CN107774698A - 一种废旧电池无氧催化热裂系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种废旧电池无氧催化热解系统和方法，所述系统包括：提升机、与该提升机的出口连通的稳流仓、设于稳流仓出口的气动双闸阀、设于稳流仓下方的干燥塔、设于该干燥塔出口的锁风阀、与该干燥塔出口连通的管式螺旋输送机、设于该管式螺旋输送机出口下方的圆盘给料机、与该圆盘给料机出口连通的破碎机、设于该破碎机出口的插阀板、设于该破碎机下方的螺旋输送机、与该螺旋输送机出口连通的进出料筒、与该进出料筒的上部横向出口连通的双筒回转窑、外套在该双筒回转窑上的燃烧炉，进出料筒的下部横向出口与双筒回转窑出口连通，进出料筒的下端依次连通卸料器和竖直管式螺旋输送机。本发明可以实现废旧电池的无害化资源化处置，自动化程度高。工艺无需采用外加惰性气体保护，无二次污染物生成或排出。

Description

一种废旧电池无氧催化热裂系统和方法

技术领域

本发明涉及废旧电池回收资源化利用的工艺方法和系统，尤其涉及大量废旧锂电池无氧热解达到资源化利用和无害排放的处理的系统和方法。

背景技术

人类活动必然会产生各种垃圾，包括生活垃圾、工业垃圾、农林垃圾、电子垃圾和医疗垃圾等等。随着电子行业迅猛发展，大量电池的应用，尤其是动力锂电池的大规模应用，最终都会形成废弃物或垃圾，这对人类健康和环境产生的影响不可忽视，同时也浪费了大量的珍贵资源，如电池材料，包括各类金属和非金属材料。

电子类垃圾的大量产生和处理技术的不完善，已经对国家的经济发展、人民的生活质量和自然环境造成了日益严峻的负面影响。世界各国在充分认识到这一社会发展瓶颈的同时，正积极集中力量开发可实现无害化和资源化处置各种垃圾的有效技术。

传统的垃圾填埋技术，虽然还是全世界垃圾处理的主要手段之一，但因为是转移性处置、永久性占用土地资源、存在对地下水的和大气污染的潜在风险，且填埋后需要长期维护、最终仍然需要彻底处理， 这一垃圾处理的技术方法已显现出长期危害环境的忧患，已逐渐成为过渡性方法，势必会被其它更加科学的垃圾处理方法取代。

焚烧垃圾的危害在于氧化过程新生成许多复杂有害污染物，如果污染物净化不严格，就会造成二次污染。焚烧作为取代填埋的手段，相关技术也在不断提高，改进后的多段焚烧炉，包括回转窑烧炉，虽然提高了燃烧效率，一定程度地降低了污染物的排放，但仍需附加设备和高运行来清除焚烧所产生的有害物质，且垃圾的资源化程度和效率仍然很低。

广泛使用的炉排炉和回转窑焚烧炉和传统的焚烧炉相比，燃烧更加充分，炉温得到提增的多段或多室燃烧结构，使得燃烧也更加充分，也可以控制主烧室贫氧或少氧燃烧，达到部分气化或部分裂解的作用。对于电子垃圾尤其是废旧电池，燃烧条件控制困难，工作状态不稳定。由于废旧电池的成分复杂且存在重金属和氟化物，炉温等工艺条件对产物影响较大，工况波动使得操作十分困难。因此其中珍贵的金属难以保全，资源化回收率不高，使得废旧电池垃圾处置资源化水平受到限制。通过冷凝脱水和喷淋，虽然消除了一些污染物，减少了后期的腐蚀和排放，但气体排放仍需要改善。

研发一种连续、高效和环保的处理废旧电池的同时高资源化利用的方法，是业界亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明为了解决现有废旧电池处理存在的技术问题，提出一种连续、高效和环保的废旧电池无氧催化热解系统和方法，同时再生各种技术材料，达到高效资源化利用的目的。

本发明提出的一种废旧电池无氧催化热解系统，其包括：提升机、与该提升机的出口连通的稳流仓、设于稳流仓出口的气动双闸阀、设于所述稳流仓下方的干燥塔、设于该干燥塔出口的锁风阀、与该干燥塔出口连通的管式螺旋输送机、设于该管式螺旋输送机出口下方的圆盘给料机、与该圆盘给料机出口连通的破碎机、设于该破碎机出口的插阀板、设于该破碎机下方的螺旋输送机、与该螺旋输送机出口连通的进出料筒、与该进出料筒的上部横向出口连通的双筒回转窑、外套在该双筒回转窑上的燃烧炉，所述进出料筒的下部横向出口与所述双筒回转窑出口连通，进出料筒的下端依次连通卸料器和竖直管式螺旋输送机。

