KR101830309B1 - 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 폐쇄형 관을 통해 일 방향으로 이송되는 배터리를 400 ℃ 내지 1000 ℃의 온도로 소성하며 배출하고, 소성 시 발생하는 가스를 냉각 및 집진 처리하는 단계를 포함하는, 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법을 제공한다.

Description

배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법{HEAT TREATMENT METHOD OF BATTERY AND DUST COLLECTING METHOD OF GAS OCCURRED FROM HEAT TREATMENT}
본 발명은 배터리를 소성 처리하고 발생하는 가스를 냉각 및 집진 처리하는 방법에 관한 것이다.
휴대용 기기, 전기자동차 등에서 사용되고 있는 배터리는 알려진 바와 같이 양극, 음극 및 상기 양극 및 음극을 전기적으로 연결하는 전해액, 단락을 방지하는 분리막으로 구성되며, 상기 양극, 음극 및 분리막은 양극 단자 및 음극 단자가 형성되어 있는 각형 케이스 또는 원통형 케이스에 수용되어 배터리 셀을 형성한다.
이러한 배터리는 휴대용 기기, 전기자동차 등과 같은 전력을 필요로 하는 장치의 소비 증가와 함께 수요가 급증하고 있는 추세이다. 상기 배터리는 사용 환경에 따라서 소정의 수명을 가지게 되는데, 이는 충방전 화학작용이 반복되는 과정에서 전해액이 오손되고 전극 표면이 손상되어 화학작용 능력이 현저히 떨어지게 되면서 배터리를 교환해야 하는 시기가 도래하게 되고, 이러한 배터리는 폐 배터리로 분류된다. 따라서, 수명이 다한 폐 배터리를 안전하게 폐기하고 함유된 고가의 물질을 회수하는 기술이 동반되어야만 한다. 관련 기술의 일례로 폐 배터리를 황산에 14일 내지 20일 가량 방전시키고, 건조한 다음 파쇄하여 처리하는 방법은 작업자와 작업환경에 유해한 황산을 사용하게 되므로 작업자의 직업병 발생률이 높을 수 있고, 배터리 건조 시 화재 및 가스 중독에 대한 우려가 있다. 또한, 처리시간이 오래 걸려 공정효율이 저하될 뿐만 아니라, 처리과정에서 사용된 용액이 유출될 경우 심각한 환경 문제를 발생시키는 문제가 있다.
다른 관련 기술로, 한국 등록특허공보 제10-1266859호에 "분쇄 및 분급장치와 이를 이용한 폐배터리 팩으로부터 유가금속을 회수하는 방법"이 개시되어 있다.
한국 등록특허공보 제10-1266859호
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 폐 배터리의 해체 시 공정 처리시간 및 인건비를 절감할 수 있고, 간소화된 공정으로 배터리의 유가금속 외 성분을 손쉽게 제거할 수 있으며, 발생하는 유해가스를 용이하게 처리하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 양태는 폐쇄형 관을 통해 일 방향으로 이송되는 배터리를 400 ℃ 내지 1000 ℃의 온도로 소성하며 배출하고, 소성 시 발생하는 가스를 냉각 및 집진 처리하는 단계를 포함하는, 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 폐쇄형 관은 지면과 5 °내지 30 ° 경사질 수 있다.
상기 소성은 배터리의 이송방향 또는 이송 반대 방향으로 불꽃을 분사하여 이루어지거나, 상기 폐쇄형 관 외부의 발열체를 이용한 간접 가열을 통해 이루어질 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 소성은 30 분 내지 240 분 동안 수행될 수 있다
일 실시예에 있어서, 상기 소성 시 발생하는 가스를 700 ℃ 내지 900 ℃의 온도로 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 냉각 처리는 상기 가스를 냉각수가 순환되는 열교환기를 통해 150 ℃ 내지 250 ℃의 온도로 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 냉각 처리는 상기 열교환이 이루어진 가스를 분사시켜 100 ℃ 내지 150 ℃의 온도로 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 집진 처리는 상기 가스를 백 필터가 구비된 집진부로 투과시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 집진 처리는 상기 집진부 투과된 가스에 pH 5 내지 9의 물을 분사시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 배터리 배출은 상기 소성된 배터리를 70 ℃ 내지 100 ℃의 온도로 냉각시켜 배출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 배터리를 소성 처리하되, 발생하는 유해가스 성분을 최소화할 수 있다.
