Переработка свинцово-кислотных аккумуляторов
Парадигма утилизации аккумуляторов в циркулярной экономике
Переработка аккумуляторов, особенно свинцово-кислотных, является образцом для отрасли хранения энергии. Мы все знаем о концепции и преимуществах циркулярной экономики. Наиболее важной частью этого является наличие не только процессов переработки использованных товаров, но и налаженной, безопасной инфраструктуры для сбора и транспортировки лома. С ростом использования батарей во многих коммерческих и промышленных приложениях, в частности, в электромобилях и системах хранения энергии, растет озабоченность по поводу источников сырья для батарей и возможности их переработки. Достаточно очевидно, что возможность их вторичной переработки и доступность сырья для их производства неразрывно связаны.
Свинцово-кислотные аккумуляторы являются самым перерабатываемым товаром на планете!
Существует несколько технологий электрохимических накопителей, которые в настоящее время представляют большинство производителей и пользователей батарей в мире.
Рисунок 1. Доля различных химикатов батарей, проданных по всему миру, в зависимости от МВт-ч
Рис. 1 показано примерное распределение по объему продаж в МВт-ч различных типов батарей, производимых ежегодно. Очевидно, что свинцово-кислотные и литий-ионные аккумуляторы — это две технологии, которые доминируют на современных рынках аккумуляторов. Не менее очевидным является очень быстрый темп роста литий-ионных батарей, и есть опасения по поводу этого темпа роста. Одним из них является отсутствие коммерческого процесса переработки литиевых батарей, что может привести к проблемам утилизации в конце срока службы.
Другое дело, что для производства батарей может не хватить материалов для удовлетворения растущего спроса. Эти два понятия неразрывно связаны, и в этом блоге мы рассмотрим, как химия свинцовой кислоты может стать моделью для утилизации батарей всех типов электрохимических систем хранения.
Одним из достоинств, отличающих свинцово-кислотную химию, является ее возраст. В связи с этим мы разработали методы переработки и повторного использования всех конструкционных материалов, благодаря чему мы можем утверждать, что коэффициент восстановления всей батареи составляет почти 100%.
Как происходит переработка аккумуляторов?
Эта впечатляющая статистика зависит не только от механических и химических методов, используемых для дробления, классификации и переработки материалов, но и от наличия сети сбора и распределения. Процесс выплавки и рафинирования свинца известен людям уже несколько тысяч лет. Однако те самые свойства свинца, которые благоприятствуют переработке аккумуляторов, т.е. низкая температура плавления и отсутствие реакционной способности, являются теми свойствами, которые снижают его электрохимическую активность и, следовательно, плотность энергии. Такая возможность вторичной переработки является основным фактором принятия свинца в качестве конструкционного материала для батарей; и это несмотря на его известную токсичность. Именно токсичность в настоящее время вызывает озабоченность как у производителей батарей, так и у переработчиков батарей.
По этой причине разрабатываются методы, альтернативные традиционным загрязняющим пирометаллургическим технологиям. Эти методы основаны на растворении активного материала батареи в растворителях, а затем извлечении свинца в различных химических формах. В следующем блоге мы обсудим плюсы и минусы обоих подходов и выскажем мнение об их относительных достоинствах. Но в данном случае мы сосредоточимся на свинцово-кислотной технологии, а также на инфраструктуре и методах переработки, используемых в настоящее время. На данном этапе было бы полезно кратко остановиться на общих принципах переработки, чтобы оценить препятствия, которые необходимо преодолеть для эффективной и коммерческой переработки всех типов батарей.
Общее определение рециклинга таково:
- «Действие или процесс преобразования отходов в пригодные для использования материалы».
- Это определение может быть уточнено и разделено на два потока: рециклинг с открытым и закрытым циклом.
Рециклинг с открытым циклом и рециклинг с закрытым циклом
Рис. 2 приведены общие принципы обоих типов. Замкнутый цикл означает, что восстановленные материалы повторно используются по своему первоначальному назначению, например, отработанные стеклянные бутылки перерабатываются в новые стеклянные бутылки. Переработка по открытому циклу — это повторное использование восстановленных материалов для другого, возможно, однократного применения, прежде чем они окончательно превратятся в непригодные отходы. Примером может служить сжигание бытовых отходов для обеспечения локального отопления торгового центра. Побочные продукты, в основном газы, такие как NOx, SOx и CO2, будут считаться загрязняющими веществами. Любые твердые побочные продукты также являются непригодными отходами и попадают на свалку.
Выгодна ли переработка аккумуляторов?
