Att sortera end-oflife skrot med avancerad teknik

Text av Tomas Liljenfors, vd Bryne

Ännu en artikel om skrotsortering? Ja, faktiskt. Jag har insett att många av dem som pratar om modeord (resiliens, cirkularitet, upcycling, loop, klimatpositiv, gröna jobb, handavtryck, scope, och så vidare, och så alla förkortningar GHG, CSR, SDG, EP&L….) inte har en aning om vad som faktiskt sker när aluminium återvinns. För att sammanfatta föregående artikel så är återvunnet aluminium en blandning av processkrot (prekonsumentskrot) och end-of-life-skrot (postkonsumentskrot), men mest processkrot. Processkrot behöver inte sorteras, end-of-life-skrot behöver sorteras innan omsmältning. Sortering kostar pengar och energi. Ju mer avancerad sortering, desto mer energi och därmed dyrare skrot. Det är speciellt för produkter med höga krav på legeringsinnehåll som avancerad teknik är lönsam, som när halter på järn, koppar och zink måste vara låga, exempelvis i plåt och profillegeringar. Längre än så hann vi inte förra gången. I detta nummer blir det en upplysningsresa för ”buzzword-användare” med att fokus på avancerade tekniker för högvärdigt skrot. Ni som arbetar med beräkningar, som till exempel livscykelanalys, tänk på att det alltid är långt från 100% av de använda produkterna som återvinns, och att förlusten, utöver återvinningsförlusten, vid omsmältning är betydligt större än 0%.

Detektion och separation

Att sortera bort skrot från ett flöde innebär att vissa bitar detekteras och tas bort från flödet. Borttagningen av skrot i ett flöde görs enkelt genom till exempel storleksseparation i ett raster, eller andra tekniker som diskuterades i förra numret av Aluminium Scandinavia. En metod för mindre skrotbitar, som importerats från ristillverkningen där svarta ris ska sorteras bort, består av en kamera som identifierar de svarta riskornen och med en tryckluftstöt skjuts det svarta riskornet bort från flödet av riskorn. På samma sätt kan mindre skrotbitar sorteras bort, medan större bitar sorteras bort genom falluckor i transportbandet eller en arm (mänsklig eller robotisk) som helt enkelt plockar bort biten från flödet. Men först måste man veta vilka skrotbitar som ska sorteras bort. Nedan följer ett antal varianter på detektionstekniker som kan identifiera avvikande skrot, som sedan sorteras bort enligt ovan.

Varmkrossning (eng. hot crush)

För att separera metaller som har olika smälttemperaturer kan varmkrossning användas. Gjutlegeringar har en högre kiselhalt och därmed en lägre smälttemperatur än leger- ingar för plåt, tråd och profil. Genom att hetta upp skrotet till en temperatur strax under smälttemperaturen så förvinner gjutaluminiumets styrka. Plåt-, tråd- och profillegeringar har en högre smälttemperatur och behåller därmed sin styrka vid samma temperatur. När det upphettade skrotet passerar en kross så kommer gjutaluminiumet krossas men de plastiska legeringarna kommer enbart att deformeras. Det krossade gjutaluminiumet kan separeras med avseende på storlek från de större bitarna av plastiska legeringar. Tekniken kan inte användas för att separera två likande legeringar, eftersom skillnaden i smältpunkt behöver vara stor.

Både röntgenstrålar och gammastrålning är fotoner, men med olika energi. Gammastrålning som vanligtvis förknippas med radioaktivitet har den högsta energiinnehållet.

