JP2001250594A - バッテリーを循環使用処理するための回転式熱酸化装置 - Google Patents

バッテリーを循環使用処理するための回転式熱酸化装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 バッテリーからの有害な元素の発散を最少に
抑えながら、バッテリーパックや電池から非金属材料を
安全に、効率的に除去する装置および方法の提供。 【解決手段】 回転式熱酸化装置により、消耗したバッ
テリーや電池から重合体状および他の非金属成分が除去
され、価値のある金属、例えばカドミウム、ニッケルお
よび鉄、がその後に残り、その後の処理に回される。酸
化装置に導入する前に、掃気を重合体の自然発火温度を
超える温度に予備加熱し、酸化装置中の酸素含有量を調
整することにより、電池の乾式精錬循環使用に伴う爆発
および火災の危険性が大幅に低下する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】技術分野 本発明は、一般的にはバッテリー循環使用に関するもの
であり、より詳しくは、使用済み電池の重合体状成分か
ら貴重な、回収可能な材料を安全に分離するための効率
的な装置および方法に関するものである。
【０００２】背景技術 消耗した一次および二次バッテリーおよび電池の廃棄に
対する規制が益々厳しくなっている。特に、環境規制
は、カドミウム、すなわちニッケル−カドミウム電池の
主要成分、を責任を持って取り扱い、処理することを求
めている。カドミウムは、生体組織を破壊する毒物であ
る。そのため、使用済み電池からカドミウムおよびニッ
ケルを回収し、循環使用するための様々な分離方式が開
発されている。
【０００３】ニッケル−カドミウム電池およびバッテリ
ーパックは、重合体またはプラスチック材料中に収容さ
れている、および／または保持されている。電池は、ニ
ッケル、カドミウム、紙、厚紙、水、電解質および様々
な重合体を含む。カドミウム、ニッケルおよび鉄を残り
の材料から分離するには、通常、電池を制御された環境
中で加熱する。他の方法では、分離および回収に湿式精
錬技術を使用している。
【０００４】典型的には、重合体および他の無価値材料
を、固定床炉中で前処理し、電池を重合体が蒸発するま
で加熱し、続いてアフターバーナーを使用し、急冷し、
大気中にガスを放出する前に生じることがあるダイオキ
シン／フラン化合物をすべて破壊する。このバッチ技術
は、実質的に固定炉の容積に制限され、２４時間までの
サイクル時間を必要とする。各種の発熱反応が起こる固
定床では、加熱が均一ではなく、温度制御が困難であ
る。暴走反応を急冷するために水を使用する必要があ
り、プラスチック除去が不完全である湿った生成物が形
成される。
【０００５】乾式精錬技術を使用する循環使用方法で
は、一般的に重合体状電池ケースを細かく裁断し、電池
内部の成分を完全に表に出す。次いで、粉砕したスクラ
ップを炉中で加熱し、カドミウムを蒸発させる。気体状
カドミウムを凝縮させ、一般的にインゴット、顆粒、ま
たは他の所望の形状に固化させる。続いて、主としてニ
ッケルおよび鉄からなる残留物を処理し、ニッケル−鉄
合金の固まりを製造する。
【０００６】Melin et al.への米国特許第４，４０１，
４６３号明細書には、スクラップ化されたバッテリーを
前処理してからカドミウムを熱分解させるバッチ乾式精
錬製法が開示されている。カドミウムは、不活性ガスお
よび少量の酸素の存在下で蒸発する。この非連続技術
は、カドミウムを鋳造する前に、処理したバッチを、幾
つかの作業場を通して労力をかけて移動させなければな
らない。
【０００７】DeLisle et al.への米国特許第５，４３
７，７０５号明細書は、ニッケル−カドミウムバッテリ
ーの細かく裁断した内部構造物を炉中で堆積させると共
に、酸素ゲッター、例えば炭素、を加え、酸化を防止す