Хотя приведенные выше определения рециклинга подходят для целей обсуждения, нам необходимо добавить одно слово: «экономически» между переработкой и отходами, чтобы получить финансово жизнеспособный процесс. Это очень важно. Без этого ключевого фактора ни одно предприятие не взяло бы на себя трудоемкие, дорогостоящие процессы, необходимые для сбора и транспортировки отходов, а также затраты и издержки на извлечение и восстановление необходимых материалов. В принципе, мало кто сомневается, что технически возможно извлечь и переработать практически все, что угодно, из любого промышленного компонента на Земле. Технология и ноу-хау существуют. Проблема в том, сколько это стоит?
Учитывая эти принципы, мы можем рассмотреть конкретно переработку аккумуляторов. Рис. 3, представляет собой схему, иллюстрирующую круговую официальную практику утилизации свинцово-кислотных аккумуляторов.
Что происходит, когда вы перерабатываете батарейки?
Из этого следует, что существует хорошо отлаженный и информированный маршрут от производства до утилизации и восстановления батарей. Существуют пункты сбора, в которых первоначальный розничный продавец или частные и государственные пункты переработки батарей использовали батареи, возвращенные потребителем, для конкретной цели переработки батарей в новые батареи. Следует отметить, что транспортировка использованных батарей требует надлежащей изоляции из-за их опасного характера. Эти процедуры и методы работы относятся к официальным организациям по переработке аккумуляторов, которые состоят из компаний по сбору и доставке, розничных организаций, свинцовых плавильных и рафинировочных заводов (часто называемых переработчиками), которые держатся вместе благодаря склеиванию законодательных и нормативных актов по сбору, хранению и транспортировке опасных материалов.
Как происходит переработка аккумуляторов?
Однако, как широко известно, существует также неофициальный сектор, который занимается переработкой аккумуляторов вне дорогостоящих правовых ограничений официальных маршрутов.
Хотя известно, что подобная ситуация существует в таких странах, как Африка, Индия и Южная Америка, считается, что более промышленно развитые страны, к которым относится Европа, не будут прибегать к неформальным элементам в рамках этого замкнутого процесса. Если это так, то мы должны иметь почти 100% эффективность переработки батарей в европейских странах.
Почему важно перерабатывать батарейки?
К сожалению, это не так, и рис. 4 показан статус переработки аккумуляторов в большинстве стран Европы. Здесь мы видим, что только 8 из 30 стран достигли в 2018 году эффективности утилизации батарей выше 90%, и только 4 страны достигли или близки к достижению показателя 100% восстановления и утилизации батарей. Однако за этой статистикой стоит множество факторов, включая критерии отчетности и движущуюся цель — сопоставить текущий годовой уровень продаж со сроком службы батарей и количеством лома, оставшегося от продаж предыдущих лет. Перемещение и распределение лома батарей в Европе иногда, несмотря на законодательство, все еще происходит неофициальными и, простите, незаконными способами.
Почему мы перерабатываем батарейки?
Это особенно актуально, когда спрос высок, а предложение невелико.
В связи с этим возникает следующий момент — путаница в часто приводимой статистике, согласно которой свинцово-кислотные батареи почти на 100% перерабатываются. Это верно, когда мы говорим о количестве извлеченных из процесса материалов для батарей, а не об общем количестве переработанных батарей. Это означает, что почти весь пластик, свинец и кислота, содержащиеся в батарее, становятся сырьем для производства новых батарей. В некоторых случаях она может включать в себя сырье для других материалов, например, серную кислоту, используемую для производства удобрений.
В любом случае, технически невозможно вернуть 100% всего, так как неизбежно возникнут некоторые потери, хотя и небольшие, менее 1%. Отвлечение серной кислоты на другие цели, как уже упоминалось, также означает, что процедуры восстановления не полностью соответствуют циркулярной модели, которая радостно изображается на веб-сайтах организаций, занимающихся свинцом, и компаний по переработке аккумуляторов. Сюда же следует добавить неизбежные токсичные выбросы и отходы (шлак), которые могут образовываться при пирометаллургических методах переработки свинцово-кислотных батарей.
Чтобы понять степень переработки аккумуляторов, любые потери в процессе и образующиеся отходы, нам необходимо изучить материалы свинцово-кислотного аккумулятора, а также химию и инженерный принцип процессов восстановления. Рис. 5 представлена схема процесса восстановления, используемого при переработке свинцово-кислотных аккумуляторов.
Что такое завод по переработке аккумуляторов?