Röntgengenomlysning (XRT)

Precis som på ortopedmottagningen så ger industriell röntgen en bild över det genomlysta materialets densitet. Tyngre material, med högre densitet, släpper igenom mindre röntgenstrålar än lättare material. Ett ben i en arm avbildas som mörk på bildskärmen hos ortopeden, precis som en kopparpartikel i en bit aluminium i industrin. Ett problem med röntgengenomlysning är att ett tjockare material blir mörkare än ett tunnare. Det kan därmed vara svårt att avgöra om en förorening (ljusare eller mörkare än grundmaterialet) är verklig eller om det rör sig om en tjockleksvariation (tunnare eller tjockare än grundmaterialet). Röntgen inom skrotsortering används på skrotflöden där allt skrot har samma tjocklek för att sortera bort bitar med annan densitet. Med smart bildanalys kan även små föroreningar upptäckas, men det kräver snabb bildbehandling och stor datorkraft för att kunna analysera stora skrotflöden. Röntgenutrustning är en relativt dyr teknik, men som ger ett snabbt flöde av analyserad aluminium. Tekniken kan säkerställa att skrot av andra material, som tenn, koppar och rostfritt järn, sorteras bort. Röntgengenomlysning har dock ingen möjlighet att separera en liten skillnad mellan två närliggande legeringstyper.

Röntgenfluorescence (XRF)

Även XRF använder sig av röntgenstrålar men med en mycket lägre effekt hos strålarna än röntgengenomlysning. I XRF använder man sig av ett litet intervall av våglängder hos röntgenstrålarna för att belysa ett objekt som ska analyseras. Röntgenstrålarna exciterar elektronerna i de yttre skalen på objektets yta, som sedan emitterar ljus när elektronerna faller tillbaka till sina skal. Detta ljus detekteras och ger information om vilken typ av grundämne och hur mycket det finns av detta grundämne. XRF används i många handhållna instrument på skrotgårdar och industrier, men förekommer också som större fasta installationer. När röntgenstrålar från instrumentet träffar ytan på materialet som ska analyseras är det endast de yttre atomlagren som nås av röntgenstrålarna. Man säger att penetrationsdjupet är litet för XRF. För en målad yta kommer endast färgen att analyseras, och för en våt yta kommer endast vätskan att analyseras. För aluminium är ytoxid en utmaning eftersom XRF mäter oxidens sammansättning men inte det underliggande aluminiumet. XRF-tekniken är snabb för tyngre ämnen men för lättare ämnen i aluminium, som magnesium och litium, blir det svårt att göra en noggrann mätning av. En ytterligare begränsning är att avståndet mellan instrumentet och materialet behöver vara kort för att inte signalen ska bli för svag. Tekniken är trots bristerna ett bra alternativ för stick-provtagning av aluminium för grovsortering, men ett mindre bra alternativ för stora flöden av aluminiumskrot om hög noggrannhet krävs.

Bakåtspridd röntgenfluorescence (XRF BE)

En ny teknik anpassad för stora skrotflöde är den bakåtspridda röngtgenfluorescensen där strålkällan i instrumentet inte är filtrerade röntgenstrålar med en karakteristisk våglängd, som i XRF, utan i stället röntgenstrålar med ett spektrum av våglängder men med lägre intensitet. Genom att använda bakgrundsstrålningen för karakteristisk röntgenstrålning blir den totala intensiteten högre. Detta skapar ett relativt stort penetrationsdjup på ca 0,2mm. Tekniken ska, enligt tillverkaren, vara möjlig att använda för att separera aluminium mellan olika legeringsklasser, men signalen bör vara svåranalyserad med tanke på den stora variationen i våglängd hos röntgenstrålarna. Jämfört med LIBS (se nedan) så ska penetrationsdjupet vara större så att också målade och anodiserade ytor kan undersökas, avståndet till detektor ska vara större och analyshastigheten snabbare.

Röntgenbilder ses oftast som negativa, det vill säga med omvänd gråskala så att tyngre ben avbildas ljusa och inte mörka Röntgengenomlysning blir ljus för tunnare partier av lättare ämnen. För tjockare partier eller tyngre grundämnen blir bilden mörkare.

