KR101831260B1 - 진공 건조를 통한 배터리 원료 및 nmp 회수장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 NMP 용액을 효과적으로 처리하는 기술적 노하우가 부족하여 코발트 원료만 회수할 수 있는 재활용이 이루어지고, 불순물이 포함된 NMP 용액은 대부분 소각로에 투입하여 태워서 소멸시키는 방식으로 처리되어 자원의 경제적 손실이 크고, 소각시 인체에 유해한 맹독성 유독물이 발생하여 환경오염을 일으키고, NMP를 회수하더라도 순도가 낮아 재사용이 어렵고, 회수율이 현저히 낮아 효율적으로 재활용할 수 없어 자원이 낭비되고, 회수되지 못한 NMP 잔량에 의해 환경오염을 초래하는 문제점을 개선하기 위해, 배터리 원료 회수장치, 원료 이송장치, 제어부로 구성되어 다량의 폐기 배터리 원료를 건조하여 불순물을 제거한 코발트 원료의 회수 뿐만 아니라, 기존에 회수율이 낮고 정제율이 떨어졌던 NMP 원료를 높은 순도 및 높은 회수율로 정제하여 회수함으로써 원료의 회수율을 상승시키고, 그에 따라 환경오염을 줄일 수 있고, 회수된 고순도의 원료를 재활용하여 판매할 수 있고, 소각시 가열의 효율을 높이고 단열을 극대화하여 에너지를 절감하여 회수비용을 낮출 수 있으며, 공정체계를 간단하게 줄이고, 압력, 온도 등을 손쉽게 변경하고 NMP의 농도를 임의적으로 조절하는 등 숙련된 작업자가 아니더라도 용이하게 제어할 수 있고, 자동운전에 의해 간편하고 안전하게 NMP를 정제할 수 있는 좋은 효과가 있다.

Description

진공 건조를 통한 배터리 원료 및 NMP 회수장치{VACUUM DRYING DEVICE FOR BATTERY MATERIAL RECOVERY}

본 발명에서는 폐건전지, 폐배터리를 분쇄하여 나오는 불순물이 다량 함유된 분말형태의 배터리 원료에 액체상태의 NMP 용액을 첨가하여 불순물을 분해시키고, 불순물이 분해된 배터리 원료와 NMP 용액이 섞인 슬러지 형태의 원료를 진공·건조시켜 고체상태로 코발트 등의 배터리 원료를 회수하고, 건조시 증기화된 NMP를 응축시켜 액체상태로 포집·회수하여 재활용함으로써 회수된 원료를 재판매할 수 있고, 원료를 소각하지 않아 환경오염을 줄일 수 있는 진공 건조를 통한 배터리 원료 및 NMP 회수장치에 관한 것이다.

현대사회가 발전함에 따라 다양한 종류의 전자기기가 생산되고, 유선이 아닌 무선으로 전류를 공급하는 전자기기는 필수적으로 배터리가 내장되어 사용된다.

특히, 코발트는 높은 온도에서 잘 견디고 부식과 마모에 강하여 리튬 이온 전지와 같은 배터리, 스마트폰과 같은 휴대전자기기 뿐만 아니라 하이브리드 전기자동차, 전기자동차의 배터리, 가스 터빈 날개, 제트기 엔진, 수술용 기구 등 다양한 분야에서 사용되어 국내 뿐만 아니라 해외에서도 큰 비중을 차지하고 있고, 그 활용도가 높고 소비량이 많은 반면에 우리나라에서는 전량 수입에 의존하고 있어 코발트를 원료로 하는 폐배터리의 시장가치가 크므로 재활용의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.

여기서 폐배터리는 분쇄하여 분말형태로 만들고, 다양한 불순물을 포함하고 있는 분말형태의 폐배터리를 NMP 용액에 일정시간 담궈 불순물을 제거하고, 불순물이 제거된 슬러지 형태의 폐배터리 원료에서 NMP 용액을 제거하는 과정을 거쳐 재활용이 이루어진다.

기존에는 NMP 용액의 끓는 점이 약 200℃로 증발시키고자 하면 주변물질에 불이 타버리는 문제로 효과적으로 처리하는 기술적 노하우가 부족하여 코발트 원료만 회수할 수 있는 재활용이 이루어지고, 불순물이 포함된 NMP 용액은 대부분 소각로에 투입하여 태워서 소멸시키는 방식으로 처리되고, 그로 인해 소멸되는 자원의 경제적 손실이 크고, 소각시 법정 기준치를 상회하는 비소 등 인체에 유해한 맹독성 유독물이 발생하여 환경오염을 일으키는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 개선하기 위해, 분말형태의 폐배터리 원료를 손상없이 회수함과 동시에 NMP 용액을 회수하기 위해 다양한 방법이 모색되었지만 기존는 NMP를 회수하더라도 순도가 낮아 재사용이 어렵고, 회수율이 현저히 낮아 효율적으로 재활용할 수 없어 자원이 낭비되고, 회수되지 못한 NMP 잔량에 의해 환경오염을 초래하는 문제점이 있었다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 다량의 폐기 배터리를 소각하여 물을 제거한 코발트 원료 뿐만 아니라 소각시 증발하여 회수율이 낮고 정제율이 떨어졌던 NMP 원료를 회수하여 원료의 회수율을 상승시켜 재활용함으로써 환경오염을 줄일 수 있고, 소각시 가열의 효율 및 단열성능을 개선하여 에너지를 절감할 수 있으며, 공정체계를 간단하게 줄이고, 압력, 온도 등을 손쉽게 변경하고 NMP의 농도를 임의적으로 조절하는 등 숙련된 작업자가 아니더라도 용이하게 제어할 수 있고, 자동운전에 의해 간편하고 안전하게 NMP를 정제할 수 있는 진공 건조를 통한 배터리 원료 및 NMP 회수장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 진공 건조를 통한 배터리 원료 회수장치는,

