廢棄塑料熱解之智能分揀綜述

Ocean Yu, Andrew Zao and Alfred Cheung

熱解前的分揀處理裝備的智能化設備成為廢棄塑料熱解工業中的關註焦點。目標是：從原始的手工作業過渡到自動化、清潔智能化裝備運作。所以要開發適合於各種廢棄混合塑料的智能化分類分離技術與裝備，實行廢棄塑料的高速高效自動化分離，解決傳統靠人工和化學分離的低效率和高污染的問題。

智能傳感分揀技術
智能傳感技術是實現類似人類視覺 ( 眼睛 + 視覺神經中樞 + 視覺神經細胞 ) 的功能，實現真正意義的智能化檢測和重要的質量控制技術。系統由中央控制器、傳感器等組成，像機和控制器構成，在捕獲各項參數之後，傳感器將其與內存中存儲的基準參數進行比較，做出分析。
在該行業內，挪威TOMRA集團的智能化傳感系統處於領先水平，並通過不斷的技術升級和融合雲互聯等新技術進一步優化了廢棄塑料分揀的流程。以下重點介紹該公司的兩套分揀系統：TITECHautosort ⁴和AUTOSORT.
1. TOMRA集团¹：
  陶朗集團是全球領先的分選及回收解決方案供應商，目前在全球80多個國家和地區設有運營機構，員工人數達3500多人，2017年營業額為7.5億歐元。最新一代創新TITECHautosort 4 廢料分揀系統。采用無需外部光源的紅外線 (Near infrared， NIR) 掃描技術，能夠在無外置燈臂的情況下運行，光線僅照射於傳感器掃描的傳送帶區域，實現節能達 70%，新的控制單元 (Control Unit， CU) 集成了能夠適應更寬溫度範圍的工業PC特性，對於大多數應用都能采用被動式冷卻，可在高達 50℃的溫度下，使用散熱器替代主動式冷卻裝置；配有更成熟的高性能數據采集卡；使用高速 TITECH 閥門，在新閥門驅動卡的支持下，可以達到更高的工作精度。它可以輕鬆地根據材質及顏色資訊從混合廢物流、單一廢物流、包裝廢物、廢紙、生活垃圾等中分選出各種目標物料，在應用條件和輸送設備滿足條件的情況下，TITECH分揀系統的分揀處理量可以達到30噸/小時。TITECH分揀系統的平均分揀純度可以達到90-95 %，最高純度可以達到99 %另外，AUTOSORT是TOMRA的明星產品，它是一個多功能的光電分選設備，使用靈活、性能高效，廣泛適用於混合塑料瓶、混合包裝材料，傳感器用於傳送帶上的物料識別，並通過噴氣嘴分選出來。包括：
  - 融合人工智能元素（GAIN）
    GAIN能夠模擬人類大腦的神經網絡，自動抓取海量的物料特征數據，並分析學習，優化分選算法，應對未來更復雜的分選和回收挑戰
  - 锐眼技术 (SHARP EYE)
    銳眼技術能夠發現相似材質之間的細微化學性質差異，比如從各種PET瓶子中分選出單層PET托盤，或者區分共聚物和均聚物。
  - 激光智选 (DEEP LAISER®)
    該技術在激光檢測模塊上集成了人工智能元素，具有深度學習和激光的雙重優勢，可同時檢測材料的光譜和空間特征，有效地識別出黑色的塑料、玻璃、橡膠等常規近紅外檢測技術無法識別的物體。
  - 升級飛光掃描技術(FLYING BEAM®)
    飛光掃描專利技術（FLYING BEAM®）是陶朗分選技術的獨門秘技，也是核心優勢所在。
    新AUTOSORT分選設備升級了陶朗的飛光掃描技術，優化的點陣掃描原理，使檢測光源分布更加均勻、更穩定，且能夠摒除環境工況的影響，使得識別更準確，檢測結果更一致，從而顯著提升分選純度和穩定性。
  - TOMRA INSIGHT雲互聯
    TOMRA INSIGHT 將分選機數據連至雲端，讓每臺分選機都能快速、安全地獲取大量的雲端數據，能夠更快、更準地完成物料的分析、分選，提高分選後物料的價值。
機器人識別分揀技術
在機器人識別分揀技術中，美國BHS 集團處於行業領先地位，此外亦不乏歐洲和中國的公司。相信日新月異的AI技術定能在該領域大放異彩。
1. 2017 年 4 月 18 日， 全球最大的固廢料處理系統集成技術的 BHS 集團²正式發布識別可回收物和其他物品進行回收的人工智能的 Max-AI™ 技術。Max-AI™ 采用多層神經網絡和視覺系統以類似於人的方式來查看和識別目標。機器人分揀機使用其視覺系統來查看材料，人工智能思考和識別每一種物品，以及機器人選擇目標物品。系統能夠自動地進行多個分選方案，分離各種材料，例如熱成型托盤、鋁和纖維，同時從 PET 瓶類中除去其它材質的殘留物。該公司的智能分揀機器人成本約為每臺20萬美元（以上數據來自網絡）。
