Переработка алюминия — это процесс, в ходе которого вторичный коммерческий алюминий создается из лома или других форм отслужившего свой срок или иным образом непригодного к использованию алюминия. [1] Он включает в себя переплавку металла, что дешевле и энергоэффективнее, чем производство чистого алюминия путем электролиза глинозема (Al 2 O 3 ), очищенного из сырого боксита с использованием процессов Байера и Холла–Эру .
Переработка алюминиевого лома требует всего 5% энергии, используемой для производства нового алюминия из сырой руды. [2] В 2022 году Соединенные Штаты произвели 3,86 метрических тонн вторичного алюминия на каждую метрическую тонну произведенного первичного алюминия. За тот же период времени вторичный алюминий составил 34% от общего объема новых поставок алюминия, включая импорт. [3] Использованные контейнеры для напитков являются крупнейшим компонентом переработанного алюминиевого лома, и большая его часть перерабатывается обратно в алюминиевые банки. [4]
Первым шагом в переработке алюминия является сбор и сортировка алюминиевого лома из различных источников. [5] Алюминиевый лом поступает в основном либо из производственного лома, либо из отслуживших свой срок алюминиевых изделий, таких как транспортные средства, строительные материалы и потребительские товары. [5] Производственный лом включает в себя обрезки, стружку, обрезки и другой алюминий, оставшийся от производственных процессов. Потребительский лом состоит из устаревших или выброшенных алюминиевых изделий. Алюминиевые банки, [6] в частности, являются основным источником перерабатываемого алюминиевого лома. После сбора алюминиевый лом сортируется по типу сплава, марке, уровню примесей и другим факторам. [6] Сортировка может выполняться вручную или с использованием таких технологий, как вихретоковые сепараторы, воздушные классификаторы и плотностные сепараторы. [7] Лом сортируется по категориям, таким как лом деформируемых сплавов, лом литейных сплавов, использованные банки из-под напитков, автомобильный лом и смешанный лом. Правильная сортировка имеет важное значение для производства высококачественного переработанного алюминия.
После сортировки лом может пройти предварительную обработку для подготовки к плавке. [8] Они могут включать пакетирование, измельчение, дробление, гранулирование, снятие покрытия и размагничивание. [9] Измельчение и дробление уменьшают размер частиц лома и освобождают его от других материалов, в то время как гранулирование производит мелкие частицы, идеально подходящие для плавки. [10] Термическое снятие покрытия удаляет покрытия, такие как краска и пластик, с алюминиевых поверхностей. [7] Размагничивание удаляет частицы железа, прилипшие к алюминиевому лому. Предварительная обработка улучшает плотность загрузки лома и удаляет загрязняющие вещества, что приводит к более быстрой плавке, более чистому металлу, уменьшению образования шлака и снижению потребления энергии. [11]
После предварительной обработки алюминиевый лом подвергается плавке и обработке жидким металлом для получения очищенного алюминиевого сплава, пригодного для литья или переработки. [11] Различные типы печей используются в зависимости от типа лома, желаемого качества металла и экономичности. Более мелкий лом обычно перерабатывается во вращающихся или отражательных газовых печах, в то время как крупные отдельные куски лома можно загружать непосредственно в отражательные печи через боковые колодцы. [10] Также используются электрические индукционные печи. По мере плавления лома добавляются флюсы для связывания и поглощения примесей, которые соскребаются сверху в виде шлака. Также может вводиться газообразный хлор для удаления примесей посредством флотации. Затем расплав может подвергаться процессам очистки, таким как впрыскивание флюса, для дальнейшего снижения содержания водорода и примесей. Дегазация удаляет растворенный водород, а химическая фильтрация удаляет твердые примеси и включения. Конечным результатом является расплавленный алюминиевый сплав, готовый к литью. [12]
Расплавленный переработанный алюминий отливается в твердые формы, такие как слитки, болванки или непосредственно в листы или заготовки для экструзии. Литье с прямым охлаждением обычно используется для затвердевания жидкого алюминия в большие цилиндрические заготовки для экструзии или прокатки. [7] Метод прямого охлаждения распыляет воду на горячий металл, когда он выходит из формы, быстро охлаждая его до твердой формы заготовки. [13] Для слитков часто используются книжные формы, производящие слитки в форме слябов, пригодные для переплавки или прокатки. [14] Непрерывное литье напрямую формирует алюминий в прокатные слябы без промежуточного этапа литья слитков. Двухленточное или двухвалковое литье полосы производит полосы сплава толщиной 6-7 мм непосредственно из расплава для последующей прокатки. Метод литья зависит от последующей обработки и использования переработанного алюминиевого сплава. [15]
