СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ БАТАРЕЙ Российский патент 2016 года по МПК H01M6/52 H01M10/54 

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] В данной заявке на патент испрашивается преимущество приоритета по предварительной заявке на патент США № 61/314258, поданной 16 марта 2010 г., которая включена сюда по ссылке во всей своей полноте.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] Настоящее изобретение, в общем, относится к способам переработки выбрасываемых батарей (аккумуляторов) путем извлечения повторно используемых материалов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Быстрое распространение портативных электронных устройств привело к растущему запросу, как эффективным по затратам способом справиться с утилизацией батарей, используемых для питания этих устройств. Нормальная инфраструктура утилизации отходов не оборудована для соответствующего обращения с выбрасываемыми батареями. Батареи содержат материалы и химикаты, которые, если допустить их утечку в окружающую среду, представляют существенную угрозу. Кроме того, некоторые технологии батарей требуют использования материалов, которые являются дорогостоящими при производстве или ограничены по запасам. Во многих случаях эти материалы могут быть извлечены из отбросов и повторно использованы при существенном экономическом преимуществе. Переработка батарей может обеспечить как экологические, так и экономические преимущества. На практике, однако, переработка батарей является сложной из-за большого количества выбрасываемых батарей, разнообразия размеров батарей и физических конфигураций и технологий батарей, в которых используются разные химические агенты, элементы и упаковочные материалы.

[0004] В практический процесс переработки батареи поступает насыпная загрузка выброшенных батарей всех типов. Поскольку каждый тип батарей содержит разные материалы, химикаты и компоненты упаковки, следует использовать раздельную переработку для каждого типа батарей. Результатом процесса переработки батарей являются различные перерабатываемые материалы, собранные в группы, пригодные для извлечения составляющих соединений и материалов путем очистки или другой обработки с разделением. Сам по себе процесс переработки батарей должен минимизировать вредное воздействие на окружающую среду.

[0005] В вариантах осуществления раскрыт способ обработки выброшенных батарей, при котором отделяют составляющие материалы и химикаты в концентрированные группы, которые пригодны для очистки (рафинирования) до повторного используемых материалов. Способ начинается с приемки выброшенных батарей внавал, сортировки выброшенных батарей в соответствии с типом технологии батарей, раздельного дробления каждого из типов батарей с использованием соответствующего способа и сбора концентрированных групп составляющих материалов и химикатов. Каждая из концентрированных групп может быть подана на переплавку или очистку, в результате чего извлекаются повторно используемые материалы.

[0006] В вариантах осуществления предусмотрен способ переработки батарей, содержащий приемку множества батарей; сортировку множества батарей на группы по технологии батареи; удаление батарей с кнопочными элементами из этих групп; измельчение групп батарей на куски приблизительно одной четвертью дюйма или менее для получения конечной массы частиц; удаление ферромагнитного материала из конечной массы частиц; передачу конечной массы частиц в установку для очистки металла; и подготовку и выдачу отчета. В варианте осуществления, предназначенном для переработки литий-ионных и литий-полимерных батарей, измельчение дополнительно содержит первое измельчение на куски в один дюйм или менее, при этом выделяющиеся газы удаляют из первого измельчения; и второе измельчение на куски одной четвертью дюйма или менее. В варианте осуществления, предназначенном для переработки никель-металлогидридных (Ni-MH) батарей, измельчение дополнительно содержит единственное измельчение или дробление на куски одной четвертью дюйма или менее. В варианте осуществления удаление ферромагнитного материала выполняют, используя магнитный сепаратор. В дополнительном варианте осуществления этап удаления батарей с кнопочными элементами выполняют, пропуская их через металлическое сито.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] В вариантах осуществления способ переработки батарей представляет собой многоэтапный процесс, содержащий приемку выброшенных батарей в насыпные контейнеры, сортировку принятых батарей на группы одинаковой технологии, раздельное измельчение или дробление каждой из групп батарей и подачу полученных в результате материалов батарей на очистку или переплавку. Операция очистки или переплавки извлекает и очищает перерабатываемые материалы.

ПРИЕМКА

[0008] В одном варианте осуществления выброшенные батареи принимают неотсортированными в насыпных контейнерах. Контейнеры могут содержать различные типы батарей, включая, но не ограничиваясь ими, свинцово-кислотные, Li-ионные, полимерные, никель-кадмиевые (Ni-Cd); ртутные, никель-металлогидридные (Ni-MH), литиевые первичные и щелочные. Кроме того, контейнеры могут содержать полные или частичные электронные устройства, содержащие батареи. Также в эти контейнеры могут входить другие отсортированные отходы.

