铅酸电池拆解工艺和设备研究现状

庞海峰,丁文捷,李宏燕,张佃平

(宁夏大学机械工程学院,宁夏 银川 750021)

铅酸电池是目前应用较广泛的一种电池,相比于其他类型电池,铅酸电池的性能稳定、安全可靠、成本低,且能够适应复杂环境下的使用要求[1]。如图1 所示,在2018 年全球铅酸电池产量升至42 419 万kV·Ah 的背景下,我国铅酸电池年产量占全球年产量的45%[2],无论是在消费端还是出口端,我国都占据着绝对地位。在各类铅酸电池中,用于车辆的动力型铅酸电池占比最大,达到四成[2]。近十年来,我国铅酸电池的使用量急剧增长。废旧铅酸电池中的主要物质是铅和硫酸,其中,铅极板的质量分数为74%,硫酸的质量分数为20%,其他部分是塑料等配件[3]。

图1 铅酸电池的全球产量分布Fig.1 Global production distribution of lead-acid battery

我国的铅储量大约为1.6×107t,约占全球铅储量的20%。虽然我国总体铅资源占比并不高,但我国的铅制品出口却占到了全世界的近一半。若不遏制这种趋势,我国的铅资源会逐渐枯竭[4]。从调查数据来看,再生铅约占全世界铅资源总量的一半左右,矿产铅的占比在逐步减少[5]。我国再生铅产业的发展不如欧美发达国家,如欧美精铅产量的60%以上来自于再生铅,而我国不到30%[6]。

研究相关统计数据可知,矿产铅的生产成本远高于回收再生铅[7]。废旧铅的回收再生,既能保护环境,降低铅的生产成本,又有利于形成一种资源环境友好型的循环生产模式。我国的废旧铅酸电池回收产业目前处于起步阶段,回收技术和回收工艺还不够成熟。国外大多采用破碎再分选的回收方式,技术体系相对比较成熟;而国内大多采用先拆解再分类的回收方式。目前,一些主流的拆解工艺是,将拆解后的废旧铅酸电池分解为酸液、铅板集群组、塑料外壳和极柱金属碎块等;主流的拆解设备主要涉及盘型锯锯切、条形锯锯切和剪切等拆解方式。本文作者将从铅酸电池的拆解工艺和拆解设备两方面进行阐述。

1 铅酸电池的拆解工艺

1.1 精细拆解工艺

废旧铅酸电池除了含量较高的铅以外,还有塑料、电解液及部分有色金属等可回收利用,破碎分选工艺通过拆解将各部分归类回收。铅酸电池由密度接近的铅锑合金与铅钙合金、电解液、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)与聚氯乙烯(PVC)等组成。当前的废旧铅酸电池拆分工艺都采用“先混再分”的方式分选,这种分选方式存在分离不彻底的问题。如电池中构成极柱的铅锑合金与构成铅板的铅钙合金并不能够实现完全分离,其他拆分物也存在分离不彻底的问题[8]。

铅酸电池的拆解系统由不同的单个子系统组成,每个子系统拆解得到不同的物料。拆解系统还必须优化时间、成本、收益等因素,使生产收益、环境保护和生产成本等达到最佳。铅酸电池的整个塑料外壳密封连接,电池内部通过汇流条连接上下两部分,上部分由上端盖和极柱构成,下部分由铅板和塑料隔板构成。由于上下两部分中的金属物质含量不同,拆解时须从汇流条处切割,将所含金属分离。废旧铅酸电池从汇流条处切割后,可将酸液倒出进行回收处理,对下半部分铅板采用振动的方式进行分离。针对现有拆解分选工艺的不足,提出精细拆解工艺过程框架[8]。

精细化拆解工艺采用X 射线测量的方式,确定汇流条在电池中的相对位置,然后调节刀片的相对位置,使刀片在切割时能够将汇流条精准切割[9]。切分后的电池上半部分主要是塑料外壳、极柱和汇流条,下半部分主要是塑料外壳和铅板。通过翻转机构,将下半部分铅酸电池中的酸液排出,根据各分离物料质量密度的不同,进一步分离。

