KR20240048678A - Carbon separation system of secondary battery black powder and carbon separation method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템 및 탄소선별방법에 관한 것이다.
이 중에서 탄소선별시스템은 파우더 원료의 공급을 위한 원료 공급기와, 파우더 원료가 상하방향으로 유동 가능하도록 상하방향으로 연장 형성되는 장 챔버를 제공하는 주 반응기와, 주 반응기 내 파우더 원료가 유동되도록 장 챔버에 가스를 공급하는 가스 공급기와, 주 반응기의 상단부에 연결되고 주 반응기의 상단부에 부유한 파우더 원료를 공급받아 파우더 원료로부터 탄소를 포집하는 사이클론 유닛을 포함할 수 있다.The present invention relates to a carbon screening system and carbon screening method for secondary battery black powder.
Among these, the carbon screening system includes a main reactor that provides a raw material supplier for supplying powder raw materials, a long chamber extending in the vertical direction so that the powder raw materials can flow in the vertical direction, and a long chamber that allows the powder raw materials to flow in the main reactor. It may include a gas supplier that supplies gas to the main reactor, a cyclone unit that is connected to the upper end of the main reactor, receives powder raw materials floating in the upper part of the main reactor, and collects carbon from the powder raw materials.
Description
본 발명은 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템 및 탄소선별방법에 대한 발명이다. The present invention relates to a carbon screening system and carbon screening method for secondary battery black powder.
최근 이차전지 수요 폭증과 함께, 소재의 가격 인상에 따라 재활용 기술의 수요가 점차 증가하고 있다. 이차전지의 재사용, 재활용 등과 관련된 기술의 확보가 절실한 상황이다. Along with the recent surge in demand for secondary batteries, the demand for recycling technology is gradually increasing due to the increase in material prices. There is an urgent need to secure technologies related to reuse and recycling of secondary batteries.
이에 폐전지로부터 유가금속을 회수하기 위해, 집전체로부터 양극/음극의 혼합분말인 블랙 파우더를 회수한다. 블랙 파우더에는 음극의 주요 물질인 탄소와 양극 물질인 리튬을 포함한 산화물이 혼재되어 있으므로, 소각 공정을 이용하거나 부유선별 방법을 통해 블랙 파우더로부터 탄소를 제거하고 있다.Accordingly, in order to recover valuable metals from waste batteries, black powder, which is a mixed powder of positive and negative electrodes, is recovered from the current collector. Since black powder contains a mixture of carbon, the main material of the cathode, and oxides including lithium, the anode material, carbon is removed from the black powder using an incineration process or flotation method.
그런데, 소각 공정을 통해 탄소를 블랙 파우더에서 제거하는 경우, 다량의 이산화탄소가 발생할 뿐만 아니라, 탄소로 인해 리튬 포함한 산화물의 환원이 발생할 수 있고, 로 내 분위기에 따라 탄소가 분해되며 발열반응으로 인해 예상하지 못한 부반응 등을 일으킬 수 있다. 또한, 부유선별 방법을 통해 탄소를 블랙 파우더에서 제거하는 경우, 습식공정으로 효율이 떨어지고 기포제의 세척 등 추가 공정이 요구되어 공정비용 상승의 부가적인 문제가 발생될 수 있다.However, when carbon is removed from black powder through an incineration process, not only a large amount of carbon dioxide is generated, but also reduction of oxides containing lithium may occur due to carbon, and depending on the atmosphere in the furnace, carbon may decompose and cause an exothermic reaction. It may cause unexpected side reactions. In addition, when carbon is removed from black powder through a flotation method, the wet process reduces efficiency and requires additional processes such as washing of foaming agents, which may cause additional problems of increased process costs.
이에 따라 블랙 파우더 내에 탄소 제거에 사용되는 열적 에너지에 대한 공정비용 등을 간소화시키고, 블랙 파우더로부터 탄소를 제거할 때 발생하는 이산화탄소 저감을 위한 전처리 기술이 시급한 실정이다.Accordingly, there is an urgent need for pretreatment technology to simplify the process cost for thermal energy used to remove carbon from black powder and to reduce carbon dioxide generated when removing carbon from black powder.
본 발명의 실시예들은 밀도 분급 방식을 통해, 이차전지 블랙 파우더로부터 탄소를 제거하여, 블랙 파우더에 포함된 유가금속을 효과적으로 회수할 수 있도록 하는 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템 및 탄소선별방법을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention provide a carbon screening system and carbon screening method for secondary battery black powder that removes carbon from secondary battery black powder through a density classification method, allowing effective recovery of valuable metals contained in the black powder. I want to.
본 발명의 일 측면에 따르면, 파우더 원료의 공급을 위한 원료 공급기; 상기 파우더 원료가 상하방향으로 유동 가능하도록 상하방향으로 연장 형성되는 장 챔버를 제공하는 주 반응기; 상기 주 반응기 내 상기 파우더 원료가 유동되도록 상기 장 챔버에 가스를 공급하는 가스 공급기; 및 상기 주 반응기의 상단부에 연결되고, 상기 주 반응기의 상단부에 부유한 파우더 원료를 공급받아 상기 파우더 원료로부터 탄소를 포집하는 사이클론 유닛을 포함하는, 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템이 제공될 수 있다.According to one aspect of the present invention, a raw material supplier for supplying powder raw materials; a main reactor providing a long chamber extending in the vertical direction so that the powder raw material can flow in the vertical direction; a gas supplier that supplies gas to the intestinal chamber so that the powder raw material flows in the main reactor; And a cyclone unit connected to the upper end of the main reactor, receiving powder raw materials floating at the upper end of the main reactor and collecting carbon from the powder raw materials. A carbon screening system for secondary battery black powder can be provided. .
또한, 상기 주 반응기는 상단부에 상기 원료 공급기가 연결되고, 하단부에 상기 가스 공급기가 연결되며, 내부에 상기 장 챔버가 마련되는 반응바디; 및 상기 장 챔버의 하부에 배치되고, 상기 가스가 통과되도록 복수 개의 분산홀을 제공하는 분산판을 포함하는, 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템이 제공될 수 있다.In addition, the main reactor includes a reaction body in which the raw material supplier is connected to an upper end, the gas supplier is connected to a lower end, and the intestinal chamber is provided therein; And a carbon screening system for secondary battery black powder can be provided, including a dispersion plate disposed at the lower part of the intestinal chamber and providing a plurality of dispersion holes for the gas to pass through.
또한, 상기 분산홀은 1mm 이상 2mm 이하 범위의 직경을 가지는, 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템이 제공될 수 있다.In addition, a carbon sorting system for secondary battery black powder may be provided, wherein the dispersion hole has a diameter in the range of 1 mm to 2 mm.
또한, 상기 가스 공급기는 1 내지 100 LPM(Liter/Min) 범위의 가스를 상기 주 반응기에 공급하여 상기 파우더 원료를 유동시키는, 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템이 제공될 수 있다.In addition, the gas supplier may supply a gas in the range of 1 to 100 LPM (Liter/Min) to the main reactor to flow the powder raw material, and a carbon screening system for secondary battery black powder may be provided.
또한, 상기 사이클론 유닛은 상기 주 반응기의 상단부에 연속적으로 연결되어, 상기 주 반응기로부터 공급받은 상기 파우더 원료로부터 상기 탄소를 연속적으로 회수하는 복수 개의 사이클론을 포함하는, 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템이 제공될 수 있다.In addition, the cyclone unit is continuously connected to the upper end of the main reactor, and includes a plurality of cyclones that continuously recover the carbon from the powder raw material supplied from the main reactor, and a carbon screening system for secondary battery black powder. can be provided.
