CN114447464B - 一种废旧锂电池高温热解处理系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种废旧锂电池高温热解处理系统和方法，包括，焙烧窑，包括回转窑体和炉膛，所述回转窑体在炉膛的内部，可相对炉膛旋转，炉膛沿着轴向设置相互独立的加热段；热风炉，焙烧窑的热解尾气出口与热风炉进口连接，热风炉的烟气出口与炉膛的各加热段进口分别通过烟气管道连接，各烟气管道上分别设置阀门。避免电池在热解过程中出现欠烧和过烧的现象，导致热解不完全或造成电池的损伤。实现对废旧电池的间接换热，避免直接换热时，电池在热源气体中的成分的作用下产生爆炸和氧化燃烧的危险。

Description

一种废旧锂电池高温热解处理系统和方法

技术领域

本发明属于废电池回收技术领域，具体涉及一种废旧锂电池高温热解处理系统和方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

电池通过高温热解法进行回收，高温热解法在高温条件下，使锂离子电池材料进行高温分解，进行去除电池中的粘结剂。发明人发现，现有的电池高温热解回收方法具有以下问题：热解装置容易发生爆炸和氧化燃烧的危险；热解装置产生的有机气体容易造成排风管道堵塞；热解的过程中物料均匀性较差，导致物料的热解效果不理想，产生欠烧和过烧的现象；系统的整体能耗较大等。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种废旧锂电池高温热解处理系统和方法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

第一方面，一种废旧锂电池高温热解处理系统，包括，

焙烧窑，包括回转窑体和炉膛，所述回转窑体在炉膛的内部，可相对炉膛旋转，炉膛沿着轴向设置相互独立的加热段；

热风炉，包括炉体和燃烧器，燃烧器的出口与炉体连接，焙烧窑的热解尾气出口与热风炉燃烧器进口连接，热风炉的烟气出口与焙烧窑炉膛的各加热段进口分别通过烟气管道连接，各烟气管道上分别设置阀门。

本发明是对废旧锂电池进行高温热解的处理系统，利用焙烧窑进行处理，回转窑体和炉膛可以相对旋转，电池在回转窑体的内部，炉膛中通入加热的热源，实现对废旧电池的间接换热。避免直接换热时，电池与热源气体中的成分直接接触，产生爆炸和氧化燃烧的危险。

焙烧窑产生的热解尾气进入热风炉中进行燃烧直接处理，热风炉中产生的烟气进入到焙烧窑炉膛中，通过阀门的控制实现回转窑体的各个加热段的温度的控制，实现电池在回转窑体内各个段的温度的控制，避免电池在热解过程中出现欠烧和过烧的现象，导致热解不完全或造成电池组分的损伤。

回转窑体的旋转过程中，窑内部的溜料板可以将物料不断的翻动扬撒，能够使电池物料的加热更加均匀，控制热解的均匀性，提高处理效果。

第二方面，一种废旧锂电池高温热解处理方法，所述方法为：

废旧电池的破碎物料进入到焙烧窑中进行焙烧；

焙烧后产生的热解尾气进入热风炉中进行燃烧，燃烧产生的烟气进入到焙烧窑炉膛中与窑内废旧电池间接换热。

本发明一个或多个技术方案具有以下有益效果：

焙烧窑为外热式回转设备，即回转窑体外部设置静止炉膛，炉膛静止包裹在窑体外部，其下部设置多个热烟风进风口。在焙烧窑内，原料与炉膛内部来自热风炉的热烟风进行间接换热，实现物料的脱水与热解。热解产生的大量有机气体经除尘后进入热风炉燃烧，其焚烧产生的高温烟气，又通过焙烧窑炉膛底部进风口进入炉膛，对焙烧窑进行加热，提供废旧电池物料热解热源，从而实现了锂电池热解热能的回收，大大提高了能源利用效率。

焙烧窑炉膛设置多个温区，每个温区对应的炉膛下部设置多个热烟风进风口，可以通过调节其进风口管道上的10-调节阀的开度，从而控制不同温区的热风量，实现不同温区温度控制，避免电池在热解过程中出现欠烧和过烧的现象，导致热解不完全或造成电池的损伤。提高了焙烧窑设定温度的多样性，工艺可调性大幅度提高。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为废旧锂电池高温热解处理系统结构图；

