폐기된 폐리튬 배터리에는 경제적 가치가 높은 비재생성 중금속 자원이 상당량 함유되어 있습니다. 양극재는 이러한 중금속 자원을 포함하고 있습니다. 리튬 배터리 리튬 코발트 산화물 분말입니다. 음극 전극 재료는 흑연 분말입니다. 두 전극 모두 코발트, 니켈, 망간, 구리, 알루미늄과 같은 상당량의 금속을 함유하고 있습니다.
폐기되거나 품질이 저하된 리튬 배터리를 효과적으로 재활용하고 처리하는 것은 환경 부담을 완화할 뿐만 아니라 코발트, 니켈, 망간과 같은 귀중한 중금속의 낭비를 막을 수 있습니다. 따라서 전 세계 국가들은 자원 제약과 환경 보호를 위한 노력의 일환으로 폐리튬 배터리 재활용에 큰 중요성을 두고 있습니다.
1. 건식 재활용 및 습식 재활용
1. 비교 분석: 습식 재활용 기술 vs. 건식 재활용 기술
폐리튬 배터리를 재활용하고 처리하는 과정에서는 건식 재활용과 습식 재활용이라는 두 가지 주요 기술이 활용됩니다.
- 습식 재활용 기술: 이 접근 방식은 긴 공정 경로를 필요로 하고, 상당한 초기 투자가 요구되며, 다수의 장비를 필요로 합니다. 또한, 알루미늄 금속을 재활용할 수 없고 리튬 배터리에 존재하는 PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드) 바인더를 효과적으로 처리할 수 없습니다.
- 건식 재활용 기술: 이 방법은 주로 고온(~800°C) 및 저온(~400°C) 건식 공정으로 나뉩니다. 공정 경로가 짧고 필요한 장비가 적다는 장점이 있습니다. PVDF를 효과적으로 처리할 수 있지만, 에너지 소비가 높고 상당한 열이 필요하다는 단점이 있습니다. 또한, 건식 처리 공정에서는 필연적으로 산성 불화수소(HF) 가스 또는 기타 할로겐화수소 가스와 유기물 분해 폐가스가 발생합니다. 이러한 배출물은 환경에 미치는 영향을 최소화하기 위해 별도로 처리해야 하므로, 특수 환경 보호 시설에 대한 대규모 투자가 필요합니다.
2. 시스템 구성: 공기 분리의 핵심 역할
일반적인 리튬 배터리 재활용 및 처리 장비는 일반적으로 세 가지 주요 모듈을 통합합니다.
- (배터리 재활용/재사용을 위한) 분해 라인.
- 분쇄 및 파쇄 공기 분리 라인(핵심 기술 허브).
- 추출(및 재추출) 생산 라인.
분쇄 및 파쇄 공기 분리 라인은 리튬 배터리 재활용 및 처리 생태계 전체의 핵심 역할을 합니다.
3. 산업 병목 현상: 안전 위험 및 높은 운영 비용
기술 발전에도 불구하고 많은 기존 제조업체들은 여전히 구식 공정에 의존하고 있습니다. 이러한 공정은 다음과 같은 일련의 단계를 포함합니다. 파쇄 → 2차 분쇄 → 분쇄 → 공기 분리(외부 고온 및 중온로 사용).
널리 퍼진 이 공정의 결정적인 결함은 충전된 폐리튬 배터리를 처리할 때 발생하는 인화성 및 폭발성 위험을 원천적으로 해결하지 못한다는 점입니다. 결과적으로 이러한 안전 위험을 관리하는 데 드는 비용이 증가하여 톤당 3,000위안이라는 감당하기 어려운 수준에 이르게 됩니다.
4. 기술적 혁신: 진공 열분해 및 가스 없는 비용 절감
이러한 업계의 문제점을 해결하기 위해 우리는 선진 해외 기술을 도입하고 엄격한 기술 개혁을 시행하여 두 가지 주요 돌파구를 마련했습니다.
- 화재 및 폭발 위험 제거: 당사가 자체 제작한 고온 열분해로의 공급 메커니즘은 가변 주파수 속도 조절 기능을 갖도록 설계되었습니다. 이러한 설계는 연속적인 고온 진공 벨트를 생성하여 기존 기계식 파쇄기에서 발생하던 화재 및 폭발 위험을 효과적으로 제거합니다.
- 운영비용(OpEx)의 상당한 절감: 이 혁신은 장비 생산 비용을 획기적으로 낮춥니다. 유지 비용을 절감할 뿐만 아니라, 이러한 독특한 진공 환경 덕분에 생산 라인은 값비싼 질소나 기타 산소 차단 가스를 필요로 하지 않아 일상적인 운영 비용을 대폭 줄이고 수익성을 극대화합니다.
