KR102450852B1 - 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템에 관한 발명으로, 전기적 방전 처리된 중대형 폐전지를 투입받고 비활성 분위기에서 일정량씩 펀칭유닛(120)으로 이송하도록 구비하는 제1이송유닛(110)과, 제1이송유닛(110)의 일측에 결합하여 중대형 폐전지를 이송받고 비활성 분위기에서 표면을 천공하도록 구비하는 펀칭유닛(120)과, 펀칭유닛(120)의 일측에 결합하여 천공된 중대형 폐전지를 이송받고 비활성 분위기에서 일정량씩 전단유닛(140)으로 이송하도록 구비하는 제2이송유닛(130)과, 제2이송유닛(130)의 일측에 결합하여 천공된 중대형 폐전지를 이송받고 비활성 분위기에서 전단 파쇄하도록 구비하는 전단유닛(140)과, 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140)에 소화액을 공급 및 살수하여 화재를 방지하고 기사용된 소화액을 회수하여 재사용하도록 구비하는 소화액순환유닛(150)과, 전단유닛(140)의 하측에서 중대형 폐전지 파쇄물 및 소화액을 이송받고 선별하여 각각 톤백(163) 및 소화액순환유닛(150)으로 이송하도록 구비하는 선별포집유닛(160)과, 제1이송유닛 내지 전단유닛(110~140), 또는 선별포집유닛(160)을 비활성 분위기로 조성하여 화재를 방지하도록 구비하는 비활성유닛(170)을 포함하여 구성함에 따라 파쇄공정 시 화재 발생을 억제하고 소화액 재순환 메커니즘에 의해 환경부하를 저감할 수 있는 것이 특징이다.
Description
본 발명은 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템에 관한 발명으로, 더욱 상세하게는 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지로부터 유가금속이 포함된 복합 화합물을 회수하는 일련의 재활용 공정에 적용되는 파쇄시스템의 구성을 종래 기술과 차별하여 발화 및 화재 발생을 효과적으로 억제하고 환경부하를 저감하여 안전하며 효율적인 파쇄공정이 이루어지도록 하는 파쇄시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 이차전지는 충전 및 방전을 반복할 수 있는 전지로서 납축 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 리튬 이온 전지 등이 있다. 납축 전지나 니켈 카드뮴 전지에는 중금속 유해물질을 함유하고 있어 최근 이차전지 시장에는 리튬 이온 전지가 대부분을 차지하고 있다.
리튬 이온 전지는 에너지 밀도가 높아 각종 IT기기에 널리 적용되는 이차전지로서 양극과 음극 사이의 전해질을 통해 리튬 이온이 이동하는 전기적 흐름에 따라 전기를 발생한다. 이차전지의 최소단위인 배터리셀은 용기 내에 양극재, 음극재, 전해질, 및 분리막으로 구성되며, 충전 시에는 리튬 이온이 양극에서 분리막을 통과하여 음극으로 이동하고 방전 시에는 음극에서 양극으로 이동하도록 이루어진다.
이차전지의 양극재는 양극활물질인 니켈, 망간, 코발트, 알루미늄 등이 사용된다. 음극재는 음극활물질인 흑연, 탄소가 사용된다. 전해질은 리튬, 인산, 불소로 이루어지는 리튬염 및 유기 용매로 이루어진다.
한편, 최근 전기차 시장의 확대 및 에너지 저장 시스템(ESS)의 사용 증가로 인해 사용 후 폐기되는 이차전지의 발생량 역시 기하급수적으로 증가할 것으로 전망하고 있으며 폐전지의 처리 방안에 대한 우려가 커지고 있다.
상술한 바와 같이 이차전지 내에는 리튬, 니켈, 망간, 코발트 등의 유가금속이 활물질로서 함유되어 있으므로 폐전지로부터 광물자원을 회수하기 위한 재활용 기술의 개발이 진행되고 있다.
공지된 기술의 일례로서, 한국등록특허 제 10 - 0637680 호에는 회수된 폐리튬 이차전지를 방전시키는 방전기, 방전된 폐리튬 이차전지를 파쇄하여 이차전지 셀의 금속 케이스에 하나 이상의 홈을 형성하거나 이차전지 셀을 1cm 이상의 크기를 가지는 각편으로 파쇄하는 파쇄기와, 파쇄된 이차전지 셀을 소성하여 괴상의 금속 덩어리를 형성하는 소성로, 소성된 이차전지 셀을 커터로 분쇄하는 분쇄기, 이차전지 셀의 분쇄물을 선별 및 분급하여 분말상의 코발트를 수득하는 분급기를 포함하는 폐리튬 이차전지로부터 코발트 파우더의 회수장치를 구성한다.
종래 기술에 따른 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지의 재활용에 적용되는 파쇄시스템은 폐전지 내부에 잔류하는 전기에너지에 의한 폭발 및 화재의 위험을 고려하여 수중 파쇄 시스템을 적용한다.
예컨대, 한국등록특허 제 10 - 2134719 호에는 폐배터리가 완전 방전되었는지를 확인하는 단계와, 완전 방전이 이루어진 폐배터리를 공기 중에서 일반파쇄하는 단계와, 완전 방전이 이루어지지 않은 폐배터리가 투입된 다음 수중에서 파쇄기에 의해 수중 파쇄되는 수중파쇄단계와, 수중파쇄단계에서 파쇄된 조각들과 완전 방전이 이루어진 폐배터리를 일반파쇄하는 단계에서 파쇄된 조각들을 합쳐 더욱 잘게 공기 중에서 파쇄하는 일반파쇄단계와, 파쇄된 조각들의 수분이 모두 제거되도록 건조하는 건조단계와, 건조단계에서 건조된 파쇄된 조각들을 분류하여 저장하는 분급단계를 포함하는 폐리튬이온배터리의 재활용 방법을 구성한다.
