余海軍　陳臻　謝英豪

(1.廣東邦普循環(huán)科技有限公司　廣東佛山 528244；　2.湖南邦普?qǐng)?bào)廢汽車循環(huán)有限公司 　長沙 410600；

3.廣東省新能源車用動(dòng)力電池循環(huán)利用研究院士工作站　廣東佛山 528244)

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車用動(dòng)力電池單體自動(dòng)化拆解線有害氣體控制實(shí)驗(yàn)研究*

余海軍1,2陳臻1,2謝英豪1,3

(1.廣東邦普循環(huán)科技有限公司廣東佛山 528244；2.湖南邦普?qǐng)?bào)廢汽車循環(huán)有限公司 長沙 410600；

3.廣東省新能源車用動(dòng)力電池循環(huán)利用研究院士工作站廣東佛山 528244)

摘要以動(dòng)力電池單體自動(dòng)化拆解線的混合廢氣為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)考查了堿液吸收、活性炭吸附及堿液吸收+活性炭組合工藝對(duì)拆解線混合廢氣的處理效果，結(jié)果顯示，混合廢氣先經(jīng)堿液吸收，再經(jīng)活性炭吸附之后，出口濃度比國家排放標(biāo)準(zhǔn)限值低；當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的堿溶液吸收時(shí)間為2～3 s、煤質(zhì)柱狀活性炭接觸時(shí)間為1～2 s時(shí)，惡臭物質(zhì)去除率達(dá)95.0%，氟化物去除率達(dá)91.8%；整個(gè)廢氣處理系統(tǒng)具有很好的實(shí)際應(yīng)用前景，經(jīng)測(cè)算，裝機(jī)功率小于1 kW/1 000 m3，運(yùn)行成本小于1元/1 000 m3。

關(guān)鍵詞動(dòng)力電池惡臭廢氣化學(xué)吸收活性炭吸附廢氣去除率

0引言

車用動(dòng)力電池單體自動(dòng)化拆解線的混合廢氣主要來自于鋰離子動(dòng)力電池單體物理切割工序[1]，可能產(chǎn)生的氣態(tài)污染物有氟化氫、五氟化磷、碳酸酯類有機(jī)物以及揮發(fā)性有機(jī)物，該種廢氣的特點(diǎn)是濃度低、成分復(fù)雜、呈惡臭味，對(duì)車間內(nèi)工作人員的身體健康及周邊環(huán)境都有影響。因此必須采取有效的凈化工藝[2-4]，對(duì)該類廢氣加以控制。筆者根據(jù)該類混合廢氣的特點(diǎn)，采取堿液吸收、活性炭吸附及二者結(jié)合工藝對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，耗時(shí)15 d，研究出了有效的處理工藝。

1試驗(yàn)裝置和方法

試驗(yàn)研究所用裝置采用全程密封形式，廢氣經(jīng)頂蓋式集氣罩統(tǒng)一抽排處理，工藝流程見圖1。廢舊鋰離子動(dòng)力電池單體切割中試線混合廢氣先經(jīng)集氣罩收集，再利用離心風(fēng)機(jī)送入豎式柱狀吸收塔(或橫式矩形吸附塔)中，混合廢氣由吸收塔(或吸附塔)底部進(jìn)入噴淋空間(或吸附空間)，逆向接觸吸收布滿整個(gè)噴淋空間的噴淋液(或與活性炭接觸)，經(jīng)過一定的停留時(shí)間，處理完成后廢氣直接排放。堿液吸收+活性炭吸附工藝中，混合廢氣由管路①、②進(jìn)入吸收塔被堿液吸收，再經(jīng)管路⑤進(jìn)入除霧隔水塔去除水分，最后進(jìn)入吸附塔被活性炭吸附，處理完成后的廢氣直接排放。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置工藝流程圖