또한, 상기 사이클론 유닛은 상기 주 반응기의 상단부에 연속적으로 연결되는 제1 사이클론 및 제2 사이클론을 포함하고, 상기 제1 사이클론은 원심력을 이용하여 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료를 1차 선별하는 제1 사이클론부; 1차 선별된 상기 파우더 원료를 포집하도록 상기 제1 사이클론부의 하단에 연결되는 제1 회수부; 상기 주 반응기의 상단부와 상기 제1 사이클론부 사이를 연결하는 제1 유입관부; 및 상기 제1 사이클론부에서 상승 선회하는 파우더 원료를 상기 제1 사이클론부의 외부로 안내하는 제1 배출관부를 포함하고, 상기 제2 사이클론은 원심력을 이용하여 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료를 2차 선별하는 제2 사이클론부; 2차 선별된 상기 파우더 원료를 포집하도록 상기 제2 사이클론부의 하단에 연결되는 제2 회수부; 상기 제1 배출관부와 상기 제2 사이클론부 사이를 연결하는 제2 유입관부; 및 상기 제2 사이클론부에서 상승 선회하는 파우더 원료를 상기 제2 사이클론부의 외부로 안내하는 제2 배출관부를 포함하는, 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템이 제공될 수 있다. In addition, the cyclone unit includes a first cyclone and a second cyclone continuously connected to the upper end of the main reactor, and the first cyclone uses centrifugal force to 1 powder raw material containing more carbon than a preset amount. A first cyclone unit for sorting tea; a first recovery unit connected to the bottom of the first cyclone unit to collect the initially selected powder raw material; A first inlet pipe section connecting the upper end of the main reactor and the first cyclone section; and a first discharge pipe unit that guides the powder raw material rotating upward in the first cyclone unit to the outside of the first cyclone unit, wherein the second cyclone uses centrifugal force to supply powder raw material containing more carbon than a preset amount. A second cyclone unit that performs secondary selection; a second recovery unit connected to the bottom of the second cyclone unit to collect the secondary selected powder raw material; a second inlet pipe connecting the first discharge pipe and the second cyclone; And a carbon separation system for secondary battery black powder can be provided, including a second discharge pipe that guides the powder raw material rotating upward in the second cyclone unit to the outside of the second cyclone unit.
또한, 상기 주 반응기 및 상기 사이클론 유닛의 내벽에는 불소 수지 코팅(PTFE)이 형성되는, 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템이 제공될 수 있다.In addition, a carbon screening system for secondary battery black powder may be provided in which a fluororesin coating (PTFE) is formed on the inner walls of the main reactor and the cyclone unit.
또한, 상기 반응바디는 1단 바디부; 및 상기 1단 바디부의 직경보다 더 큰 직경을 가지도록 상기 1단 바디부의 상부에 경사지게 연결되는 2단 바디부를 포함하되, 상기 2단 바디부의 직경은 상기 1단 바디부의 직경보다 2배 이상 더 큰, 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템이 제공될 수 있다.Additionally, the reaction body includes a first-stage body portion; and a second-stage body part obliquely connected to the upper part of the first-stage body part so as to have a diameter larger than the diameter of the first-stage body part, wherein the diameter of the second-stage body part is at least twice as large as the diameter of the first-stage body part. , a carbon screening system for secondary battery black powder can be provided.
본 발명의 일 측면에 따르면, 파우더 원료를 주 반응기에 공급하는 단계; 상기 주 반응기 내 파우더 원료가 유동되도록 상기 주 반응기에 가스를 공급하는 단계; 상기 주 반응기의 상단부에 부유한 파우더 원료를 사이클론 유닛에 공급하는 단계; 및 상기 사이클론 유닛 내 파우더 원료로부터 탄소를 회수하는 단계를 포함하는, 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별방법이 제공될 수 있다.According to one aspect of the present invention, supplying powder raw materials to the main reactor; Supplying gas to the main reactor so that the powder raw material in the main reactor flows; Supplying powder raw materials suspended at the upper end of the main reactor to a cyclone unit; And a method of carbon selection of secondary battery black powder can be provided, including the step of recovering carbon from the powder raw material in the cyclone unit.
또한, 상기 탄소를 회수하는 단계는 상기 주 반응기의 상단부에 연결된 제1 사이클론를 통해, 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료를 1차 회수하고, 상기 제1 사이클론과 연속적으로 연결된 제2 사이클론을 통해, 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료를 2차 회수하는, 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별방법이 제공될 수 있다.In addition, the step of recovering carbon involves first recovering powder raw materials containing more carbon than a preset amount through a first cyclone connected to the upper end of the main reactor, and using a second cyclone continuously connected to the first cyclone. Through this, a carbon selection method for secondary battery black powder can be provided, which secondary recovery of powder raw materials containing more carbon than a preset amount.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 리튬 이차전지의 블랙 파우더에서 탄소를 선택적으로 분리하여 제거함으로써, 재활용하는 공정의 원료로 블랙 파우더를 사용할 때, 블랙 파우더에 대한 재활용 공정 효율을 향상시킬 수 있고, 이를 통해 이차전지 재활용 공정의 경제성을 향상시키고, 다양한 산업에 적용이 가능하다는 효과가 있다.In addition, according to embodiments of the present invention, by selectively separating and removing carbon from the black powder of a lithium secondary battery, the efficiency of the recycling process for black powder can be improved when black powder is used as a raw material for the recycling process. This has the effect of improving the economic feasibility of the secondary battery recycling process and making it applicable to various industries.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 블랙 파우더에 포함된 탄소를 밀도 분급을 이용하여 선별하여 제거함으로써, 블랙 파우더에 대한 고온 열처리 시 발생하는 COx 가스를 최소화시킬 수 있다는 효과가 있다.In addition, according to embodiments of the present invention, the carbon contained in the black powder is selected and removed using density classification, which has the effect of minimizing COx gas generated during high-temperature heat treatment of the black powder.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템의 분산판을 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템에 적용된 블랙 파우더의 열중량 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 1mm 분산홀의 분산판에서 회수한 블랙 파우더의 열중량 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 2mm 분산홀의 분산판에서 회수한 블랙 파우더의 열중량 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템을 도시한 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별방법을 도시한 순서도이다.Figure 1 is a configuration diagram showing a carbon separation system for secondary battery black powder according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a plan view showing a dispersion plate of a carbon separation system for secondary battery black powder according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph showing the results of thermogravimetric analysis of black powder applied to the carbon screening system for secondary battery black powder according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graph showing the results of thermogravimetric analysis of black powder recovered from a dispersion plate with 1 mm dispersion holes, according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a graph showing the results of thermogravimetric analysis of black powder recovered from a dispersion plate with 2 mm dispersion holes, according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a configuration diagram showing a carbon separation system for secondary battery black powder according to another embodiment of the present invention.
Figure 7 is a flowchart showing a method of carbon selection of secondary battery black powder according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다.Hereinafter, the configuration and operation according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. The following description is one of several aspects of the invention that can be claimed for patent, and the following description may form part of a detailed description of the invention.
다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.However, when describing the present invention, detailed descriptions of well-known structures or functions may be omitted for clarity of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can make various changes and include various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms including ordinal numbers, such as first, second, etc., may be used to describe various components, but the components are not limited by these terms. These terms are used only to distinguish one component from another.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템에 대하여 설명한다.Hereinafter, a carbon separation system for secondary battery black powder according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings.
도 1 내지 도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소선별시스템(10)은, 파우더 원료에 포함된 탄소를 밀도 분급을 통해 선별적으로 제거함으로써, 탄소가 제거된 파우더 원료에 대한 재활용 공정의 효율을 향상시킬 수 있다. 이러한 탄소선별시스템(10)은 원료 공급기(100), 주 반응기(200), 가스 공급기(300) 및 사이클론 유닛(400)을 포함할 수 있다.Referring to Figures 1 and 2, the carbon sorting system 10 according to an embodiment of the present invention selectively removes the carbon contained in the powder raw material through density classification, thereby providing a The efficiency of the recycling process can be improved. This carbon screening system 10 may include a raw material supplier 100, a main reactor 200, a gas supplier 300, and a cyclone unit 400.
원료 공급기(100)는 주 반응기(200)에 공급하기 위한 파우더 원료가 수용될 수 있다. 본 실시예에서, 파우더 원료는 리튬 이차전지의 재활용을 위해 폐 리튬 이차전지 팩의 해체/분리 공정 후 양극과 음극 내의 집전체를 제거하고 회수한 리튬이온 이차전지의 블랙 파우더일 수 있다. 블랙 파우더에는 탄소와 함께 유가금속인 Li, Ni, Co, Mn 등의 금속이 포함되어 있는데, 블랙 파우더로부터 탄소를 제거하면, 블랙 파우더에 포함된 유가금속에 대한 회수 효율이 증대될 수 있다. The raw material supplier 100 can accommodate powder raw materials for supplying to the main reactor 200. In this embodiment, the powder raw material may be black powder of a lithium-ion secondary battery recovered by removing the current collectors in the positive and negative electrodes after a disassembly/separation process of a waste lithium secondary battery pack for recycling of the lithium secondary battery. Black powder contains valuable metals such as Li, Ni, Co, and Mn along with carbon. If carbon is removed from black powder, the recovery efficiency for valuable metals contained in black powder can be increased.