전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지를 재활용 처리하기 위해서는 통상적으로 방전처리를 통해 폐전지 내부의 전기에너지를 필히 제거하여야 하는바, 전기적으로 방전된 중대형 폐전지는 내부 이온의 화학적 평형 현상으로 인해 0V로 완전 방전되지 않는 문제점이 있다.
이와 같이 폐전지 내부에 전기에너지가 잔류하는 상태에서 기계적인 파쇄가 이루어질 경우 폭발 및 화재 발생의 위험이 매우 높으므로, 종래 기술에 따른 중대형 폐전지의 재활용에 적용되는 파쇄시스템은 수중 파쇄 방식의 시스템으로 이루어진다.
그러나, 종래 기술에 따른 수중 파쇄 방식의 시스템은 폐전지를 파쇄하는 과정에서 내부의 활물질이 수중으로 누출되므로 공정 로스가 발생하는 문제점이 있다.
특히, 파쇄공정에 사용된 막대한 양의 오염수를 별도 처리하기 위한 시스템의 구축 및 공정의 실시가 불가피하므로 그에 따른 경제적 손실 및 환경부하가 발생하는 문제점이 있는 실정이다.
이에 본 발명에서는 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서,
전기적 방전 처리된 중대형 폐전지를 투입받고 비활성 분위기에서 일정량씩 펀칭유닛(120)으로 이송하도록 구비하는 제1이송유닛(110)과,
상기 제1이송유닛(110)의 일측에 결합하여 중대형 폐전지를 이송받고 비활성 분위기에서 표면을 천공하도록 구비하는 펀칭유닛(120)과,
상기 펀칭유닛(120)의 일측에 결합하여 천공된 중대형 폐전지를 이송받고 비활성 분위기에서 일정량씩 전단유닛(140)으로 이송하도록 구비하는 제2이송유닛(130)과,
상기 제2이송유닛(130)의 일측에 결합하여 천공된 중대형 폐전지를 이송받고 비활성 분위기에서 전단 파쇄하도록 구비하는 전단유닛(140)과,
상기 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140)에 소화액을 공급 및 살수하여 화재를 방지하고 기사용된 소화액을 회수하여 재사용하도록 구비하는 소화액순환유닛(150)과,
상기 전단유닛(140)의 하측에서 중대형 폐전지 파쇄물 및 소화액을 이송받고 선별하여 각각 톤백(163) 및 소화액순환유닛(150)으로 이송하도록 구비하는 선별포집유닛(160)과,
상기 제1이송유닛 내지 전단유닛(110~140), 또는 상기 선별포집유닛(160)을 비활성 분위기로 조성하여 화재를 방지하도록 구비하는 비활성유닛(170)을 포함하여 구성함으로써 발화 및 화재 발생을 억제하고 소화액 재순환 메커니즘에 의해 환경부하를 저감하여 안전하며 효율적인 파쇄공정을 수행할 수 있는 목적 달성이 가능하다.
본 발명은 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지로부터 유가금속이 포함된 복합 화합물을 제조하고 유기불순물은 별도 회수하는 일련의 재활용 공정에 적용되는 파쇄시스템을 제공한다.
본 발명은 종래의 수중 파쇄 방식의 시스템과 차별하여 파쇄공정에서 비활성 가스 투입에 의한 분위기 조성을 통해 발화 및 폭발 현상을 미연에 억제하고 공정 로스를 최소화하여 효율성을 향상할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은 펀칭 및 전단 처리 과정에서 소화액을 분무하고 사용된 소화액은 회수하여 재사용할 수 있는 일련의 구성 및 프로세스를 구현함으로써 파쇄공정에 대한 높은 안전성을 확보하고 종래 기술에 비해 환경부하를 현저히 저감하는 등 환경적, 경제적으로 다양한 이점을 가진다.
따라서, 본 발명은 전기차 및 ESS의 수요 확대 전망에 따라 폐전지의 재활용 공정에 적용하여 환경보호, 안전성, 및 효율성을 충족할 수 있는 파쇄시스템을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템의 개략적인 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템의 개략적인 모식도.
도 3은 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템의 소화액 회수 및 순환도.
도 2는 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템의 개략적인 모식도.
도 3은 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템의 소화액 회수 및 순환도.
이하, 본 발명의 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템의 바람직한 실시 예에 따른 구성과 작용을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기의 설명에서 당해 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 구현할 수 있는 부분에 대한 구체적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템의 개략적인 블록도, 도 2는 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템의 개략적인 모식도, 도 3은 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템의 소화액 회수 및 순환도를 도시한 것이다.
본 발명의 기술이 적용되는 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템은 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지로부터 유가금속이 포함된 복합 화합물을 회수하는 일련의 재활용 공정에 적용되는 파쇄시스템의 구성을 종래 기술과 차별하여 발화 및 화재 발생을 효과적으로 억제하고 환경부하를 저감하여 안전하며 효율적인 파쇄공정이 이루어지도록 하는 파쇄시스템에 관한 것임을 주지한다.
