CN113471565A - 一种废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化***及方法，***包括自动上料机、锂电池SOC自动检测装置、计算机、保护气体带电破碎装置、气体管理装置、气体净化装置和换热装置；将废旧锂离子电池投入低氧环境的破碎装置，在保护气体氛围中进行带电破碎；净化后的保护气体送入换热装置产生的热水作为热源使用，本发明的废旧电池处理过程简化了电池回收过程，避免了常规放电方法耗时久和造成污染的问题，将废旧电池置于高流量保护气体中直接破碎拆解，在降低氧含量的同时带走拆解过程中释放的热量，避免了破碎过程中起火***的风险，并将收集的能量有效利用，达到节能减排的效果。

Description

一种废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化***及方法
技术领域
本发明属于废旧电池回收领域，涉及一种废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化***及方法。
背景技术
锂离子电池由于具有高比能量、长寿命、循环性能好以及环境友好等优点，在电子、通讯、新能源汽车等领域得到广泛的应用。我国是锂离子电池生产消费大国，而通常锂离子电池的寿命大约是2～3年，锂离子电池回收市场庞大。在组成方面，锂离子电池中存在多种重金属元素以及有机化合物，若是不经过回收处理，将会污染环境，影响到人体健康。在回收价值方面，三元锂电池含有多种有价金属，如镍、钴、锰、锂等，其含量甚至高于天然矿石中的含量，具有极高的回收价值。因此，对锂离子电池进行无害化回收利用具有重大的意义。
目前，锂离子电池的回收方法主要为火法冶金、湿法冶金和生物冶金。火法冶金需要用高温煅烧废旧电池，能耗较高，同时会产生大量有害废气，导致环境污染。湿法冶金需要用到大量强酸碱溶液，会产生大量废水，污染环境，同时涉及浸出、萃取、沉淀等操作，工序复杂。生物冶金利用微生物的代谢溶解浸出锂离子电池正极金属离子，但是微生物培养周期较长，对生长环境要求高。
在进行回收时，需要对废旧电池进行拆解分选，废旧锂离子电池富含余能，直接拆解可能导致起火***，因此有必要对废旧电池进行放电。常用的放电方法有物理放电、化学放电以及机械穿刺放电。物理放电利用外接电路释放余电，但是放电速度较慢，效率低下。化学放电利用盐溶液浸泡，发生化学反应，释放电能，但是容易导致电解液泄漏，产生有机废水。机械穿刺容易发生起火***，威胁到作业人员安全，损坏设备。这些放电方法在各自存在缺陷的同时，无法利用电池中的余能，造成了能源的浪费。
目前在锂离子电池破碎分选回收过程中，电池余能有可能导致起火***，同时余能得不到利用而造成浪费，这些问题亟待解决。常用的放电方法都存在严重的缺陷，限制了其在生产中的应用。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目在于提供一种安全环保，能源回收效率高的废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化***及方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化***，包括自动上料机、锂电池SOC自动检测装置、计算机、保护气体带电破碎装置、气体管理装置、气体净化装置和换热装置；
所述自动上料机用于给保护气体带电破碎装置供料，锂电池SOC自动检测装置与计算机连接用于检测废旧锂离子电池剩余电量，计算机用于根据得到的废旧锂离子电池剩余电量数据控制自动上料机工作；保护气体带电破碎装置为机械破碎装置，机械破碎装置通过管路与气体管理装置连接，机械破碎装置通过保护气体输出管路与气体净化装置连接，气体净化装置出气口连接换热装置，换热装置分别连接供热管路和溴化锂机组，将与保护气体换热获得热量传递给供热管路或溴化锂机组。
进一步，所述锂电池SOC自动检测装置包括锂电池放置盒和测试机；锂电池放置盒为两端相通的中空结构，锂电池放置盒的上端设置正极测试端，下端设置负极测试端，正极测试端与负极测试端均通过活动杆滑动设置在测试机上，测试机与计算机连接。
进一步，所述机械破碎装置中设置有温度检测装置，温度检测装置与计算机连接，通过计算机监测破碎过程的温度，计算机根据温度变化动态控制自动上料机进料速度。
进一步，所述气体净化装置中设置有气体质量检测装置。