工藝流程中的吸收塔預(yù)先設(shè)置兩級(jí)噴淋，噴淋液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液)利用FP型增強(qiáng)聚丙烯耐腐蝕離心泵循環(huán)，液氣比設(shè)定范圍為6～12 L/m3，噴淋液吸收飽和后需定期處理、更換。吸附塔內(nèi)設(shè)置兩級(jí)煤質(zhì)柱狀活性炭(直徑4 mm、堿值800±50)，每級(jí)活性炭層尺寸為1 000 mm×780 mm×100 mm，質(zhì)量為200 kg，活性炭吸附飽和后需定期更換。

試驗(yàn)方法主要有3種：①吸收法。利用堿液和混合廢氣在密閉空間里充分接觸反應(yīng)，從而使混合廢氣得到凈化。本方法針對(duì)的是氟化物占主體的混合廢氣。此方法簡(jiǎn)單可靠，投資省，處理風(fēng)量不受限制，適用于處理低濃度或含顆粒物的廢氣，對(duì)于氟化物來說，我們選擇用工業(yè)片堿來做液體吸收劑。②吸附法。吸附法是采用活性炭吸附酸性廢氣和有機(jī)廢氣的方法?；旌蠌U氣通過固定吸附床內(nèi)的活性炭層的過流斷面，在一定的停留時(shí)間內(nèi)，由于活性炭表面與有機(jī)廢氣分子間相互引力(主要為范德華力)的作用產(chǎn)生物理吸附，從而將廢氣中的有機(jī)成分吸附在活性炭的空隙表面，使廢氣得到凈化[5]。③吸收法+吸附法。吸收法+吸附法為將吸收法與吸附法進(jìn)行組合的方法，能兼有二者的優(yōu)點(diǎn)，使處理效果更高。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1堿液吸收

設(shè)定試驗(yàn)條件為：進(jìn)氣量為6 000 m3/h，塔內(nèi)氣體流速為3 m/s[6]，吸收接觸時(shí)間為2～3 s，噴淋液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的工業(yè)片堿溶液，設(shè)定液氣比的范圍在6～12 L/m3。惡臭物質(zhì)和氟化物的檢測(cè)結(jié)果見表1和表2所示，其中惡臭物質(zhì)濃度單位采用無量綱[5]。

表1　噴淋試驗(yàn)對(duì)惡臭物質(zhì)的去除效果

表2　噴淋試驗(yàn)對(duì)氟化物的去除效果

根據(jù)表1、表2可以看出，堿液吸收能夠去除混合廢氣中部分污染成分，在所設(shè)定的試驗(yàn)條件下，對(duì)惡臭物質(zhì)的去除率只有79%，而對(duì)氟化物的去除率達(dá)到了90%。去除原理為氫氧化鈉溶液與混合廢氣發(fā)生了中和反應(yīng)和物理溶解，最終達(dá)到凈化的目的。其中關(guān)鍵在于選擇何種吸收劑和氣液相間的傳質(zhì)效果。因?yàn)榛旌蠌U氣中含有部分酸性氣體(氟化氫、五氟化磷等)，故NaOH溶液可以吸收去除這部分污染廢氣；另外，某些高分子有機(jī)物、VOCs等廢氣，在氣液接觸的時(shí)候，進(jìn)行了物理溶解，變?yōu)橐簯B(tài)。噴淋裝置內(nèi)的旋流板塔使得混合廢氣與氫氧化鈉霧滴(粒徑大小在80～150 μm之間[7])形成高度霧化形態(tài)，這時(shí)氣液相間具有較高的傳質(zhì)速率。

2.2活性炭吸附

設(shè)定條件為進(jìn)氣量6 000 m3/h，活性炭為兩級(jí)吸附，活性炭材質(zhì)為煤質(zhì)、柱狀，直徑4 mm，堿值800±50，塔內(nèi)氣體平均流速為1.5 m/s，其試驗(yàn)結(jié)果如表3、表4所示。

表3　活性炭吸附對(duì)惡臭物質(zhì)的去除效果

表4　活性炭吸附對(duì)氟化物的去除效果

根據(jù)表3、表4可以看出，活性炭可有效去除廢氣中的一些惡臭物質(zhì)。在經(jīng)過兩級(jí)活性炭吸附，控制活性炭與廢氣接觸時(shí)間為1～2 s，惡臭去除率可達(dá)89.8%，但是對(duì)氟化物的去除率最高只有48.9%。