优选的，所述双筒回转窑下部还设有传热装置。

优选的，所述破碎机与一蒸汽管道连通。

本发明还提出一种废旧电池的无氧催化热解方法，其包括如下步骤：

步骤1：预处理

将废旧电池放入暂存池堆放自行脱水，然后加热所述的废旧电池，将其水分含量降低到5%以下消除剩余电量，再经过蒸汽保护粉碎系统，将干燥废旧电池安全地粉碎到小于2厘米的颗粒；

步骤2：无氧热解

将所述的干燥废旧电池颗粒投入双筒回转热解炉，利用双闸锁封器阻止外部空气的进入双筒回转热解炉中并加热，使得双筒回转热解炉中的热解的温度和升温速度达到工艺设计要求，并添加催化剂，使得干燥废旧电池颗粒中的所有有机物质分解成可燃气、生物碳、金属片及金属渣和少量的化合物，并将氟化物反应生成稳定的氟盐，消除热解气的腐蚀性；

步骤3：热解后的产物分离和再加工

将所述的可燃气、生物碳、金属片和金属渣通过工艺分离和净化后，洁净燃气可作为燃料回收应用，金属片可筛分出来回收利用， 金属渣可进一步分离纯化制成不同的材料，直接再生利用；

将预处理和热解时产生的废水收集后进行净化处理，将净化后水中的热量进行热交换，当作余热再利用；将净化后的水作为再生水用于工艺、绿化或灌溉；将处理时产生的异味气体进行净化处理，将净化后废气中的热量进行热交换，当作余热再利用；将净化后的废气，做为洁净燃料或者做为再生原料生产下游产品。

本发明可以实现废旧电池的无害化资源化处置，工艺连续处理，操作简单，自动化程度高，无需人工参与分选或者直接接触垃圾。工艺无需采用外加惰性气体保护。整个系统完整、简洁，效率高。系统优化，单位能耗低，无二次污染物生成或排出。产品热解气热值高，焦油含量很低,可直接利用。产品金属可直接回收使用，资源化水平高。

附图说明

图1为本发明废旧电池无氧催化热解系统的较佳实施例的示意图。

具体实施方式

本发明采用的是一种废旧电池无氧催化热解资源化利用技术。该技术是将一有机固体废弃物在无氧条件下加热分解为有机物的过程，使得金属不受破坏地分离出来，复杂的有机物质变成小分子燃气而作为再生燃料，极少量的有害物质，如，氟化物被稳定成盐而得到再生。该无氧热解过程是一个复杂的化学反应还原过程，包括：大分子的键断裂，异构化和小分子的聚合等反应，最后生成各种较小的分子，主要包括：

(1)以氢气、一氧化碳、甲烷等低分子碳氢化合物为主的可燃性气体；

(2)在常温下为液态的包括乙酸丙酮等化合物在内的有机类；

(3)固体生物碳、金属、盐等。

结果就是将所有的有机物，包括塑料、粘结剂、胶带、有机电解质等，均被分解成水、合成气燃料和碳。如图1所示，本发明提供的一种废旧电池无氧催化热解系统，其包括：竖立式的提升机1、与该提升机上部右侧的出口连通的稳流仓2、设于稳流仓出口的气动双闸阀11、设于所述稳流仓2下方的夹层设置的干燥塔3、设于该干燥塔出口的锁风阀12、与该干燥塔出口连通的管式螺旋输送机4、设于该管式螺旋输送机出口下方的圆盘给料机5、与该圆盘给料机出口连通的破碎机6、与该破碎机连通的蒸汽管道、设于该破碎机出口的插阀板13、设于该破碎机下方的螺旋输送机7、与该螺旋输送机出口连通的进出料筒14、与该进出料筒的上部横向出口连通的双筒回转窑8、外套在该双筒回转窑上的燃烧炉9，设于双筒回转窑8的下方还传热装置16。所述进出料筒14的下部横向出口与所述双筒回转窑8出口连通，进出料筒14的下端依次连通卸料器15和竖直管式螺旋输送机10。