精细化拆解工艺中,切割分离会使塑料外壳与铅板上脱落的铅粉混在一起;水力分选和漂洗分选处理工艺中,废水会造成铅等重金属污染。该工艺过程仅实现了机械化回收,并未达到自动化和数字化生产的技术水平,因此还有较大的提升空间。

1.2 切割、翻转与振动分离工艺

切割分离工艺是采用X 光机测定汇流条的位置信息,刀片升降装置收到相关信息后,通过液压缸调节刀片,保证在切割过程中能将汇流条完全切除。通过侧面和顶部的夹紧装置将铅酸电池固定,由送料装置将铅酸电池输送至切割位置,进行切割分离。切割后的上盖进入切割物料收集装置做后续处理;切割上盖后的铅酸电池进行翻转放酸处理,翻转后槽体开口朝下,将铅酸电池中的酸液全部排入酸液收集槽中。放完酸后,进行塑料槽体与铅板之间的分离,通过振动分离设备的振动作用,使槽体与铅板之间的连接松动,以便进行分离,分离后的铅板与塑料外壳进入物料收集槽中,进行下一步处理。在切割设备上方均设有废气收集装置,对生产过程中产生的废气进行收集处理,不会对环境产生气体污染。在排酸过程中产生的硫酸雾也需进行收集、脱硫处理,生产废水经处理后循环使用,采用可编程逻辑控制器(PLC)系统精准控制[10]。工艺流程图如图2 所示。

图2 切割翻转振动工艺流程图Fig.2 Process flow chart of cutting and flipping vibration

该切割分选工艺与传统的破碎分选工艺相比,解决了铅锑合金与铅钙合金分离难、铅膏杂质较多的问题,减少了固体废物污染,提高了废旧铅酸电池的资源利用率和拆解收益。这种回收工艺相较于其他工艺,技术改进不多,在技术上存在很多不足,如采用切割后进行放酸处理的方法,在反转过程中酸液飞溅,会对设备造成腐蚀破坏,且对切割刀具材料的选用也有较高的要求。如果设备整体采用耐酸耐腐蚀的材料,无疑会增加生产成本。由此可见,该工艺还不够完善,不能精准有效地细分废旧铅酸电池的组成物质,进行高效的回收利用。

1.3 预处理工艺

谈大伟[11]提出的废旧铅酸电池预处理工艺中,将废旧铅酸电池的整个回收分为两大步:第一步是上料;第二步是锯切分离。第一步的主要功能是通过输送带将回收处理的废旧铅酸电池输送到处理的位置,然后测定锯切位置;第二步的主要功能是将废旧铅酸电池进行锯切分离,将锯切后的各类物料进行分类回收。

主要的工艺流程是先将处理的废旧铅酸电池整齐码放在上料位置;再通过机械手抓取到输送带上,在输送过程中,由X 成像设备获取铅酸电池内部结构图像信息[12],经过图像处理,获取电池的切割点。通过输送带,将处理的废旧铅酸电池送入锯床,进行锯切。从汇流条处将电池拆分为两部分,上部分主要是上端盖和极柱,下部分主要是铅板和塑料外壳。对拆分后的下半部分进行翻转振动处理,铅板与塑料外壳分离。下方设置有筛网,废酸液通过筛网流入下方的酸液收集槽中,经过初步分离,得到塑料壳体、废酸液、极柱和铅板等。

分离后的上端盖部分也含有少量酸液和铅泥杂质,在进行后续的破碎处理时,需先将上端盖的酸液和铅泥冲洗掉。然后,对上端盖进行初步破碎水力分离,分离后的沉积物还含有少量塑料,需要进行二次分离,以实现上端盖塑料与极柱金属物质的完全分离。下半部分的塑料槽体与铅板在破碎处理前,也需进行残留酸液和铅泥的清洗处理。通过多级破碎振动的方式,筛分为铅泥、塑料[材料为PE、PP、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯(ABS)等]及铅钙合金[13]。