るものである。不活性雰囲気、好ましくはアルゴン、を
使用して炉中の還元雰囲気を維持する。カドミウム立方
体およびニッケル−鉄残留物が製造される。
【０００８】Celiへの米国特許第５，２５２，１８９号
明細書には、水銀含有電池から金属およびプラスチック
成分を分離する方法が開示されている。電池は、僅かに
加熱した回転しているボールミル中に供給され、そこで
ボールの回転運動と僅かな加熱により各成分をその後の
処理用に分離する。加熱された不活性ガス、例えば窒
素、がミル中に供給され、最終的に硫酸で洗浄され、水
銀を遊離させる。分離されたプラスチックおよび金属残
留物は続いて、独立して処理される。
【０００９】カドミウムおよびニッケルを回収すること
により、使用済みニッケル−カドミウム電池を効率的、
且つ経済的に循環使用するには、プラスチック、水およ
び紙を除去しなければならない。閉鎖容器、例えば炉、
中で、様々な炭化水素重合体状材料と電池内容物の混合
物の温度を、それらの自然発火温度を超えて上昇させる
と、爆発および火災の可能性が非常に高くなる。実際、
譲受人の経験では、明らかに不活性雰囲気を有する大形
回転か焼装置の使用が、容器中への意図しない酸素の混
入により、好ましくない爆発および火災を引き起こして
いる。
【００１０】従って、バッテリーからの有害な元素の発
散を最少に抑えながら、バッテリーパックや電池から重
合体状部品、水、および他の非金属材料を安全に、効率
的に除去する装置および方法が必要とされている。
【００１１】発明の概要 ガス温度を制御してバッテリーや電池の過熱を防止しな
がら、電気分解エネルギー供給源中に含まれる重合体
（プラスチック）、水および他の非金属材料を除去する
ための連続的熱酸化装置が提供される。
【００１２】本熱酸化装置は、酸化装置に入る掃気(swe
ep gas)を予備加熱し、電池を十分に加熱し、制御され
た条件下で重合体の燃焼を開始させる手段を含む。内部
水スプレーが酸化装置の内部温度を調整することによ
り、酸化装置を保護し、それによって装填された重合体
状成分の燃焼を制御し、爆発の可能性を回避する。排出
ハウジングには、安全装置として爆発板が含まれる。
【００１３】発明の好ましい実施態様 図１に関して、制御された条件下で重合体／プラスチッ
クの燃焼を開始する回転炉１６を含む連続式熱酸化機構
１０を示す。予備加熱された空気を炉１６の中に導入
し、好ましくないプラスチックの温度を自然発火温度よ
り高く上げ易くする。
【００１４】一連の数値の前の用語「約」は、他に指示
がない限り、その系列中の各数値に適用されるものとす
る。
【００１５】炉１６は、好ましくはマッフル１２により
外部から加熱されるロータリーキルンであり、炉／キル
ン１６中に導入される空気の温度を実質的に押し上げる
掃気予備加熱装置１４に接続されている。
【００１６】ロータリーキルン１６は、マッフル１２に
より取り囲まれた内側回転シェル２０を含む。マッフル
１２は複数のバーナー１８を有する。シェル２０は、バ
ーナー１８による天然ガスの燃焼により間接的に加熱さ
れる。他の種類の加熱、例えば電気、およびその他によ
る加熱も同様に使用できる。
【００１７】マッフル１２、および炉１６、は、実質的
に３つの加熱区域１、２および３に小分割される。各区
域１、２および３は、好ましくはそれぞれ６個のバーナ
ー１８、合計１８個のバーナーを備える。区域１、２お
よび３は、当業者には公知の、独自の温度監視装置を有
する。
【００１８】前に述べた様に、キルンの本来の設計（回
転か焼装置）では、恐らく不活性雰囲気中で、バーナー
１８により炉１６を、電池やバッテリーのプラスチック
部品を蒸発させるのに十分に高い温度に間接的に加熱す
ることを必要としている。しかし、制御できない空気の
漏れにより、好ましくない火災や爆発が起きている。予
備加熱された空気をファン５２により確実に炉の中に導
入し、重合体およびプラスチックを安全に燃焼させるべ
