龐海峰,丁文捷,李宏燕,張佃平

(寧夏大學(xué)機械工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021)

鉛酸電池是目前應(yīng)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(wěn)定、安全可靠、成本低,且能夠適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境下的使用要求[1]。如圖1 所示,在2018 年全球鉛酸電池產(chǎn)量升至42 419 萬kV·Ah 的背景下,我國鉛酸電池年產(chǎn)量占全球年產(chǎn)量的45%[2],無論是在消費端還是出口端,我國都占據(jù)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(zhì)是鉛和硫酸,其中,鉛極板的質(zhì)量分數(shù)為74%,硫酸的質(zhì)量分數(shù)為20%,其他部分是塑料等配件[3]。

圖1 鉛酸電池的全球產(chǎn)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(diào)查數(shù)據(jù)來看,再生鉛約占全世界鉛資源總量的一半左右,礦產(chǎn)鉛的占比在逐步減少[5]。我國再生鉛產(chǎn)業(yè)的發(fā)展不如歐美發(fā)達國家,如歐美精鉛產(chǎn)量的60%以上來自于再生鉛,而我國不到30%[6]。

研究相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知,礦產(chǎn)鉛的生產(chǎn)成本遠高于回收再生鉛[7]。廢舊鉛的回收再生,既能保護環(huán)境,降低鉛的生產(chǎn)成本,又有利于形成一種資源環(huán)境友好型的循環(huán)生產(chǎn)模式。我國的廢舊鉛酸電池回收產(chǎn)業(yè)目前處于起步階段,回收技術(shù)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(shù)體系相對比較成熟;而國內(nèi)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(shè)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(shè)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(dāng)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(gòu)成極柱的鉛銻合金與構(gòu)成鉛板的鉛鈣合金并不能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)由不同的單個子系統(tǒng)組成,每個子系統(tǒng)拆解得到不同的物料。拆解系統(tǒng)還必須優(yōu)化時間、成本、收益等因素,使生產(chǎn)收益、環(huán)境保護和生產(chǎn)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(nèi)部通過匯流條連接上下兩部分,上部分由上端蓋和極柱構(gòu)成,下部分由鉛板和塑料隔板構(gòu)成。由于上下兩部分中的金屬物質(zhì)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(xiàn)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(diào)節(jié)刀片的相對位置,使刀片在切割時能夠?qū)R流條精準(zhǔn)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(zhuǎn)機構(gòu),將下半部分鉛酸電池中的酸液排出,根據(jù)各分離物料質(zhì)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(xiàn)了機械化回收,并未達到自動化和數(shù)字化生產(chǎn)的技術(shù)水平,因此還有較大的提升空間。

1.2 切割、翻轉(zhuǎn)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(guān)信息后,通過液壓缸調(diào)節(jié)刀片,保證在切割過程中能將匯流條完全切除。通過側(cè)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(xù)處理;切割上蓋后的鉛酸電池進行翻轉(zhuǎn)放酸處理,翻轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)備上方均設(shè)有廢氣收集裝置,對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣進行收集處理,不會對環(huán)境產(chǎn)生氣體污染。在排酸過程中產(chǎn)生的硫酸霧也需進行收集、脫硫處理,生產(chǎn)廢水經(jīng)處理后循環(huán)使用,采用可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)精準(zhǔn)控制[10]。工藝流程圖如圖2 所示。

圖2 切割翻轉(zhuǎn)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(tǒng)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(zhì)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(shù)改進不多,在技術(shù)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(zhuǎn)過程中酸液飛濺,會對設(shè)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(shè)備整體采用耐酸耐腐蝕的材料,無疑會增加生產(chǎn)成本。由此可見,該工藝還不夠完善,不能精準(zhǔn)有效地細分廢舊鉛酸電池的組成物質(zhì),進行高效的回收利用。

1.3 預(yù)處理工藝

談大偉[11]提出的廢舊鉛酸電池預(yù)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(shè)備獲取鉛酸電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像信息[12],經(jīng)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(zhuǎn)振動處理,鉛板與塑料外殼分離。下方設(shè)置有篩網(wǎng),廢酸液通過篩網(wǎng)流入下方的酸液收集槽中,經(jīng)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(zhì),在進行后續(xù)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(xiàn)上端蓋塑料與極柱金屬物質(zhì)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(xù)對不同的合金物質(zhì)進行分別提煉,避免提煉過程導(dǎo)致的金屬物質(zhì)廢棄,提高廢舊鉛酸電池中金屬的回收利用率。因為各物質(zhì)的分離比較徹底,提煉時,就能減少廢煙、廢氣等污染物的產(chǎn)生。該工藝的缺點是:①并未實現(xiàn)全自動化生產(chǎn),還需人工上料;②切割前并未進行放酸處理,會對切割設(shè)備產(chǎn)生嚴重的腐蝕;③采用沖洗方式,會產(chǎn)生大量的廢水,對廢水進行無害化處理,會導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加;若不處理,會對周邊環(huán)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(shù)改進。

1.4 水力破碎分選(CX)技術(shù)

CX 技術(shù)[14]是意大利有色金屬冶煉公司研發(fā)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(jù)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(shù)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(huán)境污染。對污水進行凈化處理時,會提高整體生產(chǎn)成本。CX 技術(shù)工藝流程圖見圖3[15]。

