Sensorgestützte Sortiertechnik

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1 Sensorgestützte Sortiertechnik Ralph Uepping 1. Spektrometer NIR und VIS Elektromagnetische Sensoren Farbzeilenkamera-Systeme Röntgentransmissionssensor Röntgenfluoreszenzanalyse Laser Die beiden Hauptgeschäftsfelder von TOMRA gliedern sich in Verpackungsrücknahmeautomaten und sensorgestützter Sortiertechnik. Der Geschäftszweig der sensorgestützten Sortiertechnik wird vertreten durch die TOMRA Sorting Solutions. Zu dieser Gruppe gehören seit 2004 die Firma TITECH, seit 2006 Commodas, seit 2008 Ultrasort, seit 2010 Odenberg und seit Juli 2012 BEST. Durch diese Entwicklung bietet der Geschäftsbereich der sensorgestützten Sortierung eine Vielzahl an unterschiedlichen Sensoren, die nicht nur zur Identifikation und Sortierung von Abfällen eingesetzt werden, sondern auch in der Lebensmittelproduktion und in der Gewinnung von mineralischen Rohstoffen. Darüber hinaus gibt es auch unterschiedliche Ausschleusungstechniken wie beispielsweise das Ausschleusen mittels Druckluft oder sogenannten Fingern. Auch im Bereich der Mechanik können die Komponenten auf Freifall- oder Bandplattformen eingesetzt werden, so dass mit dem Produktportfolio ein breites Korngrößenspektrum bedient werden kann. Im Folgenden wird hauptsächlich auf den Bereich der Abfallsortierung detaillierter eingegangen. Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt das Sensorportfolio für die Verwendung im Recycling. Die in der Tabelle 1 dargestellten Sensoren werden im Folgenden kurz in ihrer Funktionsweise und ihren Einsatzgebieten dargestellt. Abschließend wird auch auf die Möglichkeit der Kombination von Sensoren eingegangen, die noch relativ neu ist, aber ein großes Potential bietet um sehr komplexe Sortieranforderungen zu bedienen. 371

2 Ralph Uepping Sensor- Materialeigenschaft Beispielhafte Technologie Segmente Nahinfrarot Molekulare Verpackungsabfall, Spektroskopie (NIR) Zusammensetzung Hausmüll, Altpapier Gewerbeabfall, Vorsortierung Wertstoffe, Altfahrzeugverwertung, Baustellenmischabfall Visuelle Farbe Altpapier, Vorsortierte Spektroskopie (VIS) Wertstoffe, Spanplatten, Baustellenmischabfall Elektromagnetischer Elektrische Schrottaufbereitung, Sensor Leitfähigkeit Elektronikabfall, Baustellenmischabfall, Gewerbeabfall Farbzeilenkamera Farbe (Reflexion und Schrottaufbereitung, Transmission); Form Elektronikabfall, Altglas, Baustellenmischabfall Röntgentransmission Atomare Dichte Schrottaufbereitung, Altfahrzeugverwertung, Elektronikabfall, Hausmüll, Gewerbeabfall Röntgenfloureszenz- Elementare Kupfer aus spektroskopie Zusammensetzung Eisenschrotten, Laser Farbe, Floureszenz, Glassortierung, Scattering Kompostaufbereitung Tabelle 1: Übersicht Sensorportfolio Recycling 1. Spektrometer NIR und VIS Funktionsweise NIR VIS Spektroskopie Zur Detektion der Materialeigenschaft wird die Nahinfrarot-Spektroskopie verwendet. Über dem Förderband ist eine Lichtquelle installiert, die das zu untersuchende Objekt mit infrarotem Licht bestrahlt. Bestimmte Wellenlängen, die der Resonanzfrequenz der bestrahlten Moleküle entsprechen, regen diese Moleküle zu Schwingungen an und werden von dem Objekt absorbiert. Die übrigen Wellenlängen werden diffus reflektiert und können mit einem NIR-Spektrometer erfasst werden. Das Ergebnis wird als Spektrum der Intensität über der Wellenlänge dargestellt, wie in Bild 1 zu sehen ist. Die Lage der Absorptionsbanden hängt dabei von der molekularen Zusammensetzung des Materials ab. Durch Auswertung der Spektren mit Methoden der Mustererkennung kann jedem Spektrum eine Materialklasse zugeordnet werden. Dieser Vorgang wird als Klassifikation bezeichnet und hat als Resultat ein klassifiziertes Bild, bei dem jede Messung durch die erkannte Materialklasse repräsentiert wird. 372