きであることが確認された。そこで、炉１６の主要熱源
は、温度約１２５０°Ｆ（６７７℃）に引き上げられ、
バーナー１８により補足される予備加熱された空気であ
る。供給される重合体／プラスチックの燃焼によっても
大量の熱が発生する。
【００１９】予備加熱された空気が炉の中に導入される
結果、バーナー１８は、ここでは補助熱源として作用す
る。炉１６の周囲の様々な位置に配置された一群の熱電
対に接続された一連の自動または手動制御装置が、個々
のバーナー１８を必要に応じて一杯に燃焼させ、抑制
し、および／または停止し、適切な内部温度を維持す
る。
【００２０】運転中、作動していないバーナーには空気
を通過させ、プラスチックの内部燃焼からシェル２０の
温度を制御し易くするのが好ましい。
【００２１】バーナー燃焼副生成物は、排気口２２から
排出する。
【００２２】予め計量され、配量された使用済みバッテ
リーを、バルブの付いた供給パイプ２４を経由して炉の
中に導入する。供給パイプ２４用の調整バルブ（図には
示していない）は、緊急停止の際に閉じ、炉１６を閉鎖
し、排気が大気中に逃げるのを抑制する。
【００２３】掃気予備加熱装置１４は炉１６に予備加熱
された空気を、区域１の中に突き出ている直径８〜１２
インチ（２０．３〜３０．５mm）の掃気導管２８を経由
して供給する。この空気流は、さらに過剰の酸素を供給
し、重合体の燃焼を支援し、炉１６から出る排ガス中の
残留酸素含有量を維持する。
【００２４】予備加熱装置１４は、加熱されたＡＢＳ、
その他の、バッテリーパック中に典型的に見られるプラ
スチックから発生する炭化水素化合物の自然発火温度を
優に超える１１００〜１３５０°Ｆ（５９３〜７３２
℃）に空気流を加熱することができる天然ガスバーナー
を含む。この予備加熱された空気流および加熱されたシ
ェル２０がプラスチックの燃焼を開始し、維持する。高
い入力温度を維持することにより、予備加熱された空気
は、未燃焼揮発性プラスチックが自然発火温度未満の空
気との爆発性ガス混合物として濃縮される危険性を大幅
に低下させる。予備加熱装置１４の中に入る、およびそ
の中を通る空気の流量は、当業者には公知の流量装置に
より調整される。空気の流量は、バッテリーの流量およ
びプラスチック含有量によって異なる。
【００２５】典型的な炉１６は、直径約３フィート
（０．９１ｍ）、長さ約４５．５フィート（１３．８７
ｍ）のシェル２０を有する。複数のバーナー１８の総発
熱量は約４．５ｘ１０６ BTU/hr（１．２ｘ１０６ ワッ
ト）である。空気予備加熱装置１４は、約２ｘ１０６ B
TU/hr（５．８ｘ１０５ ワット）を供給できる。
【００２６】含まれるプラスチックの燃焼により発生す
る熱は、シェル２０の温度を、構築材料により課せられ
る限度未満に抑える様に調整しなければならない。典型
的な設計では、最大約７．１ｘ１０６ BTU/hr（２．０
３ｘ１０６ ワット）の熱が、バッテリー（約２０％の
プラスチックを含む）約１７６０ポンド／時間（７９８
kg/hr）の設計処理率から放出される。大部分（全部で
はなくても）の燃焼は区域１で行なわれる。
【００２７】ノズル３０を備えた噴霧スプレーランス２
６が、シェル１６の供給開口部を通して挿入されてい
る。ランス２６は掃気導管２８の中心線に沿って伸びて
いる。ノズル３０により空気と共に噴霧された水が、蒸
気に変換される時に熱を吸収する。ランス２６はシェル
内に、水スプレーがシェル３０の内壁に当たらない様に
配置されている。ノズル３０は、内壁に当たる可能性を
下げるスプレー角度２０度になる様に設計されている。
【００２８】燃焼生成物の温度は、シェル２０の末端で
適当な検出器により検出する。構築材料により温度が約
１４００°Ｆ（７６０℃）に制限されるために、高温お
よび高−高温アラームを１３００°Ｆ（７０４℃）およ
び１３５０°Ｆ（７３２℃）にそれぞれ設定する。好ま
しい設定点１２５０°Ｆ（６７７℃）は、噴霧スプレー