원료 공급기(100)는 파우더 원료가 수용 가능한 원료 호퍼(110)와, 원료 호퍼(110)에 수용된 파우더 원료를 주 반응기(200)에 선택적으로 제공하는 원료 밸브(120)를 포함할 수 있다. 원료 밸브(120)는 파우더 원료가 원료 호퍼(110)에서 주 반응기(200)로 이동하는 이동 경로를 개폐함으로써, 원료 호퍼(110) 내 수용된 파우더 원료를 주 반응기(200)에 선택적으로 공급할 수 있다.The raw material supplier 100 may include a raw material hopper 110 that can accommodate powder raw materials, and a raw material valve 120 that selectively provides the powder raw materials accommodated in the raw material hopper 110 to the main reactor 200. The raw material valve 120 opens and closes the movement path through which the powder raw material moves from the raw material hopper 110 to the main reactor 200, thereby selectively supplying the powder raw material contained in the raw material hopper 110 to the main reactor 200. .
주 반응기(200)는 가스의 유동에 의해 파우더 원료가 상하방향으로 이동 가능한 공간을 제공할 수 있다. 주 반응기(200)는 반응바디(210) 및 분산판(220)을 포함할 수 있다. 반응바디(210)는 상하방향으로 유동 가능하도록 상하방향으로 연장 형성되는 장 챔버(211)를 제공할 수 있다. The main reactor 200 may provide a space where powder raw materials can move in the vertical direction by the flow of gas. The main reactor 200 may include a reaction body 210 and a dispersion plate 220. The reaction body 210 may provide a long chamber 211 extending in the vertical direction so as to be able to flow in the vertical direction.
주 반응기(200)의 내벽에는 불소 수지 코팅(PTFE)이 형성될 수 있다. 주 반응기(200)의 내부 표면에 불소 수지 코팅(PTFE)을 형성함으로써, 이차전지 블랙 파우더 내의 탄소가 정전기력이 높아 주 반응기(200)의 내부 표면에 융착될 때, 탄소 배출이 용이하게 이루어질 수 있고, 탄소의 회수율이 향상될 수 있다.A fluororesin coating (PTFE) may be formed on the inner wall of the main reactor 200. By forming a fluororesin coating (PTFE) on the inner surface of the main reactor 200, when the carbon in the secondary battery black powder has a high electrostatic force and is fused to the inner surface of the main reactor 200, carbon discharge can be easily achieved. , the recovery rate of carbon can be improved.
반응바디(210)의 길이는 파우더 원료의 원료/밀도 등을 고려하여 탄소를 선별적으로 부유시킬 수 있을 정도로 설계될 수 있다. 반응바디(210)의 길이는 파우더 원료의 유동거리와 대응될 수 있다. 본 실시예에서, 반응바디(210)의 길이는 1500mm일 수 있다. 반응바디(210)의 상단부에는 원료 공급기(100)가 연결될 수 있다. 하단부에는 가스 공급기(300)가 연결될 수 있다. The length of the reaction body 210 can be designed to selectively suspend carbon in consideration of the raw material/density of the powder raw material. The length of the reaction body 210 may correspond to the flow distance of the powder raw material. In this embodiment, the length of the reaction body 210 may be 1500 mm. A raw material supplier 100 may be connected to the upper part of the reaction body 210. A gas supplier 300 may be connected to the lower part.
한편, 탄소 분리를 위해 아래의 Wen&Yu (1966)의 공식(식1)을 이용하여 최소 유동화 속도를 계산해 유량을 선정할 수 있다. 이 Wen&Yu의 공식(식1)은 통상적으로 공식이므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. Meanwhile, for carbon separation, the flow rate can be selected by calculating the minimum fluidization speed using the formula (Equation 1) of Wen&Yu (1966) below. Since Wen&Yu's formula (Equation 1) is a conventional formula, detailed explanation thereof will be omitted.
[식 1][Equation 1]
다만, 알려진 유동 입자크기 및 입자밀도들을 나타내는 고체 유동 입자 특성으로, 기체 특성(기체 점도 및 기체 밀도) 의 함수인 아르키메데스 수와 관계된다. 그리고 최소유동화 속도보다 높은 유량을 사용하는 이유는, 본 최소 유동화 식에는 분산판을 고려하지 않았으므로, 분산판에 의해 감쇄되는 유량을 고려하여 최소 유동화 속도보다 높은 속도의 유속으로 실시하였다.However, it is a solid fluid particle property representing known fluid particle sizes and particle densities and is related to the Archimedes number, which is a function of gas properties (gas viscosity and gas density). The reason for using a flow rate higher than the minimum fluidization rate is because the dispersion plate was not considered in this minimum fluidization equation, and the flow rate attenuated by the dispersion plate was taken into consideration and a flow rate higher than the minimum fluidization rate was performed.
[표 2][Table 2]
표 2를 참고하면, NCM 블랙파우더 내 탄소의 평균 입도는 8, 10, 15미크론으로 각각 계산하였으며, 이때 밀도는 2,260 kg/m3으로 설정하였다. NCM 양극재는 10, 15, 25 미크론으로 밀도는 4,620 kg/m3으로 계산하였다. NCM 양극재는 탭밀도가 아닌 LiNiO2 밀도를 참조하였다. Referring to Table 2, the average particle size of carbon in NCM black powder was calculated to be 8, 10, and 15 microns, respectively, and the density was set to 2,260 kg/m 3 . NCM cathode materials were 10, 15, and 25 microns, and the density was calculated to be 4,620 kg/m 3 . For NCM cathode materials, LiNiO2 density was referenced, not tap density.
분산판(220)은 장 챔버(211)의 하부에 배치될 수 있다. 분산판(220)은 파우더 원료 내 탄소가 반응바디(210)의 상단부로 유동되도록 가스 공급기(300)로부터 공급받은 가스를 장 챔버(211)의 상측으로 전달할 수 있다. 분산판(220)에는 반응바디(210)와의 고정을 위한 클램핑홀(221)과 가스를 통과시키는 복수 개의 분산홀(222)이 형성될 수 있다. 복수 개의 분산홀(222)은 분산판(220)의 중심부에 형성되는 1mm 이상 2mm 이하 범위 직경의 관통홀일 수 있다. The dispersion plate 220 may be placed at the bottom of the intestinal chamber 211. The dispersion plate 220 can deliver the gas supplied from the gas supplier 300 to the upper side of the intestinal chamber 211 so that the carbon in the powder raw material flows to the upper part of the reaction body 210. The dispersion plate 220 may be formed with a clamping hole 221 for fixing the reaction body 210 and a plurality of dispersion holes 222 through which gas passes. The plurality of dispersion holes 222 may be through holes formed in the center of the dispersion plate 220 and having a diameter ranging from 1 mm to 2 mm.
분산홀(222)의 형태가 단순 타공 형태로 제작되어 분산홀(222)의 직경이 분말의 직경보다 큰 2mm 초과인 경우, 분산홀(222)의 직경에 의해 분말이 분산판(220)의 아래로 낙하할 수 있다. 분산홀(222)의 직경이 1mm 미만인 경우, 공기 주입이 원활하지 않으므로, 주 반응기(200) 내 공기의 투입시, 공기가 투입되는 주 반응기(200)의 공기투입부와 분산판(220) 사이에 양압이 형성될 수 있고, 분산판(220)의 상부로 가스 전달이 원활하지 않아 유동특성이 떨어질 수 있다. If the shape of the dispersion hole 222 is made in the form of a simple perforation and the diameter of the dispersion hole 222 is greater than 2 mm, which is larger than the diameter of the powder, the powder will be below the dispersion plate 220 due to the diameter of the dispersion hole 222. can fall. If the diameter of the dispersion hole 222 is less than 1 mm, air injection is not smooth, so when air is introduced into the main reactor 200, there is a gap between the air inlet part of the main reactor 200 into which the air is injected and the dispersion plate 220. Positive pressure may be formed, and gas delivery to the upper part of the dispersion plate 220 may not be smooth, resulting in poor flow characteristics.