3 NIR Detektor Intensität Moleküle der Probe Material A Wellenlänge Material B NIR Messung NIR Spektrum Klassifiziertes Bild Bild 1: Funktionsprinzip der Nahinfrarot-Spektroskopie Der Frequenzbereich der Nahinfrarotstrahlung liegt zwischen 780 und nm, wobei die zur Kunststofferkennung wichtigen Absorptionslinien zwischen und nm liegen. Analog zur NIR-Spektroskopie arbeitet die Spektroskopie im visuellen (VIS) Frequenzbereich. Durch Kombination von NIR- und VIS-Detektoren in einer optischen Einheit lassen sich, wie oben beschrieben, weitere Applikationen abdecken. Einsatzbereiche der NIR und VIS Spektroskopie In der Sortierung von Abfall sind heutzutage Spektrometer basierte Systeme am weitesten verbreitet. Moderne Sortieranlagen für Kunststoffverpackungen, gemischte Wertstoffe oder Hausmüll setzen heutzutage zwischen 15 und 20 NIR Sortiersysteme ein. Neben den klassischen Hartkunststoffen Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol und Polyethylenterephtalat (PET) werden je nach Input weitere Fraktionen wie Papier, Folien, Holz, Biomasse oder Ersatzbrennstoffe sortiert. Ebenfalls sind in den vergangenen Jahren die Qualitätsanforderungen im Hinblick auf Reinheit und Ausbringen gestiegen, sodass immer häufiger mehrstufige Sortierungen als Positiv- und Negativsortierungskombination eingesetzt werden, um gesichert die Qualitätsanforderungen einzuhalten auch bei stark schwankenden Eingangszusammensetzungen. Die steigenden Qualitätsanforderungen für ein höherwertiges Recycling führen auch zu einem vermehrten Einsatz der VIS Spektroskopie. Beispiele sind die zunehmende Verbreitung von VIS und NIR Sensorkombinationen im Bereich des PET Recyclings mit dem Ziel des Bottle to bottle Recyclings als auch die zunehmende Sortierung von PE und PP Farbsortierungen bei denen ähnlich wie beim PET naturfarbenes PE oder ein transparentes PP von der restlichen bunt Fraktion getrennt wird. Im Bereich der sortenreinen Foliensortierung werden Systeme realisiert, die nicht nur Multilayerfolien unterscheiden sondern gleichzeitig auch eine Sortierung von transparent und bunt vornehmen. 373

4 Ralph Uepping Bild 2: Beispiel PE natur Sortierung (PE natur links, PE bunt rechts) Neben den genannten Beispielen wird die NIR bzw. VIS Spektroskopie zunehmend in der Aufbereitung von Gewerbeabfällen, Elektro- und Elektronikschrott, Sperrmüll, Bioabfällen sowie mineralischen Abfällen eingesetzt. Aufgrund der großen Mengen, ist auch der Einsatz im Bereich der Hausmüllsortierung interessant und bereits erprobt. Bild 3 zeigt ein Beispiel hierfür. Mischpapier Eingangsmaterial PET PE-Folie Sortieranlage PE/PP Bild 3: Beispiel Hausmüllsortierung Die gestiegenen Qualitätsanforderungen gepaart mit dem Wunsch mehr Sekundärrohstoffe zu gewinnen sind die maßgeblichen Entwicklungstreiber dieser Technik. Die zu sortierenden Korngrößen werden immer kleiner und gleichzeitig werden die 374

