废弃锂离子电池集流体的脉动气流分选基础研究

发布时间：2020-03-26 18:48

【摘要】：我国锂离子电池2017年产量117894.7万只,累计同比增长31.25%。废弃锂离子电池的资源化回收利用,不仅能够缓解我国重要资源短缺的问题,而且能够防止其对环境造成严重污染,进而带来可观的经济效益和社会效益。近年来研究学者大都专注于废弃锂离子电池中钴的回收,对于破碎后物料中铜箔和铝箔的物理回收利用研究较少。本研究利用剪切破碎及和立式冲击破碎机对电池和未经过处理的集流体进行破碎处理,选取富集电池集流体的-2+0.25 mm物料,利用主动脉动气流实验装置进行试验,得到主动脉动气流分选集流体的影响因素和分离效率。基于两相流仿真模拟,研究片状颗粒在主动脉动气流场中的分选机理,为电池中集流体的有效分离奠定理论基础。为研究废弃锂离子电池破碎后集流体的物理化学性质,对实际物料和模拟物料进行粒度和表面性质分析。粒度分布近似为正态分布,颗粒整体较为规则,但是类球型颗粒较少,多数为厚片状。扫描电镜分析表明实际物料组成较为复杂,除含有集流体外,还含有少部分的电池外壳材料。实际物料集流体表面含有的石墨和钴酸锂颗粒是导致实际物料与模拟物料分选效果不同的重要因素。基于集流体中铜箔铝箔密度的不同,进行模拟物料的主动脉动气流分选试验,通过调节气流速度、脉动频率和给料速度得到最优的分选条件。气流速度影响颗粒所受曳力的大小,对分离效率影响最大。响应面试验得到-1+0.5mm模拟物料的最高分离效率为71.22%,-0.5+0.25 mm模拟物料最高分离效率为73.15%。对比不同粒度模拟物料的分离效率,发现颗粒粒度和粒度级宽窄会影响分选效果。参照模拟物料的试验最优分选条件进行CFD-DEM耦合计算整个分选过程。气流场的压强和速率周期性变化。在给料端和重产物出料端无明显压强变化,为给料和分选区域的相对稳定性提供了良好条件。颗粒分选区域内周期性上下运动,大部分铝颗粒成为轻产物,铜颗粒成为重产物。颗粒的位移、速度和受力变化呈现周期性变化,通过定量分析随机选择的两组颗粒运动速度、所受合力、升力、扭矩的变化得到:颗粒在分选过程中Saffman剪切提升力、虚拟质量力远小于重力和曳力,可以忽略不计;受颗粒加速度影响明显的Basset力大小是重力的千分之一,对颗粒的运动行为影响不大。颗粒在主动脉动气流分选过程中重力和曳力对分选起主导作用。仿真模拟结果与模拟物料的分选结果相吻合。在分选过程中,颗粒的形状性质不会消除密度对分选效果的影响。实际物料经过再破碎之后颗粒形状发生变化,但影响分离效率的因素不变。响应面试验得到-1+0.5 mm物料的最优分选条件为:气流速度7.62 m/s、脉动频率3.91 Hz、给料速度0.62 g/s,达到的最大分离效率是63.68%,铜的回收率为67.64%。铝的回收率为96.21%。-0.5+0.25 mm物料的最优分选条件为:气流速度6.10 m/s、脉动频率7.15 Hz、给料速度0.5 g/s,达到的最大分离效率是68.19%,铜的回收率为83.82%。铝的回收率为84.37%。
【图文】：

锂离子电池

被当作一般垃圾处理，势必会造成严重的环境污染[17, 18]。例如，六氟磷酸锂具有强烈的腐蚀性，遇到水分会发生分解生成 HF，容易与强氧化剂反应，燃烧时产生 P2O5；难降解的有机溶剂和它的水解分解产物，如二甲氧基乙烷、甲酸和甲醇等都是有毒有害物质，，会对水、大气和土壤造成严重污染，破坏生态环境造；在环境中，铜、钴等重金属具有累积效应，借助生物链将最终危害人类自身安全，危害性极大[19]。基于以上论述可以看出，废弃锂离子电池的资源化回收利用，不仅能够很大程度上缓解我国重要资源短缺的问题，而且能够防止其对环境造成严重污染，进而带来可观的经济效益和很高的社会效益[20, 21]。所以废弃锂离子电池的回收再利用变得尤为重要。2.1.1 锂离子电池的结构组成锂离子电池具有方形、圆柱形、纽扣型等不同的形状，不管形状如何，其结构和组成基本一致，其结构一般由外壳、正极、负极、粘结剂、有机电解液（聚碳酸酯类有机溶剂）和隔膜纸等部分组成，如图 2-1所示。

速度曲线,自由沉降,球形颗粒,速度曲线

由式 2-3 可知，上升气流可以缩短颗粒达到沉降末速的时间和下降距离，因此在分选中常采用上升气流。颗粒在实际气流分选过程中的运动是干涉沉降。在干涉条件下，使颗粒按沉降末速分选时，上升气流速度的大小，应根据物料中各种组分的性质，通过实验确定。以球型颗粒为例，A、B、C、D 四种颗粒自由沉降的时间速度曲线如图 2-2所示，其中 A 为高密度，粒径大的颗粒；B 为低密度，粒径大的颗粒；C 为高密度，粒径小的颗粒；D 为低密度，粒径小的颗粒。在 t 时刻之前，高密度颗粒 A、C 的沉降末速始终大于低密度颗粒 B、D 的沉降末速，在此时刻之前组分 A、B 与组分 C、D 间的分选，可认为是按密度分选。在 t 时刻之后，大粒度、低密度颗粒 B 的沉降末速超过 C 颗粒，此后沉降末速决定了 B、C 颗粒的分选。对于传统的气流分选装置，认为 B、C 组分是难选组分，B、C 组分的有效分选不易实现。设想在气流分选装置中通过加速、减速区域控制颗粒沉降末速，使 B、C组分的沉降末速始终低于，在理论上则可以实现 B、C 组分的有效分选，即可以认为密度是组分有效分选的主要因素。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X705

【参考文献】