进一步，所述机械破碎装置中设置有测温装置、火焰探测装置、水喷淋装置以及报警装置，机械破碎装置的进气口和排气口都设置有测温装置；进气处设置有流量控制阀。
一种废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化的方法，包括如下步骤：
步骤1.使用锂电池SOC自动检测装置对废旧锂离子电池进行随机抽样检测，计算机对检测数据进行计算，根据计算结果设置进料机进料量和速度；
步骤2.向破碎装置中持续通入高流量的保护气体，使破碎装置内保持低氧环境；
步骤3.自动上料机由步骤1中计算机控制将废旧锂离子电池投入破碎装置，在保护气体氛围中进行带电破碎，破碎过程中通过破碎装置中设置的温度检测装置监测温度变化，根据温度变化动态控制自动上料机进料速度；
步骤4.通入破碎装置的流动保护气体与破碎中的电池料充分接触，吸收并带走电池破碎过程产生的热量；
步骤5.换热后的保护气体由破碎装置排出，然后进行净化和干燥处理，除去粉尘颗粒、有机物气体和氟化物气体；
步骤6.净化后的保护气体送入换热装置与水逆流换热；
步骤7.换热后换热装置产生的热水作为热源使用。
进一步，所述步骤1中计算机计算得到检测数据的平均值，以检测数据的平均值作为整体废旧锂离子电池的平均余电量，然后根据平均余电量计算每千克电池破碎产热量，根据破碎装置的类型、保护气体种类和流速，估算每千克电池的破碎产热造成的升温数值，最后计算得出使温度不高于设定阈值的最大进料速度。
进一步，所述的步骤2中进气方式采用脉冲进气；在室温环境下气体流量为1.59t·h-1到4.7t·h-1之间。
进一步，所述步骤2中保护气体采用布气管布气，保护气体从环绕破碎装置四周通入。
进一步，所述步骤5中有机物气体的去除方法为活性炭吸附法、催化燃烧法、催化氧化法或酸碱中和法；氟化物去除方法为水喷淋、氢氧化钠溶液喷淋或固态氧化铝化学吸附；气体干燥的方法为无水硫酸镁吸收法、活性炭吸附法、活性氧化铝吸收法或变色硅胶吸附法。
本发明具有以下有益效果：
本发明省去放电步骤，通过锂电池SOC自动检测装置测量估算了废旧电池余电量以及通过温度检测装置监测破碎放热导致的温度变化，根据计算结果设定投料速度，并通过温度检测装置动态控制。将废旧电池置于高流量保护气体中带电破碎，在降低氧含量的同时，带走破碎过程中产生的热量，并将这部分热量加以利用。
本发明简化了电池回收过程，解决了常规放电方法耗时久和造成污染的问题。根据测量计算结果控制投料速度，从根源上避免了破碎过程温度过高失控的问题，并通过保护气体进一步防止起火***。
附图说明
图1为本发明带电破碎与余热回收一体化工艺***结构示意图
图2为本发明带电破碎与余热回收一体化工艺流程图
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体内容做进一步详细解释说明。
如图1所示，本发明的废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化***包括自动上料机、锂电池SOC自动检测装置、计算机、保护气体带电破碎装置、气体管理装置、气体净化装置和换热装置。
自动上料机用于给保护气体带电破碎装置供料，锂电池SOC自动检测装置与计算机连接，将检测到的废旧锂离子电池剩余电量数据发送给计算机进行计算，计算机根据计算结果控制自动上料机工作。锂电池SOC自动检测装置包括锂电池放置盒和测试机；锂电池放置盒为两端相通的中空结构，锂电池放置盒的上端设置正极测试端，下端设置负极测试端，正极测试端与负极测试端均通过活动杆滑动设置在测试机上；测试机与计算机连接，可在计算机上对测试机进行设置。
保护气体带电破碎装置为机械破碎装置，机械破碎装置通过管路与气体管理装置连接，机械破碎装置通过保护气体输出管路与气体净化装置连接，气体净化装置出气口连接换热装置，换热装置分别连接供热管路和溴化锂机组，将换热获得的热量传递给供热管路或溴化锂机组。机械破碎装置中设置有温度检测装置，温度检测装置与计算机连接，监测破碎过程的温度变化，计算机同时根据温度变化动态控制进料速度。若短时间内温度升高幅度较大，或温度达到设定阈值，则通过反馈控制***降低自动上料机进的料速度或停止进料，待温度恢复正常后，调回原有速度。
换热装置出气口通过管路再与气体管理装置连接，通过换热装置换热后的保护气体再次送入气体管理装置重复利用。
如图2所示，废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化方法包括如下步骤：