5 Sortieraufgabenstellungen immer komplexer. Zur Verdeutlichung sei hier die Unterscheidung von PET Textilien, PET Flaschen und PET Schalen genannt oder auch die Sortierung von holzfreien und holzhaltigen Papieren. 2. Elektromagnetische Sensoren Funktionsweise elektromagnetischer Sensoren Die Detektion von Metallen mit elektromagnetischen Sensoren basiert auf der Veränderung von elektromagnetischen Feldern durch das Einbringen von elektrisch leitfähigen Materialien. Im Sortiersystem ist eine Reihe von Sensoren quer zur Bandlaufrichtung unter dem Fördergurt platziert. Der Abstand zwischen zwei Spulen liegt dabei typischerweise zwischen 12,5 und 25 mm. Jeder Sensor erzeugt durch eine Spule ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld, das durch einen Spulenkern nach oben gerichtet ist (Bild 4). Wird nun ein leitfähiges Material über die Spule geführt, werden in dem Material Wirbelströme induziert und dem Sendefeld Energie entzogen. Durch die Detektion der Veränderung des Feldes durch einen elektromagnetischen Sensor erfolgt die Metallerkennung, wobei über einen Schwellwert die Empfindlichkeit eingestellt werden kann. Moderne Sensoren verwenden hier keine festen Schaltschwellen, sondern verarbeiten die Sensorsignale mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung, wodurch eine deutliche Erhöhung der räumlichen Auflösung erreicht wird. Spule Förderband Wirbelstrom Amplitude Entzug von Energie Schwellenwert Elektromagnetisches Feld Kein Metall Metall Bild 4: Funktionsweise eines elektromagnetischen Sensors 375

6 Ralph Uepping Einsatzbereiche elektromagnetischer Sensoren Elektromagnetische Sensoren kommen häufig in Schredderanlagen und in der Elektronikschrottaufbereitung zum Einsatz. Sie bilden eine sinnvolle Ergänzung zu klassischen Metallseparatoren wie Magnetscheider und Wirbelstromscheidern und erhöhen hier das Metallausbringen. Sie dienen allerdings auch zur Unterscheidung von Metallen und können dazu genutzt werden Edelstahl zu gewinnen. In Shredderbetrieben kann der Materialstrom nach klassischen Fe und NE Abscheidern noch bis zu zehn Prozent Metalle enthalten vor allem Kupferkabel, Edelstahlteile und Metallverbunde. Im E-Schrott-Recycling kann sogar bis zu einem Viertel des Reststrom aus Metallen bestehen, unter anderem mit einem hohen Anteil an wertvollen Platinen. Ohne Rückgewinnung würden diese Wertstoffe deponiert oder verbrannt werden. Bild 5: Beispiel für eine Metallfraktion aus Verbrennungsaschen Zunehmend werden elektromagnetische Sensoren auch zur Sortierung von Bauabfällen oder Verbrennungsaschen eingesetzt. Vor allem für die Sortierung von Verbrennungsaschen hilft der Einsatz von digitaler Bildverarbeitung, da durch den Verbrennungsprozess das Metall in vielen Fällen eingeschlossen ist und auch mit nichtmetallischen Partikeln verbunden sein kann. Mittels digitaler Bildverarbeitung kann so ein Optimum von Ausbringen und Reinheit erzielt werden. In den bisher beschriebenen Fällen dient der Einsatz der elektromagnetischen Sensoren zur Metallgewinnung. Zunehmend werden diese Systeme aber auch zur Reinigung von nicht metallischen Fraktionen eingesetzt wie beispielsweise bei der PET Flaschen- Sortierung. 3. Farbzeilenkamera-Systeme CCD-Sensoren sind lichtempfindliche elektronische Bauelemente in Farbzeilenkameras. Mit Farbzeilenkamera-Systemen können gleichzeitig verschiedene Eigenschaften der Objekte wie Farbe, Form, Größe und Oberflächenstruktur erfasst werden. Mittels Farbzeilenkameras lassen sich Sortiersysteme mit hoher räumlicher Auflösung 376

7 realisieren. Grundsätzlich unterscheidet man Sortierungen mit Auflicht und/oder Durchlicht. Die Durchlichtsortierung kommt im Wesentlichen bei der Unterscheidung von Transparenten und Opaken Materialien zum Einsatz. Maßgeblich für die Qualität der Sortierung ist eine gleichmäßige und stabile Ausleuchtung über die gesamte Sortierbreite, sowie eine hohe Intensität für eine kurze Belichtungszeit und eine damit einhergehende hohe Zeilenfrequenz. Um dieses zu gewährleisten verwenden moderne Sortiersysteme lichtstarke LED-Beleuchtungen, bei denen sich die Intensität über die Sortierbreite individuell einstellen lässt. Farbzeilenkamera Analyse von Farbe, Form, Helligkeit, Größe, Oberflächenstruktur Farbbild Elektronikschrott Klassifiziertes Rest Bild Leiterplatten Bild 6: Aufbau und Beispiel für Farbzeilenkamerasortierer Einsatzbereiche von Farbzeilenkameras Aufgrund der Vielzahl an Informationen und der hohen Auflösung sind Farbzeilenkameras zur Sortierung in vielen Einsatzbereichen zu finden. Angefangen in der Lebensmittelsortierung zur Identifikation von Farbfehlstellen an Kartoffeln und Karotten bis hin zur Reiskornsortierung. Häufig ist hier auch Form ein wesentliches Kriterium, da die Formvielfalt deutlich eigeschränkter ist als in Abfallfraktionen. Im Recycling kann mittels Form und/oder Größensortierung an Metallen beispielsweise eine Aufkonzentration von Geldmünzen erzeugt werden. Bild 7: Beispiel für eine abweichende Form einer Karotte in der Lebensmittelsortierung 377

