一种动力电池的真空裂解设备及其裂解方法
技术领域
本发明涉及电池分解提取技术领域，尤其涉及一种动力电池的真空裂解设备及其裂解方法。
背景技术
据工信部统计，2019年我国新能源汽车产销分别完成124.2万辆和120.6万辆，2019年全国锂离子电池产量157.2亿只，同比增长4.0％。3C小型电池寿命一般为1～2年，动力电池寿命一般为3～5年，海量的电池应用，必将带来海量的电池报废，废旧电池如果得不到有效处理将会对环境造成严重的危害。废旧电池中含有隔膜、粘结剂、电解液等有机物，处理时需要采用高温对其进行无害化处理。
传统的高温处理方法是单一地采用有氧热解或者无氧裂解的方法进行处理，传统的有氧热解方法在热解过程中容易产生二噁英，存在二次污染的风险；传统无氧裂解方法在裂解后产生焦油、焦炭等产物，裂解产物对后续的电池回收工艺产生负面影响，另外，裂解产生大量热量，热量不能回收。针对上述问题，需要进一步改进。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种有氧热解与无氧裂解结合，能避免二次污染、能避免裂解后产物对后续的工艺产生影响和能回收裂解后的热量的应用于动力电池的真空裂解设备。
为了实现上述目的，本发明采取以下方案：
一种动力电池的真空裂解设备，包括筒体，还包括从上至下设置的：
辊压装置，设于所述筒体内，所述辊压装置包括多个沿上下方向间隔设置的压辊和用于驱动所述压辊旋转的第五驱动装置；
第一密封装置，设于所述筒体内；
裂解装置，设于所述筒体内，所述裂解装置包括第一加热器、第一进气口、第一出气口和管道，所述第一加热器设于所述筒体外以使所述第一加热器对所述筒体的外表面进行加热，所述管道分别与所述第一加热器和所述第一出气口连接；
第二密封装置，设于所述筒体内；
热解装置，设于所述筒体内和位于所述第二密封装置的下方，所述热解装置包括第二加热器、第二进气口、第二出气口、第一搅拌桨和用于驱动所述第一搅拌桨旋转的第一驱动装置，所述第二加热器设于所述筒体外以使所述第二加热器对所述筒体的外表面进行加热，所述第二加热器与所述管道连接；
第三密封装置，设于所述筒体内。
根据本发明的一些实施例，所述裂解装置还包括横向设置的第一螺杆、第二驱动装置、桶体、螺旋桨、第三驱动装置和第一底板，所述第二驱动装置用于驱动所述第一螺杆旋转，第三驱动装置用于驱动所述螺旋桨旋转，所述桶体安装于所述第一螺杆的下方，所述第一底板安装于所述桶体的下方，所述螺旋桨位于所述桶体内且安装于所述第一底板上；所述桶体的直径小于所述筒体的直径，所述桶体的开口朝向向下方向，所述桶体的开口与所述第一底板之间设有间隙空间；所述螺旋桨的主轴为中空；其中，裂解完的材料通过所述主轴的中空掉落至所述第二密封装置上。
根据本发明的一些实施例，所述主轴和所述桶体都设有导气孔。
根据本发明的一些实施例，所述第一搅拌桨包括第一轴和多个桨叶组，多个桨叶组间隔分布于所述第一轴上，每个桨叶组包括多个第一桨叶，多个第一桨叶圆周间隔设于所述第一轴的外表面上。
根据本发明的一些实施例，所述第一密封装置、所述第二密封装置和所述第三密封装置都包括圆柱体、堵头和第四驱动装置，所述圆柱体的外表面与所述筒体的内表面抵接，所述圆柱体的中部设有导槽，所述堵头沿所述导槽上下移动，所述第四驱动装置用于驱动所述堵头移动，所述圆柱体内设有若干个倒料槽，所述倒料槽与所述导槽和所述圆柱体底部连接。
根据本发明的一些实施例，每个所述压辊都设有多个第一滚齿和多个比所述第一滚齿直径小的第二滚齿，每两个所述压辊之间，上方所述压辊的第一滚齿与下方所述压辊的第二滚齿相对应，上方所述压辊的第二滚齿与下方所述压辊的第一滚齿相对应。
根据本发明的一些实施例，所述辊压装置的上方设有进料装置，所述进料装置安装于所述筒体上，所述进料装置包括进料斗、出料口和第六驱动装置，所述进料斗设有进料槽，所述进料槽的底部与所述出料口连接，所述出料口与所述筒体连接，所述进料槽内设有第二螺杆，所述第六驱动装置用于驱动所述第二螺杆旋转。
根据本发明的一些实施例，所述第四驱动装置包括丝杆、蜗轮、蜗杆和第一电机，所述堵头中部设有通孔，所述通孔设有螺纹，所述堵头与所述丝杆连接，所述丝杆与所述蜗轮连接，所述蜗轮与所述蜗杆连接，所述蜗杆与所述第一电机连接。
根据本发明的一些实施例，所述圆柱体的上端面为圆锥形状。
