廢動力電池破碎產(chǎn)物風(fēng)選過程參數(shù)分析

祖 磊，李華兵，朱華炳，畢海軍，柏宇軒

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

近年來，我國的新能源汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，據(jù)統(tǒng)計，我國在2016 和2017 年新能源汽車的銷售量分別達(dá)到50 和70 萬輛[1]。有研究表明，2016～2020 年生產(chǎn)的動力鋰電池陸續(xù)進(jìn)入退役期。2018 和2019 年的報廢量分別為3.95 和15.27 萬噸，合計近20 萬噸，預(yù)計2023 年報廢量將達(dá)116 萬噸。

廢動力電池中含有鈷、鎳、鋰、銅、鋁和石墨等金屬，其中電池內(nèi)芯中銅和鋁作為重要組成部分，含量很高，回收價值可觀，因此本文將重點研究銅鋁的回收工藝。目前廢動力電池的回收方法很多，常用的有火法回收[2]、濕法回收[3]和聯(lián)合回收[4]，這些方法都存在能耗過大且造成二次污染等問題[5]。采用機(jī)械物理法不會造成污染再生，同時可以有效分離破碎產(chǎn)物中的銅和鋁[6]。楊等[7]研究了塑料分選時的分選特性。何等[8]設(shè)計了立式風(fēng)選機(jī)，建立了銅鋁顆粒的風(fēng)選數(shù)學(xué)模型，根據(jù)不同懸浮速度來進(jìn)行分離，但其要求風(fēng)速較大，耗能較多。劉[9]設(shè)計出臥式風(fēng)選機(jī)，分析了風(fēng)選過程中影響生活垃圾分選的幾個參數(shù)。顏[10]基于TLMS 型輕物料空氣分選機(jī)研究了影響分選效率的幾種因素。風(fēng)箱結(jié)構(gòu)對內(nèi)部氣流影響很大，設(shè)計不合理會大大降低風(fēng)選準(zhǔn)確率。目前基于破碎產(chǎn)物的風(fēng)選研究過于單一、片面。本文研究了破碎產(chǎn)物的風(fēng)選機(jī)理，綜合考慮幾種影響因素，基于Fluent 數(shù)值模擬設(shè)計合適的風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，對于茶葉、谷物、塑料和金屬等物料的回收也具有一定的借鑒意義。

1 銅和鋁的回收流程

動力鋰電池主要由鋁殼、電池內(nèi)芯和電解液組成，其中電池內(nèi)芯包括正極、隔膜和負(fù)極。正極是磷酸鐵鋰粉末通過粘結(jié)劑(PVDF)粘結(jié)在鋁片表面，負(fù)極是碳粉粉末粘結(jié)在銅片表面。極片通過300 ℃低溫?zé)崽幚?20 min 再進(jìn)行混合破碎60 s 的方法獲得破碎產(chǎn)物，其中包括銅鋁顆粒、碳粉、磷酸鐵鋰粉末。電解液充分揮發(fā)處理，同時粉末從正負(fù)極片表面完全解離，此時銅鋁顆粒粒徑主要集中在1～3 mm。本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行銅鋁混合物的分離研究。銅鋁顆粒的回收過程如圖1 所示。

圖1 廢動力電池正負(fù)極材料回收過程

2 銅鋁顆粒的運(yùn)動分析

本文主要研究破碎產(chǎn)物在臥式分選機(jī)中的運(yùn)動過程，風(fēng)箱結(jié)構(gòu)如圖2 所示。研究顆粒在風(fēng)場中的運(yùn)動規(guī)律，確定顆粒的運(yùn)動軌跡，從而確定風(fēng)箱具體尺寸。

圖2 風(fēng)箱結(jié)構(gòu)簡圖

2.1 顆粒在進(jìn)料口處的運(yùn)動分析

假設(shè)顆粒的初速度為0，由于風(fēng)箱入風(fēng)口與入料口在豎直方向上存在一定的距離，假設(shè)顆粒從入料口到進(jìn)入有風(fēng)區(qū)做自由落體運(yùn)動，設(shè)顆粒在進(jìn)入有風(fēng)區(qū)時的初速度為v0。

式中：m為顆粒的質(zhì)量，kg；h為物料下落到有風(fēng)區(qū)的豎直距離，m。

2.2 顆粒在有風(fēng)區(qū)的運(yùn)動分析

顆粒在風(fēng)箱內(nèi)受到重力和風(fēng)力的共同作用，根據(jù)牛頓第二定律，顆粒在有風(fēng)區(qū)水平方向上的運(yùn)動方程為：

式中：u為氣流速度，m/s；v1x為顆粒在有風(fēng)區(qū)水平方向上的速度分量，m/s；F1為有風(fēng)區(qū)的阻力，N；β 為氣流傾斜角，rad；t1為顆粒在有風(fēng)區(qū)的運(yùn)動時間，s。