图2为焙烧窑的结构图；

图3为溜料板的结构图；

图4为挡料圈的结构图；

其中，1、串联给料机，2、进料螺旋，3、焙烧窑，4、第一气动阀组，5、冷却窑，6、第二气动阀组，7、冷却水箱，8、第一冷却回水泵，9、第二冷却回水泵，10、阀门，11、氧气分析仪，12、伴热输送管道，13、金属膜除尘器，14、燃烧器，15、热风炉，16、烟气换热器，17、风机，18、物料，19、空气，20、天然气，21、尾气处理系统，22、氮气，23、冷却水，24、冷却水回水管网，25、成品，26、回转窑体，27、进料罩，28、出料罩，29、氮气进口，30、烟气进口，31、烟气出口，32、机械密封，33、出料口，34、炉膛，35、溜料板，36、挡料圈，37、排料口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

第一方面，一种废旧锂电池高温热解处理系统，包括，

焙烧窑3包括回转窑体26和炉膛34，所述回转窑体26在炉膛的内部，可相对炉膛34旋转，炉膛34沿着轴向设置相互独立的加热段；

热风炉15，包括炉体和燃烧器，燃烧器的出口与炉体连接，焙烧窑3的热解尾气出口与热风炉15的燃烧器进口连接，热风炉15的烟气出口与焙烧窑炉膛34的各加热段进口分别通过烟气管道连接，各烟气管道上分别设置阀门10。

焙烧窑3为外热式回转设备，即回转窑体26外部设置静止炉膛34，焙烧窑炉膛34静止包裹在窑体外部，其下部设置多个热烟风进风口。焙烧窑炉膛设置多个温区，每个温区对应的炉膛下部设置多个热烟风进风口，可以通过调节其进风口管道上的调节阀的开度，从而控制不同温区的热风量，实现不同温区温度控制。

如图1和图2所示，物料18进入到回转窑体中后，如果直接温度较高或者温度较高的区域较为集中都会导致物料产生过烧的现象。应该将整个回转窑体分为若干段，从进料端到出料端，梯度设置每段温度，每段通过烟气的流量控制这段被加热的温度，如果烟气的流量较大就会积聚较多的烟气，烟气量越大，携带的热量越大，就会使这段内的温度较高，通过这样设置，能够合理的分配回转窑体的温度，避免物料的欠烧和过烧现象。

在本发明的一些实施方式中，炉膛设置4-6段；优选为6段。使回转窑内的温度区间分为6个区域，可以通过设置隔热板的形式使炉膛内分为若干段。分为这6个区域可以使炉膛的温度控制更为精准。可以分为预热段、第一加热段、平温段、第二加热段、平温段、第三加热段、低温段。通过预热避免使其温度升高的太快，第一加热段和第二加热段让其温度升高并集中进行热解，然后在平温段保持温度，进一步深度热解，从而使不同的有机组分得到逐步、充分释放，在第三加热段让低组分高热解温度的电池组分进一步释放，然后在低温段维持一定温度，防止热解尾气中的有机组分冷凝。

在本发明的一些实施方式中，焙烧窑3倾斜设置，进料端高于出料端。进一步，回转窑体26的端部与电机连接。随着窑体的转动，在倾斜角作用下，废旧电池物料从进料端逐步向出料端运动；物料在窑内的停留时间可以通过变频调节电机转速，控制窑体转动速度来实现，窑体转速越快，物料在窑内停留时间越短；且窑体倾角可调，增大窑体倾角可以有效减短物料在窑内停留时间(反之延长)。通过调节上述措施，可以根据物料水分及特性调节物料热解时间，大大提高了焙烧窑3的物料适应性。

在本发明的一些实施方式中，回转窑体26的出料端设置氮气进口29。焙烧窑内通入惰性气体氮气22，控制窑内氧含量＜3％，避免窑内物料热解产生的有机气体直接高温燃烧或爆炸；在焙烧窑出料罩进气主管路上设置流量计及电动调节阀，且焙烧窑排风口处设置氧气分析仪11，氮气随着热解尾气排出。系统预热及焙烧过程中，可以在线检测氮气气体流量及窑内氧气氛围，从而连锁调节进气电动调节阀开度，达到具体氧含量分数的要求。通过出料罩氮气进口调节阀及进料罩尾气出口氧气分析仪联锁控制，从而实现对焙烧窑内部实现氮气保护，即低浓度氧气氛围控制，有效防止热解有机组分有氧燃烧及有机气体组分爆燃爆炸的发生。