Хотя алюминий в чистом виде производился еще в 1825 году, [16] производство вторичного алюминия, или переработка, возросло в объеме с введением промышленно жизнеспособных процессов первичного алюминия, а именно комбинации процессов Байера и Холла-Эру. Процесс Холла-Эру для производства алюминия из глинозема был изобретен в 1886 году Чарльзом Холлом и Полем Эру . [17] Карл Йозеф Байер создал многоступенчатый процесс для преобразования сырого боксита в глинозем в 1888 году. [18] Поскольку производство алюминия росло с использованием этих двух процессов, переработка алюминия также росла. В 1904 году в Соединенных Штатах были построены два первых завода по переработке алюминиевых банок; один завод по переработке был построен в Чикаго, штат Иллинойс, а другой - в Кливленде, штат Огайо. [19] Объемы переработки алюминия наиболее значительно возросли, когда во время Первой мировой войны ресурсы металла были на грани истощения, поскольку правительство США проводило кампанию среди гражданского населения по сбору старых изделий, таких как алюминиевые кастрюли, сковородки, лодки, транспортные средства и игрушки, для переработки с целью строительства алюминиевых планеров самолетов. [19]
Алюминий — это бесконечно перерабатываемый материал, и для его переработки требуется на 95 процентов меньше энергии, чем для производства первичного алюминия, что также ограничивает выбросы, включая парниковые газы. Сегодня около 75 процентов всего произведенного в истории алюминия, почти миллиард тонн, все еще используется. [20]
Переработка алюминия обычно обеспечивает значительную экономию средств по сравнению с производством нового алюминия, даже если принять во внимание стоимость сбора, разделения и переработки. [21] В долгосрочной перспективе еще большая национальная экономия достигается, если учесть сокращение капитальных затрат, связанных со свалками , шахтами и международной доставкой необработанного алюминия.
Переработка алюминия использует около 5% энергии, необходимой для производства алюминия из бокситов ; [22] количество энергии, необходимое для преобразования оксида алюминия в алюминий, можно наглядно увидеть, если обратить процесс во время сгорания термита или смесевого топлива на основе перхлората аммония .
Экструзия алюминиевых штампов — это особый способ получения повторно используемого материала из алюминиевых отходов, но не требующий большого расхода энергии в процессе плавления. В 2003 году половина продукции, произведенной из алюминия, была получена из переработанного алюминиевого материала. [23]
Выгода в отношении выбросов углекислого газа частично зависит от типа используемой энергии. Электролиз может осуществляться с использованием электроэнергии из неископаемых источников топлива, таких как ядерная, геотермальная, гидроэлектрическая или солнечная энергия. Производство алюминия привлекается источниками дешевой электроэнергии. Канада, Бразилия, Норвегия и Венесуэла имеют от 61 до 99% гидроэлектроэнергии и являются основными производителями алюминия. Однако аноды, широко используемые в процессе Холла-Эру, изготавливаются из углерода и потребляются во время производства алюминия, генерируя большое количество углекислого газа, независимо от источника электроэнергии. [24] В настоящее время предпринимаются усилия по устранению необходимости в угольных анодах. [25] Использование переработанного алюминия также снижает потребность в добыче и очистке бокситов.
Огромное количество используемого алюминия означает, что даже небольшие процентные потери — это большие расходы, поэтому поток материала хорошо контролируется и учитывается по финансовым причинам. Эффективное производство и переработка также приносят пользу окружающей среде. [26]
Поскольку многие страны продолжают полагаться на электроэнергию, вырабатываемую с помощью угля, для производства алюминия алюминиевая промышленность вносит свой вклад в 2% мировых выбросов парниковых газов, около 1,1 млрд тонн углекислого газа. [27] Многие страны сейчас стремятся декарбонизировать алюминий не только потому, что это второй по использованию металл в мире, но и потому, что это в значительной степени повлияет на общие выбросы парниковых газов в попытке замедлить изменение климата. [28]
Как один из самых перерабатываемых и перерабатываемых материалов, используемых сегодня, алюминий может перерабатываться практически бесконечно. Поскольку переработанный алюминий потребляет 5% энергии, используемой для производства нового алюминия, около 75% произведенного алюминия продолжает использоваться сегодня. [29] По данным Ассоциации алюминия, на промышленных рынках, таких как автомобилестроение и строительство, алюминий перерабатывается в количестве до 90%.
