JP3604634B2 - 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

Description

【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５，４３７，７０５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（ｓｗｅｅｐ 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（１３．８７ｍ）のシェル２０を有する。複数のバーナー１８の総発熱量は約４．５ｘ１０^６ ＢＴＵ／ｈｒ（１．２ｘ１０^６ ワット）である。空気予備加熱装置１４は、約２ｘ１０^６ ＢＴＵ／ｈｒ（５．８ｘ１０^５ 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７．１ｘ１０^６ ＢＴＵ／ｈｒ（２．０３ｘ１０^６ 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２６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（３．１ｘ１０^５Ｐａ）で６５ｓｃｆｍ（１．８４ｍ^３ｍ）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．（４９．８Ｐａ）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４５０〜１７６０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１３５０°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１６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４２の下流にある蒸発冷却装置５４中で約５００°Ｆ（２６０℃）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

Claims (10)

1. 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。
2. 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１に記載の方法。
3. 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に記載の方法。
4. 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１に記載の方法。
5. 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１に記載の方法。
6. 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１に記載の方法。
7. 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１に記載の方法。
8. 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１に記載の方法。
9. 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８に記載の方法。
10. ガスを、空気蒸発冷却装置を通して導く、請求項１に記載の方法。

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