在本发明的一些实施方式中，回转窑体26的进料端设置进料罩27，所述进料罩27同轴设置在回转窑体26的外侧，回转窑体26能够相对于进料罩27旋转。进料罩27设置伴热结构，伴热结构设置伴热气进口和伴热气出口，进一步，所述伴热结构可以为盘管式结构。回转窑体的出料端设置出料罩28，出料罩与回转窑体26同轴设置在回转窑体26的外侧，回转窑体26能够相对于出料罩28旋转。进料罩27设置排风口，所述排风口排出热解尾气进入到伴热管道12中。

在本发明的一些实施方式中，焙烧窑3的炉膛设置烟气出口31。进一步，烟气出口31与下游的尾气处理系统21连接。炉膛的烟气进口30(进入到各加热段)与热风炉连接。

回转窑体26的进料端和出料端分别设置机械密封32，进料端和出料端机械密封32用气体采用氮气作为密封气，避免压缩空气等其它气体进入窑内，导致氧含量不可控。进一步，机械密封设置在进料罩和回转窑体之间，同时设置在出料罩和回转窑体之间。

如图3所示，在本发明的一些实施方式中，回转窑体26内侧壁设置若干溜料板35，溜料板为横截面为三角形的板体结构，所述板体的一个角指向回转窑体的内侧，若干溜料板35沿着内侧壁的圆周方向间隔设置。

如图4所示，在本发明的一些实施方式中，回转窑体26的内侧壁排料口的上游位置设置挡料圈36，挡料圈的外侧边缘与回转窑体的内侧壁贴合设置，挡料圈36为环型结构，挡料圈36的外侧部上设置缺口，缺口沿着圆周方向上均布设置，缺口使挡料圈与焙烧窑内侧壁之间形成排料口37。挡料圈可以提高物料在回转窑体内的厚度，提高物料在窑内部的填充率，增大焙烧窑处理量，同时避免物料直接溜走，有效控制焙烧时间。挡料圈与焙烧窑内侧壁之间形成的排料口37使物料通过，避免物料发生堵塞。焙烧窑在旋转的过程中物料在旋转的作用下从挡料圈的一侧经过排料口进入到挡料圈的另一侧。

溜料板35可以将物料扬撒翻转，加大换热面积，促进物料焙烧热解，挡料圈可以有效提高焙烧窑填充率及延长物料在窑内停留时间；可以有效解决物料欠烧或过烧现场，使物料在窑内高效热解，提高了能源利用率。

在本发明的一些实施方式中，还包括串联给料机1，所述串联给料机1由上至下依次包括上卸料阀、中间仓、下卸料阀，中间仓设置氮气进口和氮气出口。该串联给料机通过双卸料阀结构实现连续给料及锁风，同时中间仓内的物料间隙被接入的氮气置换，实现氮气氛围保护，避免进料端物料18带入空气，这是保证后续焙烧窑内氧含量措施之一。

在本发明的一些实施方式中，还包括伴热输送管道12，回转窑体的热解尾气出口与伴热输送管道12连接。

在本发明的一些实施方式中，还包括金属膜除尘器13，伴热输送管道12的热解气出口与金属膜除尘器13连接，金属膜除尘器13的气体出口与热风炉15的热解气进口连接。进一步，金属膜除尘器13设置伴热结构，伴热结构的热空气进口与烟气换热器16的热空气出口连接。所述伴热结构用于对金属膜除尘器进行加热，防止焙烧窑内热解尾气与金属膜除尘器内壁接触冷凝，然后这部分带有余热的空气通过助燃风机17进入热风炉15，热能进步被利用。在一种实施方式中所述伴热结构可以为夹套式结构。

焙烧窑3内热解的尾气直接先进入金属膜除尘器13过滤粉尘，金属膜除尘器可以耐温400℃，可以有效过滤窑内热解尾气，避免后续管道堵塞。

在本发明的一些实施方式中，热风炉15设置天然气进口。热风炉设置燃烧器14和烧嘴。天然气20和热解尾气一起进入热风炉中进行燃烧。

在本发明的一些实施方式中，还包括烟气换热器16，热风炉15的烟气出口与烟气换热器的进口连接，烟气换热器设置空气进口，烟气换热器16的空气出口分别与回转窑体26的进料罩27和金属膜除尘器13的伴热结构、伴热输送管道12伴热气体入口连接，进料罩伴热管道、伴热管道、金属膜除尘器伴热管道的空气出口分别与燃烧器的进口连接。