가스 공급기(300)는 주 반응기(200) 내 파우더 원료가 유동되도록 주 반응기(200)의 장 챔버(211)에 가스를 공급할 수 있다. 가스 공급기(300)에서 공급되는 가스의 공급유량은 1 내지 100 LPM(Liter/Min) 범위일 수 있다. 가스의 공급유량이 1 LPM 미만이면, 주 반응기(200) 내에서, 파우더 원료를 유동시켜 탄소를 주 반응기(200)의 상단부측으로 부유시키기가 어려울 수 있고, 가스의 공급유량이 100 LPM 초과이면, 파우더 원료 내 무거운 물질도 탄소와 함께, 주 반응기(200)의 상단부측으로 부유되므로, 주 반응기(200) 내에서 탄소의 선별이 어려워질 수 있다.The gas supplier 300 may supply gas to the intestinal chamber 211 of the main reactor 200 so that the powder raw material in the main reactor 200 flows. The supply flow rate of gas supplied from the gas supplier 300 may range from 1 to 100 LPM (Liter/Min). If the gas supply flow rate is less than 1 LPM, it may be difficult to float the powder raw material to the upper end of the main reactor 200 within the main reactor 200, and if the gas supply flow rate is more than 100 LPM, Heavy materials in the powder raw material also float along with carbon toward the upper end of the main reactor 200, making it difficult to select carbon within the main reactor 200.
본 실시예에서, 가스 공급기(300)에서 공급되는 가스는, 20 내지 100 LPM의 공기를 사용하였지만, 이에 한정되지는 아니하며, 가스 공급기(300)에서 공급되는 가스는, 공기 이외에도, 파우더 원료 내 탄소를 원활하게 분급할 수 있는 다양한 종류의 가스가 사용될 수 있다. 일 예로, 가스 공급기(300)에서 공급되는 가스는, 아르곤, 질소 또는 이들을 적어도 포함하는 혼합 가스일 수 있다.In this embodiment, the gas supplied from the gas supplier 300 uses air of 20 to 100 LPM, but the gas supplied from the gas supplier 300 is not limited to this, and the gas supplied from the gas supplier 300 contains, in addition to air, carbon in the powder raw material. Various types of gas that can be smoothly classified can be used. For example, the gas supplied from the gas supplier 300 may be argon, nitrogen, or a mixed gas containing at least these.
사이클론 유닛(400)은 파우더 원료에 선회 흐름을 유도함으로써, 파우더 원료에 포함된 탄소를 분리 회수할 수 있다. 사이클론 유닛(400)은 주 반응기(200)의 상단부에 부유한 파우더 원료를 공급받을 수 있고, 공급받은 파우더 원료로부터 탄소를 회수할 수 있다. The cyclone unit 400 can separate and recover the carbon contained in the powder raw material by inducing a swirling flow in the powder raw material. The cyclone unit 400 can receive powder raw materials floating at the upper end of the main reactor 200, and can recover carbon from the supplied powder raw materials.
사이클론 유닛(400)의 내벽에는 블랙파우더에 다량 함유된 탄소와 양극재의 효과적인 분리를 위해 불소 수지 코팅이 형성될 수 있다. 이는 탄소의 높은 정전기에 의해, 사이클론 유닛(400)에 미립 탄소가 달라붙어 분급효율을 저하시킬 수 있기 때문이다. 이에 따라, 사이클론 유닛(400)의 내벽에 불소 수지 코팅을 형성함으로써, 정전기를 최소화 하고, 탄소의 회수를 효과적으로 향상시킬 수 있다. A fluororesin coating may be formed on the inner wall of the cyclone unit 400 to effectively separate the cathode material from the carbon contained in large amounts in the black powder. This is because fine carbon may stick to the cyclone unit 400 due to the high static electricity of carbon, reducing classification efficiency. Accordingly, by forming a fluororesin coating on the inner wall of the cyclone unit 400, static electricity can be minimized and carbon recovery can be effectively improved.
사이클론 유닛(400)은 주 반응기(200)의 상단부에 연속적으로 연결되는 복수 개의 사이클론으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 사이클론 유닛(400)은 주 반응기(200)의 상단부에 연속적으로 연결되는 제1 사이클론(410) 및 제2 사이클론(420)을 포함할 수 있다.The cyclone unit 400 may be composed of a plurality of cyclones continuously connected to the upper end of the main reactor 200. As an example, the cyclone unit 400 may include a first cyclone 410 and a second cyclone 420 continuously connected to the upper end of the main reactor 200.
제1 사이클론(410)은 제1 사이클론부(411), 제1 회수부(412), 제1 유입관부(413) 및 제1 배출관부(414)를 포함할 수 있다. 제1 사이클론부(411)는 원심력을 이용하여 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료를 1차 선별할 수 있다. 여기서, 탄소가 기 설정된 양을 포함된 파우더 원료는, 원료 공급기(100)를 통해 공급된 파우더 원료로 이해될 수 있고, 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료는, 원료 공급기(100)를 통해 공급된 파우더 원료에 포함된 탄소보다 더 많은 양의 탄소를 포함한 파우더 원료로 이해될 수 있다. The first cyclone 410 may include a first cyclone unit 411, a first recovery unit 412, a first inlet pipe unit 413, and a first discharge pipe unit 414. The first cyclone unit 411 may use centrifugal force to initially select powder raw materials containing more carbon than a preset amount. Here, the powder raw material containing a preset amount of carbon can be understood as the powder raw material supplied through the raw material supplier 100, and the powder raw material containing more carbon than the preset amount can be understood as the powder raw material supplied through the raw material supplier 100. It can be understood as a powder raw material containing a greater amount of carbon than the carbon contained in the powder raw materials supplied through .
제1 사이클론부(411)의 일측부는 제1 유입관부(413)가 편심되게 연결될 수 있다. 제1 사이클론부(411)의 내부로 유입된 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료는, 원심력에 의해 제1 사이클론부(411)의 내벽에 침착되고 중력과 아래쪽을 향하는 기류에 의해 제1 회수부(412)로 하강될 수 있다. 제1 회수부(412)는 제1 사이클론부(411)의 하단에 연결될 수 있다. 제1 회수부(412)는 제1 사이클론부(411)에서 하강되는 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료를 포집하여 회수할 수 있다. 제1 사이클론부(411)와 제1 회수부(412) 사이에는 제1 회수밸브(416)가 구비될 수 있다. 제1 회수밸브(416)는 제1 사이클론부(411)에서 제1 회수부(412)로 이동되는 경로를 선택적으로 개폐할 수 있다.One side of the first cyclone unit 411 may be eccentrically connected to the first inlet pipe unit 413. The powder raw material containing more carbon than the preset amount introduced into the first cyclone unit 411 is deposited on the inner wall of the first cyclone unit 411 by centrifugal force and is removed by gravity and a downward air flow. 1 can be lowered into the recovery unit 412. The first recovery unit 412 may be connected to the lower end of the first cyclone unit 411. The first recovery unit 412 may collect and recover the powder raw material containing more carbon than a preset amount descending from the first cyclone unit 411. A first recovery valve 416 may be provided between the first cyclone unit 411 and the first recovery unit 412. The first recovery valve 416 can selectively open and close the path from the first cyclone unit 411 to the first recovery unit 412.
제1 유입관부(413)는 주 반응기(200)의 상단부와 제1 사이클론부(411)의 일측부 사이를 연결할 수 있다. 제1 유입관부(413)에는 주 반응기(200)에서 제1 사이클론부(411)로 이동되는 이동 경로를 개폐하는 제1 유입밸브(415)가 구비될 수 있다. 제1 유입밸브(415)가 오픈되도록 조절되면, 주 반응기(200)의 상단부에 부유한 파우더 원료는 사이클론 유닛(400)으로 공급될 수 있다.The first inlet pipe portion 413 may connect the upper end of the main reactor 200 and one side of the first cyclone portion 411. The first inlet pipe unit 413 may be provided with a first inlet valve 415 that opens and closes the movement path from the main reactor 200 to the first cyclone unit 411. When the first inlet valve 415 is adjusted to open, the powder raw material floating at the upper end of the main reactor 200 can be supplied to the cyclone unit 400.
제1 배출관부(414)는 제1 사이클론부(411)의 상부 중앙에 배치될 수 있다. 제1 배출관부(414)는 제1 사이클론부(411)에서 상승 선회하는 파우더 원료를 제1 사이클론부(411)의 외부로 안내할 수 있다. 제1 배출관부(414)에는 제2 사이클론(420)의 제2 유입관부(423)가 연결될 수 있다. The first discharge pipe portion 414 may be disposed at the upper center of the first cyclone portion 411. The first discharge pipe unit 414 may guide the powder raw material rotating upward in the first cyclone unit 411 to the outside of the first cyclone unit 411. The second inlet pipe portion 423 of the second cyclone 420 may be connected to the first discharge pipe portion 414.