8 Ralph Uepping Bild 8: Beispiel für eine Metallformsortierung für Münzen Allerdings dienen Kameras im Recycling, aufgrund der Formenvielfalt, fast ausschließlich Farbsortierungen von Glas, Kunststoffen und Metallen oder Platinen. Auch hier sieht man den Trend, dass zunehmend immer kleinere Korngrößen einer Sortierung zugeführt werden. Ein Beispiel hierfür zeigt das nachfolgende Bild. Es stellt eine Metallsortierung zur Gewinnung einer reinen Graufraktion dar. Die Buntmetalle wie Kupfer und Messing wurden hier zusammen aussortiert, können aber ebenfalls voneinander getrennt werden. Bild 9: Granulatsortierung nach Farbe (links Buntmetalle z.b. Messing und Kupfer; rechts Graumetalle) 4. Röntgentransmissionssensor Bei Röntgentransmissionssortierern ist oberhalb des Förderbandes eine breitbandige Röntgenquelle angeordnet. Die auf dem Förderband transportierten Objekte werden von der emittierten Röntgenstrahlung durchdrungen und die Intensität der Strahlung mit einem unterhalb des Bandes platzierten Röntgensensor erfasst. 378

9 Durch die Messung in zwei Energiebereichen (Dual Energy Sensor) wird ein dickenunabhängiges Ergebnis erreicht Breitband- Röntgenquelle Niedriger Energiebereich Langwellige Strahlung Hoher Energiebereich Dual Energy Modell Röntgenbildverarbeitung Klassifiziertes Bild Zweikanaliger Sensor Kurzwellige Strahlung Z: Atomare Dichte Z > Z Al Z = Z Al Z < Z Al Bild 10: Funktionsweise der Dual-Energy Röntgendetektion Die Abschwächung der Strahlung eines bestimmten Energiebereiches hängt sowohl von der Dichte und der Zusammensetzung des Materials als auch von der Dicke des Objektes ab. Ein dünnes Eisenblech würde also die Strahlung genauso absorbieren wie ein entsprechend dickes Stück Aluminium. Wird ein Sensor verwendet, der in zwei Energiebereichen die Strahlungsintensität detektiert (Dual-Energy Sensor), kann durch geeignete Algorithmen ein dickenunabhängiges Klassifikationsergebnis erreicht werden. Dadurch ist eine Sortierung der Materialien möglich, die nur noch von der jeweiligen atomaren Dichte abhängig ist. Al Gleiche Helligkeit aber Unterschiedliche atomare Dichte Al Z = Z Al Zn Fe Messing Kunststoff Cu Z > Z Al Z = Z Al Z < Z Al Bild 11: Ergebnis der Dual-Energy Röntgendetektion 379

