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锂離子電池制造工程排氣中的NMP溶劑回收裝置

时间:2015-06-01 11:00:46   来源:   作者:   点击:1394次

    摘 要:本文主要介绍的是最新的NMP回收装置。大气社从1995年就开始纳入NMP回收装置,近来,发明的新系统有别于传统的冷却凝缩方式,不仅可以回收99%的高浓度的NMP而且仅使用一台NMP回收装置可以正负两极同时处理排气成为可能。

  關鍵詞:NMP;NMP回收裝置;ADM的構造

1.前文

  近來,用于汽車和緊湊型電力供給的大功率、高能量密度的锂離子二次電池的需求量呈爆發式的增長。在該種電極制造生産線上大量使用且價格昂貴的NMP溶劑(N甲基2吡咯烷酮)占據了電池制造成本的很大一部分。

  大氣社從1995年開始,向锂電池生産制造廠家提供了很多的NMP回收裝置,且不斷以以往經驗爲借鑒,使其向更節能、高性能的方向發展。本文要介紹的是最新的NMP回收裝置。

2.NMP的特點

  NMP是含氮基的五元環狀化合物,極性大且易溶性非常強。廣泛應用于塗料除去劑和電子工業的清洗劑。近來,作爲在锂離子電池制造中電極的輔助材料,其需求量急速增加。

  消防法規上將其劃分歸類爲第四類第三石油類(水溶性),作爲危險類物質加以控制。大氣汙染防治法將其定位爲揮發性有機化合物(voc)而加以控制。

  至于慢性毒性方面雖沒有詳細數據來證明,在空氣中的濃度含量界限也尚未規定,但根據最新的研究顯示它對生殖系統方面具有毒性,相信今後將會強化對排放的限制。

  物理性質方面,由于沸點高、氣化壓力低,因此在低溫狀態下很容易凝結。此外,易溶解于水且可以以任意比例混合。利用該種性質,可以通過洗淨塔方式或冷卻凝縮的方式對其進行回收。

3.NMP的回收方法和特點

  關于NMP的回收,普遍采取的是以下的這種方法。

1)燃燒處理方式

  即將含有NMP的排氣高溫加熱,使NMP氧化分解成二氧化碳和水的方法。采用催化劑燃燒方式和蓄熱式直接燃燒方式雖然可以控制加熱的能源消耗,但昂貴的NMP溶劑也被氧化分解,無法進行回收和再利用。此外,NMP裏所含的氮基也被氧化,産生的有害的氮氧化物也必須要進行處理。

2)洗淨塔方式(濕式方式)

  指的是讓NMP與水接觸,然後回收水溶液的一種方式。如要高效地處理NMP必然要求裝置的通風抵抗大和風機的高功率。此外,還需提供大量的高價純水。運行成本很高。

  此外,由于不能進行排氣的熱回收,與本文後面即將提到的可以進行排氣熱回收的系統相比,幹燥爐的能源消耗也很大。

3)冷卻凝縮+吸著濃縮方式(幹式方式)

  是一種通過冷卻將排氣中的NMP凝縮回收、排氣中殘留的NMP由後段的吸著濃縮裝置淨化的方法。

  處理過的排氣由于已經是潔淨氣體,可以用于給氣進行再循環。由于水分含量少所以回收溶劑的濃度高。而且,通過回收排氣的熱來對給氣進行預熱加熱,降低了幹燥爐的能源消耗。

  但是,因爲吸著濃縮裝置的吸著材使用的是沸石,要求脫著溫度必須需要180℃~200℃。這部分的能源消耗很大,而且冷凍機的負荷也很大,運行成本很高。

  同時,由于要將處理過的排氣再利用于供氣進行循環,所以爲防止正極-負極間金屬汙染這點來看,需要單獨設置正極和負極的處理裝置,成本很高。

4.大氣社的NMP回收裝置


     大气社的NMP回收的原理为冷却凝缩+吸着浓缩(干式方式)。

  排氣從幹燥爐出來後先通過冷卻器進行冷卻,將其中NMP溶劑進行凝縮回收。

  NMP飽和蒸汽壓低,在低溫的狀態下無法大量存在于空氣之中。因此稍加冷卻後就可以凝縮成液體。高溫排氣中的NMP在冷卻器中凝縮後以NMP溶液的形式進行回收。此時,排氣中含有的水分也同時被凝縮又被NMP溶液吸收。大氣社的NMP回收裝置不僅能夠使NMP溶液中的水分含量減少,而且使高濃度的回收成爲可能。