폐건전지 및 폐배터리를 분쇄한 원료와 NMP 용액이 혼합된 슬러지 형태의 배터리 원료를 고온 진공상태로 가열하여 배출되는 증기를 정제하여 고순도로 포집하고, 건조된 배터리 원료를 회수하는 배터리 원료 회수장치(10)와,

배터리 원료 회수장치의 전방에 결합되어 센서의 감지를 통해 안내레일을 따라 원료를 이동시켜 건조로에 투입시키고, 건조된 원료를 인출시키는 원료 이송장치(20)와,

배터리 원료 회수장치의 내부 온도, 압력을 측정 및 제어하여, 정상작동 여부를 확인하고, 자동운전에 의해 간편하고 안전하게 배터리 원료 및 NMP 용액의 추출을 제어하는 제어부(30)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 다량의 폐기 배터리 원료를 건조하여 불순물을 제거한 코발트 원료의 회수 뿐만 아니라, 기존에 회수율이 낮고 정제율이 떨어졌던 NMP 원료를 높은 순도 및 높은 회수율로 정제하여 회수함으로써 원료의 회수율을 상승시키고, 그에 따라 환경오염을 줄일 수 있고, 회수된 고순도의 원료를 재활용하여 판매할 수 있고, 소각시 가열의 효율을 높이고 단열을 극대화하여 에너지를 절감하여 회수비용을 낮출 수 있으며, 공정체계를 간단하게 줄이고, 압력, 온도 등을 손쉽게 변경하고 NMP의 농도를 임의적으로 조절하는 등 숙련된 작업자가 아니더라도 용이하게 제어할 수 있고, 자동운전에 의해 간편하고 안전하게 NMP를 정제할 수 있는 좋은 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 진공 건조를 통한 배터리 원료 및 NMP 회수장치의 구성요소를 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 배터리 원료 및 NMP 회수장치의 전체적인 형상을 도시한 전체사시도,
도 3은 본 발명에 따른 원료 이송장치의 횡방향 안내레일을 따라 원료 트레이가 횡방향으로 이동하여 건조 히팅부의 정면에 위치하는 상태를 나타낸 실시예도,
도 4는 본 발명에 따른 원료 이송장치의 종방향 안내레일을 따라 원료 트레이가 종방향으로 이동하여 건조 히팅부의 내부에 투입되는 상태를 나타낸 실시예도,
도 5는 본 발명에 따른 원료 이송장치의 이송 메인 프레임의 횡방향 안내레일과, 이송 지지프레임의 종방향 안내레일을 확대하여 나타낸 부분 확대도,
도 6은 본 발명에 따른 건조 히팅부의 구성요소를 도시한 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 도어부의 개폐 손잡이부를 이루는 손잡이가 하단방향에 위치하며 개폐 회전부와 제1 걸림돌기와 개폐 도어부의 제2 걸림돌기가 서로 맞물리며 도어부가 닫혀진 상태를 정면방향에서 도시한 정면도,
도 8은 본 발명에 따른 도어부의 개폐 손잡이부를 이루는 손잡이가 상단방향에 위치하며 개폐 회전부와 제1 걸림돌기와 개폐 도어부의 제2 걸림돌기가 서로 엊갈리며 도어부가 열려진 상태를 정면방향에서 도시한 정면도,
도 9는 본 발명에 따른 열교환기의 구성요소를 도시하고, 동작시 이동되는 유체의 이동경로를 화살표로 나타낸 실시예도,
도 10은 본 발명에 따른 열교환기를 부분적으로 도시하고, 열교환 몸체의 상단과 하단 내부를 확대하고, 유체의 이동경로를 화살표로 나타낸 실시예도,
도 11은 본 발명에 따른 진공부의 구성요소를 도시하고, 동작시 이동되는 유체의 이동경로를 화살표로 나타낸 실시예도,
도 12는 본 발명에 따른 흡착부의 구성요소를 도시하고, 동작시 이동되는 유체의 이동경로를 화살표로 나타낸 실시예도,
도 13은 본 발명에 따른 냉각부의 구성요소를 도시하고, 동작시 이동되는 유체의 이동경로를 화살표로 나타낸 실시예도,
도 14는 본 발명에 따른 질소가스 공급부의 구성요소를 도시하고, 동작시 이동되는 유체의 이동경로를 화살표로 나타낸 실시예도,
도 15는 본 발명에 따른 제어부의 구성요소를 나타낸 블록도.

본 발명을 설명하기에 앞서, NMP는 N-Methyl-2-pyrrolidone(N-메틸-2-피롤리돈)의 약자를 뜻한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 첨부하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 진공 건조를 통한 배터리 원료 및 NMP 회수장치(1)의 구성요소를 나타낸 블록도에 관한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 배터리 원료 및 NMP 회수장치의 전체적인 형상을 도시한 전체사시도에 관한 것으로, 이는 배터리 원료 회수장치(10), 원료 이송장치(20), 제어부(30)로 구성된다.

먼저, 본 발명에 따른 배터리 원료 회수장치(10)에 관해 설명한다.

상기 배터리 원료 회수장치(10)는 폐건전지 및 폐배터리를 분쇄한 원료와 NMP 용액이 혼합된 슬러지 형태의 배터리 원료를 고온 진공상태로 가열하여 배출되는 증기를 정제하여 고순도로 포집하고, 건조된 배터리 원료를 회수하는 역할을 한다.

이는 건조 히팅부(100), 열교환기(200), 진공부(300), 흡착부(400), 냉각부(500), 질소가스 공급부(600)로 구성된다.

첫째, 본 발명에 따른 건조 히팅부(100)에 관해 설명한다.

상기 건조 히팅부(100)는 전방에 여닫이 형태의 도어부가 형성된 가로방향으로 뉘어진 원통 형상의 프레임으로, 내부 둘레를 따라 건조로 코일이 형성되어 내부온도를 제어하고, 진공탱크와 연결되어 진공상태 유무를 제어하여 내부에 투입된 원료를 진공·건조시키는 역할을 하는 것으로, 이는 건조 히팅 몸체(110), 도어부(120), 건조 안내레일부(130)로 구성된다.