该工艺通过锯切的“四分”(上盖部分、槽体部分、铅板部分和稀硫酸部分),进一步细破碎、细分选,分别得到纯净的铅钙合金和铅锑合金。这种物理切割法的特点是有效分离铅钙合金和铅锑合金,便于后续对不同的合金物质进行分别提炼,避免提炼过程导致的金属物质废弃,提高废旧铅酸电池中金属的回收利用率。因为各物质的分离比较彻底,提炼时,就能减少废烟、废气等污染物的产生。该工艺的缺点是:①并未实现全自动化生产,还需人工上料;②切割前并未进行放酸处理,会对切割设备产生严重的腐蚀;③采用冲洗方式,会产生大量的废水,对废水进行无害化处理,会导致生产成本增加;若不处理,会对周边环境造成污染,与国外类似的破碎冲洗分选工艺相比,并没有较大的技术改进。

1.4 水力破碎分选(CX)技术

CX 技术[14]是意大利有色金属冶炼公司研发的,方法主要是将回收的铅酸电池集中堆放,进行破碎处理,破碎后,所有碎片进行一级水力分选。根据破碎后物料密度的不同,主要分选为两大类:一类是密度较大的金属类分离物;另一类是塑料和铅泥等混合物,还需进一步分离。利用振动筛分的方式,将一级分离的混合物分选为铅泥和有机物,使用步进式除膏机分离出铅膏,对有机物进行二级水力分选,分选出塑料和隔板。CX 技术会造成污染,如水洗后的污水含有重金属,直接排放会造成环境污染。对污水进行净化处理时,会提高整体生产成本。CX 技术工艺流程图见图3[15]。

图3 水力分选系统流程图Fig.3 Flow chart of hydraulic separation system

CX 回收工艺存在一定的缺陷:在一级水力分选时,铅锑、铅钙合金混合物因密度、粒度接近而无法进一步分离,只能进行混合熔炼。混合熔炼会提炼出一部分铅锭,但也会产生大量的铅渣,在混合的过程中,铅锑合金与铅钙合金发生化学反应,生成锑酸钙、硒酸钙等物质,会造成锑、硒等金属的浪费。步进式除膏机刮出的铅膏混有外壳塑料、外壳灰尘泥土和其他杂质,只能通过火法冶炼,由此产生的废弃铅渣含有破碎的外壳、外壳泥土和火法冶炼时添加的还原铁屑和助剂等化合物。一级水力分选时排出的废水,含有铅等重金属物质,需要进行处理,会使成本增加、收益降低。

2 废旧铅酸电池分拆设备

目前,国内主流的废旧铅酸电池拆解设备以切割分离或锯切式分离为主,较少采用国外的破碎分选技术。随着废旧铅酸电池拆解技术的发展,目前主要的废旧铅酸电池拆解设备有:铅酸电池刀切分离机、面向废旧动力铅酸电池的自适应拆解机构、废旧铅酸电池破拆装置和锯切装置等。这些设备基本实现了废旧铅酸电池的机械化回收,但离自动化和数字化回收还有很大的差距,需要进一步的技术升级,使废旧铅酸电池回收产业向数字化、智能化、绿色环保的方向发展。

