可再生資源的循環(huán)利用是實現社會可持續(xù)發(fā)展、經濟穩(wěn)定增長和保護生態(tài)環(huán)境的重要措施。分選作為混合廢舊塑料循環(huán)利用過程中的第一步，是保證塑料再生產品質量和提高社會經濟價值的關鍵。隨著科技發(fā)展，廢舊塑料的分選技術和設備也在不斷更新換代，由傳統的以人工分選為主發(fā)展到現今的以新型光學分選機和人工智能分揀機器人為主的自動化和智能化分選，也使廢舊塑料的分選效率和純度水平得到質的飛躍。廢舊塑料的分選設備種類繁多，實際應用時應針對混合廢舊塑料的特點，考慮成本和分選效率，設計分選方案，從而減少能耗，提高競爭力和節(jié)約資源。相信隨著人工智能和現代化分選機器的普及，廢舊塑料的循環(huán)利用將能夠實現自動化和智能化，并能夠有效地解決資源緊缺的問題。