전기차 또는 ESS에 사용된 리튬 이온 이차전지의 배터리팩은 배터리모듈 및 배터리셀로 분리된다.
폐전지는 사각형 알루미늄 용기 내에 양극재, 음극재, 전해질, 및 분리막으로 구성되는 배터리셀을 기본 단위로 모듈 및 팩을 구성한다. 폐전지의 재활용 공정에서는 배터리셀에 포함되는 니켈, 코발트, 망간 등의 활물질을 수득하고 기타 불순물은 별도 회수하여 처리하는 일련의 공정을 수행하며, 이를 위해서는 폐전지의 기계적인 파쇄가 불가피하다.
이때, 폐전지 내부의 전기에너지가 잔류하는 상태에서 파쇄할 경우 화재 및 폭발의 위험이 매우 높다. 특히 전기차에 사용되는 전지와 같이 중대형 용량의 폐전지와 같이 내부에 잔류하는 전기에너지가 많으면 많을수록 위험 강도가 높아진다.
종래 기술의 파쇄시스템은 폐전지를 수중에서 파쇄하도록 이루어지므로 파쇄공정에서 대량의 오염수가 반복적으로 발생하여 환경부하를 초래하는 등의 문제가 있는바, 본 발명에서는 종래와 차별된 파쇄공정을 수행하는 파쇄시스템을 제공한다.
이를 위한 본 발명의 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템은 방전시스템으로부터 중대형 폐전지를 이송받아 파쇄공정을 안전하게 수행하도록 제1이송유닛(110), 펀칭유닛(120), 제2이송유닛(130), 전단유닛(140), 소화액순환유닛(150), 선별포집유닛(160), 비활성유닛(170)을 포함하여 구성하며 구체적으로는 하기와 같다.
상기 제1이송유닛(110)은 전기적 방전 처리된 중대형 폐전지를 투입받고 비활성 분위기에서 일정량씩 펀칭유닛(120)으로 이송하도록 구비한다.
상기 제1이송유닛(110)은 중대형 폐전지를 후술하게 될 펀칭유닛(120)으로 이송하되 산소 유입을 차단하고 비활성 분위기에서 이송이 이루어지도록 구성한다. 상기 제1이송유닛(110)은 벨트컨베이어(111)와 슬라이드밸브(112)를 포함한다.
상기 벨트컨베이어(111)는 중대형 폐전지를 펀칭유닛(120)으로 이송하도록 구비한다.
상기 슬라이드밸브(112)는 벨트컨베이어(111)의 일측에서 펀칭유닛(120)과 이중 밸브로 연결되는 폐쇄 구조를 형성한다.
상기 슬라이드밸브(112)는 개폐를 교번하여 작동하도록 마련하는 이중 밸브를 탑재하여 내부에 비활성 가스를 충진하고 산소의 유입을 차단하도록 구성한다.
상기 슬라이드밸브(112)는 후술하게 될 제2이송유닛(130)의 슬라이드밸브(132)와 함께 펀칭유닛(120)에서 전단유닛(140) 사이의 중대형 폐전지 이동 구간 전반에 폐쇄 구조를 제공하여 설비 내부에 비활성 분위기를 조성하도록 구비한다.
상기 슬라이드밸브(112)는 벨트컨베이어(111)에서 이동하는 중대형 폐전지의 처리량을 조절하여 펀칭유닛(120)에 일정량씩 투입하도록 구비한다.
상기 펀칭유닛(120)은 상기 제1이송유닛(110)의 일측에 결합하여 중대형 폐전지를 이송받고 비활성 분위기에서 표면을 천공하도록 구비한다.
상기 펀칭유닛(120)은 방전 처리된 중대형 폐전지의 표면을 천공하도록 소정의 펀칭머신을 탑재하여 구성한다.
전기적방전공정에 의해 방전되는 폐전지는 내부에 전기에너지가 잔류하므로 발화나 폭발에 대한 대비가 필요하다.
따라서, 상기 펀칭유닛(120)의 내부에는 후술하게 될 소화액순환유닛(150)의 제1살수노즐을 설치하여 소화액이 분사되도록 마련함으로써 펀칭 과정에서 발생할 수 있는 화재를 방지하도록 구성한다.
상기 제2이송유닛(130)은 상기 펀칭유닛(120)의 일측에 결합하여 천공된 중대형 폐전지를 이송받고 비활성 분위기에서 일정량씩 전단유닛(140)으로 이송하도록 구비한다.
상기 제2이송유닛(130)은 펀칭 처리된 중대형 폐전지를 후술하게 될 전단유닛(140)으로 이송하되 산소 유입을 차단하고 비활성 분위기에서 이송이 이루어지도록 구성한다. 상기 제2이송유닛(130)은 벨트컨베이어(131)와 슬라이드밸브(132)를 포함한다.
상기 벨트컨베이어(131)는 중대형 폐전지를 전단유닛(140)으로 이송하도록 구비한다.
상기 슬라이드밸브(132)는 벨트컨베이어(131)의 일측에서 전단유닛(140)과 이중 밸브로 연결되는 폐쇄 구조를 형성한다.
상기 슬라이드밸브(132)는 개폐를 교번하여 작동하도록 마련하는 이중 밸브를 탑재하여 내부에 비활성 가스를 충진하고 산소의 유입을 차단하도록 구성한다.