則顆粒在有風(fēng)區(qū)水平方向上的運(yùn)動方程為：

顆粒在進(jìn)入有風(fēng)區(qū)時具有豎直方向上的初速度v1y。顆粒在有風(fēng)區(qū)豎直方向上的運(yùn)動方程為：

則顆粒在有風(fēng)區(qū)豎直方向上的運(yùn)動方程為：

2.3 顆粒在無風(fēng)區(qū)的運(yùn)動分析

顆粒在無風(fēng)區(qū)水平方向上的運(yùn)動方程為：

式中：v2x為顆粒在無風(fēng)區(qū)水平方向上的速度分量，m/s；F2為無風(fēng)區(qū)的阻力，N；t2為顆粒在無風(fēng)區(qū)的運(yùn)動時間，s。

則顆粒在無風(fēng)區(qū)水平方向上的運(yùn)動方程為：

其中，由式(2)可解得顆粒在有風(fēng)區(qū)的水平方向速度方程為：

顆粒在無風(fēng)區(qū)豎直方向上的運(yùn)動方程為：

那么，顆粒在無風(fēng)區(qū)豎直方向上的運(yùn)動方程為：

顆粒在水平方向上的總運(yùn)動距離為：

顆粒在豎直方向上的總運(yùn)動距離為：

式中阻力可用該方程來計算：

CD為空氣阻力系數(shù)，表達(dá)式為：

式中：Re為流場中相對雷諾數(shù)，其表達(dá)式為其中，d為顆粒等體積球體粒徑，ρ 為空氣密度，μ 為氣體的動力粘度。

3 各參數(shù)優(yōu)化分析

初步設(shè)計風(fēng)箱的高度為1.2 m，風(fēng)箱內(nèi)有風(fēng)區(qū)Y1和無風(fēng)區(qū)Y2的總高度為1 m，選取銅鋁顆粒在風(fēng)箱中的水平位移差ΔS作為風(fēng)選標(biāo)準(zhǔn)，ΔS越大，表明分離效果越好。研究有風(fēng)區(qū)高度、氣流初始速度與水平位移差ΔS的關(guān)系；基于Fluent 仿真研究風(fēng)箱出風(fēng)口大小、氣流初始角度對風(fēng)箱內(nèi)氣流的影響。

3.1 有風(fēng)區(qū)高度和氣流初始速度對水平位移差的影響

3.1.1 數(shù)據(jù)選取

分析有風(fēng)區(qū)高度和氣流初始速度對顆粒水平位移差ΔS的影響，初步計算有風(fēng)區(qū)高度變化范圍為0.28～0.4 m，氣流初始速度變化范圍為8～13 m/s 時，顆粒水平位移差隨有風(fēng)區(qū)高度和氣流初始速度變化曲線，如圖3 所示。

圖3 水平位移差隨有風(fēng)區(qū)高度變化圖

很顯然有風(fēng)區(qū)高度與氣流初始速度之間沒有相關(guān)關(guān)系，選取有風(fēng)區(qū)高度在0.28～0.40 m，氣流初始速度在8～13 m/s時關(guān)于水平位移差的13 組數(shù)據(jù)。

3.1.2 相關(guān)性分析

以有風(fēng)區(qū)高度、氣流初始速度作為自變量，水平位移差ΔS作為因變量進(jìn)行二元回歸分析，最后得出置信水平為95%時，水平位移差隨有風(fēng)區(qū)高度、氣流初始速度變化的回歸模型為ΔS=5.794－19.84h－0.621 4v＋17.74h2＋1.018hv＋4.268v2，相關(guān)分析結(jié)果如表1所示。

表1 ΔS 與有風(fēng)區(qū)高度、氣流初始速度的相關(guān)性分析

3.1.3 結(jié)果分析

由回歸模型可知，相比氣流初始速度，有風(fēng)區(qū)高度對水平位移差的影響更顯著。同時氣流初始速度越大，表明耗費(fèi)的能源越多，因此在條件允許的情況下，增大有風(fēng)區(qū)高度更容易提高風(fēng)選箱的分離效率。

3.2 出風(fēng)口大小對風(fēng)箱內(nèi)氣流流動的影響

出風(fēng)口大小直接影響風(fēng)箱內(nèi)氣流流動情況，可能導(dǎo)致無風(fēng)區(qū)出現(xiàn)渦流等情況，對已分離的顆粒軌跡造成干擾，從而影響物料分選的準(zhǔn)確率，因此必須加以考慮。

根據(jù)前面計算結(jié)果設(shè)計風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，如圖4 所示，尺寸如表2 所示。

表2 風(fēng)箱尺寸參數(shù) mm

圖4 風(fēng)箱尺寸圖

設(shè)計幾種不同大小風(fēng)箱出風(fēng)口方案，如圖5 所示。

圖5 不同大小風(fēng)箱出風(fēng)口方案圖

通過Fluent 仿真模擬，得出不同出風(fēng)口大小時風(fēng)箱內(nèi)的壓力云圖和速度云圖，如圖6 所示。

圖6 不同出風(fēng)口大小時風(fēng)箱內(nèi)氣流情況

由圖6 可知，方案b 風(fēng)箱內(nèi)渦流情況相對較少，氣流情況相對簡單，對顆粒運(yùn)動情況影響較小，其它方案均在輕重物料分離區(qū)上方形成渦流，且渦流的面積較大，可能將已經(jīng)分離的鋁顆粒卷入銅顆粒收集區(qū)，影響分離效率，因此風(fēng)箱出風(fēng)口選擇方案b。