2.1 铅酸电池刀切分离机

刀切分离机包括4 个部分:夹紧装置、送料装置、铅酸电池固定装置以及刀片升移装置。夹紧装置与铅酸电池固定装置都使用气缸驱动。两个气缸分别在端部安装有压板及导杆,通过双导杆和气缸组合的方式,替代双导杆气缸,采用此方法可以节省空间。夹紧装置与送料装置在动作时,位移速度与相对位置必须达到设计要求,采用液压缸作为驱动装置,具有反应灵敏,便于控制的优点。电池固定装置、刀片升移装置、送料装置均安装在底板上,为使刀片便于连接上盖收集装置,将刀片升移装置与振动分离装置相连。夹紧装置安装在辊子运输线的另一侧,与刀切分离机空腔相对应。在辊子运输线的端部安装有侧挡板,由辊子运输线运送来的铅酸电池,通过侧挡板停靠在空腔与夹紧装置中间[16]。

根据X 光机测得的数据调节刀片位置。输送装置将要切割的废旧铅酸电池运来,由夹紧装置送入预定的空腔位置,压紧固定。此时,下压装置中的气缸开始运动。经过下压装置压紧定位后,液压缸将电池推送至刀片升降装置处,进行刀切。切割完成后,液压缸继续推送下槽体至振动分离装置,上盖被收集至上盖收集平台。经过一系列的动作,最终刀切成上盖和下槽体两部分,并通过后续的振动分离装置,将下槽体进行分离并分类回收。此过程全部采用液压系统和气动系统进行作业,使用PLC 系统对液压和气动系统进行控制,实现铅酸电池刀切分离机的全自动化作业,刀切分离机能够达到逐步分离式回收预处理生产线的生产要求。刀片升降装置中,采用液压升降刀片的方式调节切割高度,使刀切分离机可以对不同尺寸的废旧铅酸电池进行切割[17]。

铅酸电池刀切分离机克服了老旧刀切分离机切分工序不连贯、对切分物料进行重复转移的弊端,可对不同尺寸的铅酸电池进行切割,切割效率高、可靠性高、运行稳定。该设备存在的问题是:拆解分割的过程不够精细化,仅对铅板、顶盖和塑料外壳进行粗略拆分,未进行后续的分类回收处理。在设备中,刀片的提升和电池的压紧都由气缸推动,气缸的工作压力为0.4～0.6 MPa,输出力和输出力矩都不大,传动效率低;同时,空气可压缩性大,较难实现精密控制。

2.2 变间距凸轮机构

由铅酸电池的内部结构可知,铅钙合金主要在铅板部分,铅锑合金主要在上端盖的极柱部分。分离铅板与塑料壳体时,由于电池内部的装配关系,铅板与壳体之间存在摩擦力,采用振动和夹取的方式较难分离。首先,采用切割分离的方式,从汇流条处将废旧铅酸电池拆分;然后,通过视觉成像仪获取拆分后下半部分的内部结构信息,传递至自适应拆解机构,自适应拆解机构根据获取的信息自动调节推杆间距,将铅板与塑料槽体分离;最后,对拆分的各物料进一步破碎分选,将各个组件分别分离成纯净铅锑合金、纯净铅钙合金、干净铅膏、稀硫酸和塑料等组分[18]。

变间距凸轮机构具有结构简单、工作可靠与动力传递效率高等优势。自适应拆解机构可用于各种型号废旧铅酸电池的拆分,操作简便,使用范围广,提高了废旧铅酸电池的拆解效率。铅板集群组与槽体之间存在装配压力,不易将铅板隔膜与槽体分离,使用变间距凸轮机构将铅板集群组推出,可解决铅板集群组与槽体分离困难的问题。此方法也存在一些不足:变间距凸轮机构的推板尺寸是固定的,不同型号的电池槽体尺寸不同,槽体间隙过大,会使部分铅板推不出来,槽体间隙过小,会使推板无法进入槽体作业。该变间距凸轮机构仅适用于固定型号的铅酸电池,工作效率低,在实际生产中并不实用。