2. 芬蘭的ZenRobotics公司³於2017研發成功一種基於視覺判斷的垃圾分類機器人Next Generation ZenRobotics Recycler（下稱ZenRobotics）。這款回收機的機器臂臂展長達2米，通過激光掃描系統，能夠提前掃描運輸帶上的物品並且將它們進行分類，然後通過機械臂將垃圾分類。2017年，日本垃圾處理公司Shitara Kosan、中國江蘇綠和環境科技有限公司也同ZenRobotics簽署了合作協議，引進了相同配置的分類機器人。
3. 美國光學分類設備生產商National Recycling Technologies⁴ 研發的Max-AI由視覺系統、人工智能及分揀系統組成。視覺系統用於獲取物品的視覺信息，即便垃圾快速一閃而過，也能被一個不差地記錄在案；獲得視覺信息後，下一步便是利用人工智能對物品進行鑒別。根據物品的大小、價值和位置來確定分揀的優先級，確保取得最優結果；判斷完畢後，機器人便可進行分揀。
4. 中國弓葉科技⁵自主開發的人工智能軟件與高速分揀機器人相結合，相當於為機器人安裝了一個類似於人腦的神經網絡系統，同時，機器人代替了工人的雙手。人工智能算法通過海量的圖像對機器人進行訓練，無論廢棄物是否完好無損、是否有凹痕、是否被壓碎、是否被扭曲、是否被部分遮擋等各種狀態之下，機器人都可以識別，並且從傳送帶上準確地抓取要回收的物料，投放到相對應的料框中。
智能紅外線識別分揀技術
此外智能紅外線識別分揀技術能夠進行快速材料識別和顏色識別。利用該技術不少廢物分揀及回收公司也設計出不少優秀的分揀系統。
1. 奧地利 BT-Wolfgang Binder GmbH⁶ 的全自動化回收料整理和分類的光學分選設備，利用了紅外線識別技術，可以識別和分離一系列類別明顯不同的材料，例如將塑料（包括 PET、 PE、 PP-HD 等）、紙張、紙板、金屬和玻璃等材料進行分類分揀，這種分揀機的處理量最高可以達到每小時 25 t 左右。
  原理：利用顏色傳感器來進行近紅外光譜分析，進行材料識別和顏色識別。利用線陣相機技術來進行顏色識別，或利用 X 射線 – 熒光技術來進行材料的化學組分識別。特別是在塑料領域中利用這些技術的不同組合形式，可以形成不同的解決方案。
2. 德國 RTT Systemtechnik 公司⁷ 的 Unisoft NIR 分選系統通過近紅外線光譜技術, 能夠自動分離出共聚和均聚兩種不同材料性能的 HDPE 瓶。
3. Closed Loop Recycling 公司⁸的 Pellenc 系統，能夠從本色的 HDPE瓶中分離出 PET 瓶和彩色瓶。
智能電壓差別化識別分揀技術
智能電壓差別化識別其實是根據不同塑料發熱量不同來進行分類回收，該方法經濟效益較高。
1. 日本 NEC 公司⁹開發利用 PVC 與其他塑料的加熱特性（ 50 ℃ 以內）和帶電特性的差別進行檢知技術，檢知的 PVC 用紅光標記，容易被操作者篩選。廢塑料按 PVC、發熱量高的塑料、發熱量低的塑料三類進行分選回收。發熱量高的 PE、 PP 等加熱回收，發熱量低的 PET、 PS、 ABS 等可用帶電標識回收，作業中不產生有害氣體等，也無須破碎，洗凈等預處理設備。該法比近紅外線技術精度高，成本僅為其的 1/2。
廢棄塑料碎片水旋分揀技術
水旋分揀法分離是采用離心加速器的原理使聚合物的混合物與雜質分離，它可將不同聚合物和雜質從粒狀塑料組分中分離出來，而且出料量遠高於懸浮分離法。
1. 德國 KHD HumboldWeda¹⁰ 設計了一種以離心分離為基礎的分離系統，叫做 Censor。這個系統可以有效地分離密度差為 0.005 g/cm 3 的塑料，而密度差為 0.05g/cm 3 的組分即可按常規進行分離。此系統的工作原理是將粉碎後的塑料粉末倒入懸液分離器的蓄水池中，然後進行攪動，使之形成均勻的懸浮液。通常旋轉分離器的外形為圓臺狀，沿其切線方向將懸浮液（含有塑料粉末）送入旋轉分離器中，在旋轉分離器高速轉動產生的離心力作用下，較重的粒子移向分離器的內壁，而較輕的粒子則移到懸液分離器的中心。伴隨重粒子的渦流運動而成為底流，與重粒子一起從懸液分離器底部排出。伴隨輕粒子的渦流形成溢流，從旋轉分離器上部與大多數水分一起排出。由於離心分離對顆粒形狀、尺寸不敏感，所以這項技術對聚合物纖維也是有效的，而且對於汙染程度高的塑料膜如農用薄膜同樣適用，它的重質成分是泥土、臟物，而輕質成分是回收的聚乙烯。