상기 슬라이드밸브(132)는 상기 제1이송유닛(110)의 슬라이드밸브(112)와 함께 펀칭유닛(120)에서 전단유닛(140) 사이의 중대형 폐전지 이동 구간 전반에 폐쇄 구조를 제공하여 설비 내부에 비활성 분위기를 조성하도록 구비한다.
상기 슬라이드밸브(132)는 벨트컨베이어(131)에서 이동하는 중대형 폐전지의 처리량을 조절하여 전단유닛(140)에 일정량씩 투입하도록 구비한다.
상기 전단유닛(140)은 상기 제2이송유닛(130)의 일측에 결합하여 천공된 중대형 폐전지를 이송받고 비활성 분위기에서 전단 파쇄하도록 구비한다.
상기 전단유닛(140)은 펀칭 처리되어 이송되는 중대형 폐전지를 일정 크기로 파쇄하여 후술하게 될 선별포집유닛(160)으로 배출하도록 소정의 슈레더를 탑재하여 구성한다.
상기 전단유닛(140)에 의해 처리되는 폐전지 파쇄물의 크기는 0.1 ~ 5cm이며, 바람직하게는 1 ~ 3cm일 수 있다. 전기적 방전공정에 의해 방전되는 폐전지는 내부에 전기에너지가 잔류하므로 발화나 폭발에 대한 대비가 필요하다.
따라서, 상기 전단유닛(140)의 내부에는 후술하게 될 소화액순환유닛(150)의 제2살수노즐을 설치하여 소화액이 분사되도록 마련함으로써 전단 과정에서 발생할 수 있는 화재를 방지하도록 구성한다.
상기 선별포집유닛(160)은 상기 전단유닛(140)의 하측에서 중대형 폐전지 파쇄물 및 소화액을 이송받고 선별하여 각각 톤백(163) 및 후술하게 될 소화액순환유닛(150)으로 이송하도록 구비한다.
상기 선별포집유닛(160)은 상기 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140)에 의해 파쇄 처리된 중대형 폐전지 파쇄물과 발화 방지를 위해 사용된 소화액을 포집하고 고액분리하여 각각 배출하도록 구성하며, 시크너(161)와, 무축스크류컨베이어(162)와, 소화액선별배관(164)을 포함한다.
상기 시크너(161)는 침강조 형태로 구비하여 상기 전단유닛(140)으로부터 이송되는 중대형 폐전지 파쇄물과 살수된 소화액을 포집하고 고액을 분리하도록 구비한다.
상기 시크너(161)는 상기 전단유닛(140)의 하측에 설치하여 파쇄 처리 후 배출되는 중대형 폐전지 파쇄물과 소화액을 일괄 포집하고 하기 무축스크류컨베이어(162) 및 소화액선별배관(164)을 통해 각각 배출하도록 구비한다.
상기 시크너(161)에는 온도감지기(TT)를 설치하여 화재 발생을 실시간으로 감지하고 후술하게 될 소화액순환유닛(150)의 소화액투입라인(154)과 연동하여 화재 진압이 이루어지도록 구성한다. 또한, 상기 시크너(161)에는 수위감지기(LT)를 설치하여 소화액선별배관(164)을 통해 소화액의 배출 동작을 제어하도록 구비하는바, 구체적인 메커니즘에 관해서는 후술한다. 아울러, 카메라를 설치하여 내부 환경을 시각적으로 확인 가능하도록 구성한다.
상기 무축스크류컨베이어(162)는 상기 시크너(161)의 하부에서 외부로 설치하여 침강되는 중대형 폐전지 파쇄물을 톤백(163)으로 배출하고 재활용 공정에 투입되도록 구비한다.
상기 소화액선별배관(164)은 상기 시크너(161)의 일측에서 수위 별로 복수를 다단 설치하여 고액분리된 액상을 상기 소화액순환유닛(150)으로 이송하도록 구비한다.
상기 소화액순환유닛(150)은 상기 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140)에 소화액을 공급 및 살수하여 화재를 방지하고 기사용된 소화액을 회수하여 재사용하도록 구비한다.
상기 소화액순환유닛(150)은 상기 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140), 또는 선별포집유닛(160)에 발화를 방지하기 위해 소화액을 투입, 회수, 여과, 저장, 재순환하도록 구성하며, 소화액필터(151)와, 리시버탱크(152)와, 소화액순환라인(153)을 포함한다.
상기 소화액필터(151)는 상기 선별포집유닛(160)의 일측 배관에 연결하여 소화액에 혼재되어 있는 활물질을 여과하여 분리하도록 구비한다.
상기 소화액필터(151)는 상기 소화액선별배관(164)을 통해 액상과 함께 배출되는 일부 양극재 및 음극재 분말, 극판 조각 등을 여과하여 분리시킨다. 따라서, 파쇄공정 상에서 손실될 수 있는 폐 양극재 또는 음극재를 회수하도록 구비한다.
상기 소화액필터(151)는 파쇄시스템의 처리 Capa에 따라서 사용 가능한 필터의 종류 및 처리량 등을 차등하여 적용할 수 있다.
상기 리시버탱크(152)는 상기 소화액필터(151)의 일측에 연결하여 여과된 소화액을 회수하여 저장하도록 구비한다.
상기 리시버탱크(152)는 상기 소화액필터(151)를 통과하여 최종 분리된 물 및 일부 전해액으로 이루어진 액상을 저장하여 소화액으로 재사용하도록 구비한다.