根据本发明的一些实施例，多个所述桨叶组安装于所述第一轴上的主视图形状与所述第三密封装置的圆柱体上端面形状相匹配。
本发明还提供一种动力电池的真空裂解方法，包括以下步骤：
(1)将废旧动力电池从进料斗进料，再进入辊压机进行辊压处理，得到碎料；
(2)将碎料输送到裂解装置先预热，再升温，在惰性气氛或真空下，进行裂解，得到裂解气、固态裂解产物和不可裂解物；
(3)将固态裂解产物和不可裂解物输送到热解装置，在有氧氛围下进行热解，得到热解气和不可热解物；所述热解气主要成分为二氧化碳和水蒸气，所述不可热解物主要为正极材料粉、负极材料粉、铜粉、铁粉、铝粉及铜铁铝的氧化物。
优选地，步骤(1)中，所述辊压前还包括对废旧动力电池进行放电处理。
优选地，步骤(1)中，所述辊压的压力为50-150MPa，辊压的转速为0.5-2m/s，辊压的辊缝宽度为5-50mm。
优选地，步骤(2)中，所述裂解为梯度裂解，梯度温度为350℃-450℃、450℃-550℃、550℃-650℃，裂解时间为0.2-5h。
优选地，步骤(2)中，所述升温的速率为3-10℃/min。
优选地，步骤(2)中，所述裂解气为C3-C12的烯烃和烷烃的混合气。
优选地，步骤(2)中，所述预热的温度为100℃-200℃。
优选地，步骤(2)中，所述惰性气氛为氮气氛围；所述真空的压力为10-30kPa。
优选地，步骤(2)中，所述裂解气作为步骤(3)中热解的燃料。
优选地，步骤(3)中，所述热解的温度为400℃-600℃，热解的时间为0.5-5h，热解的压力为常压，气氛为空气或氧气，热解桨的转速为5-60r/min。
步骤(3)中，所述正极材料粉为镍钴锰酸锂、磷酸铁锂或锰酸锂中的一种；所述负极材料粉为石墨或钛酸锂中的一种。
优选地，步骤(3)中，还对所述正极材料粉或负极材料粉采用本领域常用的湿法冶金方法提取其中的金属Li、Ni、Co和Mn等有价金属元素。
有益效果：
(1)本发明动力电池的真空裂解设备安装有第一、二、三密封装置，将裂解装置和热解装置隔离，并且能实现物料传输和气体隔离相互不干扰，避免无氧区和有氧区之间的串气，增加裂解气的产出率，同时有效避免有害副产物的产生；
(2)本发明将电池裂解与热解相结合，充分利用二者的优势并克服其劣势，例如，对电池进行裂解，避免传统热解工艺产生二噁英的危害，裂解后进行热解，通过有氧热解使裂解后产出的焦油、焦炭进行彻底分解，避免传统单一裂解工艺副产物对后续工艺的增加酸碱耗量、增加固废渣量、增加废水处理难度等问题，以及利用裂解后排出的裂解气作为热解和裂解的燃料或预热热解装置，充分利用了资源；
(3)本发明在立式炉中的螺旋式裂解桨设计，使物料在上升传输的过程中，通过在裂解装置加热器不同位置设定不同的温度，可实现对废旧电池的梯度温控裂解，以使得废电池中不同种类的有机物料获得逐级的裂解，最终达到彻底的裂解并获得目标高热值裂解气；
(4)本发明采用一体式辊压、裂解、热解装置，实现对废旧电池一步全封闭式辊压、裂解、热解，精简中间传送环节，有效避免粉尘逸散，净化作业场所卫生环境，提高镍、钴、锰、锂等金属回收率。
附图说明
本发明的附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例的动力电池的真空裂解设备的筒体内部主视结构示意图；
图2为图1示出的第三密封装置与热解装置连接的局部放大结构示意图；
图3为图1示出的第一搅拌桨的结构示意图；
图4为图1示出的辊压装置的局部放大结构示意图；
图5为图1示出的进料装置的局部放大结构示意图。
附图标记：筒体100、第一密封装置200、圆柱体210、导槽211、倒料槽212、堵头220、通孔221、第四驱动装置230、丝杆231、蜗轮232、蜗杆233、第一电机234、裂解装置300、第一加热器310、隔热层311、第一进气口320、第一出气口330、管道340、第一螺杆350、第二驱动装置351、桶体360、间隙空间361、导气孔362、螺旋桨370、第三驱动装置371、主轴372、第一底板380、第二密封装置400、热解装置500、第二加热器510、第二进气口520、第二出气口530、第一搅拌桨540、第一轴541、桨叶组542、第一桨叶5421、第一驱动装置550、第三密封装置600、辊压装置700、压辊710、第一滚齿711、第二滚齿712、第五驱动装置720、进料装置800、进料斗810、进料槽811、出料口820、第六驱动装置830、第二螺杆840、出料装置900、第一挡块910、第三螺杆920、排料口930、第二电机940。