鋁質易拉罐原級回收利用研究進展

劉林林，李志，鐘俊輝，孫一博，金彪，何江

華潤雪花啤酒（中國）有限公司，華潤雪花技術研究院（北京 100005）

鋁質易拉罐起源于20世紀50年代，因其具有質量輕、容重比大、密封性好，同時又具有便于攜帶和使用等特性[1]，被廣泛應用于啤酒、飲料等食品包裝。據不完全統計，全球在食品包裝方面年消耗易拉罐量可達1 500億只，需200萬 t鋁合金帶材，占全球鋁總消耗量的15%左右。我國是消費大國，易拉罐的年消耗量約220億只，消耗30萬 t的鋁合金帶材，占全球消耗量的15%[2]。鋁是地殼中含量最高的金屬元素，據統計，全世界鋁土礦儲量約230億 t，我國儲量約7億 t，占全世界儲量的3%左右[3]，但其為不可生資源，隨著全球工業化進程的不斷加快，鋁的消耗量逐年增加，導致鋁資源日趨貧化，違背全球可持續發展戰略，因此，建立鋁資源的回收利用產業鏈成為大勢所趨，尤其是鋁質產品的原級間的回收利用更是重中之重。2011年我國科技部、工業和信息化部、財政部印發《再生有色金屬產業發展推進計劃》優化產業布局，推進可持續發展進程，2021年國家市場監督管理總局和國家標準化管理委員會發布GB/T 40382《再生變形鋁合金原料》標準，為我國建立健全鋁資源回收制度奠定基礎。美國鋁業協會于2021年發布《鋁罐的優勢：2021年可持續發展關鍵績效指標》調查報告，從回收率和回收價值等方面對鋁罐、玻璃瓶、PET瓶進行對比，突出鋁罐回收的必要性；2020年歐洲鋁業協會提出《再生鋁行動計劃2030》，指出要減少原鋁的消耗，提高廢鋁的回收率，從法律法規、商業資源、技術科技上做出相應的戰略調整，建立健全鋁回收的閉環體系[4]。基于此，從鋁質易拉罐原級回收現狀，生命周期評價、回收瓶頸等方面進行綜述，并結合國家的政策方向“碳達峰”“碳高峰”對易拉罐回收進行展望。

1 鋁質易拉罐原級回收現狀

鋁質易拉罐由拉環、罐蓋和罐身3個部分組成，拉環由5042合金加工而成，質量約占整個罐的1.99%，罐蓋由5182鋁合金加工而成，質量約占整個罐的15.86%，罐身由3104鋁合金加工而成，質量約占整個罐的82.15%，其主要成分見表1[5]。3種合金具有優異的拉伸強度、屈服強度、硬度等特性，且含合金種類基本一致，因此可統一回收用于拉環、罐蓋、罐身的再生利用。

表1 鋁質易拉罐牌號成分表

由于易拉罐的自身價值性，根據2016年統計我國在廢舊易拉罐的回收率可達99%以上[6]，但回收易拉罐質量參差不齊、分類分級體系不健全、回爐再制關鍵技術的缺失導致回收易拉罐有效利用率較低，幾乎全部被迫降級使用，用以生產級別較低的鋁合金或非標鋁合金，造成嚴重的經濟損失；同時易拉罐的生產還需全部依賴原鋁的再加工，造成資源浪費。2015年肇慶市大正鋁業年處理15 000 t廢易拉罐保級回收產線建成[7]，2020年張深根教授牽頭申請的專利 “一種由廢雜鋁再生目標成分鋁合金的方法”獲第二十一屆中國專利銀獎，為我國廢舊易拉罐的同級回收產業的發展奠定基礎。

對于西方發達國家，美國鋁業協會調查顯示，2020年鋁罐由于疫情影響較2019年的回收率46.1%下降0.9%，為45.2%，根據行業發展的動向，美國鋁業協會宣布2030年鋁罐回收率提高到70%，2040年提高到80%，2050年提高到90%；同時美國鋁業協會還提出新的衡量鋁罐回收的指標——閉環循環率，其定義為回收材料用來制造相同材料的比例，美國閉環循環率達92.6%。2014年美國諾貝麗斯（Novelis）鋁業公司開發一種命名為“EvercanTM”的鋁合金材料，其制作的易拉罐罐身使用的回收料比例達90%，剩余10%使用原生鋁錠，2015年該公司又對其“EvercanTM”鋁合金進一步的研究開發，研制出“EvercanTM”高廢料鋁合金，即使用10%的未經過商業循環的廢料替代10%的原生鋁錠，實現全廢料生產工藝[8]。諾貝麗斯開發出可無限回收利用的鋁合金材料，從“罐到罐”（can to can）僅需要60 d，實現能源的循環利用。根據歐洲鋁業協會調查顯示，由于歐洲鋁業回收產業鏈的原因，2019年易拉罐回收率為75.8%，同時歐洲鋁業協會宣布到2030年實現易拉罐的100%回收，建立健全閉環回收體系，改變現有回收體系結構，提升有效回收利用率。2015年奧地利阿馬格建立投產生產能力76 000 t/a的易拉罐回收再制生產線[9]。綜上所述，易拉罐原級回收利用項目的開展成為各國研究的中主要課題。