影響活性炭吸附性能的因素很多，吸附劑、吸附質(zhì)及吸附條件的不同，都會(huì)引起不同的吸附效果。比如活性炭的物理性質(zhì)(材質(zhì)、形狀、粒度)、化學(xué)性質(zhì)(極性、pH值)，吸附質(zhì)性質(zhì)(分子大小、極性、化學(xué)結(jié)構(gòu))，吸附條件(溫度、濕度、吸附時(shí)間、氣流速度、邊流效應(yīng)、競(jìng)爭(zhēng)吸附)等[8-9]都會(huì)對(duì)吸附效果造成不同程度的影響，具體影響特性還需通過實(shí)驗(yàn)探討。2.3堿液吸收+活性炭吸附

通過上述堿液吸收和活性炭吸附的試驗(yàn)可以看出，氟化物都可以處理達(dá)標(biāo)，且堿液吸收會(huì)比活性炭吸附效果更理想。但是為了使處理效果更好，更好地保護(hù)環(huán)境，筆者提出了堿液吸收+活性炭吸附組合工藝，即混合廢氣先經(jīng)過堿液吸收，尾氣通過隔霧除水后，再用活性炭進(jìn)行吸附。設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件為：進(jìn)氣量為6 000 m3/h，噴淋塔內(nèi)氣體流速為3 m/s，吸收接觸時(shí)間為2～3 s，噴淋液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的工業(yè)片堿溶液，設(shè)定液氣比的范圍在6～12 L/m3；吸附塔采用兩級(jí)活性炭吸附，活性炭材質(zhì)為煤質(zhì)、柱狀，直徑4 mm，堿值800±50，吸附塔內(nèi)氣體平均流速為1.5 m/s，接觸時(shí)間為1～2 s。試驗(yàn)結(jié)果見表5、表6。

表5　吸收+吸附對(duì)惡臭物質(zhì)的去除效果

表6　吸收+吸附對(duì)氟化物的去除效果

根據(jù)表5、表6可以得知，堿液吸收+活性炭吸附工藝能夠有效凈化廢舊鋰離子動(dòng)力電池單體切割中試線的混合廢氣。在預(yù)先設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件情況下，惡臭物質(zhì)的凈化效率可以達(dá)到95.0%，凈化后的出口濃度低于《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 14554—93)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值；氟化物的凈化效率達(dá)到了91.8%，凈化后的出口濃度低于廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《大氣污染物排放限值》(DB 44/27—2001)第二時(shí)段二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)?；旌蠌U氣經(jīng)堿液噴淋后，廢氣中的無機(jī)成分得到有效吸收，包括氟化氫、五氟化磷等；然后，廢氣經(jīng)過除霧隔水塔，使廢氣中的水分得到有效去除；剩余尾氣再進(jìn)入活性炭吸附裝置，經(jīng)活性炭吸附后排放，有效地實(shí)現(xiàn)了混合廢氣的凈化。該種組合工藝同時(shí)具備了吸收法和吸附法的特點(diǎn)，充分有效地發(fā)揮了二者的優(yōu)勢(shì)，使得凈化效率得到了提高，藥劑用量得到了減少，進(jìn)而降低了二次污染，因此筆者認(rèn)為該工藝比較適合于含酸性廢氣、有機(jī)廢氣等混合廢氣的凈化處理。