제2 사이클론(420)은 제2 사이클론부(421), 제2 회수부(422), 제2 유입관부(423) 및 제2 배출관부(424)를 포함할 수 있다. 제2 사이클론부(421)는 제1 사이클론(410)으로부터 공급받은 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료를 2차 선별할 수 있다. The second cyclone 420 may include a second cyclone unit 421, a second recovery unit 422, a second inlet pipe unit 423, and a second discharge pipe unit 424. The second cyclone unit 421 may secondarily select powder raw materials supplied from the first cyclone 410 containing more carbon than a preset amount.
제2 사이클론부(421)의 일측부는 제2 유입관부(423)가 편심되게 연결될 수 있다. 제2 사이클론부(421)의 내부로 유입된 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료는, 원심력에 의해 제2 사이클론부(421)의 내벽에 침착되고 중력과 아래쪽을 향하는 기류에 의해 제2 회수부(422)로 하강될 수 있다. 제2 회수부(422)는 제2 사이클론부(421)의 하단에 연결될 수 있다. 제2 회수부(422)는 제2 사이클론부(421)에서 하강되는 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료를 포집하여 회수할 수 있다. 제2 사이클론부(421)와 제2 회수부(422) 사이에는 제2 회수밸브(426)가 구비될 수 있다. 제2 회수밸브(426)는 제2 사이클론부(421)에서 제2 회수부(422)로 이동되는 경로를 선택적으로 개폐할 수 있다.One side of the second cyclone unit 421 may be eccentrically connected to the second inlet pipe unit 423. The powder raw material containing more carbon than the preset amount introduced into the second cyclone unit 421 is deposited on the inner wall of the second cyclone unit 421 by centrifugal force and is removed by gravity and a downward air flow. 2 It can be lowered into the recovery unit 422. The second recovery unit 422 may be connected to the lower end of the second cyclone unit 421. The second recovery unit 422 may collect and recover the powder raw material containing more carbon than a preset amount descending from the second cyclone unit 421. A second recovery valve 426 may be provided between the second cyclone unit 421 and the second recovery unit 422. The second recovery valve 426 can selectively open and close the path from the second cyclone unit 421 to the second recovery unit 422.
제2 유입관부(423)는 제1 사이클론(410)의 제1 배출관부(414)와 제2 사이클론부(421)의 일측부 사이를 연결할 수 있다. 제2 유입관부(423)에는 제1 사이클론(410)에서 제2 사이클론(420)으로 이동되는 이동 경로를 개폐하는 제2 유입밸브가 구비될 수 있다. 제2 유입밸브가 오픈되도록 조절되면, 제1 사이클론(410)에 배출된 파우더 원료는 제2 사이클론(420)으로 공급될 수 있다.The second inlet pipe portion 423 may connect one side of the first discharge pipe portion 414 of the first cyclone 410 and the second cyclone portion 421. The second inlet pipe portion 423 may be provided with a second inlet valve that opens and closes the movement path from the first cyclone 410 to the second cyclone 420. When the second inlet valve is adjusted to open, the powder raw material discharged to the first cyclone 410 may be supplied to the second cyclone 420.
제2 배출관부(424)는 제2 사이클론부(421)의 상부 중앙에 배치될 수 있다. 제2 배출관부(424)는 제2 사이클론부(421)에서 상승 선회하는 파우더 원료를 제2 사이클론부(421)의 외부로 안내할 수 있다. 제2 배출관부(424)에는 파우더 원료가 외부로 배출되는 경로를 선택적으로 개폐하는 배출밸브가 구비될 수 있다. The second discharge pipe unit 424 may be disposed at the upper center of the second cyclone unit 421. The second discharge pipe unit 424 may guide the powder raw material rotating upward in the second cyclone unit 421 to the outside of the second cyclone unit 421. The second discharge pipe portion 424 may be provided with a discharge valve that selectively opens and closes a path through which powder raw materials are discharged to the outside.
배출밸브는 주 반응기(200) 및 사이클론 유닛(400)의 차압 및 내부 압력을 전체적으로 조절할 수 있다. 예를 들어, 배출밸브가 클로우즈되면, 파우더 원료가 제2 사이클론(420)에서 외부로 배출되는 경로가 차단되므로, 주 반응기(200) 및 사이클론 유닛(400)의 내부 압력을 상승할 수 있다.The discharge valve can overall adjust the differential pressure and internal pressure of the main reactor 200 and the cyclone unit 400. For example, when the discharge valve is closed, the path through which powder raw materials are discharged from the second cyclone 420 to the outside is blocked, so the internal pressure of the main reactor 200 and the cyclone unit 400 may increase.
이들 주 반응기(200), 제1 사이클론(410) 및 제2 사이클론(420)은, 지지 프레임(500)에 의해 지지될 수 있다. 지지 프레임(500)은 주 반응기(200), 제1 사이클론(410) 및 제2 사이클론(420)을 지지하기 위한 하우징/구조물을 포함할 수 있다.These main reactors 200, the first cyclone 410, and the second cyclone 420 may be supported by the support frame 500. The support frame 500 may include a housing/structure for supporting the main reactor 200, the first cyclone 410, and the second cyclone 420.
[실시예] [Example]
본 발명의 구성은 리튬 이차전지에 집전체인 Cu, Al 이 제거된 블랙 파우더를 원료로 하여 유동층 건식 밀도 분급을 실시하였다. 주 반응기(200)는 파우더 원료 분말의 유동화를 시각적으로 확인할 수 있도록 50mm의 직경을 갖는 아크릴 재질로 제작되었다. In the configuration of the present invention, fluidized bed dry density classification was performed using black powder from which Cu and Al, which are current collectors, were removed from a lithium secondary battery as a raw material. The main reactor 200 was made of acrylic material with a diameter of 50 mm so that the fluidization of the powder raw material could be visually confirmed.
주 반응기(200)의 높이는 분산판으로부터 약 1500mm 높이로 설정함으로써, 파우더 원료 분말의 유동거리를 확보하였다. 파우더 원료에 포함된 탄소는 파우더 원료 내 다른 물질보다 상대적으로 밀도가 낮으므로, 사이클론 유닛(400)을 통해, 상대적으로 밀도가 낮은 탄소가 보다 많이 함유된 파우더 원료 분말을 회수할 수 있었다.The height of the main reactor 200 was set to about 1500 mm from the dispersion plate to ensure the flow distance of the powder raw material powder. Since the carbon contained in the powder raw material has a relatively lower density than other materials in the powder raw material, it was possible to recover the powder raw material containing more carbon with a relatively low density through the cyclone unit 400.
사이클론 유닛(400)은 연속하여 배치되는 제1 사이클론(410)과 제2 사이클론(420)으로 구성함으로써, 파우더 원료에 대한 분급 효율을 향상시켰다. 초기 300g 의 파우더 원료를 열중량 분석을 이용해 평균 탄소량을 측정하였다. The cyclone unit 400 is composed of a first cyclone 410 and a second cyclone 420 arranged in succession, thereby improving classification efficiency for powder raw materials. The average carbon content of the initial 300 g of powder raw material was measured using thermogravimetric analysis.
본 실시예에서 사용된 파우더 원료는 리튬 이차전지 양극과 음극, 그리고 바인더 및 기타 유기물이 혼재되어 있는 리튬이온 이차전지의 블랙 파우더이므로, 보다 정확한 탄소량의 확인을 위해, 카본/황(Carbon/Sulfur) 분석기와 열중량 분석기를 함께 분석 실시하였다. The powder raw material used in this example is the black powder of a lithium ion secondary battery containing a mixture of the positive and negative electrodes of a lithium secondary battery, a binder, and other organic substances. Therefore, in order to more accurately confirm the amount of carbon, carbon/sulfur (Carbon/Sulfur) was used. ) Analysis was performed using an analyzer and a thermogravimetric analyzer together.