СОРТИРОВКА

[0009] В одном варианте осуществления содержимое контейнеров сортируют для разделения содержимого. Содержимое контейнеров подают на резиновую конвейерную ленту. По мере того как конвейерная лента медленно движется, содержимое сортируют на три категории: 1) отходы электрического и электронного оборудования (WEEE) (электроники), 2) горючие отходы - древесина, бумага, пластик и 3) не пригодные для использования отходы.

[00010] По мере необходимости с батареи удаляют ее внешний пластиковый кожух (корпус) и упаковочные материалы. Сотрудники, вручную, отделяют внешний пластиковый кожух от батареи. Внутри этих кожухов могут находиться либо батарея, либо батарея, установленная в изделии. Удаленные кожухи могут быть переплавлены для извлечения кобальта и других материалов. В неограничительном варианте осуществления этот процесс может быть выполнен вручную. Батареи содержатся в отходах электроники и, за исключением малых литиевых первичных и щелочных батарей, их дополнительно сортируют и отделяют в отдельные контейнеры следующим образом:

a) Свинцовые

b) Li-ионные, полимерные

c) Ni-Cd

d) Ртутные

e) Ni-MH

f) Литиевые (большие первичные)

УДАЛЕНИЕ МАЛЫХ ЛИТИЕВЫХ ПЕРВИЧНЫХ БАТАРЕЙ

[00011] Как часть процесса сортировки батарей, малые литиевые первичные батареи, или кнопочные элементы, и щелочные батареи должны быть удалены для правильной работы системы переработки. Батареи с кнопочными элементами являются круглыми, приблизительно полдюйма в диаметре и одна восьмая дюйма в ширину. Их размер затрудняет их механическое измельчение на куски, пригодные для обработки.

[00012] В одном варианте осуществления батареи с кнопочными элементами удаляют, пропуская их через металлическое сито. Такое сито состоит из приблизительно 15 “V-образных” металлических ребер, все из которых соединены таким образом, что одна и та же деталь из металла образует левую сторону одного ребра и правую сторону другого ребра. Левая и правая стороны расположены под углом приблизительно 45^о таким образом, что любой малый объект будет попадать в середину каждого ребра. Сторона каждого ребра составляет приблизительно один дюйм в длину. Низ каждого ребра, который можно назвать дном буквы “V”, пустой. Он представляет собой открытую щель шириной приблизительно одна четверть дюйма. Таким образом, любая малая батарея с кнопочными элементами, находившаяся в верхней части “V”, будет скользить на дно ребра и затем сквозь него.

[00013] Металлические планки, которые образуют левую сторону одной “V” и правую сторону другой, имеет в длину приблизительно 10 футов каждая. Эти металлические планки расположены непосредственно за резиновой конвейерной лентой равной ширины.

[00014] Более мелкие литиевые батареи с кнопочными элементами и щелочные батареи остаются на конвейерной ленте и таким образом попадают с конвейерной ленты на металлические “V”-образные ребра. Планки, которые образуют стороны ребер, встряхиваются в умеренном темпе. Это способствует падению более мелких батарей на дно ребра и затем сквозь ребро. Они затем падают в коробки, размещенные под ребрами.

[00015] Более крупные предметы, которые не падают сквозь ребра, представляют собой щелочные батареи, которые представляют собой единственные батареи, остающиеся на конвейерной ленте, могут быть легко собраны.

ДРОБЛЕНИЕ

ОБРАБОТКА ЛИТИЙ-ИОННЫХ И Li-ПОЛИМЕРНЫХ БАТАРЕЙ

[00016] Литий-ионные и Li-полимерные батареи могут содержать Co, Ni, Cu, Al, C, а также редкоземельные элементы. Эти составляющие материалы могут быть извлечены и переработаны с помощью процесса очистки.

ПЕРВОЕ ДРОБЛЕНИЕ:

[00017] В одном варианте осуществления, после сортировки батарей, затем либо литий-ионные и литий-полимерные батареи вместе, либо никель-металлогидридные батареи отдельно, пропускают через процесс дробления. Процесс дробления начинается с того, что батареи вначале помещают на первую плоскую, резиновую конвейерную ленту. Эта конвейерная лента может иметь в длину приблизительно 20 футов. Батареи падают с конца первой конвейерной ленты на вторую резиновую конвейерную ленту.