本发明提供的废旧电池的无氧催化热解方法，可以按如下步骤进行，参考附图1：

1、垃圾的预处理

将外运来的废旧电池放入暂存池堆放并自然滤除废水，通过提升机1废旧电池将送到稳流仓2中，通过气动双闸阀11阻止空气进入到后续系统中。物料依靠自重落入干燥器3中，干燥器是夹套设计，可利用余热、再生可燃气或外加热经过其夹套而将干燥仓3内物料间接加热，以达到脱水和预热的目的，通过蒸发和风干将废旧电池中尤其是电解质的水分含量降低到5%以下，完全消除废旧电池残存的电能。物料再通过干燥仓3下端的锁风阀12由管道式螺旋输送机4传送到圆盘给料机5中，经过有效分布，物料均匀地落入到下方的破碎机6中进行破碎。由蒸汽管道输入蒸汽到破碎机6中，利用蒸汽将粉碎系统内的空气全部驱赶排除，蒸汽可防止电池粉碎过程中爆炸或燃烧的危险，同时预热物料到一定的温度，为后续工艺提供部分热量。将干燥废旧电池安全地粉碎到小于2厘米的颗粒。

2、垃圾无氧热分解

打开破碎机6出口的插板阀13，将被粉碎后的物料通过破碎机6下方的螺旋输送机7 由进出料筒14上部横向出口输送到热解炉-双筒回转窑8中。该设备在传统回转窑的基础上改造而成，热解炉设计为双筒回转窑结构，在热解炉8外还夹套了燃烧炉9，这样达到了增加温度分段和停留时间可控的目的，使得热裂解更加有效。双筒结构也具备了单头进出料和单头密封的优点。还增加了密封、热量的高效利用和减少外部设备空间。利用气动双闸阀11和锁风器12，阻止外部空气的进入，在热解炉中无氧的条件下，自来外部壳体燃烧炉9、传热装置16的余热和再生可燃气和/或外加热间接加热所述的热解炉8，使得热解的温度和升温速度达到工艺设计要求。热裂解需要在200-700摄氏度区间分段完成，热解温度控制分成三段，并控制各段停留时间：第一段150-250C°，停留时间10-30分钟，完成挥发物的气化；第二段温度250-400C°，对塑料和一般有机材料进行热分解，控制停留时间10-30分钟；第三段温度450-550C°，彻底分解有机物同时保证金属或金属化合物不挥发、不熔融和不发生明显的还原反应，此段停留时间需控制在5-20分钟。因此升温的速度需要控制，这样才能让物料在不同的温度段停留时间得到控制。并添加催化剂，其为复合物，以提高分解速度和效率，同时保障对产生的各种酸性气体进行吸附和转化成稳定的盐，这种复合催化剂包含0.2-1%的三氧化二铁、20-40%的白云石、20-40%的石灰石、5-10%碳酸钠，其余为含镍、含锌大于1%的金属废渣。用以降低物料热裂解的温度和速度，使得干燥废旧电池颗粒中的所有有机物质分解成可燃气、生物碳、金属片和金属渣和少量其它化合物，并将氟化物反应生成稳定的氟盐，消除热解气的腐蚀性。由于双筒回转窑8中分布有不同形状的扬料板和摩擦板，能够将粘附在电池极板表面的碳黑、石墨粉颗粒摩擦剥离下来；电极材料在无氧裂解条件下，保持原有理化特性，且可完整地与其它与其他裂解产物自动分离。

3、热分解后的产物分离和再加工

物料热解后，固体渣料通过卸料器15由其下端的竖直管式输送机10送到后续的处理机上分选并回收再利用。即将所述的可燃气、生物碳、金属片和金属渣通过工艺分离和净化后，洁净燃气可作为燃料回收应用，例如部分可用于工艺本身的热源，金属片可筛分出来回收利用， 金属渣可进一步分离纯化制成不同的材料，直接再生利用。

将预处理和热解时产生的废水收集后进行净化处理，将净化后水中的热量进行热交换，当作余热再利用；将净化后的水作为再生水用于工艺、绿化或灌溉。

将处理时产生的异味气体进行净化处理，将净化后废气中的热量进行热交换，当作余热再利用；还可以将净化后的废气，做为洁净燃料或者做为再生原料生产下游产品。

本发明在中低温（200-700摄氏度）、催化和完全没有氧气条件下，可以处理复杂的混合废旧电池，连续进料，实现高效热解，产生燃气和碳等。可以在连续条件完成热解、产出和净化步骤的。在本发明的设备条件下进行废旧电池热解，完成渣料中金属的可控还原，最大程度地回收高附加值的金属或金属化合物。