2 鋁質易拉罐能源消耗研究現狀

我國生產的鋁質易拉罐因技術壁壘均為原鋁制作而成，而國外在逐步的利用再生鋁質易拉罐替代原鋁生產的易拉罐，以達到節能減排的效果。針對原鋁及再生鋁易拉罐其能源消耗差異主要集中于前端的帶材的生產，原鋁是由鋁土礦電解加工而成的，而再生鋁是由廢棄的鋁經過熔融加工而成的，具體見圖1。因其工藝及工序的復雜程度不同，導致2種鋁材的能源消耗存在較大差異。

圖1 鋁質易拉罐生產流程圖

陳偉強等[10]、盧浩浩等[11]對我國鋁生命周期內物質流及能量流進行深入探討，為探究鋁行業能源消耗，碳排放奠定基礎。其在原有鋁生命周期特定階段（產品生產階段、使用階段、廢料的回收及再利用階段）[12-16]的基礎上進行細化，將產品生產階段劃分為原料生產階段和產品加工與制造階段，如圖2所示。原鋁易拉罐生產流程為階段1—階段2—階段3；再生鋁易拉罐生產流程為階段4—階段2—階段3。明確原鋁錠生產與再生鋁錠生產的能源消耗、二氧化碳排放差異環節。

圖2 鋁生命周期邊界圖

李瑛娟等[17]、陳少文[18]對全球鋁生產大國在電解鋁生產過程中的能源消耗、碳排放進行統計分析。具體如表2所示。我國電解鋁綜合電耗13 531 kW·h/t鋁，遠低于其他國家，但其碳排放11.2 t/t鋁，遠高于其他國家。可見我國電解鋁用電結構的不均衡，我國以煤電為主，約占電力結構的85%，從而導致我國電解鋁能源消耗與碳排放的不平衡，而其他國家多用水電、天然氣電減低碳排放，具體見表3。電解鋁年電力消耗約占我國總電力消耗的6.7%，碳排放約占我國碳總排放量的3%，對我國環境造成嚴重影響。2021年12月工業和信息化部、科技部、自然資源部印發的《“十四五”原材料工業發展規劃》明確指出，至2025年我國電解鋁碳排放下降5%，為實現碳達峰、碳中和的目標努力。

表2 全球鋁生產地區電解鋁能源消耗與碳排放

表3 原鋁與再生鋁生產中能源消耗及碳排放明細

丁寧等[19]對我國2008年原鋁及再生鋁能源消耗及碳排放進行對比分析，結果表明我國再生鋁錠的生產總耗能約占原鋁錠生產的4.86%，再生鋁錠生產的碳排放總量約占原鋁錠生產的4.2%。具體見表3。據劉龍等[20]統計在我國“十三五”期間，我國總再生鋁總生產量為3 480萬 t，若與等量電解鋁相比，其可減少開采13 920萬 t鋁礦石，節約1.2億 t煤，節約7.7億 m3水資源，減少3.8億 t的碳排放，減少6.96億 t的固體廢物的排放。可見再生鋁在能源消耗、碳排放兩方面的巨大優勢。開展鋁的再回收項目勢在必行。

2021年由中國食品發酵工業研究院發起“我國食品行業易拉罐原級在利用可行性研究”項目。再生鋁錠加工完成后按用途分為制罐用再生鋁錠和鑄造用再生鋁錠，并細化兩者在后續加工過程中的碳排放差異，結果顯示，生產1 t制罐用鋁水碳排放總量占生產同等重量原鋁水碳排放總量的11.5%，占生產同等質量鑄造用鋁水碳排放總量的27%，具體見圖3。可見使用再生鋁進行制罐與使用原生鋁錠制罐在能源消耗及碳排放角度均具有明顯優勢。

圖3 不同形式鋁的碳排放圖

3 鋁質易拉罐原級回收利用中的瓶頸

除美國和日本2個國家，其他國家的鋁質易拉罐基本為降級回收利用，而新的易拉罐還在使用原鋁錠進行加工制造，造成資源的浪費、環境的破壞、經濟的頹廢。相對而言，美國和日本以在不同程度上實現“can to can”的循環利用。而造成此種現象的原因主要有2個方面：一是回收路徑及回收體系的不完善，二是回收工藝技術要求較高。