먼저, 파우더 원료를 주 반응기(200)에 투입하고, 가스 공급기(300)를 통해 20 ~ 30 LPM의 공기를 주 반응기(200)에 공급함으로써, 주 반응기(200) 내 파우더 원료를 유동화시켰다. 주 반응기(200) 내 파우더 원료의 유동층의 안정적인 형성을 위해, 분산판을 주 반응기(200)에 설치하였다. 분산홀의 크기가 1mm 직경과 2mm 직경의 2 종류 분산판을 주 반응기(200)에 설치하여 실험하였다. 주 반응기(200) 내 파우더 원료를 일정 시간의 유동화시킨 후, 제1 사이클론(410)에 회수된 파우더 원료 분말의 열중량 분석을 실시하여 파우더 원료 대비 탄소량의 변화를 분석하였다. First, the powder raw material was introduced into the main reactor 200, and 20 to 30 LPM of air was supplied to the main reactor 200 through the gas supplier 300 to fluidize the powder raw material in the main reactor 200. In order to stably form a fluidized bed of powder raw materials in the main reactor (200), a dispersion plate was installed in the main reactor (200). Two types of dispersion plates with dispersion hole sizes of 1 mm diameter and 2 mm diameter were installed in the main reactor (200) and tested. After fluidizing the powder raw material in the main reactor 200 for a certain period of time, thermogravimetric analysis of the powder raw material recovered in the first cyclone 410 was performed to analyze the change in carbon content compared to the powder raw material.
도 3을 참고하면, 파우더 원료의 열중량 분석 결과, 370℃ 까지는 약 6%의 무게 감량이 있었다. 이때는 이차전지 전극 제조시 사용된 바인더 및 기타 유기물들이 분해되는 온도 영역으로 판단되었다. 600~800℃의 영역에서는 본격적인 탄소의 분해가 일어나는 것임을 유추할 수 있었다. 원료 탄소의 분석 결과는 아래의 표 2와 같다.Referring to Figure 3, as a result of thermogravimetric analysis of the powder raw material, there was a weight loss of about 6% up to 370°C. At this time, it was judged to be the temperature range where binders and other organic substances used in the manufacture of secondary battery electrodes decompose. It could be inferred that full-scale decomposition of carbon occurs in the range of 600 to 800°C. The analysis results of raw carbon are shown in Table 2 below.
[표 2][Table 2]
열중량 분석을 통해 800℃이상의 온도에서는 추가적인 무게감소가 일어나지 않았으며, 파우더 원료 분말에서 최종 57%의 질량이 존재하는 것으로 분석되었다. Through thermogravimetric analysis, no additional weight loss occurred at temperatures above 800°C, and it was analyzed that 57% of the final mass was present in the powder raw material powder.
도 4를 참고하면, 분산홀이 1mm인 분산판을 이용하여 파우더 원료에 대한 유동층 분급을 시험한 후, 제1 사이클론(410)에서 포집된 파우더 원료 분말의 열중량 분석 결과, 600℃까지는 파우더 원료와 동일한 무게감량을 나타냈으나, 800℃ 이상의 고온에서 최종 36.2%의 무게가 존재하는 것으로 분석되었다. Referring to FIG. 4, after testing the fluidized bed classification of the powder raw material using a dispersion plate with a dispersion hole of 1 mm, the thermogravimetric analysis of the powder raw material collected in the first cyclone 410 shows that the powder raw material is up to 600 ° C. It showed the same weight loss as , but it was analyzed that 36.2% of the final weight was present at a high temperature of over 800℃.
이는 열중량 분석 완료 후 탄소가 완전히 제거됐다는 가정 하에 잔여 무게만 비교했을 때 상대적으로 가벼운 탄소가 형성된 유동층에 의해 약 36%의 탄소가 1차 사이클론에 더 포집된 것을 확인할 수 있었다. 이는 1차 사이클론의 카본/황 분석 결과, 파우더 원료 분말의 탄소량은 평균 62.88%로 탄소의 정량 분급효율은 약 34%로 분석되었으며, 이는 열중량 분석과 유사한 것을 확인할 수 있었다.When comparing only the remaining weight, assuming that the carbon was completely removed after completing the thermogravimetric analysis, it was confirmed that about 36% more carbon was captured in the first cyclone by the fluidized bed in which relatively light carbon was formed. As a result of the carbon/sulfur analysis of the first cyclone, the carbon content of the powder raw material was analyzed to be 62.88% on average, and the quantitative classification efficiency of carbon was analyzed to be about 34%, which was confirmed to be similar to the thermogravimetric analysis.
도 5를 참고하면, 분산홀이 1mm인 분산판을 이용하여, 동일한 조건에서 유동층 분급을 시험한 열중량 분석 결과, 600℃까지 유사한 무게 감소 거동을 나타냈고 최종적으로 37.8%의 무게가 남았다. 이를 위와 같은 방법으로 환산했을 때 33%의 탄소가 제11 사이클론에 더 포집되었으며, 분산홀이 1mm인 분산판의 제1 사이클론(410)의 카본/황 분석 결과, 61.13%로 분급효율은 약 32%로 확인되었다.Referring to Figure 5, the results of thermogravimetric analysis testing fluidized bed classification under the same conditions using a dispersion plate with a dispersion hole of 1 mm showed similar weight loss behavior up to 600°C, with a final weight of 37.8% remaining. When converted to the same method as above, 33% more carbon was captured in the 11th cyclone, and as a result of carbon/sulfur analysis of the 1st cyclone 410 of the dispersion plate with a 1mm dispersion hole, the classification efficiency was 61.13%, which was about 32%. It was confirmed as %.
예컨대, 본 발명에 따른 탄소선별시스템을 통해, 파우더 원료 분말로부터 약 30%의 탄소를 건식 공정을 통해 제거할 수 있었으며, 이를 통해, 열처리를 통한 탄소 제거 시, COx 가스 발생량이 최대 30% 이상 감축될 수 있을 것으로 예상될 수 있다.For example, through the carbon screening system according to the present invention, about 30% of carbon could be removed from powder raw material powder through a dry process, and through this, when carbon was removed through heat treatment, COx gas generation was reduced by up to 30% or more. It can be expected that this will be possible.
한편, 도 6를 참고하면, 본 발명의 변형예로, 주 반응기(200)는 길이방향으로 서로 다른 직경을 갖는 다단의 반응바디(210)를 포함할 수 있다. 일 예로, 반응바디(210)는 1단 바디부(212)와, 1단 바디부(212)의 직경보다 더 큰 직경을 가지는 2단 바디부(213)를 제공하는 2단 구조일 수 있다. Meanwhile, referring to FIG. 6, as a modified example of the present invention, the main reactor 200 may include a multi-stage reaction body 210 having different diameters in the longitudinal direction. As an example, the reaction body 210 may have a two-stage structure providing a first-stage body part 212 and a second-stage body part 213 having a diameter larger than the diameter of the first-stage body part 212.
주 반응기(200)의 직경 크기가 서로 다른 2단으로 구성되는 경우, 직경이 증대되는 부분에서 유속이 감소하여 분급에 보다 용이해질 수 있다. 왜냐하면, 일정한 직경을 갖는 주 반응기의 경우, 주 반응기(200)의 상단까지 일정한 유속이 유지되기 때문에 유량과 압력을 보다 미세하게 조절해야하고, 주 반응기(200)의 길이가 상대적으로 높아야 한다. 반면에, 주 반응기(200)가 직경이 서로 다른 2단으로 제작되는 경우, 감소한 유속에 의해 상대적으로 무거운 분말이 재 침강이 일어나게 되므로, 일정한 직경을 갖는 주 반응기에 비하여 주 반응기(200)의 전체 높이가 감소될 수 있다.When the main reactor 200 is composed of two stages with different diameter sizes, the flow rate decreases in the portion where the diameter increases, making classification easier. This is because, in the case of a main reactor having a constant diameter, a constant flow rate is maintained up to the top of the main reactor 200, so the flow rate and pressure must be more finely adjusted, and the length of the main reactor 200 must be relatively high. On the other hand, when the main reactor 200 is manufactured in two stages with different diameters, relatively heavy powders re-sedimentation occurs due to the reduced flow rate, so compared to the main reactor with a constant diameter, the entire main reactor 200 Height may be reduced.
그리고 상부에 위치한 반응바디(210)는 하부에 위치한 반응바디(210)의 직경보다 최소 2배 이상 증가될 수 있다. 예컨대, 2단 바디부(213)의 직경은 1단 바디부(212)의 직경보다 최소 2배 이상일 수 있다. 이에 따라, 1단 바디부(212)에서 2단 바디부(213)로 상방향 이동하는 분말은, 유속의 감소로 인해 분산판(220)에서 1단 바디부(212)까지는 유동화는 지속적으로 진행되면서, 상대적으로 무거운 분말은 재 침강이 일어나고, 상대적으로 가벼운 탄소류들은 제1 사이클론(410) 부로 이동될 수 있다. And the reaction body 210 located at the top can be at least twice the diameter of the reaction body 210 located at the bottom. For example, the diameter of the second-stage body portion 213 may be at least twice the diameter of the first-stage body portion 212. Accordingly, the powder moving upward from the first-stage body portion 212 to the second-stage body portion 213 continues to be fluidized from the dispersion plate 220 to the first-stage body portion 212 due to a decrease in flow rate. As a result, relatively heavy powders re-sedimentation occurs, and relatively light carbon materials can be moved to the first cyclone 410.