ランス２６への水の流量を制御することにより維持す
る。噴霧空気は、一定の４５psig（３．１ｘ１０５Pa）
で６５scfm（１．８４m３m）で供給する。空気および／
または水はランス２６を通って常に流れ、ランス２６お
よびノズル３０を高温の影響から保護しなければならな
い。
【００２９】シェル冷却装置３２の目的は、焼かれたバ
ッテリーを、その後の処理に送る前に、間接的に冷却
し、発煙を抑制することにある。供給源３６から水をシ
ェル２０の外側周囲にスプレーし、その流量は、生成物
排出部３４の上流にあるバルブ（図には示していない）
を使用して手動で調節することができる。冷却装置３２
からの凝縮物は、排水処理設備に接続された床の溝に送
られ、蒸気３８は屋根を通して送られる。回転している
シェル１６が冷却水に浸るのを抑制するオーバーフロー
ライン４０は床下に流される。
【００３０】炉１６から排出ガスは、流通管４２を経由
して送られ、試料採取し、酸素および可燃物の含有量を
分析する。炉の試料プローブ（図には示していない）は
排出開口部を通り、シェル２０の中に伸びている。
【００３１】可燃物指示計／制御装置は０〜５％（０〜
５０，０００ ppm）の範囲内で検出する。酸素指示計は
０〜２１％の範囲内で検出する。炉１６の操作は、非常
に低いレベルの可燃物および３％を超える残留酸素濃度
を生じる様に設計されている。
【００３２】適当な大きさの排ガスファン４６が、燃焼
生成物および他の粒子状物質を、ロータリーキルン１６
の排出末端から、蒸発物冷却装置５４を通して吸引し、
排ガス４４を炉床回転炉（ＲＨＦ）（図には示していな
い）に排出し、二次処理してから大気中に放出する。フ
ァン４６のモーター速度を調節し、約−０．２w.c.（４
９．８Pa）の負圧をロータリーキルン１２の内部に維持
する。ロータリーキルン１２中の負圧は、制御できない
空気漏れを最少に抑え、未燃焼炭化水素および潜在的な
カドミウム蒸気および酸化カドミウムが大気中に放出さ
れるのを抑制するために好ましい。環境試験用の試料採
取口は、ファン４６の排出ライン４２の中に設置する。
【００３３】得られる、カドミウム、ニッケルおよび鉄
を含むか焼済みバッテリーはシェル２０から開口部およ
び分離バルブ４８を通って排出され、生成物排出部３４
の内側に配置された容器（図には示していない）の中に
落下する。容器は、適当な移動装置、例えばフォークリ
フト、で取り出す。容器の中身は、カドミウム炉に送
り、カドミウムおよび残りの物質を分離する。
【００３４】キルン１６は、バルブ４８が閉鎖している
間、運転し続ける。浮遊排気がキルン１６から環境中に
逃げるのを抑制するために、バルブ４８は、十分に頑丈
でバッテリーの重量を支え、閉鎖する時にはバッテリー
を押し退けて進むことができなければならない。
【００３５】上記の典型的な炉１６では、約９ガロン／
分（３４リットル/分）までの水をノズル３０を通して
導入し、プラスチック組成約２〜３５重量％で、約４５
０〜１７６０ポンド／時間（２０４〜７９８ kg/hr）ま
での処理量が可能である。処理したバッテリーは、典型
的には約１５０〜４００°Ｆ（６６〜２０７℃）で排出
される。各区域１、２および３は約１０００〜１２５０
°Ｆ（５３８〜６７７℃）に、バッテリーを最高約１３
５０°Ｆ（７３２℃）に加熱する。高温ガスは、環境に
好ましい様式で処理し、ダイオキシンまたはフラン化合
物を確実に破壊しなければならない。好ましくは、炉１
６から来るガスを約１８００°Ｆ（９８２℃）に最低１
秒間加熱し、次いでただちにこれらのガスを、流通管４
２の下流にある蒸発冷却装置５４中で約５００°Ｆ（２
６０℃）に急冷する。アフターバーナー（図には示して
いない）またはＲＨＦを使用してこの排ガスを処理する
ことができる。
【００３６】排ガスの酸素含有量は、炭化水素化合物の
完全燃焼を確保するには約８％を超えているべきであ
る。排ガスの可燃物含有量は、炭化水素化合物の爆発性
