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      廢動力電池破碎產(chǎn)物風(fēng)選過程參數(shù)分析

      2021-11-20 15:15:46李華兵朱華炳畢海軍柏宇軒
      電源技術(shù) 2021年9期
      關(guān)鍵詞:風(fēng)選風(fēng)區(qū)風(fēng)箱

      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。

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