2단 바디부(213)의 길이와 1단 바디부(212)의 길이를 비교하면, 2단 바디부(213)의 길이와 1단 바디부(212)의 길이의 비는, 1:1 비율이거나, 2단 바디부(213)의 길이가 1단 바디부(212)의 길이보다 더 짧을 수 있다. 이는 하이드로 사이클론 크기와는 큰 연관성은 없다. 하이드로 사이클론의 경우, 회수 효율을 위해 원통부의 높이, 원추부의 높이, 유입구의 높이, 유입구 폭 등을 고려하여 설계될 수 있고, 회수하고자 하는 물질의 입도, 밀도에 의해 정해질 수 있다. 추가적으로, 하이드로 사이클론의 설계는 가스 유입 속도 등이 고려될 수 있으며, 이러한 하이드로 사이클론의 설계는 반응바디의 설계값 보다 운용하는 조건(유량, 입도, 밀도 등)의 조건에 보다 종속적일 수 있다.When comparing the length of the second-stage body portion 213 and the length of the first-stage body portion 212, the ratio of the length of the second-stage body portion 213 to the length of the first-stage body portion 212 is a 1:1 ratio. Alternatively, the length of the second-stage body portion 213 may be shorter than the length of the first-stage body portion 212. This has little to do with the size of the hydrocyclone. In the case of a hydrocyclone, for recovery efficiency, it can be designed considering the height of the cylindrical part, the height of the conical part, the height of the inlet, the width of the inlet, etc., and can be determined by the particle size and density of the material to be recovered. Additionally, the design of the hydro cyclone may take into account the gas inflow rate, etc., and the design of the hydro cyclone may be more dependent on the operating conditions (flow rate, particle size, density, etc.) than the design value of the reaction body.
본 실시예에서, 주 반응기(200)는 직경이 서로 다른 2단 구조에 대하여 설명하였지만, 이에 한정되지는 아니하며, 주 반응기(200)는 직경이 서로 다른 3단 이상의 구조를 제공할 수 있다. In this embodiment, the main reactor 200 has been described as having a two-stage structure with different diameters, but it is not limited thereto, and the main reactor 200 may have a three-stage or more structure with different diameters.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method for carbon screening of secondary battery black powder according to an embodiment of the present invention will be described.
도 6을 참고하면, 이차전지 블랙 파우더의 탄소선별방법은, 파우더 원료를 주 반응기에 공급하는 단계(S100)와, 주 반응기에 가스를 공급하는 단계(S200)와, 파우더 원료를 사이클론 유닛에 공급하는 단계(S300)와, 탄소를 회수하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6, the carbon screening method for secondary battery black powder includes supplying powder raw materials to the main reactor (S100), supplying gas to the main reactor (S200), and supplying powder raw materials to the cyclone unit. It may include a step (S300) and a step of recovering carbon (S400).
상기 파우더 원료를 주 반응기에 공급하는 단계(S100)에서는, 원료 공급기에 수용된 파우더 원료가 주 반응기에 공급될 수 있다. 주 반응기에 공급되는 파우더 원료는 리튬이온 이차전지의 블랙 파우더일 수 있다. 주 반응기에는 분산홀이 1mm인 분산판 또는 분산홀이 2mm인 분산판이 설치될 수 있다.In the step of supplying the powder raw material to the main reactor (S100), the powder raw material contained in the raw material supply may be supplied to the main reactor. The powder raw material supplied to the main reactor may be black powder from a lithium-ion secondary battery. The main reactor may be installed with a dispersion plate with a 1 mm dispersion hole or a dispersion plate with a 2 mm dispersion hole.
상기 주 반응기에 가스를 공급하는 단계(S200)에서는, 파우더 원료가 주 반응기에 공급된 상태에서, 가스 공급기의 가스가 주 반응기에 공급될 수 있다. 주 반응기 내 가스의 공급에 의해, 주 반응기 내 파우더 원료는 유동층을 형성하면서 유동화될 수 있다. 가스 공급기에서 공급되는 가스의 공급유량은 1 내지 100 LPM(Liter/Min) 범위일 수 있다.In the step of supplying gas to the main reactor (S200), while the powder raw material is supplied to the main reactor, the gas from the gas supplier may be supplied to the main reactor. By supplying gas into the main reactor, the powder raw material within the main reactor can be fluidized while forming a fluidized bed. The supply flow rate of gas supplied from the gas supplier may range from 1 to 100 LPM (Liter/Min).
상기 파우더 원료를 사이클론 유닛에 공급하는 단계(S300)에서는, 주 반응기 내 가스 공급을 통해, 파우더 원료가 주 반응기에서 안정적인 유동층을 형성하면, 주 반응기의 상단부에 부유한 파우더 원료, 다시 말해, 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료가 사이클론 유닛에 공급될 수 있다.In the step of supplying the powder raw material to the cyclone unit (S300), when the powder raw material forms a stable fluidized layer in the main reactor through gas supply in the main reactor, the powder raw material floating at the upper part of the main reactor, that is, carbon Powder raw materials containing more than a preset amount may be supplied to the cyclone unit.
상기 탄소를 회수하는 단계(S400)에서는, 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료가 회수될 수 있다. 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료는, 원료 공급기에서 공급된 파우더 원료보다 더 많은 양의 탄소를 포함한 파우더 원료로 이해될 수 있다. In the carbon recovery step (S400), powder raw materials containing more carbon than a preset amount may be recovered. A powder raw material containing more carbon than a preset amount can be understood as a powder raw material containing a larger amount of carbon than the powder raw material supplied from the raw material supplier.
상기 탄소를 회수하는 단계(S400)에서는, 주 반응기의 상단부에 연결된 제1 사이클론를 통해, 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료를 1차 회수할 수 있고, 제1 사이클론과 연속적으로 연결된 제2 사이클론을 통해, 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료를 2차 회수할 수 있다. In the carbon recovery step (S400), the powder raw material containing more carbon than a preset amount can be first recovered through the first cyclone connected to the upper end of the main reactor, and the first cyclone continuously connected to the first cyclone. 2 Through the cyclone, powder raw materials containing more carbon than the preset amount can be recovered secondarily.
상술한 바와 같이, 본 발명은 리튬 이차전지의 블랙 파우더에서 탄소를 선택적으로 분리하여 제거함으로써, 재활용하는 공정의 원료로 블랙 파우더를 사용할 때, 블랙 파우더에 대한 재활용 공정 효율을 향상시킬 수 있고, 블랙 파우더에 포함된 탄소를 밀도 분급을 이용하여 선별하여 제거함으로써, 블랙 파우더에 대한 고온 열처리 시 발생하는 COx 가스를 최소화시킬 수 있다는 우수한 장점을 가진다.As described above, the present invention selectively separates and removes carbon from the black powder of a lithium secondary battery, thereby improving the efficiency of the recycling process for black powder when using black powder as a raw material for the recycling process. It has the excellent advantage of minimizing COx gas generated during high-temperature heat treatment of black powder by selecting and removing the carbon contained in the powder using density classification.
이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.Although embodiments of the present invention have been described above as specific embodiments, this is merely an example, and the present invention is not limited thereto, and should be construed as having the widest scope following the basic ideas disclosed in this specification. A person skilled in the art may implement a pattern of a shape not specified by combining/substituting the disclosed embodiments, but this also does not depart from the scope of the present invention. In addition, a person skilled in the art can easily change or modify the embodiments disclosed based on the present specification, and it is clear that such changes or modifications also fall within the scope of the present invention.