混合物の形成を避けるには、２％未満にすべきである。
【００３７】シェル２０の回転速度は、毎分約１〜５回
転（好ましくは３〜４ rpm）で変えることができる。シ
ェル２０は、キルン１２の一端をジャッキで持ち上げる
ことにより、約５％の傾斜を付け、処理した物質を重力
で生成物排出部３４に向けて移動させる。
【００３８】キルン１６中の生成物の滞留時間は約６０
分間である。
【００３９】処理された電池は炉１０により調整されて
おり、すべてのプラスチック、紙、厚紙、電解質および
他の無価値材料が除去され、主要金属成分（カドミウ
ム、ニッケルおよび鉄）が残っており、当業者には公知
の技術により金属回収するための処理を何時でも行なう
ことができる。
【００４０】本発明をニッケル−カドミウム電池に関し
て説明したが、回転炉１０は、他の種類のバッテリー機
構（ニッケル−金属水素化物、リチウム−イオン、炭素
−亜鉛、アルカリ性、亜鉛−空気、ニッケル−鉄、鉛
酸、ボタン電池、およびその他）からプラスチック、
紙、厚紙、電解質、その他の成分を除去することにも使
用できる。
【００４１】法律の規定により本発明の具体的な実施態
様を例示し、説明したが、当業者には明らかな様に、請
求項に規定される本発明の形態の中で変形が可能であ
り、本発明のある特定の特徴を、他の特徴を対応して使
用せずに、有利に利用できることがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施態様を図式的に示す図。
【符号の説明】
１２ マッフル １４ 予備加熱装置 １６ ロータリーキルン（炉） １８ バーナー ３４ 生成物排出部 ３６ 水供給源 ４８ バルブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｂ 7/00 Ｆ２７Ｂ 7/10 Ｆ２７Ｂ 7/08 7/34 7/10 7/36 7/34 7/38 7/36 Ｆ２７Ｄ 17/00 １０４Ｇ 7/38 Ｂ０１Ｄ 53/34 １３４Ｅ Ｆ２７Ｄ 17/00 １０４ Ｂ０９Ｂ 5/00 ＺＡＢＣ (72)発明者 ビクター、ヘンリー、エイキン カナダ国オンタリオ州、ピッカリング、イ ーストバンク、ロード、1817 (72)発明者 ラッセル、アール．ブリークニイ アメリカ合衆国ペンシルバニア州、ニュ ー、ギャリリー、エドワーズ、ロード、ア ールアール１、ボックス、251 (72)発明者 リチャード、エイチ．ヘネウォルド アメリカ合衆国ペンシルバニア州、フラン クリン、ピー．オー．ボックス、733 (72)発明者 アーメド、バヘド カナダ国オンタリオ州、ミシソーガ、ハク スリー、ドライブ、3325 (72)発明者 アンソニー、エドワード、モーリン、ワー ナー カナダ国オンタリオ州、バーリントン、オ ウクウッド、コート、304

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】重合体状材料および他の非金属材料を電池
    およびバッテリーから除去するための回転式熱酸化装置
    であって、回転シェル、複数のシェル加熱装置、酸化装
    置に接続された掃気供給源、掃気供給源と関連する空気
    予備加熱装置、酸化装置に接続された生成物排出部、酸
    化装置に固定された材料供給部、および酸化装置に接続
    された生成物ガス流通管を具備してなることを特徴とす
    る回転式熱酸化装置。
  2. 【請求項２】冷却流体の供給源に接続されたシェル冷却
    装置、およびシェル冷却装置に接続されたガス抜きを含
    む、請求項１に記載の回転式熱酸化装置。
  3. 【請求項３】空気予備加熱装置が、空気を約１３５０°
    Ｆ（７３２℃）に加熱する様に設計されている、請求項
    １に記載の回転式熱酸化装置。
  4. 【請求項４】回転シェルの内側に導入する様に設計され
    た水の供給源を含む回転式熱酸化装置。