상기 리시버탱크(152)의 일측에는 저장된 소화액을 소화액필터(151)로 펌핑하여 소화액필터(151)에 흡착된 슬러리를 박리 및 세척하고 선별포집유닛(160)으로 이송하는 필터세척라인(157)을 구비한다.
상기 필터세척라인(157)은 상기 리시버탱크(152)와 소화액필터(151), 및 소화액필터(151)와 상기 선별포집유닛(160)의 시크너(161) 사이를 연결하도록 구비하고 소화액필터(151)의 입, 출구에는 펌프를 설치하여 액상을 고압 이송함으로써 소화액필터(151)의 세척이 이루어지도록 구성한다.
상기 소화액순환라인(153)은 상기 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140), 또는 선별포집유닛(160)에 소화액을 재순환 또는 투입하도록 구비한다.
상기 소화액순환라인(153)은 소화액의 투입, 및 기사용된 소화액의 재순환 프로세스가 이루어지도록 구성하며 소화액투입라인(154)과, 제1,2소화액라인(155)과, 제1,2살수노즐(156)을 포함한다.
상기 소화액투입라인(154)은 상기 선별포집유닛(160) 또는 리시버탱크(152)에 연결하고 온도감지기(TT) 또는 수위감지기(LT)와 연동하여 소화액을 투입하도록 구비한다.
상기 소화액투입라인(154)은 상기 시크너(161)에 설치하는 온도감지기(TT)와 연동하여 화재 발생 시 소화액을 직접 투입하여 진압하도록 구비한다.
상기 소화액투입라인(154)은 상기 리시버탱크(152)에 설치하는 수위감지기(LT)와 연동하여 저장된 소화액의 수위 저하 시 소화액을 직접 투입하여 소화액의 순환이 원활하게 이루어지도록 구성한다.
상기 제1,2소화액라인(155)은 상기 리시버탱크(152)에서 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140) 각각을 연결하여 저장된 소화액을 펌핑하고 재순환하도록 구비한다.
상기 제1,2소화액라인(155)은 상기 시크너(161)에서 소화액필터(151)를 거쳐 리시버탱크(152)에 저장되는 소화액을 상기 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140)으로 이송하여 소화액의 재순환이 이루어지도록 구성한다.
상기 제1,2살수노즐(156)은 상기 제1,2소화액라인(155)과 연결하고 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140)의 내부에 설치하여 소화액을 분사하도록 구비한다.
상기 제1,2살수노즐(156)은 상기 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140)의 상부에 설치하여 상기 제1,2소화액라인(155)을 통해 이송되는 소화액을 분사하여 화재를 방지하도록 구성한다.
상기 비활성유닛(170)은 상기 제1이송유닛 내지 전단유닛(110~140), 또는 선별포집유닛(160)을 비활성 분위기로 조성하여 화재를 방지하도록 구비한다.
상기 비활성유닛(170)은 파쇄시스템 설비 내부에 비활성 가스를 충진하고 산소 유입을 최소화하여 비활성 분위기를 조성함으로써 화재 및 폭발의 위험을 저감하도록 구성하며, 비활성가스탱크(171)와, 제1비활성가스라인(172)과, 제2비활성가스라인(173)과, 디텍터(174)와, 비활성가스제어모듈(175)을 포함한다.
상기 비활성가스탱크(171)는 비활성 가스를 저장하도록 구비한다. 비활성 가스는 N2 또는 Ar을 포함하여 구성한다.
상기 제1비활성가스라인(172)은 상기 비활성가스탱크(171)와 상기 제1이송유닛 내지 전단유닛(110~140)에 연결하여 비활성 가스를 투입하도록 구비한다.
상기 제1비활성가스라인(172)은 상기 슬라이드밸브(112,132)에 의해 폐쇄 구조를 형성하는 상기 제1이송유닛 내지 전단유닛(110~140)의 내부에 연결하여 비활성가스제어모듈(175)의 제어에 따라서 비활성 가스를 투입하도록 구성한다.
상기 제2비활성가스라인(173)은 상기 비활성가스탱크(171)와 선별포집유닛(160)을 연결하여 비활성 가스를 투입하도록 구비한다.
상기 제2비활성가스라인(173)은 상기 전단유닛(140)의 하측에 구비하는 선별포집유닛(160)의 시크너(161)에 연결하여 비활성가스제어모듈(175)의 제어에 따라서 비활성 가스를 투입하도록 구성한다.
상기 디텍터(174)는 상기 제1이송유닛 내지 전단유닛(110~140), 또는 상기 선별포집유닛(160)의 내부에 설치하여 산소 농도를 검출하도록 구비한다.
상기 디텍터(174)는 상기 제1이송유닛 내지 전단유닛(110~140), 또는 상기 선별포집유닛(160) 내부의 비활성 가스 농도를 제어하기 위하여 산소 농도를 실시간으로 검출하고 비활성가스제어모듈(175)로 전송하도록 구비한다.
상기 비활성가스제어모듈(175)은 상기 디텍터(174)와 연동하여 제1비활성가스라인(172) 및 제2비활성가스라인(173)에 설치하는 제어밸브 및 압력계를 조절하도록 구비한다.
상기 비활성가스제어모듈(175)은 상기 제1이송유닛 내지 전단유닛(110~140), 또는 상기 선별포집유닛(160)의 내부에 설치하는 디텍터(174)에 의해 감지되는 산소 농도가 0.5 ~ 5% 범위를 유지하며, 바람직하게는 1% 이내를 유지하도록 비활성 가스의 투입을 제어하도록 구성한다.