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右和中等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。在仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，安装和连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1所示，根据本发明实施例的动力电池的真空裂解设备，包括筒体(100)，还包括从上至下依次设置的；
辊压装置700，辊压装置700包括多个沿上下方向间隔设置的压辊710和用于驱动压辊710旋转的第五驱动装置720，每个压辊710都设有多个第一滚齿711和多个比第一滚齿711直径小的第二滚齿712；
第一密封装置200，设于筒体100内；
裂解装置300，设于筒体100内，裂解装置300包括第一加热器310、第一进气口320、第一出气口330和管道340，第一加热器310设于筒体100外以使第一加热器310对筒体100的外表面进行加热，管道340分别与第一加热器310和第一出气口330连接；
第二密封装置400，设于筒体100内；
热解装置500，设于筒体100内，热解装置500包括第二加热器510、第二进气口520、第二出气口530、第一搅拌桨540和用于驱动动力电池的真空裂解设备第一搅拌桨540旋转的第一驱动装置550，第二加热器510设于筒体100外以使第二加热器510对筒体100的外表面进行加热，第二加热器510与管道340连接；
第三密封装置600，设于筒体100内。
例如，如图1所示，筒体100为竖直放置；第一加热器310和第二加热器510为圆筒式的燃气燃烧器，采用裂解气作为燃料，具体地，参考现有圆筒式的燃气燃烧器；第一密封装置200、第二密封装置400和第三密封装置600用于密封裂解装置300和热解装置500，以及用于输送材料，具体地，第一密封装置200、第二密封装置400和第三密封装置600可以为开关阀，也可以为筒体100内设有活动板和用于驱动活动板移动的气缸，活动板左右移动，从而实现密封和输送的功能；第一驱动装置550可以是电机，带动旋转气缸；
工作过程：将废电池经过进料斗810，再进入辊压装置700，首先经过辊压区，在压辊710的作用下使电池破裂或断裂，进入暂存区，打开第一密封装置200，使辊压后的电池掉落裂解装置300内，通过第一进气口320通入氮气且启动第一加热器310，使辊压后的电池在氮气内进行加热，从而裂解电池，裂解电池过程中会产生裂解气、固态裂解产物和不可裂解产物，裂解气通过第一出气口330排至管道340内，管道340不断对第一加热器310提供裂解气和对第一加热器310进行预热，使第一加热器310得到燃料的补给，进而保证第一加热器310持续加热粉碎的电池；裂解后，开启第二密封装置400将固态裂解产物及不可裂解产物掉落至热解装置500内，再关闭第一密封装置200和第二密封装置400，进而密封裂解装置300，同时，上述裂解装置300进行对下一批废电池进行裂解，进而保证裂解气的持续的产生，从而保证第一加热器310和第二加热器510燃料的供给，热解装置500通过第二进气口520通入氧气，同时启动第二加热器510和第一搅拌桨540，使固态裂解产物和不可裂解产物在含氧的状态下不断翻滚，进而使废电池裂解后所产生的裂解产物被彻底分解，热解后的尾气通过排气口排出热解装置500，热解后的电池经过第三密封装置600出料冷却，再进入下一个处理工序。
本发明实施例的动力电池的真空裂解设备安装有第一、二、三密封装置，将裂解装置300和热解装置500隔离，并且能实现物料传输和气体隔离相互不干扰，避免无氧区和有氧区之间的串气，增加裂解气的产出率，同时有效避免有害副产物如二噁英的产生；将电池裂解与热解相结合，充分利用二者的优势并克服其劣势，例如，对电池进行裂解，避免传统热解工艺产生二噁英的危害，裂解后进行热解，通过有氧热解使裂解后产出的焦油、焦炭进行彻底分解，避免传统单一裂解工艺副产物对后续工艺的增加酸碱耗量、增加固废渣量、增加废水处理难度等问题，以及利用裂解后排出的裂解气作为热解和裂解的燃料，充分利用了资源。