Процесс переработки аккумуляторов
В данном случае речь идет о современных пирометаллургических методах, которые пока являются единственными коммерчески доступными процессами. На схеме показаны 4 основных этапа после сбора и доставки на место утилизации батарей. К ним относятся:
- Разбивка и сегрегация аккумуляторов. Лом аккумуляторов помещается в молотковую мельницу для измельчения, затем разделяется на основную свинецсодержащую пасту, гранулы металлической сетки, пластмассовые кусочки и компоненты кислоты, рис. 6.
- Десульфуризация. Паста или свинцовый активный материал обрабатывается кальцинированной содой для удаления серы.
- Плавильная (доменная или реверберационная) печь. Десульфированная паста затем выплавляется в доменной или реверберационной печи для уменьшения содержания свинцовых соединений до мягких или твердых свинцовых слитков, в зависимости от состава лома и предполагаемого конечного продукта, рис. 2. 7.
Переработка отходов аккумуляторов
- Рафинирование свинцового слитка. Наиболее распространенным методом является прокаливание для получения либо мягкого (чистого) свинца, либо твердого (легированного) свинца.
Эта диаграмма поднимает несколько интересных вопросов. Наряду с перерабатываемыми компонентами в качестве продукции, существует также проблема выбросов на различных этапах технологического процесса.
Как правило, это атмосферные и сточные выбросы газов (COx, SOx, NOx), свинецсодержащая пыль и сточные воды, содержащие такие загрязняющие вещества, как сера и свинец. Эти выбросы регулируются национальными и местными стандартами в каждой стране, где практикуется переработка свинца. Современные уровни очень малы, а загрязнение воздуха, земли и воды в регулируемом формальном секторе, как правило, является проблемой прошлого. Однако это не относится к неформальному сектору, который, по данным ВОЗ, был и остается ответственным за значительное загрязнение земель и повышение уровня свинца в крови в некоторых городах и деревнях.
Еще одним достижением пирометаллургического процесса является извлечение металлических примесей из отработанного шлака, что может сделать эту фракцию отходов пригодной для проектов по засыпке земель или дорог.
Двумя примерами таких процессов растворения являются запатентованные технологии Aurelius и Citrecycle. Обе эти компании используют процесс, в котором лимонная кислота используется в качестве растворителя для растворения свинцовой пасты перед извлечением из нее различных соединений свинца для дальнейшей обработки.
На диаграмме рис. 8 показано сравнение обоих этих процессов. Из диаграммы видно, что лом аккумуляторов по-прежнему разбивается и разделяется, как и при традиционном методе, но процесс плавки и десульфурации отсутствует. Существует товарная продукция — высушенный цитрат свинца, который может быть продан в формальный сектор для дальнейшей переработки в контролируемых и регулируемых условиях. Было предложено, что этот тип процесса может быть принят в модульной форме под контролем местных властей в нынешнем неформальном секторе переработки отходов. Это принесет двойную пользу: не только предотвратит загрязнение свинцом и заражение крови, но и привлечет неформальных переработчиков под контроль официального сектора переработки.
Свинцово-кислотные аккумуляторы являются самым перерабатываемым товаром на планете! - Рис.9
Сектор переработки свинцово-кислотных батарей действительно является моделью для циркулярной экономики и может быть использован в качестве первого этапа, на основе которого могут быть разработаны различные итерации, подходящие для различных химикатов батарей. Однако существуют проблемы, связанные с токсичностью свинца и контролем за выбросами и отходами, образующимися при нынешних методах переработки пирометаллургических батарей. Необходимо улучшить управление неформальным сектором, который не выполняет законодательные требования, установленные национальными и местными органами власти при сборе, хранении и переработке лома батарей. Однако новые более дешевые и экологически чистые процессы, разработанные для решения проблем загрязнения и безопасности, уже близки к коммерческой доступности.
С помощью этих методов, которые являются более безопасными и менее загрязняющими, цель производства мягкого свинца класса «четыре девятки» из лома аккумуляторов станет достижимой. Мировая экономика и политика влияют на поставки материалов и свинца, используемых при производстве аккумуляторов. Полная переработка всего внутреннего лома батарей с использованием методов, которые производят меньше CO2, удаляют шлак и минимизируют загрязнение, — это путь вперед. Несмотря на то, что нынешняя ситуация с утилизацией свинцово-кислотных аккумуляторов может служить примером, отрасль по-прежнему стремится к совершенствованию, чтобы сделать все свои процессы более чистыми, безопасными и экологичными.
Новые технологии, которые надеются достичь этой цели, могут стать значительным шагом вперед, и компания Microtex, как всегда, будет находиться на переднем крае точного информирования своих клиентов и партнеров о последних достижениях в области аккумуляторных технологий, которые непосредственно влияют на всех нас.