10 Ralph Uepping Einsatzbereiche von Röntgentransmissionssystemen Eine Anwendung dieses Verfahren besteht in der schon erwähnten Trennung von Schwermetallen und Aluminium. Dabei nutzen sie den Unterschied in der atomaren Dichte von Aluminium und den Schwermetallen Kupfer, Messing, Zink und Blei. Weitere Applikationen sind die Trennung von Organik und Anorganik (Steine, Glas, Metall) aus Haus-, Gewerbe- und Industrieabfällen und die Sortierung von Kunststoffen mit Flammhemmern aus Elektronikschrott. 5. Röntgenfluoreszenzanalyse Die meisten bisher vorgestellten Sensoren messen physikalische Eigenschaften wie Farbe, Dichte oder elektrische Leitfähigkeit und verwenden diese Merkmale zur indirekten Materialklassifikation. Bei der NIR-Spektroskopie können bestimmte Moleküle detektiert werden. Die Verfahren der Elementspektroskopie ermöglichen hingegen den direkten Nachweis der vorhandenen Elemente. Bei der Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF x-ray fluorescence) wird das Objekt mit Röntgenstrahlung angeregt und dadurch elementspezifische Fluoreszenzstrahlung freigesetzt, die mit einem energiedispersiven Röntgensensor detektiert werden kann. Die heutzutage erreichbaren räumlichen Auflösungen liegen im Bereich von einigen Zentimetern und damit noch weit von denen der NIR-Sensoren oder auch der Röntgentransmissionssysteme entfernt. Leichte Elemente wie Aluminium und Magnesium lassen sich mit industriell einsetzbaren XRF-Systemen nicht nachweisen. Röntgensensor Counts Anode Cr Pb Cd Katode Röntgenquelle Si Pin Diode Einspeiserichtung Pb Cd Energie kev Bild 12: Funktionsprinzip der Röntgenfluoreszenzanalyse Einsatzbereiche von Röntgenfluoreszenssystemen Die ersten Anwendungen für die XRF-Technologie sind die Trennung von Eisen und Eisen-/Kupferverbunden (Meatballs) aus der Schredderschwerfraktion und die 380

11 Ausschleusung von Bleiglas und Glaskeramik in der Glassortierung. Darüber hinaus wird zukünftig auch die Trennung von Edelmetallen z.b. aus Verbrennungsaschen von besonderem Interesse sein. 6. Laser Laserenergie kann im Unterschied zur LIBS nicht nur zur Verdampfung des zu detektierenden Materials eingesetzt werden sondern auch zur Sortierung nach Farbe, Struktur und anderen Eigenschaften wie beispielsweise Fluoreszenz. Je nach Wellenlängenbereich des eingesetzten Lasers können verschiedene Dinge separat oder bei Laserkombinationen auch zusammen detektiert werden. Die nachfolgende Bild zeigt dabei das Grundprinzip. Illumination with Red Laser Light Results on a RED particle Reflection Video Signal Illumination with anti-fluo Laser Light Results High Chlorophyl amount in a particle Reflection Video (ex. green leaf on carrot) Signal High High on a GREEN particle Low Low Chlorophyl amount in a particle (ex. carrot) Low Recyclingbeispiel für Fluo-Effekt Bild 13: Messprinzip der Laserdetektion I Zusätzlich tritt je nach Härtegrad und Wassergehalt der zu messenden Objekte der sogenannte Scattering Effekt auf. Auf harten trockenen Objekten bleibt das auftreffende Laserlicht stark fokussiert wohingegen bei weicheren bzw. feuchteren Materialien das Licht mehr streut. Dieser Effekt ist zur Verdeutlichung in der nachfolgenden Bild dargestellt. Einsatzbereiche von Lasersortierungen Aufgrund der voran beschriebenen Funktionsweise eignet sich der Einsatz von Lasern hervorragend zur Reinigung von Kompost/Strukturmaterial durch die Ausschleusung von Glas und Kunststoffen. 381

12 Ralph Uepping Illumination with Laser Light Results on a WHITE AND SOFT particle (ex. potato) Reflection Video Signal High Laser scanline on a WHITE AND HARD particle (ex. stone) Low Bild 14: Messprinzip der Laserdetektion II Bild 15: Gutmaterial (Organik/Kompost) Störstoffe: Kunststoff/Glas/Inertes Beispiel für mögliche Sortierung mittels Laser Trends Folgende Trends sind eindeutig erkennbar: Immer höhere Rückgewinnung an Rohstoffen, eine höhere Sortiertiefe und die Forderung nach qualitativ immer besseren Endprodukten. Somit werden für die Sortiertechnik die Anforderungen immer komplexer was häufig dazu führt, dass die vorgestellten Sensoren mit ihren Messprinzipien zunehmend kombiniert werden. Beispielhaft sei hier die Ausschleusung von Kabeln genannt, bei welcher der Metallkern durch einen elektromagnetischen Sensor erkannt wird und der Kunststoffmantel durch die Messung mit einem Nahinfrarotsystem. Mit solchen Kombinationen können 382

13 auch komplexe Gemische wie beispielsweise NE-Scheiderprodukte aus LVP Anlagen hochwertiger sortiert werden, indem Verbundmaterialien wie Zahnpastatuben, Kaffeeverpackungen, usw. abgetrennt werden. Bild 16: NE Verbundmaterialien aus Hausmüll oder LVP Sortieranlagen 383

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