本发明有别于传统的间歇式反应热裂解，而是采用双筒回转窑连续性进行无氧热解处理复杂混合的废旧电池。利用热解气的还原特性，设定一个除氧装置于系统内部，将初步进入系统的氧气脱除，并控制反应条件，以避免有害物质的生成和系统的爆炸危险。在催化剂的作用下，热解定向反应，并有效地消除存在的污染物，产品质量稳定可控，并有效地还原重金属等氧化物，达到化学降解的目的。本发明的反应过程首先是无氧，再就是连续反应，这样的处理工艺节能且处理效率高，一般不容易做到，所以发明热解的系统中设有各种空气隔绝和密封装置以达到目的。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种废旧电池无氧催化热解系统，其特征在于，包括提升机（1）、与该提升机的出口连通的稳流仓（2）、设于稳流仓出口的气动双闸阀（11）、设于所述稳流仓（2）下方的干燥塔（3）、设于该干燥塔出口的锁风阀（12）、与该干燥塔出口连通的管式螺旋输送机（4）、设于该管式螺旋输送机出口下方的圆盘给料机（5）、与该圆盘给料机出口连通的破碎机（6）、设于该破碎机出口的插阀板（13）、设于该破碎机下方的螺旋输送机（7）、与该螺旋输送机出口连通的进出料筒（14）、与该进出料筒的上部横向出口连通的双筒回转窑（8）、外套在该双筒回转窑上的燃烧炉（9），所述进出料筒（14）的下部横向出口与所述双筒回转窑（8）出口连通，进出料筒（14）的下部依次连通卸料器（15）和竖直管式螺旋输送机（10）。

2.如权利要求1所述的废旧电池无氧催化热解系统，其特征在于，所述双筒回转窑（8）

的下部还设有传热装置（16）。

3.如权利要求1所述的废旧电池无氧催化热解系统，其特征在于，所述破碎机（6）与一蒸汽管道连通。

4.一种废旧电池的无氧催化热解方法，其包括如下步骤：

步骤1：预处理

将废旧电池放入暂存池堆放自行脱水，然后加热所述的废旧电池，将其水分含量降低到5%以下消除剩余电量，再经过蒸汽保护粉碎系统，将干燥废旧电池安全地粉碎到小于2厘米的颗粒；

步骤2：无氧热解

将所述的干燥废旧电池颗粒投入双筒回转热解炉，利用双闸锁封器阻止外部空气的进入双筒回转热解炉中并加热，使得双筒回转热解炉中的热解的温度和升温速度达到工艺设计要求，并添加催化剂，使得干燥废旧电池颗粒中的所有有机物质分解成可燃气、生物碳、金属片及金属渣和少量的化合物，并将氟化物反应生成稳定的氟盐，消除热解气的腐蚀性；

步骤3：热解后的产物分离和再加工

将所述的可燃气、生物碳、金属片和金属渣通过工艺分离和净化后，洁净燃气可作为燃料回收应用，金属片可筛分出来回收利用， 金属渣可进一步分离纯化制成不同的材料，直接再生利用；

将预处理和热解时产生的废水收集后进行净化处理，将净化后水中的热量进行热交换，当作余热再利用；将净化后的水作为再生水用于工艺、绿化或灌溉；将产生的异味气体进行净化处理，将净化后废气中的热量进行热交换，当作余热再利用；将净化后的废气，做为洁净燃料或者做为再生原料生产下游产品。

5.如权利要求4所述的无氧催化热解方法，其特征在于，所述双筒回转窑（8）中分布有不同形状的扬料板和摩擦板，能够将粘附在电池极板表面的碳黑、石墨粉颗粒摩擦剥离下来；电极材料在无氧裂解条件下，保持原有理化特性。

6.如权利要求4所述的无氧催化热解方法，其特征在于，所述双筒回转窑（8）中的热解的温度控制在200-700摄氏度范围内分段完成。

7.如权利要求6所述的无氧催化热解方法，其特征在于，所述的热解温度控制分成三段，并控制各段停留时间：第一段150-250C°，停留时间10-30分钟，完成挥发物的气化；第二段温度250-400C°，对塑料和一般有机材料进行热分解，控制停留时间10-30分钟；第三段温度450-550C°，彻底分解有机物同时保证金属或金属化合物不挥发、不熔融和不发生明显的还原反应，此段停留时间需控制在5-20分钟。

8.如权利要求4所述的无氧催化热解方法，其特征在于，所述的催化剂为复合物，其包含0.2-1%的三氧化二铁、20-40%的白云石、20-40%的石灰石、5-10%碳酸钠，其余为含镍、含锌大于1%的金属废渣。