상기 건조 히팅 몸체(110)는 수평방향으로 뉘어진 원통형상으로 단열구조의 내측벽을 가지며 내부 둘레면을 따라 코일 형태의 히터가 형성되며, 투입되는 배터리 원료를 수용하며 건조시키는 역할을 한다.

본 발명에 따른 건조 히팅 몸체(110)는 내부 둘레면을 따라 코일 형태의 히터가 제어부와 연결되어 내측방향으로 210~350℃의 열을 방출하여 슬러지 형태의 배터리 원료를 건조시키고, 액체상태의 NMP 용액을 증기화시키는 히터(111)가 형성된다.

또한, 건조 히팅 몸체(110)는 후면 일측에 결합된 질소 공급배관을 통해 질소가스 공급부와 연결되어 내부에 산소의 유입을 방지하며 질소가스를 공급받고, 후면 일측에 결합된 진공부와 연결된 열교환기와 연결되어 내부에 진공압이 형성된다.

여기서 기화시켜야 하는 NMP 용액의 끓는 점은 197℃로 내부의 온도를 197℃이상으로 상승시켜야 하는데 온도가 100℃이상으로 상승할 경우 산소와 반응하여 내부에 화재가 발생할 수 있어, 이를 방지하기 위해 질소가스 공급부를 통해 건조 히팅 몸체의 내부에 산소를 제거하고 질소가스를 투입시킨다.

즉, 건조 히팅 몸체(110)의 내부는 산소가 제거되고 질소가스가 투입된 상태를 유지하여 내부 온도를 100℃이상으로 올리더라도 내부에 화재가 발생하지 않아 배터리 원료의 소실을 방지하며 NMP 용액을 기화시킬 수 있다.

이때 제어부를 통해 히터의 온도를 조절하여 건조 히팅 몸체의 내부 온도를 210℃~350℃로 설정한다.

여기서 건조 히팅 몸체(110)의 내부 온도를 210℃이하로 설정할 경우 액체상태의 NMP 용액의 기화에 따른 건조시간이 장시간 소요되어 히터의 에너지 소비량이 커지는 문제점이 있고, 350℃이상으로 설정할 경우 히터에 과부화가 발생하여 기기의 수명이 단축되고, 에너지 소모량이 급격히 증가하는 문제점이 발생한다.

또한, 본 발명에 따른 건조 히팅 몸체(110)는 내측면 측벽 둘레에 내측의 온도가 외부표면에 의해 열손실이 발생되는 것을 최소화하기 위해 단열시키는 단열재가 형성된다.

이를 통해 건조 히팅부(100)의 건조 작동시 에너지의 손실을 최소화하고, 작업자의 부주의나 안전사고에 의해 화상 등의 사고에 의한 피해를 줄일 수 있고, 주변 작업 공간을 확보할 수 있다.

상기 도어부(120)는 건조 히팅 몸체의 정면 측방향 일측에 힌지구조로 결합된 원형 도어 형상으로 여닫이 형태로 개폐되고, 내측면이 밀착구조로 이루어지는 것으로, 이는 개폐 회전부(121), 개폐 도어부(122), 개폐 손잡이부(123), 회전롤러부(124)로 구성된다.

상기 개폐 회전부(121)는 원형 띠 형상으로 건조 히팅 몸체의 정면에 결합되고, 둘레를 따라 일정한 간격으로 제1 걸림돌기(121a)가 형성되고, 우측면 둘레 하단 일측에 제1 기어 이(121b)가 형성된다.

여기서 제1 걸림돌기(121a)는 원형 띠 형상의 개폐 회전부(121)의 정면 둘레에 일정한 간격으로 형성되고, 내부 방향에 직각으로 돌출된 돌기 형상으로, 개폐 회전부(121)의 회전에 따라 위치가 이동된다.

이때, 둘레를 따라 일정한 간격으로 형성된 각각의 제1 걸림돌기(121a)가 개폐 도어부의 제2 걸림돌기(122a)의 위치와 일치하며 맞물리면 도 7에 도시한 바와 같이, 제1 걸림돌기가 제2 걸림돌기의 전방을 고정시켜 개폐 도어부가 전방으로 개방되지 않도록 닫아주는 역할을 하고, 각각의 제1 걸림돌기(121a)가 개폐 도어부의 제2 걸림돌기(122a)의 위치와 엇갈리면 도 8에 도시한 바와 같이, 제2 걸림돌기가 전방으로 이동될 수 있어 개폐 도어부가 전방으로 개방되도록 열어주는 역할을 한다.

여기서 제1 기어 이(121b)는 개폐 회전부(121)의 우측면 둘레 하단 일측에 일정한 범위내에 형성된 기어 이 형상으로, 개폐 손집이부의 제2 기어(123a)와 맞물리도록 형성된다.

이때, 제1 기어 이(121b)의 회전을 통해 제1 걸림돌기의 위치를 회전이동시켜준다.

상기 개폐 도어부(122)는 원형 도어 형상으로 좌측 일측에 힌지구조를 통해 건조 히팅 몸체의 정면 좌측에 결합되고, 둘레를 따라 일정한 간격으로 제2 걸림돌기(122a)가 형성된다.

여기서 제2 걸림돌기(122a)는 원형 도어 형상의 개폐 도어부(122)의 정면 둘레에 일정한 간격으로 형성되고, 외부 방향으로 돌출된 돌기 형상으로 이루어진다.

이는 건조 히팅 몸체의 후면에 결합된 NMP 증기 공급관을 통해 열교환기와 연결된 진공부의 진공압이 건조 히팅 몸체 내부에 발생하면 전방에서 후방으로 압력이 가해지며 개폐 도어부(122)가 후방으로 밀착되도록 한다.

