废旧塑料分选技术及设备的研究

区辉彬

（1.广东天保新材料有限责任公司，广东鹤山529727；2.广东省废塑料分选及利用集成装备与工艺工程技术研究中心，广东鹤山529727）

塑料具有良好的化学稳定性、电绝缘性、绝热性和力学性能，且密度小、易于加工，因此被广泛应用于农业、机械工业、建筑、交通运输、国防和医疗等众多领域中[1-3]。然而，随着塑料制品的使用量增加，塑料废弃物也越来越多，并对生态环境造成严重的影响。因此，如何回收处理废旧塑料，并对其进行再生利用，是塑料行业持续发展的重要课题，也是保护生态环境的关键所在。废旧塑料的回收利用方法主要有能量回收、物理回收和化学回收，其中能量回收是通过燃烧的方式获得废旧塑料的热能；物理回收是将废旧塑料经分选、清洗、破碎等工艺过程后，重新熔融造粒或加工成新制品；化学回收是通过热分解或化学分解等技术，将废旧塑料中的有机成分转化成石油化工原料[4-6]。

物理回收由于加工工艺简单、设备成本低、投资少，在我国废旧塑料再生行业中最具生产规模，也是目前国家主要支持的废旧塑料回收利用方向之一。然而，如果将混合废旧塑料直接机械加工，其产品价值低、性能差且不稳定。为加大废旧塑料的回收利用和提高再生产品价值，混合塑料的分选尤其重要。混合废旧塑料的分选是指利用化学组成、透光率、密度等各种特性差异，将混合状态的废旧塑料分离成单一组分，得到优质的回收塑料[7]。废旧塑料经分选后纯度得以提高，有利于制成质量更好的再生产品，从而提高经济效益。文中介绍废旧塑料回收利用中常用的分选技术及设备，并通过日杂非中空类塑料的分选技术工程方案来阐述不同分选技术及设备在现代化和智能化的再生资源综合处理设施中的应用。

1 废旧塑料分选技术

废旧塑料的分选技术可以分为传统分选方法和近代分选方法。传统分选方法有人工分选、密度分选、风力分选等；近代分选方法有颜色分选、近红外光谱（NIR）分选等。不同方法对分离混合废旧塑料都是有效的，但是这些方法在使用范围、分离效率、准确性以及工业化应用方面各有优缺点[8-11]。

1.1 人工分选

人工分选是利用操作人员的识别经验或借助简单的仪器，对部分体积较大的塑料制品进行分类处理，例如：各种家用电器外壳、塑料家具、大件儿童玩具等。该方法对设备要求较低，但对操作人员的分选经验要求较高。人工分选的效果是机器难以替代的，但存在效率低、劳动强度大的缺点。

1.2 筛分分选

筛分分选是利用机械筛将破碎后的废旧塑料按大于和小于筛孔的物料通过滚动、振动的方式分离的技术。该方法无法识别废旧塑料种类，在实际应用中往往与其他分选技术配合使用，得以获得理想的废旧塑料分选效率。

1.3 密度分选

密度分选是利用不同种类塑料间密度的差异进行废旧塑料分离的技术。在工业上，将破碎的混合废旧塑料依次通过盛有不同密度液体（常用的液体有自来水、饱和食盐水、氯化钙溶液等）的分离槽，然后根据塑料在液体中的浮沉情况对塑料进行分类。该方法操作简单，适用于分离密度差异较大的塑料颗粒，但缺点是会产生大量废水，且无法分离密度相近的塑料。

1.4 风力分选

风力分选是利用塑料颗粒在空气流中因粒径、形状、密度等差异予以分离，适合于密度差较大的物料之间的分离。风力分选将经破碎的塑料放在分选装置内喷射，风从横向或逆向吹入，利用不同塑料对气流的阻力与自身重力的合力差异进行分选。该方法是目前使用最广泛的混合废旧塑料分离方法，常用于分离形状和尺寸均匀但密度差异较大的塑料颗粒，也可用于去除塑料中的砂石和金属等杂质。

1.5 电磁分选和涡电流分选

电磁分选是利用分选设备产生的磁场使磁性物质从混合废旧塑料中分离出来的方法，该方法主要用于去除废旧塑料中混杂的铁磁性金属杂质。另一方面，涡电流分选是利用物质导电率不同的一种分选技术，适用于高电导率低密度物质与低电导率高密度物质及导体与非导体之间的分离。涡电流分选可有效回收混合废旧塑料中的有色金属（如铜、铅、锌等）。电磁分选和涡电流分选联合使用，可同时去除废旧塑料中的铁磁性和非铁磁性金属杂质。