또한, 폐 배터리 해체 처리시간과 인건비를 현저하게 절감할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법을 수행할 수 있는 장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
나아가, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 일 양태는,
폐쇄형 관을 통해 일 방향으로 이송되는 배터리를 400 ℃ 내지 1000 ℃의 온도로 소성하며 배출하고(S10), 소성 시 발생하는 가스를 냉각 및 집진 처리(S20)하는 단계를 포함하는, 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 일 양태에 따른 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 양태에 따른 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법에 있어서, 폐쇄형 관을 통해 일 방향으로 이송되는 배터리를 400 ℃ 내지 1000 ℃의 온도로 소성하며 배출(S10)한다. 상기 소성 온도가 400 ℃ 미만인 경우, 배터리 내 고분자 성분이 용이하게 분해되지 못할 우려가 있고, 상기 소성 온도가 1000 ℃ 초과인 경우, 배터리의 고분자 및 전해질 등을 제거하는 데 있어 과도한 에너지 낭비가 발생할 우려, 유가금속의 회수율이 저하될 우려가 발생할 수 있다.
상기 소성은 30 분 내지 240 분 동안 수행되는 것이 바람직하다. 상기 소성 시간 범위에서 배터리의 고분자 성분을 분해하고 에너지 낭비를 최소화할 수 있다.
상기 소성은 상기 배터리의 이송방향과 반대 혹은 이송 방향으로 불꽃을 분사하여 이루어질 수 있으며, 상기 폐쇄형 관 외부 히터와 같은 발열체를 이용한 간접 가열을 통해 소성을 진행할 수 있다. 구체적으로, 상기 배터리가 상기 폐쇄형 관을 따라 이송될 시, 폐쇄형 관의 일단에 배치된 가열수단을 통해 상기 배터리의 이송방향과 반대 방향으로 불꽃을 분사하여 소성이 이루어질 수 있다.
상기 폐쇄형 관은 구체적으로 하강 경사지고 일단에 배터리를 소성할 수 있는 가열수단이 구비된 관일 수 있고, 로터리 킬른(rotary kiln) 형태일 수 있다.
상기 폐쇄형 관은 일단에 가열수단이 배치되고 소정의 각도로 하강 경사지어, 상기와 같이 배터리의 소성이 이루어지고 일 방향으로 이송되는 제1관과, 상기 제1관과 연통되고 소정의 각도로 하강 경사지어, 소성된 물질의 냉각 및 배출이 이루어지는 제2관을 포함할 수 있고, 상기 제2관은 상기 제2관의 외주면에 냉각수를 분사하는 분사수단을 통해 냉각이 수행될 수 있다. 이에 따라 상기 제1관에서 소성과 동시에 배터리 이송이 수행되고, 제2관에서 소성된 물질의 냉각 및 배출이 수행될 수 있다. 상기 제2관에서 소성된 물질의 냉각은 상기 제2관의 외주면에 물을 분사하여 수행될 수 있고, 상기 제2관의 배출부에 냉각수가 순환되도록 하여 수행될 수 있으며, 냉각 온도는 70 ℃ 내지 100 ℃인 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1관 및 제2관의 경사각은 5 ° 내지 35 ° 인 것이 바람직하다. 상기의 경사각 범위에서 배터리의 이송과 동시에 소성이 용이하게 수행될 수 있다. 이때, 상기 제2관을 통해서 소성 시 발생하는 가스가 소량 이송될 수 있고, 상기 제2관과 연통되고 백 필터(bag filter)가 마련된 집진장치를 통해 상기 가스를 집진 처리할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법에 있어서, 상기 소성 시 발생하는 가스를 냉각 및 집진 처리하는 단계(S20)는, 먼저 상기 소성 시 발생하는 가스를 600 ℃ 내지 900 ℃의 온도로 열처리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기의 온도 범위로 소성 시 발생하는 가스를 열처리함으로써, 상기 가스 내 잔류하는 고분자 성분 등을 분해할 수 있다. 상기 가스의 열처리는 가스의 이송방향과 동일한 방향으로 불꽃을 분사하는 가열수단을 통해 이루어질 수 있다.
상기 소성 시 발생하는 가스의 냉각 처리는 상기 가스를 냉각수가 순환되는 열교환기를 통해 수행될 수 있고, 상기 가스의 온도가 150 ℃ 내지 250 ℃가 되도록 냉각이 수행될 수 있다. 상기의 온도 범위로 냉각 처리를 수행함으로써, 후속 집진 처리 시 효율을 높일 수 있고, 집진 장치의 손상을 방지할 수 있다.
상기 소성 시 발생하는 가스의 냉각 처리는 상기 냉각 처리된 가스를 추가적으로 분사수단을 통해 분사시키되 가스 내 수분이 응결되지 않도록 100 ℃ 내지 150 ℃의 온도로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 소성 시 발생하는 가스의 집진 처리는 상기 냉각 처리된 가스를 백 필터(bag filter)가 마련된 집진장치를 투과시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 집진 처리된 가스의 이송방향과 반대 방향으로 pH 5 내지 9의 물을 분사하여 집진 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기의 pH 범위에서 가스 내 유해성분의 제거가 용이하게 이루어질 수 있다. 구체적으로, 물 분사수단과 물 분사수단 하부에 구비된 다공성 필터를 구비한 습식 스크러버에 상기 집진 처리된 가스를 공급하여, 상기 필터를 통과하는 가스와 분사되는 물이 접촉되도록 하면서 집진 처리를 수행할 수 있다.