전술한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 기술이 적용된 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템에 의한 파쇄공정을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다. 이하의 설명은 본 발명에 대하여 바람직한 실시 예를 들어 설명하는 것이므로 본 발명은 하기 실시 예에 의해 한정되는 것이 아니며 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 제공될 수 있음은 당연하다 할 것이다.
본 발명은 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지를 이용하여 유가금속이 포함된 복합 화합물을 제조하고 유기불순물은 별도 회수하도록 이루어지는 폐전지 친환경 재활용에 적용되는 파쇄공정을 수행하는 파쇄시스템을 구성하며, 제1이송유닛(110)과, 펀칭유닛(120)과, 제2이송유닛(130)과, 전단유닛(140)과, 선별포집유닛(160)과, 소화액순환유닛(150)과, 비활성유닛(170)으로 이루어진다.
전기적 방전공정을 통해 수득한 중대형 폐전지는 제1이송유닛(110)에 의해 펀칭유닛(120)으로 이송하여 펀칭이 이루어지고, 제2이송유닛(130)에 의해 전단유닛(140)으로 이송하여 전단이 이루어지되, 잔류 에너지에 의한 발화 및 폭발을 방지하도록 비활성 분위기에서 작업을 수행한다.
제1이송유닛(110)의 벨트컨베이어(111)에 의해 이송되는 폐전지는 슬라이드밸브(112)의 이중 밸브를 순차로 통과하여 설비 내부로 투입된다.
제1이송유닛 내지 전단유닛(110~140)은 이중 밸브 구조로 이루어지는 슬라이드밸브(112,132)의 개폐 작동에 의해 폐쇄구조를 형성하며 비활성유닛(170)에 의해 내부에 비활성 가스를 충진하고 산소 농도를 최소화하여 비활성 분위기를 조성한다.
비활성유닛(170)은 비활성가스탱크(171)로부터 N2 또는 Ar을 포함하는 비활성 가스를 제1비활성가스라인(172)을 통해 제1이송유닛 내지 전단유닛(110~140) 내부로 공급한다. 비활성 가스는 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140)에 의한 천공, 전단 과정에서 설비 내부의 분위기를 제어하여 발화가 일어나지 않도록 작용한다.
비활성가스제어모듈(175)은 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140) 내부에 설치하는 디텍터(174)에 의해 산소 농도를 체크하고 산소 농도를 적정 수치 이하까지 감소시킨다. 제1이송유닛(110) 및 제2이송유닛(130)이 폐전지를 이송하기 위해 슬라이드밸브(112,132)를 개폐 작동하는 과정에서 설비 내부에 산소 농도가 상승하면 비활성가스제어모듈(175)은 제1비활성가스라인(172)의 제어밸브 및 압력계를 조절하여 비활성 가스의 유량을 증가시키고 산소 농도가 0.5 ~ 5% 범위를 유지하도록 작동을 제어한다. 비활성유닛(170)은 제2비활성가스라인(173)을 통해 선별포집유닛(160)에도 비활성 가스를 공급 및 제어하여 화재 발생을 방지하도록 제어한다.
상술한 바와 같이 비활성 분위기에서 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140)에 의해 중대형 폐전지의 천공 및 전단이 이루어지되, 소화액순환유닛(150)에 의해 내부에 소화액을 분사하여 천공 또는 전단 시 화재 발생 가능성을 미연에 방지하고, 분사에 사용된 소화액을 회수하여 재순환시킨다.
전단유닛(140)을 거쳐 선별포집유닛(160)으로 배출되는 폐전지 파쇄물은 기사용된 소화액과 혼입된 상태로 시크너(161)에 포집되며 액상과 고상은 침전 분리된다.
도 3에는 소화액의 투입, 회수 및 순환 메커니즘을 도시한 것으로, 시크너(161)의 일측 소화액선별배관(164)에 마련하는 Valve 1 , 2는 개방 상태로 구비하고, Valve 3은 폐쇄 상태로 운영한다. 고상의 파쇄물은 시크너(161)에 마련된 무축스크류컨베이어(162)를 따라 상향 이동하여 재활용 공정에 투입되도록 톤백(163)에 별도로 회수하고, 소화액상과 일부 박리된 양극재 및 음극재는 혼합된 상태로 존재하게 된다.
시크너(161)에 마련되는 무축스크류컨베이어(162)에 의해 활물질은 외부 톤백(163)으로 이송하여 재활용 공정에 투입되고, 액상은 소화액선별배관(164)을 통해 소화액순환유닛(150)으로 재순환된다.
소화액순환유닛(150)은 액상은 주로 Valve 1 , 2의 위치에서 오버플로우되어 넘어가는 상등액을 회수하게 되며, 시크너(161) 내부 액상을 모두 리시버탱크(152)로 회수할 시에는 Valve 3을 개방할 수 있다.
Valve 1 내지 3은 수동 또는 자동 밸브로 처리량 또는 운영 조건에 따라 적절하게 사용될 수 있으며, 하부의 Valve 3은 파쇄된 극판의 일부가 배관을 넘어가지 않도록 스트레이너 및 부속품을 장착한다. 스트레이너 및 부속품의 내부홀의 형태는 제한하지 않으며 각 홀의 크기는 약 1 ~ 5mm에서 설치될 수 있다.