1.6 颜色分选

颜色分选是根据塑料的颜色差异进行分离的技术。其工作原理是废旧塑料通过数个滤色器后，把各个不同的亮度换算成电流值并以此识别，然后通过分离装置实现不同颜色塑料的分类。该方法适用于分离颜色存在差异的塑料制品，但不能用于识别废旧塑料的材料种类。

1.7 光选

不同种类的塑料具有不同的光谱性能，通过不同的光介质对聚合物进行扫描，可以快速、准确地鉴别出废旧塑料的材料种类。目前，应用于废旧塑料鉴别的光学分选方法主要有X射线分选（XRT/XRF）、近红外光谱分选（NIR）、中红外光谱分选（MIR）、激光光谱分选（LIBS）等[12-14]。其中，近红外光谱分选由于具有光谱分析信号获取容易和信息量丰富的优点，加上该光谱谱区自身具有的谱带重叠、吸收强度较低等特点，是目前废旧塑料分选领域中使用最广泛和最具规模的光学分选方法。该方法适用于大多数塑料的识别，而且快捷、可靠、灵敏度高，但缺点是无法识别深色的塑料。因此，常在废旧塑料的分选过程中，联合颜色分选使用，提高分选效果。

2 废旧塑料分选设备

2.1 风力分选设备

风力分选设备的工作原理是利用混合废旧塑料中的各种物料在空气介质中因不同受力下的沉降差异而将其分离。按气流送入方向的不同，风力分选设备可分为水平式和垂直式两种类型。其中，水平式风力分选设备结构简单，维修方便，但横向尺寸较大，占地面积多；垂直式分选设备分选效率高，占地面积少，但风道结构复杂，常采用锯齿形或多段式分选。另外，风力分选机一般情况下都是采用循环的气流，加上废旧塑料中常带有大量的粉尘，因此，经过风力分选后的气流首先在集尘装置中进行除尘，然后再用鼓风机送回分选机中继续使用，形成循环气流。

2.2 电磁分选设备

电磁分选设备是在产业界使用最广泛的、通用性高的机种之一，适用于具有磁性差异物质的分离。在废旧塑料回收处理过程中，电磁分选设备常用于去除混杂于塑料中的铁磁性物质。磁选机种类繁多，按照工作主体部分构造的不同，可以分为：筒式磁选机、辊式磁选机、盘式磁选机、环式磁选机等。其中，筒式磁选机是目前最通用的磁选机之一，主要由圆筒、磁系、槽体和传动部分组成。筒式磁选机以圆筒作为磁选功能构造，多为弱磁场及中磁场磁选机，外部有圆筒保护内部磁系，因此被称为筒式；而辊式磁选机的磁选工作是在具有环带式构造的圆辊上完成的，主要包括外部产生磁场的感应辊型磁选机和自身产生磁场的永磁辊型磁选机。

2.3 涡电流分选设备

涡电流分选设备的构成可分为分选机主体和控制柜两部分，其中主体部分主要由磁辊、喂料系统、分料系统、罩体和机架等机构组成。磁辊是分选机的核心部件，用于产生交变磁场，由永磁体、导磁筒、滚筒组成，通过电气控制柜调整电机的转速大小，可分选不同种类的物料。德国STEINERT公司生产的涡电流分选机采用偏心式磁辊系统设计，可有效地分选出铝、铜等有色金属和玻璃、塑胶。此外，偏心式磁辊的涡电流分选机可避免传统同心式磁辊的致命缺点。传统同心式磁辊会有铁质粒子渗进皮带和磁辊滚筒壳间无法排出，因跳动摩擦生热而戳穿皮带和滚筒，造成故障。偏心式磁辊不仅可避免此种问题的发生，而且还可随物料状况不同，通过调整磁辊轴线的位置、输送机的速度、磁辊的转速以及下料隔板的位置，使物料的分选效果最优化。

2.4 颜色分选设备

颜色分选设备利用物料之间颜色、反光率的差异，用光电比色的方法和分选设备实现不同颜色物料的分类。颜色分选机型式多样，但其结构主要由上料单元、图像采集识别单元、分选执行单元和下料单元组成。其中，图像采集识别单元是颜色分选机的核心部分，直接关系到颜色分选机的性能、效率和成本，主要包括高清摄像头、图像采集卡、图像处理计算机、光源和背景。目前，颜色分选机已经普遍应用于各种行业，如农业、食品加工业、化学工业、矿石工业等。此外，废旧塑料专用的颜色分选机可按照颜色对ABS，PC，PE，PET等各种塑料制品实行分类，提高分选效果。