进一步，还包括助燃风机，助燃风机设置在燃烧器的进气管道上，进料罩伴热管道、伴热管道、金属膜除尘器伴热管道的空气出口汇总后与助燃风机17的进口连接。空气19进入到烟气换热器中被烟气加热，然后去做伴热，带有余热的空气再通过助燃风机17进入燃烧器14进行助燃，余热得到最大化利用。

在金属膜除尘器的收尘器外壳设置气体伴热，通过引入270℃热空气伴热，保证收尘器内温度在200℃以上，有效避免有机气体冷凝。所述伴热用热空气为常温空气19经烟气换热器与热风炉高温烟气间接换热所得。当焙烧热解的尾气低于200℃时，即发生冷凝，其与焙烧窑进料罩27、伴热管道12、金属膜除尘器13内壁接触会冷凝，而且会与尾气夹带灰尘形成油泥，导致管道、滤芯堵塞，从而影响整个热解系统的热解效率及稳定性。因此，通过对尾气管道、焙烧窑进料罩、金属膜除尘器外壁增设伴热管道，通过引入270℃热气体，保证上述设备内壁温度在200℃以上，有效避免有机气体冷凝。

伴热管道、伴热焙烧窑进料罩、伴热金属膜除尘器的热源同样来自有机气体焚烧产生的热烟气，通过烟气换热器16，将空气与热烟气进行间接换热，热烟气由850℃降至550℃，常温空气由20℃升至270℃，该高温空气给尾气管道、焙烧窑进料罩、金属膜除尘器伴热后降至200℃以下，通过助燃风机17再进入热风炉15，实现热能最大利用，同样实现了锂电池热解热能的回收利用。

在本发明的一些实施方式中，还包括冷却窑5，焙烧窑3的出料口33与冷却窑5的进料口连接，冷却窑5包括冷却转筒和外壳，冷却转筒能够相对于外壳转动，冷却筒体的上方，外壳的内部设置冷却喷头。冷却窑的成品25排至下段工序。冷却窑排出的尾气至尾气处理系统21。冷却水23进入到冷却喷头。

进一步，还包括冷却水箱7，冷却窑5的外壳底部与冷却水箱7连接。进一步，冷却水箱7的出水口排出至冷却水回水管网24。冷却系统与焙烧窑出料罩通过第一气动阀组4相连，脱水与焙烧后的高温物料经高温卸料阀进入冷却窑冷却，冷却后的物料经第二气动阀组6进入下一工段。采用冷却水23对冷却转窑筒体降温。冷却转筒的冷却水分为两路，进入转筒筒体上部喷淋管，直接喷淋在筒体表面，冷却水与筒内物料间接换热，冷却水带走筒体热量，降低筒体温度，从而达到降低筒内物料温度目的。升温后的冷却水在重力作用下回收到7-冷却水箱，通过第一冷却回水泵8和二冷却回水泵9回到回水管网。该冷却窑冷却面积大，物料可以和冷却水进行高效的间接换热，可以使成品物料由400℃降至50℃，有力保证下一工段设备的机械安全性。

第一气动阀组4/第二气动阀组6：该阀组由上气动插板、中间仓、下气动插板阀组成，通过上下气阀的交替关闭实现物料的连续下料，中间仓内的物料具有一定料位，实现插板及料位双密封，可以有效对出料口进行密闭，防止系统外部空气进入设备内部，导致系统内氧含量不可控。

第二方面，一种废旧锂电池高温热解处理方法，所述方法为：

废旧电池的破碎物料进入到焙烧窑中进行焙烧；

焙烧后产生的热解尾气进入热风炉中进行燃烧，燃烧产生的烟气进入到焙烧窑炉膛中与废旧电池间接换热。

进一步，在焙烧窑内分为若干加热段；进一步温度区间为300-370℃、370-450℃、450-460℃、460-520℃、520-530℃、530-550℃、300-350℃。能够使废旧电池中的粘结剂热解的更为彻底，同时避免过烧和欠烧的问题。