步骤1.使用锂电池SOC自动检测装置对废旧锂离子电池进行随机抽样检测，然后通过与检测装置连接的计算机对检测数据自动进行程序运算；
计算机计算得到检测数据的平均值，以检测数据的平均值作为整体废旧锂离子电池的平均余电量，然后根据平均余电量计算每千克电池破碎产热量，热量利用率设为75％，接着根据设定好的破碎装置的类型，以及所用保护气体种类和流速，估算每千克电池的破碎产热造成的升温数值，最后计算得出使温度不高于设定阈值的最大进料速度。
步骤2.在破碎装置中通入高流量的保护气体，破碎装置内保持低氧环境；
(1)进气方式采用脉冲进气；
(2)该保护气体可为氮气、二氧化碳、氦气、氩气，或这些气体的任意组合；
(3)通入气体的温度为室温，气体流量为1.59t·h-1到4.7t·h-1之间。
步骤3.自动上料机由步骤1中计算机控制，根据步骤1的计算结果，自动上料机以计算得出的投料速度将废旧锂离子电池投入破碎装置，在保护气体氛围中进行带电破碎，使破碎时的温度在安全范围内；
(1)破碎机可为剪切式破碎机、圆锥式破碎机、颚式破碎机、锤式破碎机或者冲击式破碎机中的一种或者任意两种组合；
(2)破碎装置的进料口和出料口设置有气封装置；
(3)破碎装置中设置有测温装置、火焰探测装置、水喷淋装置以及报警装置，若温度高于设150℃或者出现明火，立刻喷淋清水降温灭火并发出报警信号；
(4)破碎装置安装有防爆片；
(5)破碎装置外侧设置有隔音装置；
(6)破碎装置的进气口和排气口都设置有测温装置；
(7)进气处设置有流量控制阀。
步骤4.保护气体采用布气管布气，环绕破碎装置一周，处于破碎机上方，流动的保护气体与破碎中的电池料充分接触，吸收并带走电池破碎过程产生的热量。
步骤5.破碎装置中设置有温度检测装置，温度检测装置与步骤1中的计算机连接，监测温度变化，根据温度变化动态控制进料速度。若短时间内温度升高幅度较大，或温度达到设定阈值，则通过反馈控制***降低自动上料机进的料速度或停止进料，待温度恢复正常后，调回原有速度。
步骤6.换热后的保护气体由破碎装置排出，进入净化装置，净化除去粉尘颗粒、有机物气体和氟化物气体
(1)粉尘颗粒的去除方法可为脉冲袋式集尘法、袋式除尘法、脉冲滤筒除尘法、旋风式除尘法、湿式除尘法；
(2)有机物气体的去除方法可为活性炭吸附法、催化燃烧法、催化氧化法、酸碱中和法；
(3)氟化物去除方法可为水喷淋、氢氧化钠溶液喷淋、固态氧化铝化学吸附；
(4)气体干燥的方法可为无水硫酸镁吸收法、活性炭吸附法、活性氧化铝吸收法、变色硅胶；
(5)净化装置中设置有气体质量检测装置，检测净化后气体中的粉尘、有机物、氟化物、水分含量是否符合标准。
步骤7.净化后的保护气体进入余热回收装置，与水逆流换热
(1)换热装置可为板式换热装置、管壳式换热装置、双管板换热装置；
(2)换热后的保护气体进入气体管理装置重复利用；
(3)余热回收装置的进气口、出气口、进水口、出水口都设置有测温装置；
(4)进水口处设置有流量控制阀
(5)换热装置水流量为1.1t·h-1～2.39t·h-1；
(6)进水温度20℃～60℃，出水温度70℃～85℃；
步骤8.换热后产生的热水在冬天可进入供暖管路用于供暖，在夏天可以连接溴化锂机组制冷，之后通入水箱重复使用。
以下是具体应用实施例：
将1000kg废旧钴酸锂电池(剩余40％容量、利用率75％，可利用余能90kWh)在流速为1.59t·h-1的常温氮气中破碎，得到电池碎料；流动氮气吸收带走电池破碎产生的热量2.15×108J·h-1，流出氮气的温度不高于150℃，在净化装置中被净化；净化后的氮气与冷水换热，采用管壳式换热，可输出功率32.3kW，连接溴化锂机组，溴化锂机组COP取0.7，制冷功率24.0kW。
换热装置参数为：
表1换热装置参数
Figure BDA0003108736530000071
表2溴化锂机组参数
Figure BDA0003108736530000072
以年处理20万吨锂电池的工厂为例，每年可减少污水排放20万吨，节约水费和污水处理费用200万元；冬季可为6210m2厂房供暖，节约37万元供暖费；制冷时，可节约106万度电，折159万元电费。共计每年产生经济收益396万元。

Claims (10)

1.一种废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化***，其特征在于：包括自动上料机、锂电池SOC自动检测装置、计算机、保护气体带电破碎装置、气体管理装置、气体净化装置和换热装置；
