UBC除漆回收工艺与设备

2021-10-20吴燕翔

有色金属加工 2021年5期

吴燕翔

(龙口南山铝压延新材料有限公司，山东龙口 265706)

随着国内罐料产能的不断释放，相关UBC(废旧饮料罐)的回收措施也需进一步加强。UBC回收无论是社会效益还是经济效益，对大型铝业公司来说都是可观的。在此背景下，铝罐资源循环，UBC除漆回收-熔化-熔铸(再生铝)-轧制-制罐-灌装-销售-UBC收集，形成闭环。每吨再生铝比电解原铝节能达95%，而且节省约5t的铝矾土资源，CO2和有毒排放物大大减少，有利于环保。根据2017年美国贸委会《影响铝产业竞争的条件》的报告显示，世界上再生铝产量最大的国家是美国，归功于其成熟健康的终端市场及废铝收购基础设施。自2015年起，中国成为世界上最大的铝生产国和消费国，但在未加工再生铝生产国中仅排名第二。在再生铝行业，废铝的可用性和成本(包括运费)是竞争力中最重要的组成部分。废铝是再生铝生产的主要投入原料，在生产总值中占很大一部分。一个国家废铝可用性是由几个因素决定的，其中包括国内铝行业的年龄、经济发展水平、回收利用文化以及促进废铝收集的基础设施。对于发展中国家来讲，其铝业的终端市场相对欠发达，更依赖生产原铝[1]。

在日本和美国，UBC的回收早已成熟，从环保的角度看，主要在于其回收中心自备的预处理设施及其先进的UBC除漆回收工艺与设备。利用UBC生产3104合金工艺流程为，UBC打包料破碎-磁选去除铁质物质-回转窖碳化油漆-回转筛振动脱碳-双室反射炉熔化-除杂出煤-调整成分-精炼、细化、除气-过滤-铸锭。

1 铝罐LCI(生命周期编目)分析

铝罐的生命周期如下图1所示。

图1 铝罐的生命周期

目前关于罐装对环境造成的负担应该是其内容物负担还是容器负担存在分歧，认为图中的“使用”阶段属于内容物负担，在这里不做讨论。在准备铝罐LCI分析所需的环境负担编目数据时，根据罐料生产、制罐及再生铝生产环节实际情况制作了编目，进行了350mL铝罐的LCI分析,并且回顾了对铸件、压铸等的再生开环的评价。结果表明,在罐料生产原料中原铝仍约占50%，废铝回收再利用率仍有待提高[2]。

2 日本三建(SANKEN)IDEX除漆系统

三建株式会社位于日本广岛，利用S.A.S.(英国Stein Atkinson Stordy有限公司) INDEX控制流量系统技术合作开发。IDEX全称Internally Ducted Extraction Decoating System(内部管道抽取除漆系统)。图2为IDEX除漆系统的基本原理，图3为该系统的外形图。在内筒辐射加热型内流式回旋窖内，既可作为回收再处理过程的前期处理阶段，对UBC进行除漆，也适用于有机成分比例较高的各种包装材料。

图2 IDEX系统的基本原理

图3 IDEX系统外形图

图4为UBC的处理条件，图5为UBC的处理流程图。除漆反应为：(1)约150℃，将UBC加热到水的沸点以上使其水分蒸发；(2)约370℃，使喷漆、涂膜(有机成分)挥发，碳素成分保留；(3)约480℃，使UBC表面的残留物碳化；(4)约540℃，净化UBC表面，进行明亮处理。氧气浓度 6%～8%，在有机成分挥发过程中氧气减少，明亮处理时需要加氧气。

图4 UBC处理条件

图5 UBC的处理流程

INDEX系统的特点如下：(1)处理品质高，通过对除漆处理温度和氧气的控制来防止氧化烧损，无有机浮游粉尘混入，保证下一工序高收得率和再生铝的品质；(2)处理范围广；(3)控制性能和操作性能都很优异；(4)节能，通过采用内筒辐射加热，窖内的热损减少，升温时间变短以及实现节能操作；(5)设备为紧凑型设备，无需窖内内衬，通过纵向合理配置后燃器减少管道系统，实现设备紧凑化。

考虑到这种除漆窑技术中间有根圆钢管(芯部管道)，因为进料口的密封容易坏，导致除漆窑里的压力、氧气和温度都不易控制。

3 美国G&P公司大流量除漆工艺与设备

G&P公司开发的除漆窑技术，除漆窑内部不是钢管，而是密布了不锈钢钢片，在除漆窑旋转的同时，钢片把废料播撒开，使废料充分均匀地受热，热气流和物料的行进方向是逆向的。这种技术可以确保除漆窑内部的压力、氧气和温度得到精确控制。使UBC表面的涂层充分溶解，除漆窑内部废气中的活性有机物被充分燃烧掉。这也是最节能、污染排放最低的一种技术。

