鉛酸電池拆解工藝和設備研究現狀

龐海峰,丁文捷,李宏燕,張佃平

(寧夏大學機械工程學院,寧夏 銀川 750021)

鉛酸電池是目前應用較廣泛的一種電池,相比于其他類型電池,鉛酸電池的性能穩定、安全可靠、成本低,且能夠適應復雜環境下的使用要求[1]。如圖1 所示,在2018 年全球鉛酸電池產量升至42 419 萬kV·Ah 的背景下,我國鉛酸電池年產量占全球年產量的45%[2],無論是在消費端還是出口端,我國都占據著絕對地位。在各類鉛酸電池中,用于車輛的動力型鉛酸電池占比最大,達到四成[2]。近十年來,我國鉛酸電池的使用量急劇增長。廢舊鉛酸電池中的主要物質是鉛和硫酸,其中,鉛極板的質量分數為74%,硫酸的質量分數為20%,其他部分是塑料等配件[3]。

圖1 鉛酸電池的全球產量分布Fig.1 Global production distribution of lead-acid battery

我國的鉛儲量大約為1.6×107t,約占全球鉛儲量的20%。雖然我國總體鉛資源占比并不高,但我國的鉛制品出口卻占到了全世界的近一半。若不遏制這種趨勢,我國的鉛資源會逐漸枯竭[4]。從調查數據來看,再生鉛約占全世界鉛資源總量的一半左右,礦產鉛的占比在逐步減少[5]。我國再生鉛產業的發展不如歐美發達國家,如歐美精鉛產量的60%以上來自于再生鉛,而我國不到30%[6]。

研究相關統計數據可知,礦產鉛的生產成本遠高于回收再生鉛[7]。廢舊鉛的回收再生,既能保護環境,降低鉛的生產成本,又有利于形成一種資源環境友好型的循環生產模式。我國的廢舊鉛酸電池回收產業目前處于起步階段,回收技術和回收工藝還不夠成熟。國外大多采用破碎再分選的回收方式,技術體系相對比較成熟;而國內大多采用先拆解再分類的回收方式。目前,一些主流的拆解工藝是,將拆解后的廢舊鉛酸電池分解為酸液、鉛板集群組、塑料外殼和極柱金屬碎塊等;主流的拆解設備主要涉及盤型鋸鋸切、條形鋸鋸切和剪切等拆解方式。本文作者將從鉛酸電池的拆解工藝和拆解設備兩方面進行闡述。

1 鉛酸電池的拆解工藝

1.1 精細拆解工藝

廢舊鉛酸電池除了含量較高的鉛以外,還有塑料、電解液及部分有色金屬等可回收利用,破碎分選工藝通過拆解將各部分歸類回收。鉛酸電池由密度接近的鉛銻合金與鉛鈣合金、電解液、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)與聚氯乙烯(PVC)等組成。當前的廢舊鉛酸電池拆分工藝都采用“先混再分”的方式分選,這種分選方式存在分離不徹底的問題。如電池中構成極柱的鉛銻合金與構成鉛板的鉛鈣合金并不能夠實現完全分離,其他拆分物也存在分離不徹底的問題[8]。

鉛酸電池的拆解系統由不同的單個子系統組成,每個子系統拆解得到不同的物料。拆解系統還必須優化時間、成本、收益等因素,使生產收益、環境保護和生產成本等達到最佳。鉛酸電池的整個塑料外殼密封連接,電池內部通過匯流條連接上下兩部分,上部分由上端蓋和極柱構成,下部分由鉛板和塑料隔板構成。由于上下兩部分中的金屬物質含量不同,拆解時須從匯流條處切割,將所含金屬分離。廢舊鉛酸電池從匯流條處切割后,可將酸液倒出進行回收處理,對下半部分鉛板采用振動的方式進行分離。針對現有拆解分選工藝的不足,提出精細拆解工藝過程框架[8]。

精細化拆解工藝采用X 射線測量的方式,確定匯流條在電池中的相對位置,然后調節刀片的相對位置,使刀片在切割時能夠將匯流條精準切割[9]。切分后的電池上半部分主要是塑料外殼、極柱和匯流條,下半部分主要是塑料外殼和鉛板。通過翻轉機構,將下半部分鉛酸電池中的酸液排出,根據各分離物料質量密度的不同,進一步分離。