이를 통해 배터리 원료 및 NMP 회수장치의 구동시 건조 히팅 몸체의 정면에 개폐 도어부(122)가 강하게 밀착되어 내부에 산소가 새어들어가는 것을 방지하고, 열이 열이 개폐 도어부(122)의 둘레 틈 사이를 통한 열손실을 최소화할 수 있다.

상기 개폐 손잡이부(123)는 평기어 형상으로 건조 히팅 몸체의 정면 우측 하단 일측에 결합되고, 손잡이가 돌출되어 형성되고, 제1 기어 이(121b)와 맞물려 손잡이의 회전에 따라 회전되는 제2 기어(123a)가 형성되어 개폐 회전부를 회전시키는 역할을 한다.

여기서 제2 기어(123a)는 개폐 손잡이부(123)의 회전축을 중심으로 회전되는 기어 형상으로, 제1 기어 이(121b)와 맞물리는 위치에 형성된다.

이때, 개폐 손잡이부(123)의 손잡이를 도 7에 도시한 바와 같이 하단방향으로 회전시키면 제2 기어(123a)가 시계방향으로 회전되며 맞물린 제1 걸림돌기(121b)를 반시계방향으로 회전시키고, 도 8에 도시한 바와 같이 상단방향으로 회전시키면 제2 기어(123a)가 반시계방향으로 회전되며 맞물린 제2 걸림돌기(121b)를 시계방향으로 회전시킨다.

이를 통해 개폐 회전부(121)를 회전시켜 개폐 도어부(122)의 개방 및 폐쇄를 제어한다.

상기 회전롤러부(124)는 개폐 회전부의 하단 좌·우측 둘레와 맞닿으며 회전되는 롤러 형상으로, 이는 건조 히팅 몸체의 정면 하단에 수평으로 롤러 지지 프레임이 고정되고, 롤러 지지 프레임의 상단에 좌·우 대칭으로 회전롤러가 형성되어 개폐 회전부의 좌·우측 하단에 각각 맞닿으며 회전된다.

이를 통해 개폐 회전부의 회전시 마찰을 줄여주고 제1 기어 이(121b)와 제2 기어(123a)의 마찰로 인한 마모를 줄여주어 개폐 도어부(122)의 개방 및 폐쇄를 용이하게 할 수 있도록 하고, 도어부의 수명을 향상시킬 수 있다.

상기 건조 안내레일부(130)는 직사각 형상의 틀 형상으로 내부로 투입되는 원료 이송트레이(2)의 하단을 지지하며 투입 및 인출시 이송을 용이하게 하는 역할을 한다.

이는 원료 메인 프레임(21)의 상단에 횡방향 안내레일(21a)을 통해 이송 지지프레임(22)이 좌측 끝단에 위치할 경우 도 3에 도시한 바와 같이, 종방향 안내레일(22a)과 동일선상에 일치하도록 위치하여 이루어진다.

이를 통해, 원료 이송장치에 올려진 원료 이송트레이를 자동으로 건조 히팅 몸체(110)에 투입 및 인출시킬 수 있다.

둘째, 본 발명에 따른 열교환기(200)에 관해 설명한다.

상기 열교환기(200)는 직사각 틀형상의 프레임의 상단 중앙에 수직으로 결합된 원통 형상의 프레임으로 상단 일측이 건조 히팅부의 후면과 배관으로 연결되고, 하단 일측이 진공부와 배관으로 연결되며, 내부에 다수개의 튜브관이 형성되고, 후면 상단과 하단에 냉각수를 순환시키는 배관이 연결되어 건조 히팅부에서 배터리 원료의 진공·건조시 발생되는 고열의 NMP 증기의 열 에너지를 빼앗아 응축시키고 히팅부하를 감소시켜주는 역할을 하는 것으로, 이는 열교환 지지대(210), 열교환 몸체(220), NMP 증기 공급관(230), 진공관(240), 냉각수 공급관(250), 냉각수 배출관(260)으로 구성된다.

상기 열교환 지지대(210)는 직사각 틀형상의 프레임으로 상단면 중앙에 수직으로 결합되는 열교환 몸체(220)를 지지하는 역할을 한다.

상기 열교환 몸체(220)는 직립된 원통 형상의 프레임으로 열교환 지지대의 상단면 중앙에 수직으로 결합되고, 상단 전방 일측에 건조 히팅부(100)의 후면 일측에 연결된 NMP 증기 공급관(230)이 형성되고, 하단 끝단이 진공부(300)의 측면 일측에 연결된 진공관(240)이 형성되고, 하단 후방 일측에 냉각부(500)의 측면 하단 일측과 연결된 냉각수 공급관(250)이 형성되고, 상단 후방 일측에 냉각부(500)의 측면 상단 일측과 연결된 냉각수 배출관(260)이 형성되고, 연결된 NMP 증기 공급관(230)과 진공관(240) 사이에 각각 격벽이 형성되고, 상단과 하단 격벽의 수직방향으로 관통된 다수개의 튜브관(221)이 형성된다.

본 발명에 따른 열교환 몸체(220)는 구체적으로 진공부와 연결된 진공관(240)의 진공압을 통해 NMP 증기 공급관(230)에서 공급된 NMP 증기 유체가 튜브관(221)의 내측홀을 따라 상단에서 하단방향으로 하강하고, 열교환 몸체(220) 내부 하단 격벽의 상단 일측에 결합된 냉각수 공급관(250)에서 공급된 냉각수가 튜브관(221)의 외측 표면을 따라 하단에서 상단방향으로 상승하며 냉각수 배출관(260)으로 배출된다.

이때, 고온의 NMP 증기 유체가 튜브관(221)의 내측홀을 따라 상단에서 하단방향으로 하강하고, 냉각수가 튜브관(221)의 외측 표면의 하단에서 상단방향으로 상승하고, 튜브관(221)의 내측과 외측의 온도차에 의해 고온의 NMP 증기 유체가 응축되며 액체형태로 액화되어 하강하고, 온도가 상승된 냉각수는 냉각부(500)로 전달되어 순환되며 열을 식힌다.