더불어, 시크너(161) 내부의 수위가 상승하면 수위감지기(LT, Level Transmitter)가 이를 감지하고, 연동된 Auto Valve 1을 개방하고 펌프를 동작하여 펌핑한다. 소화액과 극판에서 박리된 일부 양극재 및 음극재가 소화액필터(151)를 통과하여 분리되며 여과된 액상만 리시버탱크(152)에 회수한다.
시크너(161) 내부에서 화재 발생 시에는 온도감지기(TT, Temperature Transmitter)가 이를 감지하여 연동된 Auto Valve 6, 7을 개방하고 소화액투입라인(154)을 통해 소화액이 투입, 분사되며, 리시버탱크(152)로 회수된 액상이 함께 시크너(161)로 들어가게 되므로 파쇄물을 물에 침적하여 단시간에 효과적으로 화재를 진압할 수 있다. 온도감지센서는 화재를 감지할 수 있는 센서류 또는 전자기기 등을 적용한다.
리시버탱크(152)에 회수된 소화액은 제1,2소화액라인(155)을 통해 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140)으로 이송되어 재사용된다. 설비의 가동 중 또는 대기 상태에서도 Auto Valve 2는 개방 상태로 펌프를 상시 동작한다. 예컨대, 설비로 연결된 밸브가 폐쇄 상태이더라도 자순환배관(Return Line)을 통해 소화액이 지속적으로 리시버탱크(152)로 충진되므로 펌프의 상시 동작이 가능하다 할 것이다.
리시버탱크(152)의 액상이 Min 10%이하의 수위로 감소하게 되면 수위감지기(LT)가 이를 감지하여 연동된 Auto Valve 5를 개방하고 소화액투입라인(154)을 통해 직접 리시버탱크(152)에 소화액을 충진한다.
제1,2소화액라인(155)에 마련되는 Auto Valve 3, 4가 개방되면서 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140)에 설치되는 제1,2살수노즐(156)을 통해 소화액이 분사된다. 본 시스템에 사용되는 소화액은 액상, 슬러리 등 다양한 형태로 적용 가능하다. 따라서 소화액의 종류나 폐전지 처리량 등 처리 조건에 따라서 밸브는 On/off Valve, Control Valve 등을 적용하며 제1,2살수노즐(156)은 분무식, 직분사식 등을 적용하여 포그 또는 스프레이 형태로 분사한다.
리시버탱크(152)에 있는 액상은 펌프를 이용해 소화액필터(151)의 내부에서 외부로 이송하여 소화액필터(151) 표면에 붙은 양극재 및 음극재를 박리시키고 세척하며, 이 슬러리는 별도 배관으로 이송하도록 하여 필터의 유지관리를 용이하게 하도록 한다.
이상에서와 같은 본 발명에 따른 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템은 전기차 또는 에너지 저장 시스템에 사용된 중대형 폐전지로부터 유가금속이 포함된 복합 화합물을 제조하고 유기불순물은 별도 회수하는 일련의 재활용 공정에 적용되는 파쇄시스템을 제공한다.
특히, 본 발명은 비활성 분위기에서 파쇄공정을 수행하도록 구성하여 폐전지에 잔류하는 에너지에 의한 발화 가능성을 현저히 저감하고 발화 시에는 계측 제어 메커니즘을 통해 화재를 진압하며, 사용된 소화액은 회수하여 파쇄공정에서 재사용할 수 있는 일련의 프로세스를 구현함으로써 파쇄공정에 대한 높은 안전성을 확보하고 환경부하를 현저히 저감하며, 더불어 파쇄공정 상에서 손실될 수 있는 폐양극재 및 음극재를 회수할 수 있다는 점에서 종래 기술과는 현저히 차별되는 특성을 가진다.
따라서, 본 발명의 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템은 향후 전기차 및 ESS의 수요 확대에 대비하여 안전성 및 효율성을 증진하는 물론, 환경문제에 대한 기술적 과제를 해소할 수 있는 등의 다양한 효과를 가지므로 산업상 이용 가능성이 매우 클 것으로 기대된다.