상기 백 필터가 마련된 집진장치를 통한 가스의 집진 처리 단계는 가스 내 먼지, 매연, 수은, 카드뮴, 구리, 납, 니켈 성분의 제거가 수행될 수 있다.
상기 물 분사를 통한 가스의 집진 처리 단계는 황산화물(SOx), 암모니아, 염화수소, 탄화수소, 포름알데히드의 제거가 수행될 수 있다.
상기 소성 시 발생하는 가스의 열처리를 통해서는 일산화탄소 및 벤젠의 제거가 수행될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따른 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법은 도 2에 도시된 바와 같은 장치를 통해 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 장치는 지면과 5 ° 내지 15 ° 경사지어 배터리가 이송되고, 일단에 경유, 정제유, LNG, LPG, 재생유 등으로 이루어진 군 중 선택된 하나 이상을 연료로 하여 배터리 이송방향 또는 이송 반대 방향으로 불꽃을 분사하거나, 외부에 구비된 발열체를 이용하여 간접 가열을 통해 열처리하는 제1가열수단(113)이 구비된 제1관(111); 상기 제1관과 연통되고, 지면과 5 ° 내지 15 ° 경사지어 구비된 제2관(112); 상기 제2관의 외주면에 냉각수를 분사하는 냉각수 분사수단; 배터리 호퍼; 상기 배터리 호퍼로부터 배터리를 공급받아 상기 소성부로 투입하는 컨베이어(114); 상기 제2관 말단에 처리되는 물질을 수집하는 수집부(121); 상기 수집부의 물질을 이송하는 이송수단(115); 및 상기 제2관 말단과 연통되어 상기 제2관으로부터 배출되는 가스르 집진 처리하는 백 필터가 구비된 제1집진부(122);를 포함하는 소성부(100)가 마련될 수 있고,
상기 제1관(111) 상부와 연통되어 소성부(100)의 가스를 이송하는 제3관(211); 상기 제3관 일단에 구비되고 경유, 정제유, LNG, LPG, 재생유 등으로 이루어진 군 중 선택된 하나 이상을 연료로 하여 상기 가스의 이송방향으로 불꽃을 분사하는 제2가열수단(212); 상기 제3관과 연통되어 제3관으로부터 배출된 가스를 냉각하는 열교환부(220); 상기 열교환부 및 상기 제2관(112) 말단에 냉각수를 공급 순환시키는 냉각타워(230); 상기 열교환부와 연통되어 열교환부에서 배출된 가스를 분사수단을 통해 분사 및 냉각되도록 하는 분사타워(240); 상기 분사타워와 연통되고 분사타워에서 배출된 가스를 집진 처리하는 백 필터가 구비된 제2집진부(250); 상기 제2집진부와 연통되어 상기 제2집진부로부터 배출된 가스에 물을 분사시키는 물 분사수단을 구비할 수 있으며, 물 분사 처리된 가스를 대기 중으로 배출하는 습식 스크러버(260);를 포함하는 가스 처리부(200);가 마련될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 양태에 따른 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법은 폐 배터리를 폐쇄형 관을 통해 이송함과 동시에 소정의 온도로 소성 처리하고, 소성 처리된 물질을 수집하여 유가금속을 회수할 수 있도록 하며, 소성 처리 시 발생하는 유해가스를 냉각 및 집진 처리함으로써, 유해성분을 제외한 가스를 대기 중으로 방출할 수 있도록 한다.
이하, 실시예 및 실험예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
< 실시예 1> 전기자동차 폐 배터리 소성 처리
지면과 5 ° 내지 15 ° 경사지고 일단에 토치가 마련된 제1관을 통해, 전기자동차 폐 배터리를 이송시켰고, 상기 배터리 이송방향과 반대 방향으로 상기 토치를 통해 불꽃을 분사하여 600 ℃ 내지 800 ℃의 온도로 30 분 내지 120 분 동안 열처리하였다. 상기 열처리된 물질을 상기 제1관과 연통되고 지면과 5 ° 내지 15 ° 경사진 제2관을 통해 이송시켰고, 이때 상기 제2관의 외주면에 물을 분사시키고, 제2관의 말단에 냉각수가 순환되도록 하여, 제2관을 통해 배출되는 소성된 물질의 온도가 70 ℃ 내지 100 ℃가 되도록 하였다.