3.1 工艺简介

Gillespie&Powers(G&P)公司位于美国密苏里州圣路易斯，其大流量除漆工艺(MFDP)采用一种独特的设备配置，可在各种工艺条件下对预处理后的铝废料进行除漆。该MFDP系统的特点是随进料特性的变化，自动连续的调节气体量(体积或质量)的变化。自动调节由大流量控制回路启动，随出窑气体温度变化而调节变速风机，随所需热量的任何变化，例如水分含量或生产通过量的变化，系统立即作出响应，以保持温度和氧气含量的理想条件。这归功于利用无线温度感测和控制系统实现窑炉控制。可以通过HMI菜单依据待处理废料种类的不同选择不同控制设定值。系统的主变量是窑速，而这又取决于废料的尺寸和密度。

该系统包括一个处理气体循环回路，由变速循环风机、旋风器、燃烧室和所有必要的互连管道、膨胀波纹管以及进出气闸组成。含有循环气体和污染产物的处理气体从燃烧室排出，途经窑的出料罩，从窑中往上，最后到窑的物料入口进料端。随着气体沿窑上行前往进料罩，其温度下降。从进料罩处，工艺气体通过旋风单元和热气循环风机从窑内引入燃烧室。气闸可以保持物料的连续充排，同时通过避免外部空气影响工艺过程，保持工艺环境。

热气循环风机将处理气体排放到旨在烧掉气流中挥发物的燃烧室中。将自动用水稀释的系统纳入循环风机上游的管道系统中，在处理气体发生过热的情况下可保护系统。还提供温控旁路气体管道以保持气体以适当温度进入窑炉和旋风分离器。

内衬耐火材料的水平燃烧室内纳入处理气体入口、气体出口和清洁通道。燃烧系统将基于喷嘴混合燃烧器并配套所有必要的空/燃比控制，以及符合当前美国标准的安全元件。然后，来自燃烧室的热气体既可回到窑中也可排到烟囱。出口处的流量调节阀用于维持系统压力。如果要进行额外的废气处理，烟囱可以提供出口，此时后燃烧器也将配有带烟囱帽的紧急排气管。在加热器过热的情况下，将打开烟囱帽。

3.2 对工艺要求的工程分析

4个不同的反应区见表1。对该分析得出结论并清楚地表明，该方法需要在窑入口端具有低的气体温度而在窑出口端具有较高的气体温度，才能以最有效的方式完成该过程。图6显示使用气体逆流工艺时反应包迹完全合适。

表1 4个不同的反应区

图6 反应区和理想温度

在参考关于热交换器的经典文献时发现这并不为奇，此过程确有发生。由于其效率更高，在大多数单程传热操作中都选择逆流系统，而很少使用并行流(同流)。总而言之，对工艺要求的工程分析清楚地表明，G&P公司大流量逆流工艺优于其他工艺配置，其优点如下：(1)在所需处理温度和气体流量温度之间实现完美匹配，形成非常紧密、可控的控制包迹；(2)产品接触之处气体温度没有高于铝的熔点，因而避免铝的氧化；(3)该系统理想地管理颗粒并将其从窑炉排出口排出，因此其不会浸没在熔体中导致污染和熔体损失；(4)逆流系统换热效率高；(5)由于平均窑炉温度较低，即使在高度磨蚀的环境中也无需耐火衬里。

3.3 设备组成和描述

图7显示了MFDP的主要组成部分，包括绝热回转窑、进料和排放气闸、变速循环风机、热气发生器、排气管和旋风分离器。

图7 MFDP的主要组成

碎片通过气动操作的气闸进料到窑炉中，因此在窑炉中温度、氧含量和流动条件控制不受外界干扰。碎片通过剧烈旋转的回转窑进入排放气闸。窑炉经过精心设计，确保连续稳定的通过量和气体速度，不会阻碍碎片的流动。带有挥发性有机物和颗粒的气流离开进料罩并进入变速循环风机的入口，进入旋风分离器以除去大的颗粒，然后进入热气发生器以完全破坏挥发物。在系统中产生的处理气体通过压力控制旁通导流板排出，其余气体在系统中继续循环。专门安装在回路中的主要系统部件包括分流阀和热气发生器旁通管，用于将循环气流的温度降低到可将铝氧化的温度之下。进入窑炉的气体则处于理想脱漆的条件，约为537.8℃(1000℉)，含有约7%的氧气。

该设备的物料传输与辅助设备包括近40项，在此不再赘述，仅简要介绍主要组成部分。窑体由采用矿棉纤维和铝箔绝热的转窖组成，以防止热损，也有助于减少窑内传出的噪音。窖身前半部分密布12.72mm(1/2″)厚的A36钢片，另一半则密布12.72mm(1/2″)的不锈钢钢片。设计“窖内飞行”(internal flights)以便废料上下播散，废料和处理气体更好地混合。窑的进料端有一段大约1.83m的螺旋形“飞行”。供料口和排料口气闸处都将配备烟罩，经大气污染控制后高空排放，在20t/h的系统处理能力时预期排放指标见表2。