3運(yùn)行成本分析

本單位正常工作日為8 h/d，每周6 d，每個(gè)月26 d，以下計(jì)算參照使用。根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，各能源價(jià)格為工業(yè)片堿：2 500元/t；工業(yè)氯化鈣：1 500元/t；活性炭：4 500元/t；自來水：3.19元/t；工業(yè)用電：0.84元/(kW·h)。①有害氣體控制設(shè)備耗電裝置包括一臺(tái)5 kW風(fēng)機(jī)以及一臺(tái)1.5 kW水泵，每天耗電費(fèi)為36.96元；②由實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，每個(gè)動(dòng)力電池單體約為0.8 kg，而自動(dòng)化拆解線每天拆解量為384 kg；③按每4個(gè)月?lián)Q一次活性炭，每月加15 kg工業(yè)堿，每月消耗氯化鈣30 kg，每月加380 kg自來水(由于水箱采用密封形式，一直進(jìn)行循環(huán)噴淋，隨設(shè)備和風(fēng)壓消耗較少)計(jì)，則每天耗材費(fèi)為20.53元/d；④由于從設(shè)備上清理出來的活性炭以及氟化物跟氯化鈣反應(yīng)沉淀出來的氟化鈣都屬于危險(xiǎn)固體廢棄物，需要交給有相應(yīng)資質(zhì)的危廢處理單位處理，處理費(fèi)用為1 000元/t，則每天固體廢棄物處理費(fèi)為5元；⑤根據(jù)風(fēng)機(jī)功率以及對(duì)應(yīng)風(fēng)量，產(chǎn)生的廢氣量為6.4×104m3/d，則廢氣運(yùn)行成本為0.98×10-3m3/元。

4結(jié)語

(1)廢舊鋰離子動(dòng)力電池單體切割中試線的混合廢氣成分較復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，堿液吸收+活性炭吸附組合工藝中，當(dāng)用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH溶液吸收2～3 s、與活性炭接觸時(shí)間為1～2 s時(shí)，惡臭物質(zhì)凈化率達(dá)到95.0%，氟化物凈化率達(dá)到91.8%，充分體現(xiàn)了堿液吸收和活性炭吸附各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，有效地凈化了廢舊鋰離子動(dòng)力電池單體切割中試線的混合廢氣，得到了滿意的處理效果。

(2)堿液吸收+活性炭吸附組合工藝由于能耗低(經(jīng)測(cè)算，系統(tǒng)功率小于1 kW/1 000 m3，實(shí)際運(yùn)行成本小于1元/1 000 m3)，凈化效率高，因此具有很好的工程應(yīng)用前景，可以給動(dòng)力電池生產(chǎn)、拆解企業(yè)廢氣處理工程提供技術(shù)參考。

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Experimental Research on Harmful Gas Control of Automated Traction Battery Cell Disassembling Line

YU Haijun1,2CHEN Zhen1,2XIE Yinghao1,3

(1.GuangdongBrunpRecyclingTechnologyCo.,Ltd.Foshan,Guangdong528244)

AbstractIn this paper, the exhaust gas of vehicle power cell by automated disassembly line is used to conduct study, through experiments it is investigated the treatment effects of alkali absorption, activated carbon absorption and the combination of these two processes on the mixed exhaust gas of disassembly line. The result shows that the concentration of exhaust gas is lower than the limit value of the emission standard after first absorption by alkali and following absorption by activated carbon. Under the experimental conditions of 10% sodium hydroxide lye absorption for 2-3 s and activated carbon contact for 1-2 s, the removal efficiency of odor and fluoride can reach 95.0% and 91.8% respectively. It is proved that the whole system is prospective in practice and it is measured thattheinstalledpowerofpurificationsystemislessthan 1 kW/1 000 m3 and running cost less than 1 yuan/1 000 m3.

Key Wordspower batteryoffensive odorchemical absorptionactivated carbon adsorptionremoval rate of exhaust gas

(收稿日期：2015-03-18)

通訊作者謝英豪，男，1987年生，廣東人，碩士，主要研究方向?yàn)樾履茉磁c資源循環(huán)利用。

作者簡(jiǎn)介余海軍，男，1979年生，重慶人，主要從事節(jié)能環(huán)保與循環(huán)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的前沿技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和品牌戰(zhàn)略研究。

*基金項(xiàng)目：國家火炬計(jì)劃項(xiàng)目(2013GH061426)，國家科技支撐計(jì)劃備選項(xiàng)目(子項(xiàng)目)(2014BAC03B01)，廣東省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目(2011A032302001)。