这种装置通常将排气冷却至12℃, 12℃的饱和浓度为200ppm以下,而该装置使得冷却后的NMP浓度保持在该值以下(通常加上吸收后在150ppm以下)。

   NMP饱和溶度和回收操作(见下图)


  冷却凝缩后的低浓度NMP排气再通过后段的活性炭单元式吸着浓缩装置(ADM)时被活性炭吸附处理,NMP的浓度净化后可达到几 ppm,被处理过排气再度返回干燥炉进行供气。此时的供气预热的热量来自于回收的高温排气,降低了干燥炉的加热能源消耗。

  循環後的空氣已經經過高度淨化,而且還進行了除濕處理,使得供氣潔淨且幹燥。

  在幹燥爐的排氣的循環利用中,大部分的排氣是再循環後作爲供氣。爲維持幹燥爐的壓力平衡只需要將極少一部分排氣排放大氣中。又因爲排氣中NMP的濃度相當低,所以向大氣中排放的NMP的量幾乎爲“0”。

  吸附于活性炭上的NMP在130℃的少量的脫附給氣中脫落,形成1600~2000ppm的高濃度小風量的氣體後再度返回冷卻器入口,進行再一次的冷卻凝縮回收。

  這種裝置將100℃以上的排氣低溫冷卻至12℃,在高熱的區域,通過回收熱量預冷,再用成本低的冷卻水冷卻。經過再一輪的冷熱回收的再冷卻後,才用冷凍機産生的7℃冷水進行冷卻。

  像這樣對應溫度域而變更冷卻方法、分階段進行冷卻[cascade冷卻]的冷卻方式可以非常經濟低地實現冷卻。此外,該熱回收由于采用的是循環式熱交換盤管,實現了高效率和低成本的結合。
5.NMP回收裝置的比較

  大氣社的方式和其他方式的運行成本的試算值如下所示:

  年度運作成本比較

  处理风量 900m3(N)/min时的比较

  大氣社的NMP回收方式爲冷卻凝縮+吸附濃縮。但和其他公司的冷卻凝縮方式的有著顯著不同,如下所示。

  1)吸附濃縮裝置的吸附材由于使用的是纖維狀的活性炭織物(本公司專利),所以脫附溫度只需要130℃,因脫俯而消耗的能源非常少。

  2)由冷熱回收可以減少冷凍機60%的負荷。(正在申請專利)

  3)采用循環式熱交換盤管進行熱回收,成本低,回收率高,幹燥爐的能源消耗也限制在最小的範圍內,且可自由配置。

6.ADM的構造和活性炭的安全性

  大氣社的NMP回收裝置的核心部位如下圖所示。圓筒的籠狀網上卷著纖維活性炭織物成卷狀,對排氣中NMP進行吸附處理。

  ADM的構造(見下圖)


  在ADM的轉輪上,裝有很多的這種筒狀卷,處理區域和脫附區域往複轉動進行處理。NMP在處理區被活性炭吸附,在脫附區脫附。

  含有NMP的排氣從該裝置的外側進入內側後,經由吸附、淨化。脫附的步驟相返,脫附空氣從反向由內向外流出,將活性炭中的NMP進行脫附,使其循環利用。

  含有NMP的排氣通過纖維狀活性炭織物的時候,由于直接與活性炭接觸,吸附速度非常快,高效率的處理使得出口濃度可低至0~幾ppm。

  而且,如上圖所示,由于ADM的吸附材量少,熱容量也小,低溫就可以脫附,起動迅速,非常節能。

  那麽,由于活性炭是可燃物,也許會有人認爲比使用沸石的吸著濃縮裝置具有危險性。但是,這裏使用的纖維狀活性炭是煤炭瀝青系活性炭,燃點高達460℃。由于比NMP的燃點高,所以即使NMP燃燒後,活性炭也不會燃燒。此外,活性碳的量非常少,常時吸附的NMP的量和沸石的方式相比只爲其中的十分之一,混有活性碳的可燃物量也只有沸石方式的三分之一不到。相反是安全性相當高。

7.結語

  大氣社從1995年就開始納入NMP回收裝置,近來,發明的新系統有別于傳統的冷卻凝縮方式,不僅可以回收99%的高濃度的NMP而且僅使用一台NMP回收裝置可以正負兩極同時處理排氣成爲可能。此外,最近,針對負極制造生産線的水溶性輔助劑的方面也在准備節能系統。

  以上即大氣社的锂離子電池制造工程的NMP回收裝置的相關內容。該裝置如能對那些在锂離子電池的批量生産線上工作的人有所幫助本公司將感到萬分榮幸。

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