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，裂解装置300还包括横向设置的第一螺杆350、第二驱动装置351、桶体360、螺旋桨370、第三驱动装置371和第一底板380，第二驱动装置351用于驱动第一螺杆350旋转，第三驱动装置371用于驱动螺旋桨370旋转，桶体360安装于第一螺杆350的下方，第一底板380安装于桶体360的下方，螺旋桨370位于桶体360内且安装于第一底板380上；桶体360的直径小于筒体100的直径，桶体360的开口朝向向下方向，桶体360的开口与第一底板380之间设有间隙空间361；螺旋桨370的主轴372为中空；其中，裂解完的材料通过主轴372的中空掉落至第二密封装置400上。例如，工作时，启动第二驱动装置351以使第一螺杆350旋转，打开第二密封装置400、第一加热装置和第三驱动装置371，使粉碎后的废电池掉至第一螺杆350上，第一螺杆350推动废电池移动，使废电池从筒体100的内壁和桶体360的外表面之间的空间掉落至第一底板380上，废电池在掉落的过程中被第一加热器310加热，底部的废电池被旋转的螺旋桨370提升至螺旋桨370的顶部，由于螺旋桨370的主轴372为中空，使位于顶部的废电池掉落至主轴372内等待第二密封装置400打开；由于废电池掉落过程被第一次加热和废电池被螺旋桨370提升进行第二次加热，进而使废电池实现梯度裂解和充分裂解废电池，从而产生高热值的裂解气；高热值的裂解气通过管道340通向第二加热器510，使第二加热器510被高热值的裂解气预热，进而减少热解装置500的预热时间和加快热解速度；第二驱动装置351和第三驱动装置371可以为电机，带动旋转气缸，涡轮与主轴372连接，蜗杆233与涡轮连接，蜗杆233与电机连接。
在本发明的进一步实施例中，如图1所示，主轴372和桶体360都设有导气孔362，以排出主轴372内的热解气和桶体360内的热解气。
在本发明的进一步实施例中，如图1、2所示，第一搅拌桨540包括第一轴541和多个桨叶组542，多个桨叶组542间隔分布于第一轴541上，每个桨叶组542包括多个第一桨叶5421，多个第一桨叶5421圆周间隔设于第一轴541的外表面上；例如，第一搅拌桨540为横向设置，多个桨叶组542左右依次间隔设置于第一轴541上，每个桨叶组542包括多个第一桨叶5421，多个第一桨叶5421以第一轴541为圆心，多个第一桨叶5421圆周间隔设于第一轴541的外表面上；具体地，多个桨叶组542可以两个、三个或三个以上，多个第一桨叶5421可以为两个、三个或三个以上，当四个第一桨叶5421时，四个第一桨叶5421呈十字设置；设有多个桨叶组542，以不断搅拌裂解后产物，防止产物堆积，细化产物，使细化后的产物与第二加热器510和氧气发生反应，进而加快热解产物的速度；位于第一轴541中间的桨叶组542的第一桨叶5421为“Y”字形状，其余桨叶组542的第一桨叶5421为“T”字形状，以方便搅拌底部的裂解后产物。
在本发明的一些实施例中，如图1、2所示，第一密封装置200、第二密封装置400和第三密封装置600都包括圆柱体210、堵头220和第四驱动装置230，圆柱体210的外表面与筒体100的内表面抵接，圆柱体210的中部设有导槽211，堵头220沿导槽211上下移动，第四驱动装置230用于驱动堵头220移动，圆柱体210内设有若干个倒料槽212，倒料槽212与导槽211和圆柱体210底部连接。例如，第四驱动装置230可以驱动气缸，也可以为堵头220与丝杆231连接，丝杆231与从动轮连接，从动轮通过链条与主动轮连接，主动轮与电机连接；工作时，第四驱动装置230带动堵头220在导槽211中上下移动，当堵头220移动至高于倒料槽212时，堵头220阻挡废电池进入，当堵头220移动至低于倒料槽212时，废电池通过倒料槽212流至圆柱体210的下方；具体地，倒料槽212为“O”形槽，若干个倒料槽212可以一个、两个或两个以上。
