电池回收
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铅酸电池回收

循环经济中电池回收的范式

电池回收,特别是铅酸电池是储能行业的典范。 我们都知道循环经济的概念和好处。 其中最关键的部分不仅是废旧物品的回收流程,还有用于收集和运输废料的既定安全基础设施。 随着电池在许多商业和工业应用中的迅速使用,特别是电动汽车和储能系统,人们越来越关注电池原材料的来源和这些电池的可回收性。 很明显,它们的可回收性和制造原材料的可用性是密不可分的。

铅酸电池是地球上回收最多的商品!

目前有几种电化学存储技术代表了当今世界上大多数电池制造商和用户。
图1。 作为 MWh 的函数,全球销售的不同化学成分电池的比例
无花果。 图 1 显示了每年生产的不同类型电池的全球 MWh 销售额的大致分布。 显然,铅酸和锂离子电池是主导当前电池市场的两种技术。 同样清楚的是,锂离子电池的增长速度非常快,人们对这种增长速度感到担忧。 一是缺乏锂电池的商业回收过程,这可能会导致报废处理问题。

另一个是可能没有足够的材料来制造电池以满足不断增长的需求。 两者密不可分,在本博客中,我们将研究铅酸化学如何成为所有类型电化学存储系统的电池回收模型。
区分铅酸化学的优点之一是它的年龄。 因此,我们开发了回收和再利用所有结构材料的方法,以至于我们可以声称整个电池的回收率几乎为 100%。

电池回收如何运作?

这个令人印象深刻的统计数据不仅与用于材料破碎、分类和精炼的机械和化学方法有关,还与收集和分配网络有关。 人类已知铅冶炼和精炼的过程已有数千年历史。 然而,铅有利于电池回收的特性,即低熔点和缺乏反应性,正是那些降低其电化学活性并因此降低其能量密度的特性。 这种可回收性是接受铅作为电池结构材料的主要因素。尽管它具有已知的毒性。 目前,电池制造商和电池回收商都关注毒性。

出于这个原因,正在开发传统污染火法冶金技术的替代方法。 这些方法依赖于将电池活性材料溶解在溶剂中,然后以各种化学形式提取铅。 我们将在下一篇博客中讨论这两种方法的优缺点,并就它们的相对优点给出看法。 但对于这个例子,我们专注于铅酸技术以及目前使用的回收基础设施和方法。 在这一点上,简要介绍回收的一般原则是有用的,以便了解需要克服的障碍,以有效地和商业地回收所有类型的电池。

回收的一般定义是:

  • “将废物转化为可用材料的行动或过程。”
  • 这个定义可以进一步细化并分为两个流:开环和闭环回收。
Fig 1 Worldwide battery market
图1。 全球电池市场规模
Fig 3. Circular economy recycling credentials of lead acid batteries
图 2。 铅酸蓄电池循环经济回收凭证

开环回收和闭环回收

无花果。 2 给出了两种类型的一般原则。 闭环意味着回收的材料按原用途重复使用,例如将废玻璃瓶回收成更多的玻璃瓶。 开环回收是将回收的材料重新用于不同的,可能是一次性的,最终成为无法使用的废物。 这方面的一个例子是焚烧生活垃圾以为购物中心提供当地供暖。 副产品,主要是氮氧化物、硫氧化物和二氧化碳等气体,将被视为污染物。 任何固体副产品也将成为无法使用的废物,最终被填埋。

电池回收是否有利可图?

虽然上面给出的回收定义适合讨论的目的,但我们需要添加一个词:转换和废物之间的“经济上”,以便有一个经济上可行的过程。 这个很重要。 如果没有这个关键因素,任何企业都不会承担收集和运输废物所需的费力、昂贵的过程,以及提取和回收所需材料的成本和费用。 作为一般原则,毫无疑问,从地球上的每个制造部件中回收和再循环几乎任何东西在技术上都是可行的。 技术和知识是存在的。 问题是,要花多少钱?

考虑到这些原则,我们可以专门研究电池回收。 无花果。 图3是示意图,说明了铅酸电池的循环、官方回收实践。

Fig 3a. Circular economy recycling credentials of lead acid batteries
图 3。 铅酸蓄电池循环经济回收凭证
Fig 4. Recycling efficiency for lead acid batteries in European Nations
图 4。 欧洲各国铅酸电池回收效率

回收电池时会发生什么?

由此可知,从电池的制造到处置和回收,有一条完善且知情的路线。 有收集点,原始零售商或私人和公共电池回收点将消费者退回的电池用于特定目的,将电池回收成新电池。 需要注意的一件事是,由于其危险性质,废旧电池的运输需要适当的密封。 这些程序和工作实践是指由收集和交付公司、零售组织、铅冶炼厂和精炼厂(通常称为回收商)组成的官方电池回收组织,这些组织通过立法和法规的胶水将收集、储存和危险品运输。

电池回收如何运作?

然而,众所周知,还有非正式部门在官方路线的昂贵法律限制之外进行电池回收。

虽然已知这种情况存在于非洲、印度和南美洲等国家,但据信,以欧洲为代表的更多工业发达国家在这个闭环过程中不会求助于非正式元素。 如果是这样,我们应该在欧洲国家拥有接近 100% 的电池回收效率。

为什么回收电池很重要?

不幸的是,情况并非如此,图。 图 4 显示了欧洲大部分地区的电池回收状况。 在这里我们可以看到,2018年30个国家中只有8个国家的电池回收效率超过90%,只有4个国家达到或接近100%的回收率和电池回收率。 然而,这些统计数据背后有许多因素,包括报告标准和与当前年度销售水平相匹配的移动目标,以及电池寿命和前几年销售中可用的废料量。 尽管有立法,欧洲废旧电池的移动和分销有时仍会通过非正式的和对不起说非法的方式进行。

我们为什么要回收电池?