  5. 【請求項５】シェルの中に配置された水ランスを含む、
    請求項４に記載の回転式熱酸化装置。
  6. 【請求項６】水ランスが掃気と同時に作動する、請求項
    ５に記載の回転式熱酸化装置。
  7. 【請求項７】掃気導管がシェルの中に伸びている、請求
    項１に記載の回転式熱酸化装置。
  8. 【請求項８】複数のバーナーがシェルに向けられてい
    る、請求項１に記載の回転式熱酸化装置。
  9. 【請求項９】生成物ガス流通管が炉床回転炉に接続され
    ている、請求項１に記載の回転式熱酸化装置。
  10. 【請求項１０】シェル加熱装置排ガス流通管を含む、請
    求項１に記載の回転式熱酸化装置。
  11. 【請求項１１】シェルを取り囲むマッフルを含む、請求
    項１に記載の回転式熱酸化装置。
  12. 【請求項１２】マッフルが複数のシェル加熱装置を含
    む、請求項１１に記載の回転式熱酸化装置。
  13. 【請求項１３】シェルの内側に少なくとも部分的に伸び
    ている供給パイプを含む、請求項１に記載の回転式熱酸
    化装置。
  14. 【請求項１４】シェルが、複数の個別に加熱できる区域
    に分割されている、請求項１に記載の回転式熱酸化装
    置。
  15. 【請求項１５】回転シェルが傾斜している、請求項１に
    記載の回転式熱酸化装置。
  16. 【請求項１６】重合体状成分および非金属成分をエネル
    ギー電池から除去する方法であって、 ａ）電池を加熱可能な回転シェルに導入する工程、 ｂ）空気を、重合体状成分の自然発火温度より高い温度
    に予備加熱する工程、 ｃ）予備加熱された空気を掃気としてシェルの中に導入
    する工程、 ｄ）シェルの内側温度を、重合体状成分の自然発火温度
    より高い温度に維持する工程、 ｅ）エネルギー電池を、重合体状成分が蒸発するのに十
    分な時間、回転シェルの中を移動させる工程、 ｆ）蒸発した重合体状成分の燃焼により発生したガスを
    シェルから排出する工程、および ｇ）処理した固体をシェルから排出する工程を含んでな
    ることを特徴とする方法。
  17. 【請求項１７】予備加熱された空気と共に水スプレーが
    シェルの中に導入され、シェルの温度を調節する、請求
    項１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】シェルが複数の区域に分割されており、
    前記区域を一連のバーナーにより加熱し得る、請求項１
    ６に記載の方法。
  19. 【請求項１９】シェル冷却装置が、シェルの加熱区域の
    下流で、シェルを取り巻き、冷却流体をシェル冷却装置
    の中に導入し、処理した固体を冷却してから排出する、
    請求項１６に記載の方法。
  20. 【請求項２０】シェル中で発生したガスを約１８００°
    Ｆ(９８２℃)に加熱し、約５００°Ｆ（２６０℃）に急
    冷し、ガス中の毒性化合物を破壊する工程を含む、請求
    項１６に記載の方法。
  21. 【請求項２１】シェル中で発生したガスを炉床回転炉に
    導く工程を含む、請求項１６に記載の方法。
  22. 【請求項２２】予備加熱された空気を約１３５０°Ｆ
    （７３２℃）に加熱する工程を含む、請求項１６に記載
    の方法。
  23. 【請求項２３】シェルを複数の加熱区域に小分割するこ
    とを含む、請求項１６に記載の方法。
  24. 【請求項２４】加熱区域の温度を１０００〜１３５０°
    Ｆ（５３８〜７３２℃）に保持する工程を含む、請求項
    ２３に記載の方法。
  25. 【請求項２５】ガスを、空気蒸発冷却装置を通して導
    く、請求項１６に記載の方法。
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