여기서 액화된 NMP 용액은 진공관을 통해 진공부로 이동하고, 이송펌프(310)를 통해 최종적으로 NMP 저장탱크(311)로 이동하여 포집된다.

이를 통해 기화된 NMP 증기를 액화시키며 고순도의 NMP 용액으로 포집할 수 있게 된다.

상기 NMP 증기 공급관(230)은 원형 관 형상으로 전방 끝단이 건조 히팅 몸체(110)의 후면 일측과 연결되고, 후방 끝단이 열교환 몸체(220)의 상단 일측과 연결되어 건조 히팅부에서 증기형태로 기화된 NMP를 포함하는 가스를 열교환기로 이동시키는 이동통로 역할을 한다.

이는 건조 히팅 몸체의 후면 일측과 연결된 전방 끝단이 'ㅓ'자로 형상되어 건조 히팅 몸체(110)에서 배출되는 NMP 증기 중 초기에 바로 응축되어 액화되는 미량의 NMP 용액은 하단으로 하강하여 초기 NMP 미량포집관(231)에 포집되어 하단으로 인출되고, 기체형태의 NMP 증기는 진공관의 진공압에 의해 상단으로 상승하여 열교환 몸체(220)로 이동된다.

여기서 초기 NMP 미량포집관(231)은 하단에 밸브가 형성되어 밸브의 개폐를 통해 포집된 미량의 NMP 용액을 수거할 수 있다.

상기 진공관(240)은 원형 관 형상으로 상단 끝단이 열교환 몸체(220)의 하단면과 수직으로 연결되고, 측면 끝단이 진공부의 측면 일측과 연결되고, 진공부(300)에서 발생한 진공압에 의해 열교환 몸체 내부의 유체를 진공부로 이동시키는 역할을 한다.

이를 통해 열교환 몸체 내부의 튜브관 상단에서 하단으로 하강하며 응축된 NMP 용액(3a)과 응축되지 않은 잔량가스를 진공부(300)로 이동시킨다.

상기 냉각수 공급관(250)은 원형 관 형상으로 전방 끝단이 열교환 몸체(220)의 하단 일측과 연결되고, 후방 끝단이 냉각수 탱크(510)의 하단 일측과 연결되어, 냉각수 탱크(510)에서 공급되는 냉각수를 열교환 몸체(220)에 공급하는 이동통로 역할을 한다.

이는 고온의 NMP 증기가 통과하는 튜브관(221) 외측표면에 저온의 냉각수를 공급하는 역할을 한다.

여기서 냉각수 공급관(250)의 전방 끝단은 열교환 몸체의 하단 일측에 형성된 튜브관(221) 하단홀과 격벽을 사이에 두고 연결되어 튜브관의 하단홀로 냉각수가 유입되는 것을 방지한다.

상기 냉각수 배출관(260)은 원형 관 형상으로 전방 끝단이 열교환 몸체(220)의 상단 일측과 연결되고, 후방 끝단이 냉각수 탱크(510)의 상단 일측과 연결되어, 열교환 몸체(220)의 하단에서 상단으로 상승이동되며 튜브관 외측표면을 지나가는 냉각수를 냉각수 탱크(510)로 배출하는 이동통로 역할을 한다.

이는 고온의 NMP 증기가 통과하는 튜브관(221) 외측표면을 지나며 온도가 상승된 냉각수를 냉각탱크(510)로 배출하는 역할을 한다.

여기서 냉각수 배출관(260)의 전방 끝단은 열교환 몸체의 상단 일측에 형성된 튜브관(221) 상단홀과 격벽을 사이에 두고 연결되어 튜브관의 상단홀로 냉각수가 유입되는 것을 방지한다.

셋째, 본 발명에 따른 진공부(300)에 관해 설명한다.

상기 진공부(300)는 원통 형상의 탱크로 측면 일측에 열교환 몸체(220)의 하단과 배관으로 연결되어 진공압을 통해 액화상태로 응축된 NMP 용액을 이송하여 수용하고, 흡착부(400)와 배관으로 연결되어 응축되지 않은 잔량가스를 전달시켜주는 역할을 하는 것으로, 이는 이송펌프관(310), 진공펌프관(320), NMP 용액 저장탱크(330)로 구성된다.

상기 이송펌프관(310)은 원형 관 형상으로 좌측 끝단이 진공부 몸체에 연결되고, 우측 끝단이 NMP 용액 저장탱크(330)와 연결되며, 중앙 일측에 이송펌프(311)이 결합되어 진공압을 통해 열교환기에서 전달받은 액체상태의 NMP 용액을 NMP 용액 저장탱크(330)로 이송시키는 역할을 한다.

상기 진공펌프관(320)은 원형 관 형상으로 정면 끝단이 진공부 몸체에 연결되고, 측면 끝단이 흡착부(400)와 연결되며, 중앙 일측에 진공펌프(321)가 결합되어 진공압을 통해 열교환기에서 응축되지 않은 잔량가스를 흡착부(400)로 이송시키는 역할을 한다.

상기 NMP 용액 저장탱크(330)는 원통 형상의 탱크로 측면 일측이 이송펌프관(310)과 연결되어 액화상태로 응축된 NMP 용액을 전달받아 수용하는 역할을 한다.

이때, 수용되는 NMP 용액은 고온 가열시 발생한 증기를 응축하여 액화시킨 상태로 불순물이 포함되지 않은 순도가 높은 NMP 용액이 회수되어 재사용이 가능하고, 폐배터리의 불순물 제거에 사용되었던 90% 이상의 NMP 용액을 회수할 수 있다.

이는 NMP 용액의 회수율이 높아 소각처리시 발생하는 환경오염을 최소화하고, 원료의 재사용으로 경제적인 효과를 발생시킨다.

넷째, 본 발명에 따른 흡착부(400)에 관해 설명한다.