С 1991 года выбросы парниковых газов от алюминиевых банок снизились примерно на 40%, что сопоставимо с уровнем спроса на энергию. Это можно объяснить снижением интенсивности выбросов углерода при производстве первичного алюминия, повышением эффективности производственных операций и более легкими банками. [30] Хотя первичный алюминий составляет всего 26,6% банки, он является основным источником углеродного следа банки. Например, по состоянию на 2020 год 86% производства алюминия в Китае в основном зависит от электроэнергии, вырабатываемой с помощью угля. С другой стороны, Канада получает примерно 90% своего первичного производства алюминия с помощью гидроэлектростанций, считая ее самой устойчивой в мире. [28]
Алюминий и его применение широко и многочисленно — от оборонного строительства и электропередачи до ключевой роли в товарах, снижающих выбросы (электромобили и солнечные панели). В связи с этим страны начали декарбонизировать алюминий для борьбы с глобальным изменением климата.
Переработка алюминия имеет ряд экономических преимуществ, если она осуществляется правильно. Фактически, Агентство по охране окружающей среды считает переработку «критической» частью экономики Соединенных Штатов, способствующей налоговым поступлениям, заработной плате и созданию рабочих мест. [31] Облегчая обработку лома и повышая ее эффективность — от лома «с концом срока службы» до повторного использования лома на протяжении всей стадии производства («внутренний» лом) — переработка алюминия помогает достичь целей круговой экономики. [32] Этот тип экономики фокусируется на минимизации добычи природных ресурсов, что приводит к сокращению потребительских и промышленных отходов. Несколько примеров стран, которые приняли переход к круговой экономике, включают Европейский союз, Финляндию, Францию, Словению, Италию, Германию и Нидерланды. [33]
Недавнее исследование, проведенное в Соединенных Штатах, выявило несколько способов, с помощью которых переработка алюминия может принести экономическую выгоду, в том числе:
Поскольку страны осознают различные экономические и экологические преимущества переработки алюминия, ожидается, что будут предприняты дополнительные усилия по повышению эффективности этого процесса.
По данным Международного института алюминия за 2020 год, глобальный уровень эффективности переработки составляет 76%. Около 75% из почти 1,5 млрд тонн алюминия, когда-либо произведенного, все еще продуктивно используется сегодня. [34]
Бразилия перерабатывает 98,2% производимых ею алюминиевых банок, что эквивалентно 14,7 млрд банок для напитков в год, [35] занимая первое место в мире, что превышает показатель утилизации в Японии, составляющий 82,5% . Бразилия возглавляла рейтинги по переработке алюминиевых банок восемь лет подряд. [36]
Помимо переработанных алюминиевых банок для напитков, большая часть переработанного алюминия поставляется в виде смеси различных сплавов. Эти сплавы обычно имеют высокий процент кремния (Si) и требуют дополнительной очистки во время процесса измельчения, сортировки и очистки для уменьшения примесей. Из-за уровней примесей, обнаруженных после очистки, применение переработанных алюминиевых сплавов ограничивается литьем и экструзией. Аэрокосмическая промышленность часто ограничивает уровни примесей Si и Fe в сплавах до максимума 0,40%. Контролировать появление этих элементов становится все труднее, чем чаще металл перерабатывался, и требуют более затратных операций для сплавов, чтобы соответствовать эксплуатационным требованиям. [38]
Белый шлак, остаток от первичного производства алюминия и вторичных операций по переработке, обычно классифицируемый как отходы, [39] все еще содержит полезные количества алюминия, которые могут быть извлечены промышленным путем. [40] В результате этого процесса производятся алюминиевые заготовки вместе с очень сложными отходами. Эти отходы трудно поддаются обработке. Они реагируют с водой, выделяя смесь газов (включая, среди прочего, водород , ацетилен и аммиак ), которая самопроизвольно воспламеняется при контакте с воздухом; [41] контакт с влажным воздухом приводит к выделению большого количества газообразного аммиака. Однако, несмотря на эти трудности, отходы нашли применение в качестве наполнителя в асфальте и бетоне . [42]