2. 폐리튬배터리 재활용 및 처리 시스템
1. 핵심 처리 순서
이 시스템은 폐리튬 배터리 재활용 및 처리 장비와 폐가스 처리 장비를 포함합니다.
주요 처리 라인은 순차적으로 연결된 세 가지 주요 단계로 구성됩니다.
- 리튬 배터리 재활용 전처리용 파쇄 장치.
- 열분해 장치.
- 후처리 장치(2차 분쇄, 연삭 및 공기 분리 장비 포함).
2. 열분해 장치 하위 구성 요소
열분해 장치는 여러 핵심 구성 요소를 통합합니다. 이 구성 요소들은 다음과 같은 순서로 순차적으로 연결됩니다.
- 열분해로.
- 가변 주파수 풍량 조절 장치.
- 생산 전처리 장치.
- 건식 회전 가마 통합.
- 후처리 장치.
3. 배기가스와 환경과의 연관성
이 시스템의 가스 경로는 배출물을 처리하기 위해 세심하게 네트워크로 연결되어 있습니다.
- 건식 회전로의 배기구는 전처리 파쇄 장치의 배출구와 3차원적으로 연결되어 있으며, 생산 환경 보호 장치와도 연결되어 있습니다.
- 열분해로의 분해 폐가스 배출구는 환경 보호 장치에 직접 연결되어 있습니다.
4. 열회수 및 유량 제어
폐리튬배터리의 건식 재활용 과정에서 발생하는 높은 에너지 소비 문제를 해결하기 위해, 전체 설비에는 외부 열교환기가 포함되어 있습니다. 이 열교환기는 열분해로 외부에 설치됩니다.
연결 및 제어 네트워크는 다음과 같이 구성됩니다.
- 외부 열교환기의 공기 흡입구는 환경 보호 장치의 고온 연도 가스 배출구에 연결됩니다.
- 열분해로의 분해 폐가스 배출구와 건식 회전로를 연결하는 배관에는 단열 슬리브가 설치되어 있다.
- 분기 배관 중 하나는 외부 열교환기의 공기 흡입구에 연결됩니다.
- 고온 연도 가스 배출구에는 유량 조절 장치가 설치되어 유량을 관리합니다.
5. 에너지 절약 루프
이 시스템은 폐쇄 루프 열 회수 공정을 활용합니다. 건식 회전로에서 발생하는 폐가스는 먼저 환경 보호 장치로 유입됩니다.
이후, 이 가스는 고온의 연도 가스 배출구를 통해 열분해 장치의 외부 열교환기로 들어갑니다. 이렇게 재활용된 가스는 열분해로의 주요 열원으로 사용되어 에너지 비용을 크게 절감합니다.
3. 유량 조절 장치 목적
고온 배기가스 배출구의 유량 조절 장치는 분기관으로 유입되는 고온 배기가스의 유량을 조절하도록 설계되었습니다. 이 장치를 통해 공기량을 조절함으로써 외부 열교환기의 공기 유입구로 유입되는 배기가스의 온도를 400°C에서 1000°C 사이로 유지할 수 있습니다.
이상적으로 이 온도는 500°C에서 650°C 사이로 조절되어야 합니다. 이렇게 하면 진공 구역이 형성되어 파쇄기와 열분해로가 무산소 환경에서 작동할 수 있으며, 리튬 배터리 재활용 과정에서 발생하는 화재 및 폭발을 효과적으로 방지할 수 있습니다.
파쇄된 폐리튬 전지는 열분해로에 투입되어 전지 내부의 유기물을 열분해합니다. 이 과정에서 폐리튬 전지에 존재하는 바인더인 PVDF, 육불화인산리튬, 그리고 유기 용매가 열에 의해 분해되어 크래킹 폐가스가 발생합니다. 이 크래킹 폐가스는 연소되어 이산화탄소, 물, 불산(HF) 및 기타 가스를 생성합니다.
폐가스 처리 장치에 사용되는 나노 크기의 산화칼슘은 작동 온도에서 높은 활성도를 보입니다. 불산(HF)과 빠르게 반응하여 불화칼슘을 형성하여 불산이 대기 중으로 배출되는 것을 방지합니다. 마찬가지로, 잔류 할로겐화수소 가스는 칼슘과 결합하여 할로겐화칼슘을 형성하며, 이산화탄소와 물은 시멘트 생산 환경 보호 장치에서 처리되어 배출 기준을 충족합니다.
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— 게시자 에밀리 첸
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