Laserinducerad sönderfallsspektroskopi (LIBS)

LIBS är en teknik utvecklad av USAs militär för att automatiskt mäta halten av farliga substanser. Under 2010-talet har tekniken utvecklats till industriella applikationer med både handhållna enheter och detektorer fast monterade i sorteringsanläggningar. Enkelt förklarat kan en laser beskrivas som en lampa som skickar ut ljus av en enskild våglängd och hög ljusstyrka. Där ljusstrålen fokuseras blir det så varmt att provet som ska analyseras smälter. Smälta atomer bildar ett plasma ovanför provytan och elektroner från de yttre atomskalen i plasmat exciteras och när de faller tillbaka till sina skal emitteras ljus. Detta emitterade ljus detekteras. Det emitterade ljuset kommer från olika grundämnen där varje ämne har sina karakteristiska våglängder hos det emitterade ljuset. I instrumentet mäts intensiteten för varje våglängd och räknas sedan om till koncentration av olika grundämnen.

Lasrar med hög effekt går att flytta snabbt mellan olika objekt, men för att kunna smälta provets yta måste lasern vara fokuserad. Att flytta lasern snabbt över en större yta kräver avancerad teknik och

Röntgenstrålning som används vid röntgengenomlysning använda sig av hela spektret av energinivåer, det vill säga både Bremsstrahlung och karakteristisk röntgen. XRF använder sig endast av karakteristisk röntgenstrålning och filtrerar bort bromsstrålningen. Bakåtspridd XRF använder precis som genomlysning av hela spektret av röntgenstrålning. Detta ger en djupare penetration, men lägre upplösning.

Neutroner bildar gammastrålning när de träffar skrotprovet. Lyckligtvis blir inte skrotet radioaktivt efter analys.

Analys av skrot med neutroner genom PGNAA är ett forskningsområde med mycket aktivitet (källa: AiNT, project Metal Class, nuclear-training.de) datorkraft, varför många kommersiella LIBS idag är främst för att mäte på ett flöde som passerar under detektorn. Lasern penetrerar mindre än 0,1mm och därmed svårt att använda för att analysera målade aluminiumytor. Anodiserade, liksom smutsiga ytor går däremot bra och lätta liksom tyngre ämne kan analyseras. Trots snabbheten så är antalet detekterade bitar begränsat med fastmonterade LIBS, och kapaciteten i ton per timme är liten. Kostnaden för att sortera med LIBS är därmed hög.

Analys av skrot med neutroner ( PGNAA/PFTNA)

En analysteknik som tidigare främst använts inom gruv- och cementindustri är en teknik som använder neutroner. Neutroner, som är del av atomkärnan, är lämpliga för att analysera lättare grundämne. Neutroner har ett stort penetrationsdjup, vilket gör metoden okänslig för färg och ytföroreningar på skrotet. Tekniken ska klara av att mäta stora flöden av skrot genom att bombardera skrotflödet med neutroner. Neutroner skapas genom en neutronkälla från ett elektronrör som därmed skapar ett flöde av neutroner. Dessa neutroner interagerar med skrotets atomkärnor och emitterar då gammastrålar. Gammastrålar bär på karakteristisk kemisk information från skrotets beståndsdelar och kan därmed analyseras av en detektor och översättas till kemiskt innehåll. Tekniken ska trots neutroner och radioaktivitet vara säker, snabb, och tålig för att mäta i en process med direkt återkoppling av skrotets beståndsdelar. Det förkommer idag forskningsprojekt för att använda denna teknik för att sortera skrot. Huruvida tekniken är kommersiellt tillgänglig för skrotsortering är okänt. Kostnaden är troligen högre än övriga tekniker.

Sammanfattningsvis

Det är viktigt att tänka på att med avancerad sorteringsteknik så ökar inte den totala aluminiumåtervinningen, det ändrar bara i vilka produkter som det rena skrotet kan användas. Rent skrot för gjutlegeringar, som tidigare var mest baserad på renare klasser av processkrot, är idag en bristvara. Om återvinningsindustrin kan ta vara på mer aluminiumskrot än idag så måste mängden end-of-life-skrot öka. Det skrot som idag bränns, eller exporteras, måste tas in i det lokala kretsloppet. Den stora utmaningen för framtiden för aluminiumindustrin är att använda mer end-of-life-skrot. Att använda mer processkrot för renare legeringar skapar inget totalt mervärde, förutom en miljöstämpel på just den produkten. Att öka användningen av end-of-life-skrot totalt är det som skapar lägre CO2-emissioner.