[00018] Эта вторая резиновая конвейерная лента наклонена вверх под углом приблизительно 45^о. В одном варианте осуществления ко второй резиновой конвейерной ленте с интервалами приблизительно 1,5 фута прикреплена полоска из резины. Такая полоска имеет приблизительно 2 дюйма в высоту и перекрывает ширину конвейерной ленты. Такая резиновая полоска захватывает батареи по мере того, как они падают с первой плоской резиновой конвейерной ленты. Вторая резиновая конвейерная лента может быть приблизительно 20 футов в длину. Вторая конвейерная лента подает батареи на вход первой дробилки металла.

[00019] В одном варианте осуществления первая дробилка вращается со скоростью приблизительно 100-400 оборотов в минуту. Батареи дробят (или измельчают) с помощью устройства с зубьями или лезвиями длиной приблизительно 8 дюймов. Лезвия или зубья врезаются в каждую батарею, разбивая ее на куски приблизительно от 0,5 до 1,0 дюйма в длину. Работа первой дробилки может контролироваться компьютером, и скорость дробилки может тем самым автоматически регулироваться для обеспечения получения в результате кусков батарей с требуемым размером.

[00020] Температура в первой дробилке должна поддерживаться между 40 и 50^оС. Относительно низкая температура сводит к минимуму риск пожара.

[00021] Во время первого процесса дробления из батарей выделяются водород и кислород. Эти газы следует удалять из дробилки для минимизации риска пожара. Циклон удаляет все газы, включая водород и кислород, скапливающиеся внутри дробилки. Циклон может содержать вращающуюся лопасть вверху камеры, которая выполнена клиновидной, поэтому она становится уже по мере того, как газы перемещаются к нижней части камеры. Это создает торнадоподобный эффект, который выдувает воздух, содержащий эти газы, через камеру циклона и выбрасывает их из камеры.

[00022] Содержащий эти газы воздух, который выбрасывается наружу из циклона, затем пропускают через фильтр. Выбрасываемые газы также содержат легкий пластик и картон, в котором содержались батареи и их упаковка. Этот пластик и картон следует удалять, поскольку они могут мешать извлечению ценных материалов во время процесса очистки кобальта.

[00023] Фильтр удаляет легкий пластик и картон, взвешенные в отходящих газах. Отфильтрованные легкий пластик и картон содержат материалы, которые могут быть извлечены в процессе выплавки никеля. Следует отметить, что тяжелый пластик, из которого, вообще говоря, формируют внешние кожухи батарей, остается смешанным с металлом в дробленой батарейной смеси.

[00024] Такую смесь легкого пластика и картона добавляют в процесс переработки никель-металлогидридных батарей (см. ниже). Таким образом, эти легкий пластик и картон направляют вместе с другими частями переработанных никель-металлогидридных батарей на выплавку никеля. Операция выплавки никеля удаляет очень небольшое количество присутствующего в смеси кобальта (2-4%), в частности тот, который остается прикрепленным к легкому пластику. Остальное затем направляют на обработку кобальта.

[00025] После фильтрации воздух, который содержит водород и кислород, выпускают в атмосферу через второй фильтр. Второй фильтр улавливает любые остающиеся частицы, обеспечивая выпуск только воздуха, не содержащего частиц.

[00026] Сетка фильтра, установленная на выходе первой дробилки, имеет множество отверстий, размер которых обеспечивает то, что только куски, меньшие, чем требуемый максимальный размер, пройдут на выход дробилки. После прохождения через первую дробильную камеру смесь кусков батарей и пыли попадает во вторую транспортировочную трубу. Находясь в этой второй транспортировочной трубе, смесь охлаждается до комнатной температуры.

[00027] Вторая транспортировочная труба имеет приблизительно 10 дюймов в диаметре и является воздухонепроницаемой. Смесь кусков и пыли будет проходить через эту трубу во вторую дробильную камеру.

ВТОРОЕ ДРОБЛЕНИЕ:

[00028] Вторая транспортировочная труба подает пыль во вторую дробилку. Эта дробилка имеет такую же базовую конструкцию, как и первая дробилка, но выполнена работающей с более высокой скоростью вращения. Она вращается со скоростью 1000-1200 оборотов в минуту и уменьшает куски батарей до 0-6 мм.

[00029] Вторая дробилка дает больше пыли, которая может быть собрана во втором циклоне. Этот второй циклон имеет два пылеулавливающих фильтра, обладающих такими же фильтрующими свойствами, как и второй фильтр в первом циклоне.