110: 제1이송유닛 111: 벨트컨베이어
112: 슬라이드밸브 120: 펀칭유닛
130: 제2이송유닛 131: 벨트컨베이어
132: 슬라이드밸브 140: 전단유닛
150: 소화액순환유닛 151: 소화액필터
152: 리시버탱크 153: 소화액순환라인
154: 소화액투입라인 155: 제1,2소화액라인
156: 제1,2살수노즐 157: 필터세척라인
160: 선별포집유닛 161: 시크너
162: 무축스크류컨베이어 163: 톤백
164: 소화액선별배관 170: 비활성유닛
171: 비활성가스탱크 172: 제1비활성가스라인
173: 제2비활성가스라인 174: 디텍터
175: 비활성가스제어모듈
112: 슬라이드밸브 120: 펀칭유닛
130: 제2이송유닛 131: 벨트컨베이어
132: 슬라이드밸브 140: 전단유닛
150: 소화액순환유닛 151: 소화액필터
152: 리시버탱크 153: 소화액순환라인
154: 소화액투입라인 155: 제1,2소화액라인
156: 제1,2살수노즐 157: 필터세척라인
160: 선별포집유닛 161: 시크너
162: 무축스크류컨베이어 163: 톤백
164: 소화액선별배관 170: 비활성유닛
171: 비활성가스탱크 172: 제1비활성가스라인
173: 제2비활성가스라인 174: 디텍터
175: 비활성가스제어모듈
Claims (7)
- 전기적 방전 처리된 중대형 폐전지를 투입받고 비활성 분위기에서 일정량씩 펀칭유닛(120)으로 이송하도록 구비하는 제1이송유닛(110)과,
상기 제1이송유닛(110)의 일측에 결합하여 중대형 폐전지를 이송받고 비활성 분위기에서 표면을 천공하도록 구비하는 펀칭유닛(120)과,
상기 펀칭유닛(120)의 일측에 결합하여 천공된 중대형 폐전지를 이송받고 비활성 분위기에서 일정량씩 전단유닛(140)으로 이송하도록 구비하는 제2이송유닛(130)과,
상기 제2이송유닛(130)의 일측에 결합하여 천공된 중대형 폐전지를 이송받고 비활성 분위기에서 전단 파쇄하도록 구비하는 전단유닛(140)과,
상기 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140)에 소화액을 공급 및 살수하여 화재를 방지하고 기사용된 소화액을 회수하여 재사용하도록 구비하는 소화액순환유닛(150)과,
상기 전단유닛(140)의 하측에서 중대형 폐전지 파쇄물 및 소화액을 이송받고 선별하여 각각 톤백(163) 및 소화액순환유닛(150)으로 이송하도록 구비하는 선별포집유닛(160)과,
상기 제1이송유닛 내지 전단유닛(110~140), 또는 선별포집유닛(160)을 비활성 분위기로 조성하여 화재를 방지하도록 구비하는 비활성유닛(170)을 포함하고,
상기 제1이송유닛(110) 및 제2이송유닛(130)은,
중대형 폐전지를 펀칭유닛(120) 또는 전단유닛(140)으로 이송하도록 구비하는 벨트컨베이어(111,131)와,
벨트컨베이어(111,131)의 일측에서 펀칭유닛(120) 또는 전단유닛(140)과 이중 밸브로 연결되는 폐쇄 구조를 형성하여 내부에 비활성 가스를 충진하고 산소의 유입을 차단하도록 구비하는 슬라이드밸브(112,132)를 포함하여, 상기 펀칭유닛(120)에서 전단유닛(140) 사이의 중대형 폐전지 이동 구간 전반에 걸쳐 폐쇄 구조를 제공하여 설비 내부에 전체에 비활성 분위기를 조성하도록 구비하고,
상기 소화액순환유닛(150)은,
선별포집유닛(160)의 일측 소화액선별배관(164)에 연결하여 소화액에 함유되는 활물질을 여과하여 분리하도록 구비하는 소화액필터(151)와,
소화액필터(151)의 일측에 연결하여 여과된 소화액을 회수 및 저장하도록 구비하는 리시버탱크(152)와,
펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140), 또는 선별포집유닛(160)에 기사용된 소화액을 재순환 또는 투입하도록 구비하는 소화액순환라인(153)을 포함하고,
상기 선별포집유닛(160)은,
침강조 형태로 구비하여 상기 전단유닛(140)으로부터 이송되는 중대형 폐전지 파쇄물과 살수된 소화액을 일괄 포집하여 분리하도록 구비하는 시크너(161)와,
시크너(161)의 하부에서 외부로 설치하여 침강되는 중대형 폐전지 파쇄물을 톤백(163)으로 배출하도록 구비하는 무축스크류컨베이어(162)와,
시크너(161)의 일측에서 수위 별로 복수를 다단 설치하여 파쇄물이 분리된 액상을 상기 소화액순환유닛(150)으로 이송하도록 구비하는 소화액선별배관(164)을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 비활성유닛(170)은,
비활성 가스를 저장하는 비활성가스탱크(171)와,
비활성가스탱크(171)와 상기 제1이송유닛 내지 전단유닛(110~140)에 연결하여 비활성 가스를 투입하도록 구비하는 제1비활성가스라인(172)과,
비활성가스탱크(171)와 상기 선별포집유닛(160)을 연결하여 비활성 가스를 투입하도록 구비하는 제2비활성가스라인(173)과,
제1이송유닛 내지 전단유닛(110~140), 또는 상기 선별포집유닛(160)의 내부에 설치하여 산소 농도를 검출하는 디텍터(174)와,
디텍터(174)와 연동하여 제1비활성가스라인(172) 및 제2비활성가스라인(173)에 설치하는 제어밸브 및 압력계를 조절하도록 구비하는 비활성가스제어모듈(175)을 포함하는 것을 특징으로 하는 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 소화액순환라인(153)은,
선별포집유닛(160) 또는 리시버탱크(152)에 연결하고 온도감지기(TT) 또는 수위감지기(LT)와 연동하여 소화액을 투입하도록 구비하는 소화액투입라인(154)과,
리시버탱크(152)에서 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140) 각각을 연결하여 저장된 소화액을 펌핑하고 재순환하도록 구비하는 제1소화액라인 및 제2소화액라인(155)과,
제1소화액라인 및 제2소화액라인(155)과 각각 연결하고 펀칭유닛(120) 및 전단유닛(140)의 내부에 각각 설치하여 소화액을 분사하도록 구비하는 제1살수노즐 및 제2살수노즐(156)을 포함하고,
상기 리시버탱크(152)의 일측에는, 저장된 소화액을 소화액필터(151)로 펌핑하여 소화액필터(151)에 흡착된 슬러리를 박리 및 세척하고 선별포집유닛(160)으로 이송하는 필터세척라인(157)을 구비하는 것을 특징으로 하는 폐전지 친환경 재활용을 위한 파쇄시스템. - 삭제
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Cited By (2)
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