圖3 水力分選系統(tǒng)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?；旌先蹮挄釤挸鲆徊糠帚U錠,但也會產(chǎn)生大量的鉛渣,在混合的過程中,鉛銻合金與鉛鈣合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成銻酸鈣、硒酸鈣等物質(zhì),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(zhì),只能通過火法冶煉,由此產(chǎn)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(zhì),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(shè)備

目前,國內(nèi)主流的廢舊鉛酸電池拆解設(shè)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(shù)。隨著廢舊鉛酸電池拆解技術(shù)的發(fā)展,目前主要的廢舊鉛酸電池拆解設(shè)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(yīng)拆解機構(gòu)、廢舊鉛酸電池破拆裝置和鋸切裝置等。這些設(shè)備基本實現(xiàn)了廢舊鉛酸電池的機械化回收,但離自動化和數(shù)字化回收還有很大的差距,需要進一步的技術(shù)升級,使廢舊鉛酸電池回收產(chǎn)業(yè)向數(shù)字化、智能化、綠色環(huán)保的方向發(fā)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(qū)動。兩個氣缸分別在端部安裝有壓板及導(dǎo)桿,通過雙導(dǎo)桿和氣缸組合的方式,替代雙導(dǎo)桿氣缸,采用此方法可以節(jié)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(shè)計要求,采用液壓缸作為驅(qū)動裝置,具有反應(yīng)靈敏,便于控制的優(yōu)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(cè),與刀切分離機空腔相對應(yīng)。在輥子運輸線的端部安裝有側(cè)擋板,由輥子運輸線運送來的鉛酸電池,通過側(cè)擋板停靠在空腔與夾緊裝置中間[16]。

根據(jù)X 光機測得的數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)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(yù)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(jīng)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(xù)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(jīng)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(xù)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(tǒng)和氣動系統(tǒng)進行作業(yè),使用PLC 系統(tǒng)對液壓和氣動系統(tǒng)進行控制,實現(xiàn)鉛酸電池刀切分離機的全自動化作業(yè),刀切分離機能夠達到逐步分離式回收預(yù)處理生產(chǎn)線的生產(chǎn)要求。刀片升降裝置中,采用液壓升降刀片的方式調(diào)節(jié)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(fù)轉(zhuǎn)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(wěn)定。該設(shè)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(xù)的分類回收處理。在設(shè)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(xiàn)精密控制。

2.2 變間距凸輪機構(gòu)

由鉛酸電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部的裝配關(guān)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(nèi)部結(jié)構(gòu)信息,傳遞至自適應(yīng)拆解機構(gòu),自適應(yīng)拆解機構(gòu)根據(jù)獲取的信息自動調(diào)節(jié)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(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠與動力傳遞效率高等優(yōu)勢。自適應(yīng)拆解機構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(yè)。該變間距凸輪機構(gòu)僅適用于固定型號的鉛酸電池,工作效率低,在實際生產(chǎn)中并不實用。

2.3 破拆單元關(guān)鍵技術(shù)及裝備

鉛酸電池破拆裝備主要由鉛酸電池的裝夾機構(gòu)和鋸切機構(gòu)兩大部分構(gòu)成。裝夾機構(gòu)由液壓缸提供動力,通過液壓缸的驅(qū)動連桿機構(gòu)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(cè)面設(shè)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(xiàn)鉛板與塑料外殼的分離。鋸切部分由一臺三相電機驅(qū)動,通過三角形支架固定在底座上,底座下方設(shè)置橫向和縱向的導(dǎo)軌裝置,由伺服電機和絲杠驅(qū)動實現(xiàn)工作臺的x、y方向進給。通過V 形帶傳動來驅(qū)動鋸片旋轉(zhuǎn);夾持機構(gòu)與鋸切機構(gòu)相對放置,推動切割機構(gòu)向夾持機構(gòu)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(xù),會導(dǎo)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(zhuǎn)動作后,進行電池頂蓋的切除。在a 位置下方設(shè)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(zhuǎn)動作,繼續(xù)在水平方向上運動到c 位置,此時氣缸驅(qū)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(shè)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(xù)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(zhuǎn)90°調(diào)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(qū)動件完成,夾具小車在水平方向的運動由伺服電機驅(qū)動,夾具小車的翻轉(zhuǎn)動作由氣缸驅(qū)動齒輪齒條機構(gòu)完成,鋸切過程中帶鋸位置的調(diào)整由液壓缸驅(qū)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(xiàn)流水線的全自動化,節(jié)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(zhǔn)。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(xiàn)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(fā)生電池從裝夾裝置脫落的情況。

3 結(jié)論與展望

上述幾種設(shè)備主要解決了鉛酸電池拆解過程中出現(xiàn)的某一方面的問題。相對于目前國內(nèi)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(shè)計過程復(fù)雜、難以實現(xiàn),且生產(chǎn)成本過高;部分生產(chǎn)工藝還會產(chǎn)生再污染,如用水沖洗等方式會產(chǎn)生大量被污染的廢水,直接排放會對環(huán)境產(chǎn)生危害,進行凈化處理又會增加生產(chǎn)成本?？傮w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(yè)的工藝水平總體而言還有待提高,技術(shù)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(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。工廠回收的廢舊鉛酸電池來源于各個應(yīng)用領(lǐng)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(zhàn)。廢舊電池需要采用更先進的技術(shù)支撐體系來實現(xiàn)拆解工藝,真正做到回收的清潔環(huán)保、精細高效,最終實現(xiàn)智能化、數(shù)字化拆解回收。