所述自动上料机用于给保护气体带电破碎装置供料，锂电池SOC自动检测装置与计算机连接用于检测废旧锂离子电池剩余电量，计算机用于根据得到的废旧锂离子电池剩余电量数据控制自动上料机工作；保护气体带电破碎装置为机械破碎装置，机械破碎装置通过管路与气体管理装置连接，机械破碎装置通过保护气体输出管路与气体净化装置连接，气体净化装置出气口连接换热装置，换热装置分别连接供热管路和溴化锂机组，将与保护气体换热获得热量传递给供热管路或溴化锂机组。
2.如权利要求1所述的废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化***，其特征在于：所述锂电池SOC自动检测装置包括锂电池放置盒和测试机；锂电池放置盒为两端相通的中空结构，锂电池放置盒的上端设置正极测试端，下端设置负极测试端，正极测试端与负极测试端均通过活动杆滑动设置在测试机上，测试机与计算机连接。
3.如权利要求1所述的废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化***，其特征在于：所述机械破碎装置中设置有温度检测装置，温度检测装置与计算机连接，通过计算机监测破碎过程的温度，计算机根据温度变化动态控制自动上料机进料速度。
4.如权利要求2或3所述的废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化***，其特征在于：所述气体净化装置中设置有气体质量检测装置。
5.如权利要求4所述的废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化***，其特征在于：所述机械破碎装置中设置有测温装置、火焰探测装置、水喷淋装置以及报警装置，机械破碎装置的进气口和排气口都设置有测温装置；进气处设置有流量控制阀。
6.一种基于权利要求5***的废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1.使用锂电池SOC自动检测装置对废旧锂离子电池进行随机抽样检测，计算机对检测数据进行计算，根据计算结果设置进料机进料量和速度；
步骤2.向破碎装置中持续通入高流量的保护气体，使破碎装置内保持低氧环境；
步骤3.自动上料机由步骤1中计算机控制将废旧锂离子电池投入破碎装置，在保护气体氛围中进行带电破碎，破碎过程中通过破碎装置中设置的温度检测装置监测温度变化，根据温度变化动态控制自动上料机进料速度；
步骤4.通入破碎装置的流动保护气体与破碎中的电池料充分接触，吸收并带走电池破碎过程产生的热量；
步骤5.换热后的保护气体由破碎装置排出，然后进行净化和干燥处理，除去粉尘颗粒、有机物气体和氟化物气体；
步骤6.净化后的保护气体送入换热装置与水逆流换热；
步骤7.换热后换热装置产生的热水作为热源使用。
7.如权利要求6所述的废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化的方法，其特征在于：所述步骤1中计算机计算得到检测数据的平均值，以检测数据的平均值作为整体废旧锂离子电池的平均余电量，然后根据平均余电量计算每千克电池破碎产热量，根据破碎装置的类型、保护气体种类和流速，估算每千克电池的破碎产热造成的升温数值，最后计算得出使温度不高于设定阈值的最大进料速度。
8.如权利要求6所述的废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化的方法，其特征在于：所述的步骤2中进气方式采用脉冲进气；在室温环境下气体流量为1.59t·h-1到4.7t·h-1之间。
9.如权利要求6所述的废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化的方法，其特征在于：所述步骤2中保护气体采用布气管布气，保护气体从环绕破碎装置四周通入。
10.如权利要求6所述的废旧锂离子电池带电破碎与余热回收一体化的方法，其特征在于：所述步骤5中有机物气体的去除方法为活性炭吸附法、催化燃烧法、催化氧化法或酸碱中和法；氟化物去除方法为水喷淋、氢氧化钠溶液喷淋或固态氧化铝化学吸附；气体干燥的方法为无水硫酸镁吸收法、活性炭吸附法、活性氧化铝吸收法或变色硅胶吸附法。
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