상기 열처리 시 발생하는 유해가스를 상기 제1관과 연통된 제3관을 통해 이송시켰고, 가열수단을 통해 상기 유해가스 이송방향으로 불꽃을 분사하여 800 ℃의 온도로 열처리하였다. 상기 열처리된 유해가스를 냉각수가 순환되는 열교환기를 통과하도록 하여 온도가 150 ℃가 되도록 냉각시켰다. 상기 냉각된 유해가스를 분사수단을 통해 분사시켜 온도가 100 ℃가 되도록 하였으며, 상기 분사된 유해가스를 백 필터가 구비된 집진장치를 투과하도록 하여 집진 처리하였다. 상기 집진 처리된 가스를 다공성 필터로 투과시키면서 물을 분사하여 집진 처리를 더 수행하였고, 집진된 가스를 대기 중으로 방출하였다.
< 실시예 2> 전동공구 배터리 소성 처리
상기 실시예 1에서, 취급하고자 하는 배터리를 전기자동차 배터리 대신 전동공구 배터리로 교체한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 배터리의 소성 처리 및 가스의 냉각 집진 처리를 수행하였다.
< 실시예 3> 원형 코인셀 소성 처리
상기 실시예 1에서, 취급하고자 하는 배터리를 전기자동차 배터리 대신 원형 코인셀로 교체한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 배터리의 소성 처리 및 가스의 냉각 집진 처리를 수행하였다.
< 실시예 4> 리튬폴리머 배터리 소성 처리
상기 실시예 1에서, 취급하고자 하는 배터리를 전기자동차 배터리 대신 리튬폴리머 배터리로 교체한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 배터리의 소성 처리 및 가스의 냉각 집진 처리를 수행하였다.
< 실험예 1> 냉각 및 집진 처리된 가스의 대기오염물질 배출 농도 측정
상기 실시예 1 내지 실시예 4에서 수행되어 대기 중으로 배출되는 가스의 오염물질 농도를 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
측정항목 전동공구 배터리 원형 셀 리튬폴리머 셀 전기자동차 셀
먼지(mg/Sm3) 11.9
황산화물(SOx)(ppm) 357
질소산화물(NOx)(ppm) 51
CO(ppm) 895
매연(도) 4
암모니아(ppm) 56 37.27 155.92 42.19
염화수소(ppm) 2.83 24.3
탄화수소(ppm) 40.2
포름알데히드(ppm) 33.113 1.268 0.073
벤젠(ppm) 0.12
수은(mg/Sm3) 0.101
카드뮴(mg/Sm3) 1.524 0.153 0.091
구리(mg/Sm3) 0.87 0.08 1.21
납(mg/Sm3) 0.19
니켈(mg/Sm3) 1.838 0.22 3.632 0.113
표 1을 참조하면, 실시예 1에서 전기자동차 셀의 소성 처리 후 발생하여 집진된 가스의 경우, 대부분의 유해 성분은 배출 허용 기준을 만족하는 것을 확인할 수 있엇다. 모든 유형의 배터리 소성 처리에서, 이황화탄소, 황화수소, 불소화물, 시안화수소, 브롬, 스티렌, 페놀, 염화비닐, 비소, 크롬, 아연, 인, 망간, 디클로로메탄 및 트리클로로에틸렌은 불검출된 것을 확인하였다.
지금까지 본 발명의 일 양태에 따른 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 실시 변형이 가능함은 자명하다.
그러므로 본 발명의 범위에는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
즉, 전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 그 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 폐쇄형 관을 통해 일 방향으로 이송되는 전기자동차 폐 배터리를 400 ℃ 내지 1000 ℃의 의 온도로 소성하며 배출하고, 소성 시 발생하는 가스를 600 ℃ 내지 900 ℃의 온도로 열처리한 다음, 냉각 및 집진 처리하는 단계를 포함하고,
    상기 냉각 처리는 열교환기를 통해 150 ℃ 내지 250 ℃의 온도로 상기 소성 시 발생하는 가스를 냉각시키고,
    냉각 타워를 통해 상기 폐쇄형관 말단과 상기 열교환기에 냉각수의 공급 및 순환이 수행되는 것을 특징으로 하는, 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폐쇄형 관은,
    지면과 5 °내지 30 ° 경사진 것을 특징으로 하는 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소성은,
    배터리의 이송방향 또는 이송 반대 방향으로 불꽃을 분사하여 이루어지거나, 상기 폐쇄형 관 외부의 발열체를 이용한 간접 가열을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 소성은,
    30 분 내지 240 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 처리는,
    상기 열교환이 이루어진 가스를 분사시켜 100 ℃ 내지 150 ℃의 온도로 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 집진 처리는,
    상기 가스를 백 필터가 구비된 집진부로 투과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 집진 처리는,
    상기 집진부 투과된 가스에 pH 5 내지 9의 물을 분사시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 배터리 배출은,
    상기 소성된 배터리를 70 ℃ 내지 100 ℃의 온도로 냉각시켜 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 소성 및 소성가스 집진 처리방법.
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