精細化拆解工藝中,切割分離會使塑料外殼與鉛板上脫落的鉛粉混在一起;水力分選和漂洗分選處理工藝中,廢水會造成鉛等重金屬污染。該工藝過程僅實現了機械化回收,并未達到自動化和數字化生產的技術水平,因此還有較大的提升空間。

1.2 切割、翻轉與振動分離工藝

切割分離工藝是采用X 光機測定匯流條的位置信息,刀片升降裝置收到相關信息后,通過液壓缸調節刀片,保證在切割過程中能將匯流條完全切除。通過側面和頂部的夾緊裝置將鉛酸電池固定,由送料裝置將鉛酸電池輸送至切割位置,進行切割分離。切割后的上蓋進入切割物料收集裝置做后續處理;切割上蓋后的鉛酸電池進行翻轉放酸處理,翻轉后槽體開口朝下,將鉛酸電池中的酸液全部排入酸液收集槽中。放完酸后,進行塑料槽體與鉛板之間的分離,通過振動分離設備的振動作用,使槽體與鉛板之間的連接松動,以便進行分離,分離后的鉛板與塑料外殼進入物料收集槽中,進行下一步處理。在切割設備上方均設有廢氣收集裝置,對生產過程中產生的廢氣進行收集處理,不會對環境產生氣體污染。在排酸過程中產生的硫酸霧也需進行收集、脫硫處理,生產廢水經處理后循環使用,采用可編程邏輯控制器(PLC)系統精準控制[10]。工藝流程圖如圖2 所示。

圖2 切割翻轉振動工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of cutting and flipping vibration

該切割分選工藝與傳統的破碎分選工藝相比,解決了鉛銻合金與鉛鈣合金分離難、鉛膏雜質較多的問題,減少了固體廢物污染,提高了廢舊鉛酸電池的資源利用率和拆解收益。這種回收工藝相較于其他工藝,技術改進不多,在技術上存在很多不足,如采用切割后進行放酸處理的方法,在反轉過程中酸液飛濺,會對設備造成腐蝕破壞,且對切割刀具材料的選用也有較高的要求。如果設備整體采用耐酸耐腐蝕的材料,無疑會增加生產成本。由此可見,該工藝還不夠完善,不能精準有效地細分廢舊鉛酸電池的組成物質,進行高效的回收利用。

1.3 預處理工藝

談大偉[11]提出的廢舊鉛酸電池預處理工藝中,將廢舊鉛酸電池的整個回收分為兩大步:第一步是上料;第二步是鋸切分離。第一步的主要功能是通過輸送帶將回收處理的廢舊鉛酸電池輸送到處理的位置,然后測定鋸切位置;第二步的主要功能是將廢舊鉛酸電池進行鋸切分離,將鋸切后的各類物料進行分類回收。

主要的工藝流程是先將處理的廢舊鉛酸電池整齊碼放在上料位置;再通過機械手抓取到輸送帶上,在輸送過程中,由X 成像設備獲取鉛酸電池內部結構圖像信息[12],經過圖像處理,獲取電池的切割點。通過輸送帶,將處理的廢舊鉛酸電池送入鋸床,進行鋸切。從匯流條處將電池拆分為兩部分,上部分主要是上端蓋和極柱,下部分主要是鉛板和塑料外殼。對拆分后的下半部分進行翻轉振動處理,鉛板與塑料外殼分離。下方設置有篩網,廢酸液通過篩網流入下方的酸液收集槽中,經過初步分離,得到塑料殼體、廢酸液、極柱和鉛板等。

分離后的上端蓋部分也含有少量酸液和鉛泥雜質,在進行后續的破碎處理時,需先將上端蓋的酸液和鉛泥沖洗掉。然后,對上端蓋進行初步破碎水力分離,分離后的沉積物還含有少量塑料,需要進行二次分離,以實現上端蓋塑料與極柱金屬物質的完全分離。下半部分的塑料槽體與鉛板在破碎處理前,也需進行殘留酸液和鉛泥的清洗處理。通過多級破碎振動的方式,篩分為鉛泥、塑料[材料為PE、PP、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯(ABS)等]及鉛鈣合金[13]。