[00030] В результате второго дробления кусков батарей получается порошок. Этот порошок выходит из второй дробилки и помещается на устройство "встряхиватель-привод", которое, в одном варианте осуществления, может быть реализовано как вибрирующая конвейерная лента, которая медленно встряхивает порошок с тем, чтобы заставить его продвигаться вперед. Порошок перемещается на приблизительно 2,5 метра вдоль вибрирующей конвейерной ленты. Пока порошок находится на этой конвейерной ленте, он проходит под магнитным сепаратором.

[00031] В одном варианте осуществления магнитный сепаратор вытягивает железо из порошка. Это железо находится в форме хлопьев. Магнитный сепаратор расположен в примерно 25 см над вибрирующей конвейерной лентой. Магнитный сепаратор составляет приблизительно полметра в ширину и два с половиной метра в длину. Ключевой конструктивный элемент магнитного сепаратора представляет собой магнит. Железные хлопья прикрепляются к этому магниту, в результате чего они отделяются от порошка. Под магнитом расположена третья конвейерная лента. Магнит позади ленты притягивает и затем удерживает железные хлопья на ленте. Лента затем уносит железные хлопья из магнитного поля притяжения. В одном варианте осуществления конвейерная лента может быть приблизительно 40 см в длину. Хлопья затем падают с конца ленты в контейнер. Железные хлопья могут утилизироваться путем переплавки.

[00032] Оставшийся порошок, из которого были удалены железные хлопья, может быть подвергнут очистке (рафинированию) для извлечения кобальта и меди, что составляет более чем 93% порошка.

ОБРАБОТКА НИКЕЛЬ-МЕТАЛЛОГИДРИДНЫХ БАТАРЕЙ

[00033] Никель-металлогидридные (Ni-MH) батареи могут содержать Ni, Co, Fe, Al, C, Cd и редкоземельные элементы. Эти составляющие материалы могут быть извлечены и переработаны в процессе очистки.

[00034] Технология по переработке никель-металлогидридных (Ni-MH) батарей дает минимальный риск возникновения пожара, и удаляемые газы и пыль не требуется контролировать. Обработка Ni-MH батарей может поэтому быть выполнена с помощью единственной операции дробления с высокой скоростью вращения. Здесь снова, как и при второй операции дробления, описанной выше, дробилка работает с более высокой скоростью вращения, составляющей 1000-1200 оборотов в минуту, и уменьшает куски батарей до 0-6 мм.

[00035] Отходы легкого пластика и картона, возникающие во время процесса переработки литий-ионных, литий-полимерных батарей, описанного выше, смешиваются с Ni-MH батареями по мере их переработки. Этот материал, таким образом, продают вместе с материалом, который выделили из Ni-MH батарей, никелеплавильному предприятию. Это предприятие использует легкий материал в качестве энергии, таким образом получая энергию из легкого материала, выделенного из литий-ионных и литий-полимерных батарей.

ОБРАБОТКА ЩЕЛОЧНЫХ БАТАРЕЙ

[00036] Щелочные батареи содержат щелочные материалы и ртуть и должны обрабатываться таким образом, который защищает персонал, технологическое оборудование и окружающую среду от вредных воздействий содержащихся едкой щелочи и ртути.

[00037] Щелочные батареи дробят отдельно при комнатной температуре для сведения к минимуму реакционной способности ртути и щелочного электролита. Как и в случае Ni-MH батарей, щелочные батареи обрабатывают за одну единственную операцию дробления с высокой скоростью вращения. Дробилка работает со скоростью вращения 1000-1200 оборотов в минуту и уменьшает куски батарей до 0-6 мм. Материалы щелочных батарей очень коррозийные. Поэтому механизмы, используемые для обработки щелочных батарей, должны иметь поверхности, изготовленные из резины, нержавеющей стали или других коррозионно-стойких материалов.

[00038] После дробления железо, которое составляет 20-23% содержимого щелочной батареи, отделяют магнитным методом. Железо может быть извлечено в процессе очистки. Материал, остающийся после удаления железа, называется черной массой, содержит приблизительно 25% цинка и 30% марганца, которые могут быть извлечены в результате очистки.

[00039] Щелочные батареи требуется обрабатывать отдельно в дробилке, которая герметизирована от окружающей среды и которая обеспечивает улавливание всей извлеченной ртути.