상기 흡착부(400)는 직사각 프레임 형상으로 진공펌프관과 연결되어 진공부를 통해 열교환 몸체에서 응축되지 않고 배기된 가스를 전달받아, 가스에서 발생하는 냄새, 분진, 가스를 필터링하고, 열교환기에서 응축되지 않은 미량의 NMP를 흡착하는 역할을 한다.

이는 튜브관의 내부와 외부 온도차에 의해 튜브관을 통과하며 응축되지 않은 미량의 NMP 가스를 액화시켜 포집하여 기화된 NMP가 배출되는 것을 최소화하고, 가스에 형성된 분진과 같은 미립자를 필터링하여 제거함으로써 환경오염을 방지하고 NMP 회수율을 상승시킨다.

다섯째, 본 발명에 따른 냉각부(500)에 관해 설명한다.

상기 냉각부(500)는 원통 형상의 탱크에 복수개의 냉각기가 연결되고, 열교환기의 배관과 연결되어 냉각수를 냉각 및 순환시키며 열교환기의 과열을 방지하는 역할을 하는 것으로, 냉각수 탱크(510), 냉각기(520)로 구성된다.

상기 냉각수 탱크(510)는 원통 형상의 탱크로 전방 하단 일측이 냉각수 공급관(250)을 통해 열교환 몸체(220)의 하단과 연결되고, 전방 상단 일측이 냉각수 배출관(260)을 통해 열교환 몸체(220)의 상단과 연결되고, 측면 일측에 냉각기(520)에 냉각수를 순환시키는 배관이 연결되며 냉각수를 저장 및 보관하는 역할을 한다.

여기서 냉각수 탱크(510)는 냉각수 공급관(250)과 냉각수 배출관(260)을 통해 열교환 몸체(220)에 냉각수를 순환·공급하고, 측면 상단 일측에 냉각기와 연결되어 열교환 몸체를 순환하며 온도가 상승된 냉각수를 냉각기로 이송시키는 제1 냉각수관(511)과, 측면 하단 일측에 냉각기와 연결되어 냉각기(520)에서 냉각된 냉각수를 이송받는 제2 냉각수관(512)이 이루어진다.

이는 열교환 몸체를 순환하며 온도가 상승된 냉각수를 냉각기로 순환이동시키며 온도를 낮추며 반복적인 냉각수의 순환이 이루어지도록 한다.

이를 통해 열교환기의 과열을 방지하고, 내부의 다수개의 튜브관(221)을 통과하는 NMP 증기를 온도차에 의해 응축시켜 액화상태로 포집될 수 있도록 한다.

상기 냉각기(520)는 복수개로 형성된 직사각 박스 형상으로 내부에 냉각팬이 형성되어 냉각수 탱크에서 이송받은 온도가 상승된 냉각수를 냉각팬을 통해 온도를 하강시켜주고, 냉각된 냉각수를 냉각수 탱크에 이송시키는 역할을 한다.

이는 측면 상단 일측에 제1 냉각수관(511)이 연결되어 냉각탱크로부터 온도가 상승된 냉각수를 이송받고, 측면 하단 일측에 제2 냉각수관(512)이 연결되어 냉각팬에 의해 냉각된 냉각수를 냉각탱크로 이송시키는 냉각수 순환구조로 이루어진다.

여섯째, 본 발명에 따른 질소가스 공급부(600)에 관해 설명한다.

상기 질소가스 공급부(600)는 사각 형상의 프레임으로 건조 히팅부와 질소가스 공급관(610)을 통해 연결되고 질소가스를 순환·공급하여 건조 히팅부의 내부에 질소가스를 공급하는 역할을 한다.

이는 배터리 원료 및 NMP 회수장치 동작시 건조 히팅 몸체(110) 내부에 산소를 제거하고 질소가스를 공급하여 내부에 투입된 재활용 원료의 건조시 건조 히팅 몸체의 내부 온도가 100℃ 이상으로 상승하더라도 질소가스가 투입되며 산소가 제거된 무산소 상태로 내부에 화재가 발생하는 것을 방지하여 재활용 원료(3)가 화재로 인해 손상되는 것을 차단한다.

다음으로, 본 발명에 따른 원료 이송장치(20)에 관해 설명한다.

상기 원료 이송장치(20)는 배터리 원료 회수장치의 전방에 결합되어 센서의 감지를 통해 안내레일을 따라 원료를 이동시켜 건조로에 투입시키고, 건조된 원료를 인출시키는 역할을 한다.

이는 이송 메인프레임(21), 이송 지지프레임(22)으로 구성된다.

상기 이송 메인프레임(21)은 건조 히팅 몸체의 전면에 형성된 직사각틀 형상의 프레임으로 상단에 전·후 방향으로 가로방향으로 평행한 횡방향 안내레일(21a)이 형성되어 이송 지지프레임을 횡방향으로 자동으로 왕복이동시키는 역할을 한다.

상기 이송 지지프레임(22)은 이송 메인프레임의 상단에 형성된 직사각틀 형상의 프레임으로 상단에 좌·우 방향으로 세로방향으로 평행하고, 건조 안내레일부(130)와 세로방향으로 일치하며 맞닿는 종방향 안내레일(22a)이 형성되어 상단에 올려지는 배터리 원료를 건조 히팅 몸체에 자동으로 투입 및 인출시키는 역할을 한다.

다음으로, 본 발명에 따른 제어부(30)에 관해 설명한다.

상기 제어부(30)는 배터리 원료 회수장치의 내부 온도, 압력을 측정 및 제어하여, 정상작동 여부를 확인하고, 자동운전에 의해 간편하고 안전하게 배터리 원료 및 NMP 용액의 추출을 제어하는 역할을 한다.

이는 온도 제어부(31), 냉각 제어부(32), 진공 제어부(33)로 구성된다.

상기 온도 제어부(31)는 건조 히팅부(100)와 연결되어 건조 히팅 몸체 내부 히터의 전원을 ON/OFF하고, 내부 온도를 실시간으로 측정하며 히터의 발열온도를 제어하고, 197~350℃의 온도를 유지하지 않을 경우 알림음이 발생하고, 온도가 350℃ 이상 과열될 경우 차단하는 역할을 한다.