該工藝通過鋸切的“四分”(上蓋部分、槽體部分、鉛板部分和稀硫酸部分),進一步細破碎、細分選,分別得到純凈的鉛鈣合金和鉛銻合金。這種物理切割法的特點是有效分離鉛鈣合金和鉛銻合金,便于后續對不同的合金物質進行分別提煉,避免提煉過程導致的金屬物質廢棄,提高廢舊鉛酸電池中金屬的回收利用率。因為各物質的分離比較徹底,提煉時,就能減少廢煙、廢氣等污染物的產生。該工藝的缺點是:①并未實現全自動化生產,還需人工上料;②切割前并未進行放酸處理,會對切割設備產生嚴重的腐蝕;③采用沖洗方式,會產生大量的廢水,對廢水進行無害化處理,會導致生產成本增加;若不處理,會對周邊環境造成污染,與國外類似的破碎沖洗分選工藝相比,并沒有較大的技術改進。

1.4 水力破碎分選(CX)技術

CX 技術[14]是意大利有色金屬冶煉公司研發的,方法主要是將回收的鉛酸電池集中堆放,進行破碎處理,破碎后,所有碎片進行一級水力分選。根據破碎后物料密度的不同,主要分選為兩大類:一類是密度較大的金屬類分離物;另一類是塑料和鉛泥等混合物,還需進一步分離。利用振動篩分的方式,將一級分離的混合物分選為鉛泥和有機物,使用步進式除膏機分離出鉛膏,對有機物進行二級水力分選,分選出塑料和隔板。CX 技術會造成污染,如水洗后的污水含有重金屬,直接排放會造成環境污染。對污水進行凈化處理時,會提高整體生產成本。CX 技術工藝流程圖見圖3[15]。

圖3 水力分選系統流程圖Fig.3 Flow chart of hydraulic separation system

CX 回收工藝存在一定的缺陷:在一級水力分選時,鉛銻、鉛鈣合金混合物因密度、粒度接近而無法進一步分離,只能進行混合熔煉。混合熔煉會提煉出一部分鉛錠,但也會產生大量的鉛渣,在混合的過程中,鉛銻合金與鉛鈣合金發生化學反應,生成銻酸鈣、硒酸鈣等物質,會造成銻、硒等金屬的浪費。步進式除膏機刮出的鉛膏混有外殼塑料、外殼灰塵泥土和其他雜質,只能通過火法冶煉,由此產生的廢棄鉛渣含有破碎的外殼、外殼泥土和火法冶煉時添加的還原鐵屑和助劑等化合物。一級水力分選時排出的廢水,含有鉛等重金屬物質,需要進行處理,會使成本增加、收益降低。

2 廢舊鉛酸電池分拆設備

目前,國內主流的廢舊鉛酸電池拆解設備以切割分離或鋸切式分離為主,較少采用國外的破碎分選技術。隨著廢舊鉛酸電池拆解技術的發展,目前主要的廢舊鉛酸電池拆解設備有:鉛酸電池刀切分離機、面向廢舊動力鉛酸電池的自適應拆解機構、廢舊鉛酸電池破拆裝置和鋸切裝置等。這些設備基本實現了廢舊鉛酸電池的機械化回收,但離自動化和數字化回收還有很大的差距,需要進一步的技術升級,使廢舊鉛酸電池回收產業向數字化、智能化、綠色環保的方向發展。

2.1 鉛酸電池刀切分離機

刀切分離機包括4 個部分:夾緊裝置、送料裝置、鉛酸電池固定裝置以及刀片升移裝置。夾緊裝置與鉛酸電池固定裝置都使用氣缸驅動。兩個氣缸分別在端部安裝有壓板及導桿,通過雙導桿和氣缸組合的方式,替代雙導桿氣缸,采用此方法可以節省空間。夾緊裝置與送料裝置在動作時,位移速度與相對位置必須達到設計要求,采用液壓缸作為驅動裝置,具有反應靈敏,便于控制的優點。電池固定裝置、刀片升移裝置、送料裝置均安裝在底板上,為使刀片便于連接上蓋收集裝置,將刀片升移裝置與振動分離裝置相連。夾緊裝置安裝在輥子運輸線的另一側,與刀切分離機空腔相對應。在輥子運輸線的端部安裝有側擋板,由輥子運輸線運送來的鉛酸電池,通過側擋板停靠在空腔與夾緊裝置中間[16]。