在本发明的一些实施例中，如图1、3所示，每两个压辊710之间，上方压辊710的第一滚齿711与下方压辊710的第二滚齿712相对应，上方压辊710的第二滚齿712与下方压辊710的第一滚齿711相对应。辊压装置700可以两个互相配合的粉碎辊，粉碎辊通过电机驱动，或者三个呈三角形分布的粉碎辊，粉碎辊通过电机驱动；例如，两个压辊710，其中一个压辊710上的第一滚齿711和第二滚齿712的排列方式为第一滚齿711、第二滚齿712、第一滚齿711、第二滚齿712、第一滚齿711等，另外一个压辊710上第一滚齿711和第二滚齿712的排列方式为第二滚齿712、第一滚齿711、第二滚齿712、第一滚齿711、第二滚齿712等，两个滚齿互相配合使废电池在两个滚齿间破裂或者断裂；具体地，每两个滚齿的间隙可以调节，通过调节滚齿间隙控制辊压电池破裂程度和破碎粒径，辊压装置700还设有泄压阀；第五驱动装置720为电机或旋转气缸。
在本发明的一些实施例中，如图1、5所示，辊压装置700的上方设有进料装置800，进料装置800安装于筒体100上，进料装置800包括进料斗810、出料口820和第六驱动装置830，进料斗810设有进料槽811，进料槽811的底部与出料口820连接，出料口820与筒体100连接，进料槽811内设有第二螺杆840，第六驱动装置830用于驱动第二螺杆840旋转。工作时，启动第六驱动装置830，废电池投入进料斗810，废电池掉入进料槽811，第二螺杆840推动废电池移动，使废电池经出料口820掉落至辊压装置700上；第六驱动装置830可以为电机或旋转气缸。
在本发明的进一步实施例中，如图2所示，第四驱动装置230包括丝杆231、蜗轮232、蜗杆233和第一电机234，堵头220中部设有通孔221，通孔221设有螺纹，堵头220与丝杆231连接，丝杆231与蜗轮232连接，蜗轮232与蜗杆233连接，蜗杆233与第一电机234连接。工作时，第一电机234启动，带动蜗杆233旋转，蜗杆233带动涡轮转动，涡轮带动丝杆231转动，进而丝杆231带动堵头220上下移动；涡轮和蜗杆233与丝杆231配合，利用蜗轮232蜗杆233的自锁特性，以能承受废电池掉落的冲击。
在本发明的进一步实施例中，如图2所示，圆柱体210的上端面为圆锥形状，以导向废电池汇聚于圆柱体210的中部，方便传送废电池。
在本发明的进一步实施例中，如图2所示，多个桨叶组542安装于第一轴541上的主视图形状与第三密封装置600的圆柱体210上端面形状相匹配，具体地，圆柱体210的上端面为圆锥形状，第一搅拌桨540为与圆锥形状配合的“菱形”形状；这样的结构以充分搅拌第一搅拌桨540底部的裂解后的产物。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，第一加热器310的外表面和第二加热器510的外表面都设有隔热层311，以防止热气丢失和保温。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，第三密封装置600的下方设有出料装置900，出料装置包括第一挡块910、第三螺杆920、排料口930和第二电机940，第三螺杆920设于第一挡块910的下方，排料口930位于第一挡块910的下方且设于第三螺杆920的下方，第二电机940用于驱动第三螺杆920旋转；具体地，第一挡块910的一端设于筒体100内壁的一侧，第一挡块910的另一端延伸筒体100的中部，第一挡块910的形状为直角三角形形状；工作时，热解后的材料掉至第一挡块910上，材料经第一挡块910的斜面掉落至第三螺杆920上，第三螺杆920推动材料经排料口930排出。
本发明的实施例中还提供一种动力电池真空裂解的方法，包括以下步骤：
(1)将废旧动力电池放电后，从进料装置800进料，再进入压力为100MPa和转速为0.5-2m/s的辊压装置700进行辊压处理，得到碎料；
(2)将碎料通过第一密封装置200输送到裂解装置先预热至200℃，再在升温度率为6℃/min下，升温至350℃-450℃、450℃-550℃、550℃-650℃，在惰性气氛下，进行梯度裂解2.5h，得到C3～C12的烯烃和烷烃的混合气、固态裂解产物和不可裂解物；
(3)将固态裂解产物和不可裂解物通过第二密封装置400输送到热解装置500中，在空气的氛围和500℃下进行热解3h，得到热解气和不可热解物；热解气主要成分为二氧化碳和水蒸气，不可热解物主要为正极材料粉、负极材料粉、铜粉、铁粉、铝粉及铜铁铝的氧化物。
在本说明书的描述中，参考术语“一些实施例”或、“可以想到的是”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