2.5 近红外光谱分选设备

近红外光谱技术可实现适应工业化生产需求的非接触无损检测、毫秒级的快速检测，近年来广泛应用于各种物质检测领域。近红外光谱分选设备包括上料、传送、识别、分离以及控制等模块。识别模块主要包括近红外光谱仪及其附属部件。随着阵列检测器件生产技术的日趋成熟，采用固定光路、光栅分光、阵列检测器构成的NIR仪器，以其性能稳定、扫描速度快、分辨率高、信噪比高以及性价比优越等特点，正被逐渐推广[15]。美国NRT公司生产的NIR分选机联合使用漫反射与透射技术采集光谱信息，并通过飞行中探测技术检测喷射飞行中的物料，减少相关运动误差和传送带干扰，提高准确率和纯度。挪威TOMRA公司生产的NIR分选机使用创新的不需外部光源的NIR扫描系统，可降低高达70%的能耗，且更易于维护。虽然近红外光谱分选技术目前存在难以识别深色塑料的瓶颈，但其在塑料分选领域极具潜力，是现代化和自动化塑料分选的主流技术之一。

2.6 人工智能

近年来，随着科学发展，人工智能技术逐渐成熟，并涉及到再生资源回收利用领域。美国NRT公司和法国MACHINEX公司最近相继发布了其新型分拣机器人Max-AITM和SamurAITM。其中，分拣机器人Max-AITM采用多层神经网络和视觉系统来查看和识别物体，与人类的方式相似，而分拣机器人SamurAITM采用人工智能技术和四关节结构来识别和分拣材料，分拣速度可达70次/min。目前，人工智能分拣机器人Max-AITM和SamurAITM已经分别在相关的资源回收企业进行安装和使用，并取得很好的效果。此外，人工智能分拣机器人还能通过学习不断改进，从而提高整体系统性能，确保最精确的识别，实现最高的回收率和纯度水平。传感器技术、通信技术和计算机技术构成了现代信息技术的三大支柱，在信息系统中分别起着“感官”、“神经”和“大脑”的作用[16]。人工智能分拣机器人通过卓越的传感器技术分析目标物料的成分，达到识别废旧塑料种类的效果，并利用机械手臂进行高速分拣处理。相信随着人工智能和传感器技术的发展与普及，智能化与自动化将是信息时代的资源回收产业的趋势。

3 分选技术方案

日常生活中回收的非中空类废旧塑料多为盆、筐、水果篮、塑料凳等民用日常杂品，主要成分为PP，PE，PS/ABS和其他杂质，其中杂质主要为金属、泥沙、硅胶、玻璃、标签、残留液体、轻质物料、木屑纸屑等。天保新材料有限责任公司针对此类混合废旧塑料设计了以风力分选、颜色分选、NIR分选为主，并辅以人工分选、电磁分选和人工智能的分选技术方案。该方案的处理量可达4.5 t/h。其工艺流程如表1所示。

表1 日杂非中空类废旧塑料的分选工艺流程

以日杂非中空类废旧塑料为原料，该分选技术方案通过联合使用风选机、颜色分选机和NIR分选机，实现对混合废旧塑料中的PP，PE，PS/ABS按照颜色和材质进行分类，并配合磁选机和金属探测器，以及人工智能将塑料混合物中的各种杂质剔除,并回收分选系统尾料、衍生料中的可再生资源，从而提高废旧塑料的纯度和回收率。该分选技术方案借鉴国外先进分选技术，结合我国国情，建立现代化的资源回收处理系统，实现废旧塑料的回收利用，符合塑料工业的可持续发展战略。

4 结束语

可再生资源的循环利用是实现社会可持续发展、经济稳定增长和保护生态环境的重要措施。分选作为混合废旧塑料循环利用过程中的第一步，是保证塑料再生产品质量和提高社会经济价值的关键。随着科技发展，废旧塑料的分选技术和设备也在不断更新换代，由传统的以人工分选为主发展到现今的以新型光学分选机和人工智能分拣机器人为主的自动化和智能化分选，也使废旧塑料的分选效率和纯度水平得到质的飞跃。废旧塑料的分选设备种类繁多，实际应用时应针对混合废旧塑料的特点，考虑成本和分选效率，设计分选方案，从而减少能耗，提高竞争力和节约资源。相信随着人工智能和现代化分选机器的普及，废旧塑料的循环利用将能够实现自动化和智能化，并能够有效地解决资源紧缺的问题。