使用之字形分离器对回收电缆铜颗粒进行气流分选

旧电缆为何关乎更清洁的未来

在每个电灯开关、电动汽车和太阳能电池板背后，都有一个不起眼的英雄：铜线。随着世界建设越来越多的清洁能源系统和电动汽车，我们对铜的需求急剧增加。开采新铜既昂贵又耗能，但铜可以反复回收再利用而不损失质量。本文探讨了一种巧妙的方法，通过将废弃电缆回收的铜颗粒清理得足够干净，使其可以与原矿冶炼得到的金属相媲美，从而提高废料的价值。

电力电缆内部到底有什么？

乍看之下，电力电缆显得很简单，但它是一个层状的复合产品。外层是耐用的塑料护套，用以防潮、耐磨并隔绝电击。内部常有金属屏蔽层，通常由铝或铅制成，而中心则是导电芯线，通常为铜，有时为铝。许多芯线由束状的细铜线构成，这些细线常镀锡以防腐蚀并便于与插头和端子可靠连接。当这些电缆到达使用寿命终点时，它们会被切碎成塑料碎片、纯铜颗粒和镀锡铜片的混合物，这些碎块通常看起来非常相似，令人难以区分。

从混合废料到高品位铜

现代回收厂通过若干步骤处理这种混合物。首先，电缆被切割和粉碎，磁选去除任何钢材。接着，研磨器将材料研成更小的颗粒，各种分离设备剥离塑料和其他金属。即便经过这些处理，所谓的“铜”产品仍含有顽固的杂质：表面被锡覆盖的细长铜片。这些镀锡颗粒会降低最终金属的纯度，这对冶炼厂和高科技应用非常重要。传统的重力分选台通过振动并吹气来分级，但无法完全将这些形状奇特的颗粒与纯铜分离。

之字形塔如何用气流分选颗粒

研究人员考察了一种不同的装置：由重复倾斜段组成的高而窄的通道，形成之字形塔。空气从底部向上吹入，同时混合的铜颗粒从上方落下。在每个弯曲处，会形成两股相对流动——一股沿外壁向上流动，另一股沿内壁向下滑落。颗粒是被空气向上托举还是下落，取决于其重量与空气升力之间的拉锯。轻或扁的颗粒更容易被气流带上来，从顶部作为“轻级”排出；较重、较紧凑的颗粒则在底部落出，成为“重级”。通过调节气流，团队可以调到平衡点的位置，从而控制哪些颗粒进入哪个出口。

实物碎料与虚拟流场的测试

为了了解该方法在实际中的效果，作者测试了来自工业回收线的四种铜颗粒样品。每批样品在颗粒尺寸、形状和杂质含量上各不相同。他们在实验室之字形分离器上以两种气流设置运行了500克样品，测量重级和轻级中铜、锡、铅、铁和其他元素的含量。与此同时，他们使用计算流体力学建立了空气与颗粒运动的详细计算模型。在这个虚拟分离器中，成千上万具有实测粒径分布的颗粒被追踪通过之字形通道，以预测它们会到达哪个出口以及在塔内悬浮的时间。

实验与模拟揭示的结果

对于若干被测试材料，尤其是标记为颗粒2的样品，之字形分离器显著提高了铜的纯度。在较高气流下，重级的铜含量接近99.9%，而轻级则带走了更多镀锡及其他被污染的颗粒。计算机模拟捕捉到了总体趋势，例如随着气速增加，先是较小然后较大的颗粒被转入轻级，并且在塔内的滞留时间增加。然而，模型与实际之间的一致性强烈依赖于颗粒形状。对于由直线状、线状碎片或许多非球形颗粒组成的样品，模型误差显著增大，因为模型假设了对所有颗粒使用单一的平均“圆润度”值。

对回收与设备设计的意义

对非专业读者而言，关键结论很明确：通过在之字形管中精心调节的气流，回收厂可以仅凭机械手段将废旧电缆中的铜净化到非常高的纯度，所需能耗远低于从头熔炼全部材料。研究还表明，计算模型可以帮助设计和优化此类设备，但前提是模型必须考虑真实废料颗粒的奇特形状。通过改进这些模型并将其针对特定废物流进行定制，回收厂可以更好地预测分选运行方式、最大化铜的回收并满足对这种关键金属日益增长的需求，同时减轻矿山和环境的压力。

引用: Madej, P., Zybała, R., Rządzka-Madej, A. et al. Air classification of copper granules from recycled electrical cables using a zig-zag separator. Sci Rep 16, 12000 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42336-y

关键词: 铜回收, 电缆废料, 气流分级, 之字形分离器, 计算流体力学