여기서 건조 히팅부(100)의 내부 온도가 350℃이상이 되면 차단하는 이유는 히터의 과열로 인해 기기의 수명이 짧아지고, 에너지의 소모에 따른 효율이 떨어져 에너지가 낭비되는 문제점을 방지하기 위함이다.

또한, 건조 히팅부(100)의 내부 온도가 210℃이하이면 NMP 용액의 건조시간이 길어지고, 197℃이하로 떨어질 경우에는 NMP 용액이 건조되지 않는 문제점을 방지하기 위함이다.

이때, 건조 히팅 몸체에 투입된 NMP가 증기화되어 배터리 원료가 완전히 건조되면서 내부의 온도가 상승하면 자동으로 온도를 감지하여 히터의 전원을 OFF하게 된다.

이를 통해 건조 히팅부의 온도를 실시간으로 확인하고 제어할 수 있어 가열 효율을 극대화시키고, 에너지의 효율적인 소비를 가능하게 한다.

상기 냉각 제어부(32)는 열교환기(200) 및 냉각부(500)와 연결되어 냉각부의 전원을 ON/OFF하고, 열교환 지지대의 내부 온도를 실시간으로 측정하며 자동 밸브를 통해 냉각수의 순환량을 제어하는 역할을 한다.

이를 통해 고온의 증기형태로 열교환기의 내부 상단에서 하단으로 이동되는 NMP를 응축시켜 액체상태로 포집될 수 있도록 한다.

상기 진공 제어부(33)는 진공부(300)와 연결되어 진공펌프의 전원을 ON/OFF하고, 진공탱크 내부의 진공압을 실시간으로 측정하며 진공 펌프를 통해 진공압의 세기를 제어하는 역할을 한다.

이를 통해 건조 히팅 몸체의 내부에서 고온으로 인해 증기화되는 NMP를 열교환기의 내부에 형성된 튜브관 상단에서 하단방향으로 이동시켜 응축이 신속히 이루어질 수 있도록 한다.

이하, 본 발명에 따른 진공 건조를 통한 배터리 원료 및 NMP 회수장치의 동작 과정에 대하여 설명한다.

먼저, 원료 이송트레이에 폐배터리를 분쇄한 분말형태의 원료를 투입시키고, NMP 용액을 섞어 분말형태의 폐배터리에 포함된 이물질 및 불순물을 제거한다.

다음으로, 분말형태의 폐배터리와 NMP 용액이 섞인 슬러지 형태의 원료가 담긴 원료 이송트레이를 원료 이송지지프레임의 상단에 올리고, 횡방향 안내레일과 종방향 안내레일을 통해 위치를 건조 히팅 몸체의 정면방향에 이동시킨다.

다음으로, 도어부의 개폐 손잡이를 회전시켜 제2 기어와 맞물린 제1 기어 이가 둘레 일측에 형성된 개폐 회전부를 회전시켜 제1 걸림돌기가 제2 걸림돌기와 엊갈리도록 한 후 도어부를 걔방한다.

다음으로, 원료 이송트레이를 건조 히팅 몸체의 내부 하단에 형성된 건조 안내레일부를 따라 내측방향으로 투입시키고, 도어부를 닫은 후 걔폐 손잡이부를 회전시켜 제1 걸림돌기와 제2 걸림돌기가 맞물리도록 하여 건조 히팅 몸체 내부를 밀폐시킨다.

다음으로, 온도 제어부를 통해 건조 히팅부의 히터 전원을 ON 시키고, 210~350℃의 온도를 설정하고, 냉각 제어부를 통해 열교환기의 내부에 냉각수를 공급하며, 진공 제어부를 통해 건조 히팅 몸체의 내부와 열교환기의 튜브관에 진공압을 형성시킨다.

이때, 건조 히팅 몸체의 내부에 질소가스가 공급되며 진공압이 형성되고, 무산소 상태가 되어 건조 히팅 몸체의 내부의 온도가 210~350℃이 되더라도 원료에 불이 붙지 않아 NMP 용액이 산화되는 것을 방지할 수 있다.

다음으로, 증기상태의 NMP가 열교환기의 튜브관 상단에서 하단으로 이동하며 응축되어 액체상태의 NMP를 포집한다.

이때, 열교환기 내부에 수직으로 형성된 다수개의 튜브관 외측에 냉각수를 지속적으로 순환공급하여 NMP의 응축효율이 떨어지는 것을 방지한다.

마지막으로, 열교환기를 통과하며 포집되지 않고 이동된 미량의 NMP를 포함하는 증기를 흡착탑으로 이동시켜 먼지와 같은 불순물을 필터링하고 미량의 NMP를 흡착하여 포집한다.

1 : 진공 건조를 통한 배터리 원료 및 NMP 회수장치
10 : 배터리 원료 회수장치 100 : 건조 히팅부
110 : 건조 히팅 몸체 120 : 도어부
130 : 건조 안내레일부 200 : 열교환기
300 : 진공부 400: 흡착부
500 : 냉각부 600 : 질소가스 공급부
20 : 원료 이송장치 21 : 이송 메인 프레임
22 : 이송 지지프레임 30 : 제어부
31 : 온도 제어부 32 : 냉각 제어부
33 : 진공 제어부

Claims (7)