3.3 氣流初始角度對風(fēng)箱內(nèi)部氣流的影響

基于前文已確定風(fēng)選箱出風(fēng)口，研究氣流初始角度對風(fēng)箱氣流影響情況，氣流初始角度分別取0°、5°、10°、15°和20°，如圖7 所示。無風(fēng)區(qū)氣流的存在，可能改變顆粒的運(yùn)動軌跡，其中氣流的水平速度分量對顆粒軌跡影響更大，因此重點研究無風(fēng)區(qū)氣流的水平速度，其等高線圖如圖8 所示。

圖7 氣流初始角度方案圖

圖8 不同氣流初始角度時風(fēng)箱內(nèi)氣流情況

由圖8 可知，五種方案風(fēng)箱內(nèi)產(chǎn)生向左水平氣流的位置基本相同。方案b～d 中氣流向左水平速度整體較小，而方案a 中，無風(fēng)區(qū)左上方和右下方氣流水平速度都比較大，其中左上方氣流水平速度大小接近氣流初始速度，肯定會對顆粒軌跡造成很大的影響；方案e 中，右下方接近輕物料收集區(qū)位置，氣流向左的水平速度過大，可能會把已分離的輕物料帶入重物料收集區(qū)，從而導(dǎo)致風(fēng)箱分離率降低。因此，方案b～d 三種方案明顯占優(yōu)，同時方案b 中氣流水平速度整體略小于方案c～d，對顆粒運(yùn)動軌跡影響更小，因此選擇方案b。

4 基于DPM 的仿真分析

DPM 模型忽略粒子間的碰撞，要求粒子體積分?jǐn)?shù)不能太大，一般低于10%，本研究中銅鋁顆粒粒徑在3 mm 以下，滿足條件?；谇懊胬碚撚嬎慵胺抡娼Y(jié)果，建立三維模型。

基于DPM 模型和水平位移差的回歸模型，選定三組風(fēng)選參數(shù)進(jìn)行驗證實驗，如表3 所示。

表3 不同有風(fēng)區(qū)高度、氣流初始速度的三維仿真分析

基于水平位移差的回歸方程選定幾組參數(shù)進(jìn)行仿真實驗時，分離的準(zhǔn)確率基本接近96%，驗證了回歸方程的準(zhǔn)確性。產(chǎn)生誤差的原因主要有：回歸方程存在一定的誤差，可能對風(fēng)力效率有一定的影響；理論計算時假設(shè)風(fēng)箱無風(fēng)區(qū)范圍內(nèi)無氣流存在，顆粒下落過程中只受空氣阻力，但是仿真分析顯示，輕物料上方的無風(fēng)區(qū)存在水平向左的氣流，對顆粒軌跡造成一定的影響；顆粒的運(yùn)動過程中存在碰撞，也會降低分離準(zhǔn)確率。

5 實驗驗證

取適量已預(yù)處理的銅鋁顆粒混合均勻后進(jìn)行實驗，經(jīng)過風(fēng)選得到輕重物料，如圖9 所示。結(jié)果表明：(1)銅鋁顆粒放入的速度會影響分離的準(zhǔn)確率，放入速率過快時，增加了顆粒間相互干擾的概率，從而影響分離準(zhǔn)確率；(2)分離后的總質(zhì)量存在微量損失，這是因為銅鋁顆粒中還有極少量的碳粉和磷酸鐵鋰粉末，在進(jìn)行風(fēng)選時被氣流吹走；(3)適量均勻放入銅鋁顆粒時，銅和鋁的分離率在93%以上，在一定程度上驗證了風(fēng)選數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

圖9 篩分結(jié)果圖

6 結(jié)論

建立了臥式風(fēng)選機(jī)中廢動力電池破碎產(chǎn)物的運(yùn)動方程，構(gòu)建了顆粒水平位移差的回歸方程，同時基于Fluent 仿真分析研究了眾多因素對風(fēng)選效果的影響，采用DPM 模型驗證了回歸方程的準(zhǔn)確性，為風(fēng)箱尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論依據(jù)。研究表明：(1)增大有風(fēng)區(qū)高度和氣流初始速度都可以增大銅鋁顆粒的水平位移差，從而提高分離的準(zhǔn)確率；(2)增大有風(fēng)區(qū)高度比增大氣流初始速度更容易增大水平位移差，因此在水平位移差已初步設(shè)定時，適當(dāng)增大有風(fēng)區(qū)高度可減小氣流初始速度，以減小能源消耗；(3)出風(fēng)口大小對風(fēng)箱內(nèi)氣流情況有非常顯著的影響，設(shè)計不同風(fēng)箱時應(yīng)加以考慮；(4)選定合適的風(fēng)速，粒徑在1～3 mm 的破碎產(chǎn)物分離率在93%以上。同時，本文給其他物料的風(fēng)選設(shè)計研究提供了一定的思路，具有一定的實用性。