3.1 鋁質易拉罐原級回收路徑瓶頸

時下，鋁回收體系、法律法規的不完善、民眾環保理念較差、易拉罐回收對技術要求較高，導致鋁質易拉罐在原級間循環利用較為困難[21-22]。解決這一難題應從3個方面入手。一是提升易拉罐的回收率。僅少數國家鋁質易拉罐的回收率相對較高，全球平均回收率還有待提高，這是因為各家對廢棄易拉罐無強制的回收法律法規，同時隨著人民生活水平的提高，微薄的回收利潤不足以滿足現代人的需求，回收意愿不強導致。針對此現象可借鑒美國1972年頒布的《瓶罐法案》，實行瓶罐的收取不等額度押金制度。其他國家也應該從法律層面、有償回報方面及政府增設自動回收站方面強制性、有償吸引性、回收便利性地提高人民的回收意愿[23]。二是實現分類分級回收。回收站的易拉罐參差不齊，同時混雜其他材質的罐子，無法實現分類、分級管理，導致由回收的易拉罐熔煉的鋁水不符合制罐鋁水的要求，從而降級用于汽車零配件的制造、鋁合金門窗的制造等。因此應建議全閉環回收體系，我國2019年實行的垃圾分類政策，可為易拉罐分類分級管理、閉環回收創造基礎條件[24]。三是企業技術革新。回收易拉罐的前期處理：鋁水的熔煉、鋁水中合金物質的檢測均比原鋁錠要求高，企業需要開發新技術，更新設備，建立新產線，由此導致規模較小的鋁業集團無法完成技術革新，建立易拉罐回收產線，限制了易拉罐的原級回收再利用[25]，各國應對中小型企業進行扶持，幫助其綠色化轉型，推動行業發展。

3.2 鋁質易拉罐回收工藝瓶頸

易拉罐原級回收利用工藝主要分為3個階段：前期處階段、鋁水重鑄階段、易拉罐加工成型階段。見圖4[26]。存在瓶頸的工序主要集中在前處理階段的脫漆工序及鋁水重鑄中的成分除雜。

圖4 易拉罐原級回收利用工序圖

3.2.1 脫漆工序研究進展

根據食品安全要求，易拉罐內壁會噴射涂層，一般為環氧樹脂；為美觀易拉罐外壁會印刷精美的圖案，一般使用丙烯類涂料。2種漆料約占罐總重的2%～4%；不經脫漆直接對廢棄易拉罐體進行熔融，這些物質不僅會將有害雜質帶入再生鋁錠中，影響易拉罐的加工性能和應用性能，而且產生的有害氣體既會對破壞鋁錠的結構，又會對環境造成污染。因此在對廢易拉罐熔融前必須先除去內、外壁的圖層。常用脫漆方法有3種：熱脫漆、機械脫漆及化學脫漆。

熱脫漆即使用高溫灼燒，是當前最為常用的脫漆方法，其不僅能除去有機涂層，還能除去廢料中的水分。同時其涂層在燃燒過程中還可提供熱能，減少能源的消耗[27]，該方法對于圖層中有機物具有很好的效果，但對于其中的無機物添加劑卻無法除去[28]。因此，特殊條件下需搭配其他方法協同作用。秦少勇等[29]利用熱脫漆方法配合物理振蕩對易拉罐進行脫漆測試，結果發現，在脫漆爐內加熱至540 ℃，保溫20 min，輔以物理振蕩10 min，可實現完全脫漆的效果。

化學脫漆根據溶劑的不同分為酸浸除漆、有機溶劑除漆、混合除漆。酸浸除漆是利用濃硫酸或者濃硝酸破壞漆面的結構，起到脫漆的作用，Wang等[30]使用54%的濃硫酸對易拉罐進行脫漆，結果發現在浸泡30 min時可實現100%脫漆。有機溶劑除漆，是通過有機分子的極性相同或相似而相互溶解，即相似相溶原理。Rabah[31]研究使用甲基乙基酮/二甲基甲酰胺的混合溶液在不同濃度、不同時間的脫漆效果。結果表明，在溶劑濃度達到90%時，脫漆時間＞15 min時，脫漆效果最好。混合除漆即使用有機鹽配合有機溶劑，制成脫漆膏[32]，其相對酸浸除漆、有機溶劑除漆具有方便運輸，對環境的影響較小的優勢。但無論哪種工藝，均會產生脫漆液對環境造成二次污染，違背“綠色可循環”的戰略思想。