根據X 光機測得的數據調節刀片位置。輸送裝置將要切割的廢舊鉛酸電池運來,由夾緊裝置送入預定的空腔位置,壓緊固定。此時,下壓裝置中的氣缸開始運動。經過下壓裝置壓緊定位后,液壓缸將電池推送至刀片升降裝置處,進行刀切。切割完成后,液壓缸繼續推送下槽體至振動分離裝置,上蓋被收集至上蓋收集平臺。經過一系列的動作,最終刀切成上蓋和下槽體兩部分,并通過后續的振動分離裝置,將下槽體進行分離并分類回收。此過程全部采用液壓系統和氣動系統進行作業,使用PLC 系統對液壓和氣動系統進行控制,實現鉛酸電池刀切分離機的全自動化作業,刀切分離機能夠達到逐步分離式回收預處理生產線的生產要求。刀片升降裝置中,采用液壓升降刀片的方式調節切割高度,使刀切分離機可以對不同尺寸的廢舊鉛酸電池進行切割[17]。

鉛酸電池刀切分離機克服了老舊刀切分離機切分工序不連貫、對切分物料進行重復轉移的弊端,可對不同尺寸的鉛酸電池進行切割,切割效率高、可靠性高、運行穩定。該設備存在的問題是:拆解分割的過程不夠精細化,僅對鉛板、頂蓋和塑料外殼進行粗略拆分,未進行后續的分類回收處理。在設備中,刀片的提升和電池的壓緊都由氣缸推動,氣缸的工作壓力為0.4～0.6 MPa,輸出力和輸出力矩都不大,傳動效率低;同時,空氣可壓縮性大,較難實現精密控制。

2.2 變間距凸輪機構

由鉛酸電池的內部結構可知,鉛鈣合金主要在鉛板部分,鉛銻合金主要在上端蓋的極柱部分。分離鉛板與塑料殼體時,由于電池內部的裝配關系,鉛板與殼體之間存在摩擦力,采用振動和夾取的方式較難分離。首先,采用切割分離的方式,從匯流條處將廢舊鉛酸電池拆分;然后,通過視覺成像儀獲取拆分后下半部分的內部結構信息,傳遞至自適應拆解機構,自適應拆解機構根據獲取的信息自動調節推桿間距,將鉛板與塑料槽體分離;最后,對拆分的各物料進一步破碎分選,將各個組件分別分離成純凈鉛銻合金、純凈鉛鈣合金、干凈鉛膏、稀硫酸和塑料等組分[18]。

變間距凸輪機構具有結構簡單、工作可靠與動力傳遞效率高等優勢。自適應拆解機構可用于各種型號廢舊鉛酸電池的拆分,操作簡便,使用范圍廣,提高了廢舊鉛酸電池的拆解效率。鉛板集群組與槽體之間存在裝配壓力,不易將鉛板隔膜與槽體分離,使用變間距凸輪機構將鉛板集群組推出,可解決鉛板集群組與槽體分離困難的問題。此方法也存在一些不足:變間距凸輪機構的推板尺寸是固定的,不同型號的電池槽體尺寸不同,槽體間隙過大,會使部分鉛板推不出來,槽體間隙過小,會使推板無法進入槽體作業。該變間距凸輪機構僅適用于固定型號的鉛酸電池,工作效率低,在實際生產中并不實用。