1. 폐건전지 및 폐배터리를 분쇄한 원료와 NMP 용액이 혼합된 슬러지 형태의 배터리 원료를 고온 진공상태로 가열하여 배출되는 증기를 정제하여 고순도로 포집하고, 건조된 배터리 원료를 회수할 수 있도록 전방에 여닫이 형태의 도어부가 형성된 가로방향으로 뉘어진 원통 형상의 프레임으로, 내부 둘레를 따라 건조로 코일이 형성되어 내부온도를 제어하고, 진공탱크와 연결되어 진공상태 유무를 제어하여 내부에 투입된 원료를 진공·건조시키는 건조 히팅부(100)와,
   직사각 틀형상의 프레임의 상단 중앙에 수직으로 결합된 원통 형상의 프레임으로 상단 일측이 건조 히팅부의 후면과 배관으로 연결되고, 하단 일측이 진공부와 배관으로 연결되며, 내부에 다수개의 튜브관이 형성되고, 후면 상단과 하단에 냉각수를 순환시키는 배관이 연결되어 건조 히팅부에서 배터리 원료의 진공·건조시 발생되는 고열의 NMP 증기의 열 에너지를 빼앗아 응축시키고 히팅부하를 감소시켜주는 열교환기(200)와,
   원통 형상의 탱크로 측면 일측에 열교환 몸체(220)의 하단과 배관으로 연결되어 진공압을 통해 액화상태로 응축된 NMP 용액을 이송하여 수용하고, 흡착부(400)와 배관으로 연결되어 응축되지 않은 잔량가스를 전달시켜주는 진공부(300)와,
   직사각 프레임 형상으로 진공펌프관과 연결되어 진공부를 통해 열교환 몸체에서 응축되지 않고 배기된 가스를 전달받아, 가스에서 발생하는 냄새, 분진, 가스를 필터링하고, 열교환기에서 응축되지 않은 미량의 NMP를 흡착하는 흡착부(400)와,
   원통 형상의 탱크에 복수개의 냉각기가 연결되고, 열교환기의 배관과 연결되어 냉각수를 냉각 및 순환시키며 열교환기의 과열을 방지하는 냉각부(500)와,
   사각 형상의 프레임으로 건조 히팅부와 질소가스 공급관(610)을 통해 연결되고 질소가스를 순환·공급하여 건조 히팅부의 내부에 질소가스를 공급하는 질소가스 공급부(600)로 이루어진 배터리 원료 회수장치(10)와,
   배터리 원료 회수장치의 전방에 결합되어 센서의 감지를 통해 안내레일을 따라 원료를 이동시켜 건조로에 투입시키고, 건조된 원료를 인출시키는 원료 이송장치(20)와,
   배터리 원료 회수장치의 내부 온도, 압력을 측정 및 제어하여, 정상작동 여부를 확인하고, 자동운전에 의해 간편하고 안전하게 배터리 원료 및 NMP 용액의 추출을 제어하는 제어부(30)로 구성되는 진공 건조를 통한 배터리 원료 및 NMP 회수장치에 있어서,
   상기 건조 히팅부(100)는
   수평방향으로 뉘어진 원통형상으로 단열구조의 내측벽을 가지며 내부 둘레면을 따라 코일 형태의 히터가 형성되며, 투입되는 배터리 원료를 수용하며 건조시키는 건조 히팅 몸체(110)와,
   건조 히팅 몸체의 정면 측방향 일측에 힌지구조로 결합된 원형 도어 형상으로 여닫이 형태로 개폐되고, 내측면이 밀착구조로 이루어지는 도어부(120)와,
   직사각 형상의 틀 형상으로 내부로 투입되는 원료 이송트레이(2)의 하단을 지지하며 투입 및 인출시 이송을 용이하게 하는 건조 안내레일부(130)로 구성되는 것을 특징으로 하는 진공 건조를 통한 배터리 원료 및 NMP 회수장치.
   
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3. 삭제
4. 제1항에 있어서 도어부(120)는
   원형 띠 형상으로 건조 히팅 몸체의 정면에 결합되고, 둘레를 따라 일정한 간격으로 제1 걸림돌기(121a)가 형성되고, 우측면 둘레 하단 일측에 제1 기어 이(121b)가 형성되는 개폐 회전부(121)와,
   원형 도어 형상으로 좌측 일측에 힌지구조를 통해 건조 히팅 몸체의 정면 좌측에 결합되고, 둘레를 따라 일정한 간격으로 제2 걸림돌기(122a)가 형성되는 개폐 도어부(122)와,
   평기어 형상으로 건조 히팅 몸체의 정면 우측 하단 일측에 결합되고, 손잡이가 돌출되어 형성되고, 제1 기어 이(121b)와 맞물려 손잡이의 회전에 따라 회전되는 제2 기어(123a)가 형성되어 개폐 회전부를 회전시키는 개폐 손잡이부(123)와,
   개폐 회전부의 하단 좌·우측 둘레와 맞닿으며 회전되는 롤러 형상으로, 이는 건조 히팅 몸체의 정면 하단에 수평으로 롤러 지지 프레임이 고정되고, 롤러 지지 프레임의 상단에 좌·우 대칭으로 회전롤러가 형성되어 개폐 회전부의 좌·우측 하단에 각각 맞닿으며 회전되는 회전롤러부(124)로 구성되는 것을 특징으로 하는 진공 건조를 통한 배터리 원료 및 NMP 회수장치.
   
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6. 삭제
7. 제1항에 있어서 제어부(30)는
   건조 히팅부(100)와 연결되어 건조 히팅 몸체 내부 히터의 전원을 ON/OFF하고, 내부 온도를 실시간으로 측정하며 히터의 발열온도를 제어하고, 197~350℃의 온도를 유지하지 않을 경우 알림음이 발생하고, 온도가 350℃ 이상 과열될 경우 차단하는 온도 제어부(31)와,
   열교환기(200) 및 냉각부(500)와 연결되어 냉각부의 전원을 ON/OFF하고, 열교환 지지대의 내부 온도를 실시간으로 측정하며 자동 밸브를 통해 냉각수의 순환량을 제어하는 냉각 제어부(32)와,
   진공부(300)와 연결되어 진공펌프의 전원을 ON/OFF하고, 진공탱크 내부의 진공압을 실시간으로 측정하며 진공 펌프를 통해 진공압의 세기를 제어하는 진공 제어부(33)로 구성되는 것을 특징으로 하는 진공 건조를 통한 배터리 원료 및 NMP 회수장치.
   

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