当需求高而供应短缺时尤其如此。
这带来了下一点,即对经常引用的统计数据的混淆,即铅酸电池几乎 100% 回收。 当我们谈论从过程中回收电池材料的数量时,这是正确的,而不是回收的电池总量。 这意味着电池中几乎所有的塑料、铅和酸最终都会成为更多电池的原料。 在某些情况下,它可以包括其他材料的原料,例如用于制造肥料的硫酸。

无论如何,从技术上讲不可能 100% 恢复任何东西,因为不可避免地会发生一些损失,尽管损失很小,但小于 1%。 如上所述,将硫酸转移到其他用途也意味着回收程序不完全符合铅组织和电池回收公司网站上愉快地描绘的循环模型。 我们还需要将不可避免的有毒排放物和废物(炉渣)添加到其中,这些排放物和废物(渣)可以通过铅酸电池回收的火法冶金方法产生。

要了解电池回收率、过程中的任何损失和产生的任何废物,我们需要检查铅酸电池中的材料以及回收过程的化学和工程原理。 无花果。 图5为铅酸蓄电池回收利用的回收流程示意图。

什么是电池回收厂?

Fig 5. Processing route for collected lead acid battery scrap
图 5。 废铅酸蓄电池处理路线
Fig 6. Lead acid battery scrap starting to be processed at a battery recycling plant
图 6。 电池回收厂开始处理铅酸电池废料

电池回收流程

在这种情况下,目前的火法冶金方法是迄今为止唯一的商业化工艺。 该图显示了收集并运送到电池回收站后的 4 个基本阶段。 这些是:

  • 电池破裂和隔离。 将电池废料放入锤磨机进行破碎,然后分离成碱性含铅膏、金属网格颗粒、塑料碎片和酸性成分,如图 1 所示。 6.
  • 脱硫。 糊状物或含铅活性材料用纯碱处理以去除硫。
  • 熔炼(高炉或反射)炉。 然后将脱硫膏在鼓风炉或反射炉中熔炼,将含铅化合物还原为软或硬的铅锭,具体取决于废料的成分和预期的最终产品,图 1。 7.
Fig 7. Reverberatory furnace used for lead acid battery active material recycling
图 7。 铅酸蓄电池活性材料回收用反射炉
Fig 8. Schematic comparing two dissolution routes to lead acid battery active material recycling
图 8。 两种溶解途径比较铅酸电池活性材料回收的示意图

废电池回收

  • 精炼铅锭。 最常见的方法是煅烧以生产软(纯)铅或硬(合金)铅。
    这张图提出了一些有趣的观点。 除了作为产品的回收组件外,还存在各个工艺阶段的排放问题。

这些通常是大气和废气排放的气体(COx、SOx、NOx)、含铅灰尘和含有硫和铅等污染物的废水。 在实施铅回收的每个国家/地区,这些排放均受国家和地方标准的约束。 现代水平非常低,空气、土地和水的污染在受监管的正规部门中通常是过去的问题。 然而,对于非正规部门而言,情况并非如此,据世界卫生组织称,非正规部门已经并且仍然是造成一些城市和村庄严重的土地污染和血铅水平升高的原因。

火法冶金工艺的另一个发展是从废渣中回收金属污染物,这可以使这种废物部分适用于土地或道路填充项目。
这些溶解过程的两个例子是 Aurelius 和 Citrecycle 的专利技术。 这两家公司都有使用柠檬酸作为溶剂溶解铅膏的工艺,然后回收各种铅化合物以供进一步处理。

图 8 比较了这两个过程的流程图。 从图中可以看出,废电池仍与常规方法一样破碎分离,但缺少冶炼和脱硫过程。 有一种可销售的产品,即干燥的柠檬酸铅,可以将其出售给正规部门,以便在受控和规范的条件下进行进一步加工。 有人提议,当前的非正规回收部门可以在地方当局的控制下以模块化形式采用这种类型的过程。 它将具有双重好处,不仅可以防止铅污染和血液中毒,还可以将非正规回收商纳入正规回收部门的控制中。

铅酸电池是地球上回收最多的商品! - 图 9

Fig 9. Status of global material recycling rates
Fig 9. Status of global material recycling rates

铅酸电池回收行业确实是循环经济的典范,可以作为第一阶段的蓝图,从中可以得出适合不同电池化学成分的各种迭代。 然而,目前的火法冶金电池回收方法存在围绕铅的毒性以及控制排放和废品的挑战。 在收集、储存和处理废电池时,对不符合国家和地方政府规定的法律要求的非正规部门的管理需要改进。 然而,旨在解决污染和安全问题的更便宜、更环保的新工艺即将商用。

有了这些更安全、污染更少的方法,从电池废料中生产四九软铅的目标将是可以实现的。 全球经济和政治影响电池制造中使用的材料和铅的供应。 使用产生更少二氧化碳、去除炉渣和最大限度减少污染的方法,对所有内部产生的电池废料进行完全电池回收,是前进的方向。 虽然铅酸电池回收的现状可能是当前的典范,但该行业仍在努力改进,使其所有流程更清洁、更安全和更环保。

希望实现这一目标的新技术可能是向前迈出的重要一步,而Microtex 将一如既往地站在最前沿,准确地向其客户和合作伙伴通报直接影响我们所有人的最新电池技术发展。

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