2.3 破拆单元关键技术及装备

铅酸电池破拆装备主要由铅酸电池的装夹机构和锯切机构两大部分构成。装夹机构由液压缸提供动力,通过液压缸的驱动连杆机构控制夹板来夹紧将要切割的废旧铅酸电池;在夹紧装置的侧面设有推板装置,切割时,将废旧铅酸电池的上下面切除,通过推板将铅板从塑料壳体中推出,实现铅板与塑料外壳的分离。锯切部分由一台三相电机驱动,通过三角形支架固定在底座上,底座下方设置横向和纵向的导轨装置,由伺服电机和丝杠驱动实现工作台的x、y方向进给。通过V 形带传动来驱动锯片旋转;夹持机构与锯切机构相对放置,推动切割机构向夹持机构方向运动,进行电池的切割[16]。

此破拆装置减少了大量人力,降低了车间工人的劳动强度,提高了废旧铅酸电池拆解的机械化强度,但并没有解决上料自动化的问题,需要人工进行装夹电池,效率低。装夹过程的不连续,会导致整个切割速度缓慢,降低切割效率。在切割过程中,锯片的振动幅度过大,会使电池外壳塑料碎片飞溅,具有一定的危险。

2.4 废旧铅酸电池锯切装置

废旧铅酸电池锯切装置如图4 所示。

图4 废旧铅酸电池锯切机床示意图[11]Fig.4 Schematic diagram of spent lead-acid battery sawing machine[11]

在位置d 由夹具小车夹取将要切割的废旧铅酸电池,然后在水平方向上运动至a 位置,完成逆时针方向90°的翻转动作后,进行电池顶盖的切除。在a 位置下方设有上盖收集装置,完成上盖切除工序。夹具小车在水平方向上开始回程运动,运动到b 位置时,夹具小车完成顺时针方向180°的翻转动作,继续在水平方向上运动到c 位置,此时气缸驱动撞杆敲击夹具,使塑料壳体中的铅板分离出来。在位置c 处设有铅板收集装置,完成铅板与塑料壳体的分离后,夹具小车继续运动到d 位置,将塑料壳体排入下方的收集装置中,此时夹具小车需要逆时针翻转90°调整到初始位置,以便进行下一次的电池装夹。在整个锯切过程中,电池的夹紧由气缸作为驱动件完成,夹具小车在水平方向的运动由伺服电机驱动,夹具小车的翻转动作由气缸驱动齿轮齿条机构完成,锯切过程中带锯位置的调整由液压缸驱动完成,最终将废旧铅酸电池拆分为上盖、铅板和塑料壳体等3 大部分[11]。

这种切割机床可实现流水线的全自动化,节省人工成本,满足废旧铅酸电池专用锯床的基本要求,使废旧铅酸电池的拆解达到机械化水准。不足之处在于:电池上料仍需人工将电池放到装夹平台上,使整个切割的效率降低;将顶盖切除后,电池塑料外壳的支撑硬度不够,会出现变形的情况。如果夹紧力过大,可能会使电池弹出装夹装置;如果夹紧力过小,下一工序时可能会发生电池从装夹装置脱落的情况。

3 结论与展望

上述几种设备主要解决了铅酸电池拆解过程中出现的某一方面的问题。相对于目前国内外的废旧铅酸电池切割工艺而言,工艺还不够完善,不能将各类金属有效回收,都有很大的改进空间。部分工艺设计过程复杂、难以实现,且生产成本过高;部分生产工艺还会产生再污染,如用水冲洗等方式会产生大量被污染的废水,直接排放会对环境产生危害,进行净化处理又会增加生产成本。总体而言,目前各类废旧铅酸电池的回收工艺还不够完善,有待改进和提高。

目前,我国废旧铅酸电池回收行业的工艺水平总体而言还有待提高,技术装备水平低、金属回收率低且能耗高,废旧铅酸电池的回收处理产业发展缓慢。工厂回收的废旧铅酸电池来源于各个应用领域,型号、种类繁多,对于建立废旧铅酸电池的回收体系提出了挑战。废旧电池需要采用更先进的技术支撑体系来实现拆解工艺,真正做到回收的清洁环保、精细高效,最终实现智能化、数字化拆解回收。