进一步，焙烧温度为450～550℃，焙烧时间45～60min。

进一步，焙烧窑内的氧含量≤3％。焙烧窑内为氮气保护氛围，通过伴热管道上的氧气分析仪与调节阀联锁控制，保证窑内氧含量控制在3％以内。

进一步，热风炉出口的烟气温度为800-900℃，经过烟气换热后进入到焙烧窑中，经过烟气换热后的温度为500-550℃，与烟气换热后的空气的温度为200-300℃。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种废旧锂电池高温热解处理系统，其特征在于：包括，

焙烧窑，包括回转窑体和炉膛，所述回转窑体在炉膛的内部，可相对炉膛旋转，炉膛沿着轴向设置相互独立的加热段，所述加热段分别为预热段、第一加热段、平温段、第二加热段、平温段、第三加热段、低温段，温度区间为300-370℃、370-450℃、450-460℃、460-520℃、520-530℃、530-550℃、300-350℃；

热风炉，包括炉体和燃烧器，燃烧器的出口与炉体连接，焙烧窑的热解尾气出口与热风炉的燃烧器进口连接，热风炉的烟气出口与焙烧窑炉膛的各加热段进口分别通过烟气管道连接，各烟气管道上分别设置阀门。

2.如权利要求1所述的废旧锂电池高温热解处理系统，其特征在于：回转窑体的出料端设置氮气进口。

3.如权利要求1所述的废旧锂电池高温热解处理系统，其特征在于：回转窑体的进料端设置进料罩，所述进料罩同轴设置在回转窑体的外侧，回转窑体能够相对于进料罩旋转，进料罩设置伴热结构，伴热结构设置伴热气进口和伴热气出口。

4.如权利要求1所述的废旧锂电池高温热解处理系统，其特征在于：焙烧窑的炉膛设置烟气出口。

5.如权利要求1所述的废旧锂电池高温热解处理系统，其特征在于：回转窑体内侧壁设置若干溜料板，溜料板为横截面为三角形的板体结构，所述板体的一个角指向回转窑体的内侧，若干溜料板沿着内侧壁的圆周方向间隔设置。

6.如权利要求1所述的废旧锂电池高温热解处理系统，其特征在于回转窑体的内侧壁排料口的上游位置设置挡料圈，挡料圈的外侧边缘与回转窑体的内侧壁贴合设置，挡料圈为环型结构，挡料圈的外侧部上设置缺口，缺口沿着圆周方向上均布设置，缺口使挡料圈与焙烧窑内侧壁之间形成排料口。

7.如权利要求1所述的废旧锂电池高温热解处理系统，其特征在于：还包括伴热输送管道，回转窑体的热解尾气出口与伴热输送管道连接。

8.如权利要求1所述的废旧锂电池高温热解处理系统，其特征在于：还包括金属膜除尘器，伴热输送管道的热解气出口与金属膜除尘器连接，金属膜除尘器的气体出口与热风炉的热解气进口连接。

9.如权利要求8所述的废旧锂电池高温热解处理系统，其特征在于：金属膜除尘器设置伴热结构，伴热结构的热空气进口与烟气换热器的热空气出口连接。

10.如权利要求3或7-9任一项所述的废旧锂电池高温热解处理系统，其特征在于：还包括烟气换热器，热风炉的烟气出口与烟气换热器的进口连接，烟气换热器设置空气进口，烟气换热器的空气出口分别与回转窑体的进料罩和金属膜除尘器的伴热结构、伴热输送管道连接，进料罩伴热管道、伴热管道、金属膜除尘器伴热管道的空气出口与燃烧器的进口连接。

11.如权利要求1所述的废旧锂电池高温热解处理系统，其特征在于：还包括冷却窑，焙烧窑的出料口与冷却窑的进料口连接，冷却窑包括冷却转筒和外壳，冷却转筒能够相对于外壳转动，冷却筒体的上方，外壳的内部设置冷却喷头。

12.利用权利要求1-11任一所述的废旧锂电池高温热解处理系统的废旧锂电池高温热解处理方法，其特征在于：所述方法为：

废旧电池的破碎物料进入到焙烧窑中进行焙烧；

焙烧后产生的热解尾气进入热风炉中进行燃烧，燃烧产生的烟气进入到焙烧窑炉膛中与废旧电池间接换热。

13.如权利要求12所述的废旧锂电池高温热解处理方法，其特征在于：焙烧时间45~60min。