СИСТЕМА ОТЧЕТНОСТИ И ОТСЛЕЖИВАНИЯ

[00040] В одном варианте осуществления может использоваться компьютеризированная система отчетности и отслеживания для отслеживания, записи и составления отчетов об операциях обработки батарей.

[00041] В одном варианте осуществления по приемке партии подлежащих обработки батарей записывают следующие данные:

I. Название и идентификационный номер и контактную информацию каждой транспортной компании.

II. Ассоциация производителей или другое лицо, от имени которого транспортная компания транспортировала батареи.

III. Типы доставленных батарей, включая случай, если много видов батарей смешаны вместе.

IV. Номер груза, отраженный в записях по перевозке грузов, таких как транспортная накладная.

V. Тип поддона (т.е. Fin или Euro)

VI. Особенности упаковки батарей.

VII. Вес брутто и вес нетто.

[00042] Этикетка, которая напечатана и прикреплена к каждому поступающему контейнеру, может включать в себя следующее:

(a) Номер грузовой партии.

(b) Номер поддона.

(c) Дата изготовления этикетки.

(d) Идентификационный номер сотрудника, внесшего соответствующие данные.

(e) Исходная компания, которая посылала батареи.

(f) Вес брутто всех контейнеров на поддоне.

(g) Типы батарей, которые содержит грузовая партии, или, если батареи были многих типов, это должно быть указано.

(h) Другая соответствующая информация.

[00043] После измерений и записи типа и веса каждой грузовой партии батарей, компьютеризированная система отчетности и отслеживания перечисляет в пересылающую компанию оплату или счет-фактуру соответствующим образом. Величина оплаты основана, частично, на текущей рыночной стоимости составляющих материалов.

[00044] Каждую из последующих выполняемых операций переработки вводят в компьютеризированную систему отчетности и отслеживания для поддержания возможности оперативного контроля.

ЗАЯВЛЕНИЕ В ОТНОШЕНИИ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

[00045] Хотя изобретение было описано в отношении вариантов осуществления, специалистам в данной области техники будет совершенно понятно, что в изобретении могут быть проделаны различные изменения и/или модификации без выхода за пределы сущности или объема изобретения, которые определены приложенной формулой изобретения. Все документы, цитируемые здесь, включены сюда по ссылке, где это применимо, для сведений о дополнительных или альтернативных особенностях, признаках и/или технических предпосылках.

Изобретение относится к способу переработки выброшенных батарей путем измельчения или дробления для извлечения повторно используемых материалов, содержащему следующие этапы: сортировку множества батарей на группы по технологии батарей; удаление батарей с кнопочными элементами из упомянутых групп; измельчение упомянутых групп батарей на куски приблизительно одной четвертью дюйма или менее для получения конечной массы частиц; удаление ферромагнитного материала из упомянутой конечной массы частиц, передачу упомянутой конечной массы частиц в процесс очистки или переплавки для извлечения повторно используемых материалов; при этом измельчение батарей первоначально проводят при температуре от 40 до 50^оС с использованием циклона для удаления выделяющихся газов, после чего полученную смесь через воздухопроницаемую транспортировочную трубу подают на окончательное измельчение. Повышение степени извлечения повторно используемых материалов отработанных батарей при минимальном вредном воздействии на окружающую среду является техническим результатом заявленного изобретения. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ переработки батарей, содержащий:
(i) сортировку множества батарей на группы по технологии батарей;
(ii) удаление батарей с кнопочными элементами из упомянутых групп;
(iii) измельчение упомянутых групп батарей на куски приблизительно одной четвертью дюйма или менее;
(iv) для получения конечной массы частиц;
(v) удаление ферромагнитного материала из упомянутой конечной массы частиц;
(vi) передачу упомянутой конечной массы частиц в процесс очистки или переплавки для извлечения повторно используемых материалов; и
при этом упомянутое измельчение (iv) содержит:
первое измельчение на куски в один дюйм или менее, при этом выделяющиеся газы из упомянутого первого измельчения удаляют циклоном и выполняют дробление при температуре от 40 до 50^оС; полученную в результате смесь кусков батарей подают через транспортировочную трубу, которая является воздухонепроницаемой, на второе измельчение на куски в одну четверть дюйма или менее.

2. Способ переработки батарей по п. 1, причем упомянутое удаление ферромагнитного материала выполняют, используя магнитный сепаратор.

3. Способ переработки батарей по п. 1, причем упомянутый этап удаления батарей с кнопочными элементами выполняют, пропуская их через металлическое сито.