10 : 탄소선별시스템
20 : 탄소선별방법
100 : 원료 공급기 200 : 주 반응기
210 : 반응바디 220 : 분산판
221 : 분산홀 300 : 가스 공급기
400 : 사이클론 유닛 410 : 제1 사이클론
411 : 제1 사이클론부 412 : 제1 회수부
413 : 제1 유입관부 414 : 제1 배출관부
415 : 제1 유입밸브 416 : 제1 회수밸브
420 : 제2 사이클론 421 : 제2 사이클론부
422 : 제1 회수부 423 : 제1 유입관부
424 : 제1 배출관부 425 : 제1 유입밸브
426 : 제1 회수밸브 500 : 지지 프레임10: Carbon screening system
20: Carbon selection method
100: raw material supplier 200: main reactor
210: reaction body 220: dispersion plate
221: Dispersion hole 300: Gas supplier
400: Cyclone unit 410: First cyclone
411: first cyclone unit 412: first recovery unit
413: first inlet pipe 414: first discharge pipe
415: first inlet valve 416: first recovery valve
420: second cyclone 421: second cyclone unit
422: first recovery part 423: first inlet pipe part
424: first discharge pipe 425: first inlet valve
426: first recovery valve 500: support frame
Claims (10)
상기 파우더 원료가 상하방향으로 유동 가능하도록 상하방향으로 연장 형성되는 장 챔버를 제공하는 주 반응기;
상기 주 반응기 내 상기 파우더 원료가 유동되도록 상기 장 챔버에 가스를 공급하는 가스 공급기; 및
상기 주 반응기의 상단부에 연결되고, 상기 주 반응기의 상단부에 부유한 파우더 원료를 공급받아 상기 파우더 원료로부터 탄소를 회수하는 사이클론 유닛을 포함하는,
이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템.Raw material supply machine for supply of powder raw materials;
a main reactor providing a long chamber extending in the vertical direction so that the powder raw material can flow in the vertical direction;
A gas supplier for supplying gas to the intestinal chamber so that the powder raw material flows in the main reactor; and
A cyclone unit connected to the upper end of the main reactor, receiving powder raw materials floating at the upper end of the main reactor and recovering carbon from the powder raw materials,
Carbon sorting system for secondary battery black powder.
상기 주 반응기는
상단부에 상기 원료 공급기가 연결되고, 하단부에 상기 가스 공급기가 연결되며, 내부에 상기 장 챔버가 마련되는 반응바디; 및
상기 장 챔버의 하부에 배치되고, 상기 가스가 통과되도록 복수 개의 분산홀을 제공하는 분산판을 포함하는,
이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템.According to claim 1,
The main reactor is
A reaction body in which the raw material supplier is connected to the upper part, the gas supplier is connected to the lower part, and the intestinal chamber is provided therein; and
Disposed at the lower part of the intestinal chamber, comprising a dispersion plate providing a plurality of dispersion holes to allow the gas to pass through,
Carbon sorting system for secondary battery black powder.
상기 분산홀은
1mm 이상 2mm 이하 범위의 직경을 가지는,
이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템.According to claim 2,
The distribution hole is
Having a diameter ranging from 1 mm to 2 mm,
Carbon sorting system for secondary battery black powder.
상기 가스 공급기는
1 내지 100 LPM(Liter/Min) 범위의 가스를 상기 주 반응기에 공급하여 상기 파우더 원료를 유동시키는,
이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템.According to claim 1,
The gas supplier is
Supplying gas in the range of 1 to 100 LPM (Liter/Min) to the main reactor to flow the powder raw material,
Carbon sorting system for secondary battery black powder.
상기 사이클론 유닛은
상기 주 반응기의 상단부에 연속적으로 연결되어, 상기 주 반응기로부터 공급받은 상기 파우더 원료로부터 상기 탄소를 연속적으로 회수하는 복수 개의 사이클론을 포함하는,
이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템.According to claim 1,
The cyclone unit is
Containing a plurality of cyclones continuously connected to the upper end of the main reactor to continuously recover the carbon from the powder raw material supplied from the main reactor,
Carbon sorting system for secondary battery black powder.
상기 사이클론 유닛은
상기 주 반응기의 상단부에 연속적으로 연결되는 제1 사이클론 및 제2 사이클론을 포함하고,
상기 제1 사이클론은
원심력을 이용하여 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료를 1차 선별하는 제1 사이클론부;
1차 선별된 상기 파우더 원료를 포집하도록 상기 제1 사이클론부의 하단에 연결되는 제1 회수부;
상기 주 반응기의 상단부와 상기 제1 사이클론부 사이를 연결하는 제1 유입관부; 및
상기 제1 사이클론부에서 상승 선회하는 파우더 원료를 상기 제1 사이클론부의 외부로 안내하는 제1 배출관부를 포함하고,
상기 제2 사이클론은
원심력을 이용하여 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료를 2차 선별하는 제2 사이클론부;
2차 선별된 상기 파우더 원료를 포집하도록 상기 제2 사이클론부의 하단에 연결되는 제2 회수부;
상기 제1 배출관부와 상기 제2 사이클론부 사이를 연결하는 제2 유입관부; 및
상기 제2 사이클론부에서 상승 선회하는 파우더 원료를 상기 제2 사이클론부의 외부로 안내하는 제2 배출관부를 포함하는,
이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템.According to claim 5,
The cyclone unit is
It includes a first cyclone and a second cyclone continuously connected to the upper end of the main reactor,
The first cyclone is
A first cyclone unit that primarily selects powder raw materials containing more carbon than a preset amount using centrifugal force;
a first recovery unit connected to the bottom of the first cyclone unit to collect the initially selected powder raw material;
A first inlet pipe section connecting the upper end of the main reactor and the first cyclone section; and
It includes a first discharge pipe section that guides the powder raw material rotating upward in the first cyclone section to the outside of the first cyclone section,
The second cyclone is
a second cyclone unit that uses centrifugal force to secondarily select powder raw materials containing more carbon than a preset amount;
a second recovery unit connected to the bottom of the second cyclone unit to collect the secondary selected powder raw material;
a second inlet pipe connecting the first discharge pipe and the second cyclone; and
Comprising a second discharge pipe unit that guides the powder raw material rotating upward in the second cyclone unit to the outside of the second cyclone unit,
Carbon sorting system for secondary battery black powder.
상기 주 반응기 및 상기 사이클론 유닛의 내벽에는 불소 수지 코팅(PTFE)이 형성되는,
이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템.According to claim 1,
A fluororesin coating (PTFE) is formed on the inner walls of the main reactor and the cyclone unit,
Carbon sorting system for secondary battery black powder.
상기 반응바디는
1단 바디부; 및
상기 1단 바디부의 직경보다 더 큰 직경을 가지도록 상기 1단 바디부의 상부에 경사지게 연결되는 2단 바디부를 포함하되,
상기 2단 바디부의 직경은 상기 1단 바디부의 직경보다 2배 이상 더 큰,
이차전지 블랙 파우더의 탄소선별시스템.According to claim 2,
The reaction body is
1st stage body part; and
It includes a second-stage body part obliquely connected to the upper part of the first-stage body part so as to have a diameter larger than that of the first-stage body part,
The diameter of the second-stage body portion is more than two times larger than the diameter of the first-stage body portion,
Carbon sorting system for secondary battery black powder.
상기 주 반응기 내 파우더 원료가 유동되도록 상기 주 반응기에 가스를 공급하는 단계;
상기 주 반응기의 상단부에 부유한 파우더 원료를 사이클론 유닛에 공급하는 단계; 및
상기 사이클론 유닛 내 파우더 원료로부터 탄소를 회수하는 단계를 포함하는,
이차전지 블랙 파우더의 탄소선별방법.Supplying powder raw materials to the main reactor;
Supplying gas to the main reactor so that the powder raw material in the main reactor flows;
Supplying powder raw materials suspended at the upper end of the main reactor to a cyclone unit; and
Comprising the step of recovering carbon from the powder raw material in the cyclone unit,
Carbon screening method for secondary battery black powder.
상기 탄소를 회수하는 단계는
상기 주 반응기의 상단부에 연결된 제1 사이클론를 통해, 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료를 1차 회수하고, 상기 제1 사이클론과 연속적으로 연결된 제2 사이클론을 통해, 탄소가 기 설정된 양보다 더 많이 포함된 파우더 원료를 2차 회수하는,
이차전지 블랙 파우더의 탄소선별방법.According to claim 1,
The carbon recovery step is
Through a first cyclone connected to the upper end of the main reactor, a powder raw material containing more carbon than a preset amount is first recovered, and through a second cyclone continuously connected to the first cyclone, carbon is recovered more than a preset amount. Secondary recovery of powder raw materials containing more
Carbon screening method for secondary battery black powder.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220128291A KR20240048678A (en) | 2022-10-07 | 2022-10-07 | Carbon separation system of secondary battery black powder and carbon separation method thereof |
| JP2023174491A JP2024055855A (en) | 2022-10-07 | 2023-10-06 | Carbon sorting system and carbon sorting method for secondary battery black powder |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| KR20240048678A true KR20240048678A (en) | 2024-04-16 |
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2023
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