機械脫漆即是通過物理方式（振動、沖擊、摩擦）對易拉罐進行脫漆。為保證產品在銷售鏈中不會出現脫墨現象，易拉罐廠家會將漆面緊密的貼合在鋁層上，因此單純的機械脫漆無法實現完全脫漆，該方法常作為輔助脫漆方法[29]。

3.2.2 成分除雜研究進展

由于罐身占整個罐的質量最高，因此回收易拉罐鋁液應用在罐身3104合金的制作技術更易實現，且經濟效益最高。但鋁液熔融過程中，由于其他材質的夾雜會導致鋁錠因某些合金過高而變脆，影響合金性能。

回收易拉罐鋁液中合金的來源主要有2個途徑：一是罐體自身的合金成分；二是回收過程中夾雜的其他材質的罐。針對罐體自身的合金成分，雖然拉環、罐蓋與罐身材質和含量不同，但從表1中可以看出，拉環、罐蓋用合金的Mn含量較高，且含有罐身合金未添加的Cr合金。Mn含量較高，可以通過調整鋁液中再生鋁與原生鋁的比例進行稀釋。在鋁合金中適量的添加Cr可起到細化晶粒，改變富鐵相，使β-AlFeSi向α-AlFeSi轉變，增加合金的塑性和剛性[33-34]，且GB/T 40319—2021《拉伸罐用鋁合金板、帶、箔材》中明確規定復化錠中可存在Cr元素，如表4所示[35]，因此罐體自身的合金成分對再制罐身的影響較小。

表4 復化錠化學成分表

再回收過程中由于無法實現全過程閉環回收，導致會有馬口鐵罐、覆膜鐵罐的混入；而在鋁合金中鐵元素是需要嚴格控制的。Fe在鋁中的溶解度極低，在鋁合金中Fe基本以金屬間化合物的富Fe相形式存在，而富Fe相β-A5lFeSi由于其針狀結構，可割裂基體，阻礙共晶液體的運動，嚴重降低鋁合金的力學性能[36-37]。降低Fe元素對鋁合金的影響主要有2條途徑。一是去除Fe元素或富Fe相，常用的方法有離心法、電磁法、陶瓷過濾法及溶劑去除法[38]。其主要原理為通過鋁合金液體密度與富Fe相密度差異、鋁和富Fe像的導電性不同、陶瓷對鋁和富Fe相濕潤效果不同，以及硼與Fe可形成Fe2B對Fe元素進行去除。二是改變富Fe相形態，通過加入稀土金屬或中和元素抑制Fe相的產生或使有害富鐵相向無害富鐵相轉變。張欣等[39]研究稀土元素La、Ce對鋁合金的影響，結果發現其可降低富Fe相的擴增速度。Lin等[40]通過研究金屬V對鋁合金的影響發現，V可以促進α-AlFeSi相的形成，細化β-AlFeSi，降低Fe對鋁合金的影響。

綜上所述，鋁合金除鐵的方法很多，但由于技術轉化困難，相關設備的研發較少等原因，尚處于研究及中試階段。而常用的是技術含量較低的過濾法及溶劑稀釋法，因此再生鋁錠中回收鋁的添加量受到嚴重限制，阻礙鋁可持續發展的道路。

4 結語與展望

全球鋁質易拉罐原級回收利用率極低，回收技術被少數發達國家壟斷。

鋁質易拉罐原級回收利用具有能源消耗低、碳排放少的優勢。相比電解鋁錠，再生鋁錠的碳排放約占電解鋁錠的4%～11.5%。

實現鋁質易拉罐原級回收利用存在兩大難題，一是閉環回收系統的建立，閉環回收系統是保證后續再生鋁錠重鑄的基礎，無法閉環回收，會導致易拉罐在重鑄時合金相較多，處理難，且重鑄的鋁錠性能不均一。二是重鑄技術的突破。重鑄時的脫漆、雜質合金的去除是目前面臨技術上的2個難題，只有對其進行攻關，方能保證重鑄的鋁錠及后續冷軋的帶材在使用時各項性能穩定。

2016年，全球170余個國家共同簽署《巴黎協定》，明確表示發展經濟的同時，要嚴格控制溫室氣體的排放，至本世紀下半葉實現零排放的目標。2020年我國提出“雙碳”目標即至2030年實現“碳達峰”，2060年實現“碳中和”，倡導企業進行綠色轉型。2021年“十四五”規劃中又指出至2025年電解鋁碳排放下降5%。在此大環境下，電解鋁作為經濟發展中較為耗能的產業，再生鋁質易拉罐的發展迎來契機。通過產業轉型，建立創新平臺，完善創新體制，解決再生鋁質易拉罐回收路徑問題；通過產學研深度融合，進行科技專項攻關，突破技術壁壘，解決再生鋁質易拉罐生產工藝難題；實現包裝的綠色化，可持續化。