2.3 破拆單元關鍵技術及裝備

鉛酸電池破拆裝備主要由鉛酸電池的裝夾機構和鋸切機構兩大部分構成。裝夾機構由液壓缸提供動力,通過液壓缸的驅動連桿機構控制夾板來夾緊將要切割的廢舊鉛酸電池;在夾緊裝置的側面設有推板裝置,切割時,將廢舊鉛酸電池的上下面切除,通過推板將鉛板從塑料殼體中推出,實現鉛板與塑料外殼的分離。鋸切部分由一臺三相電機驅動,通過三角形支架固定在底座上,底座下方設置橫向和縱向的導軌裝置,由伺服電機和絲杠驅動實現工作臺的x、y方向進給。通過V 形帶傳動來驅動鋸片旋轉;夾持機構與鋸切機構相對放置,推動切割機構向夾持機構方向運動,進行電池的切割[16]。

此破拆裝置減少了大量人力,降低了車間工人的勞動強度,提高了廢舊鉛酸電池拆解的機械化強度,但并沒有解決上料自動化的問題,需要人工進行裝夾電池,效率低。裝夾過程的不連續,會導致整個切割速度緩慢,降低切割效率。在切割過程中,鋸片的振動幅度過大,會使電池外殼塑料碎片飛濺,具有一定的危險。

2.4 廢舊鉛酸電池鋸切裝置

廢舊鉛酸電池鋸切裝置如圖4 所示。

圖4 廢舊鉛酸電池鋸切機床示意圖[11]Fig.4 Schematic diagram of spent lead-acid battery sawing machine[11]

在位置d 由夾具小車夾取將要切割的廢舊鉛酸電池,然后在水平方向上運動至a 位置,完成逆時針方向90°的翻轉動作后,進行電池頂蓋的切除。在a 位置下方設有上蓋收集裝置,完成上蓋切除工序。夾具小車在水平方向上開始回程運動,運動到b 位置時,夾具小車完成順時針方向180°的翻轉動作,繼續在水平方向上運動到c 位置,此時氣缸驅動撞桿敲擊夾具,使塑料殼體中的鉛板分離出來。在位置c 處設有鉛板收集裝置,完成鉛板與塑料殼體的分離后,夾具小車繼續運動到d 位置,將塑料殼體排入下方的收集裝置中,此時夾具小車需要逆時針翻轉90°調整到初始位置,以便進行下一次的電池裝夾。在整個鋸切過程中,電池的夾緊由氣缸作為驅動件完成,夾具小車在水平方向的運動由伺服電機驅動,夾具小車的翻轉動作由氣缸驅動齒輪齒條機構完成,鋸切過程中帶鋸位置的調整由液壓缸驅動完成,最終將廢舊鉛酸電池拆分為上蓋、鉛板和塑料殼體等3 大部分[11]。

這種切割機床可實現流水線的全自動化,節省人工成本,滿足廢舊鉛酸電池專用鋸床的基本要求,使廢舊鉛酸電池的拆解達到機械化水準。不足之處在于:電池上料仍需人工將電池放到裝夾平臺上,使整個切割的效率降低;將頂蓋切除后,電池塑料外殼的支撐硬度不夠,會出現變形的情況。如果夾緊力過大,可能會使電池彈出裝夾裝置;如果夾緊力過小,下一工序時可能會發生電池從裝夾裝置脫落的情況。

3 結論與展望

上述幾種設備主要解決了鉛酸電池拆解過程中出現的某一方面的問題。相對于目前國內外的廢舊鉛酸電池切割工藝而言,工藝還不夠完善,不能將各類金屬有效回收,都有很大的改進空間。部分工藝設計過程復雜、難以實現,且生產成本過高;部分生產工藝還會產生再污染,如用水沖洗等方式會產生大量被污染的廢水,直接排放會對環境產生危害,進行凈化處理又會增加生產成本。總體而言,目前各類廢舊鉛酸電池的回收工藝還不夠完善,有待改進和提高。

目前,我國廢舊鉛酸電池回收行業的工藝水平總體而言還有待提高,技術裝備水平低、金屬回收率低且能耗高,廢舊鉛酸電池的回收處理產業發展緩慢。工廠回收的廢舊鉛酸電池來源于各個應用領域,型號、種類繁多,對于建立廢舊鉛酸電池的回收體系提出了挑戰。廢舊電池需要采用更先進的技術支撐體系來實現拆解工藝,真正做到回收的清潔環保、精細高效,最終實現智能化、數字化拆解回收。