锂离子电池制造工程排气中的NMP溶剂回收装置

时间:2015-06-01 11:00:46   来源:   作者:   点击:735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。

  关键词:NMP;NMP回收装置;ADM的构造

1.前文

  近来,用于汽车和紧凑型电力供给的大功率、高能量密度的锂离子二次电池的需求量呈爆发式的增长。在该种电极制造生产线上大量使用且价格昂贵的NMP溶剂(N甲基2吡咯烷酮)占据了电池制造成本的很大一部分。

  大气社从1995年开始,向锂电池生产制造厂家提供了很多的NMP回收装置,且不断以以往经验为借鉴,使其向更节能、高性能的方向发展。本文要介绍的是最新的NMP回收装置。

2.NMP的特点

  NMP是含氮基的五元环状化合物,极性大且易溶性非常强。广泛应用于涂料除去剂和电子工业的清洗剂。近来,作为在锂离子电池制造中电极的辅助材料,其需求量急速增加。

  消防法规上将其划分归类为第四类第三石油类(水溶性),作为危险类物质加以控制。大气污染防治法将其定位为挥发性有机化合物(voc)而加以控制。

  至于慢性毒性方面虽没有详细数据来证明,在空气中的浓度含量界限也尚未规定,但根据最新的研究显示它对生殖系统方面具有毒性,相信今后将会强化对排放的限制。

  物理性质方面,由于沸点高、气化压力低,因此在低温状态下很容易凝结。此外,易溶解于水且可以以任意比例混合。利用该种性质,可以通过洗净塔方式或冷却凝缩的方式对其进行回收。

3.NMP的回收方法和特点

  关于NMP的回收,普遍采取的是以下的这种方法。

1)燃烧处理方式

  即将含有NMP的排气高温加热,使NMP氧化分解成二氧化碳和水的方法。采用催化剂燃烧方式和蓄热式直接燃烧方式虽然可以控制加热的能源消耗,但昂贵的NMP溶剂也被氧化分解,无法进行回收和再利用。此外,NMP里所含的氮基也被氧化,产生的有害的氮氧化物也必须要进行处理。

2)洗净塔方式(湿式方式)

  指的是让NMP与水接触,然后回收水溶液的一种方式。如要高效地处理NMP必然要求装置的通风抵抗大和风机的高功率。此外,还需提供大量的高价纯水。运行成本很高。

  此外,由于不能进行排气的热回收,与本文后面即将提到的可以进行排气热回收的系统相比,干燥炉的能源消耗也很大。

3)冷却凝缩+吸着浓缩方式(干式方式)

  是一种通过冷却将排气中的NMP凝缩回收、排气中残留的NMP由后段的吸着浓缩装置净化的方法。

  处理过的排气由于已经是洁净气体,可以用于给气进行再循环。由于水分含量少所以回收溶剂的浓度高。而且,通过回收排气的热来对给气进行预热加热,降低了干燥炉的能源消耗。

  但是,因为吸着浓缩装置的吸着材使用的是沸石,要求脱着温度必须需要180℃~200℃。这部分的能源消耗很大,而且冷冻机的负荷也很大,运行成本很高。

  同时,由于要将处理过的排气再利用于供气进行循环,所以为防止正极-负极间金属污染这点来看,需要单独设置正极和负极的处理装置,成本很高。

4.大气社的NMP回收装置


     大气社的NMP回收的原理为冷却凝缩+吸着浓缩(干式方式)。

  排气从干燥炉出来后先通过冷却器进行冷却,将其中NMP溶剂进行凝缩回收。

  NMP饱和蒸汽压低,在低温的状态下无法大量存在于空气之中。因此稍加冷却后就可以凝缩成液体。高温排气中的NMP在冷却器中凝缩后以NMP溶液的形式进行回收。此时,排气中含有的水分也同时被凝缩又被NMP溶液吸收。大气社的NMP回收装置不仅能够使NMP溶液中的水分含量减少,而且使高浓度的回收成为可能。

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。

  循环后的空气已经经过高度净化,而且还进行了除湿处理,使得供气洁净且干燥。

  在干燥炉的排气的循环利用中,大部分的排气是再循环后作为供气。为维持干燥炉的压力平衡只需要将极少一部分排气排放大气中。又因为排气中NMP的浓度相当低,所以向大气中排放的NMP的量几乎为“0”。

  吸附于活性炭上的NMP在130℃的少量的脱附给气中脱落,形成1600~2000ppm的高浓度小风量的气体后再度返回冷却器入口,进行再一次的冷却凝缩回收。

  这种装置将100℃以上的排气低温冷却至12℃,在高热的区域,通过回收热量预冷,再用成本低的冷却水冷却。经过再一轮的冷热回收的再冷却后,才用冷冻机产生的7℃冷水进行冷却。

  像这样对应温度域而变更冷却方法、分阶段进行冷却[cascade冷却]的冷却方式可以非常经济低地实现冷却。此外,该热回收由于采用的是循环式热交换盘管,实现了高效率和低成本的结合。
5.NMP回收装置的比较

  大气社的方式和其他方式的运行成本的试算值如下所示:

  年度运作成本比较

  处理风量 900m3(N)/min时的比较

  大气社的NMP回收方式为冷却凝缩+吸附浓缩。但和其他公司的冷却凝缩方式的有着显著不同,如下所示。

  1)吸附浓缩装置的吸附材由于使用的是纤维状的活性炭织物(本公司专利),所以脱附温度只需要130℃,因脱俯而消耗的能源非常少。

  2)由冷热回收可以减少冷冻机60%的负荷。(正在申请专利)

  3)采用循环式热交换盘管进行热回收,成本低,回收率高,干燥炉的能源消耗也限制在最小的范围内,且可自由配置。

6.ADM的构造和活性炭的安全性

  大气社的NMP回收装置的核心部位如下图所示。圆筒的笼状网上卷着纤维活性炭织物成卷状,对排气中NMP进行吸附处理。

  ADM的构造(见下图)


  在ADM的转轮上,装有很多的这种筒状卷,处理区域和脱附区域往复转动进行处理。NMP在处理区被活性炭吸附,在脱附区脱附。

  含有NMP的排气从该装置的外侧进入内侧后,经由吸附、净化。脱附的步骤相返,脱附空气从反向由内向外流出,将活性炭中的NMP进行脱附,使其循环利用。

  含有NMP的排气通过纤维状活性炭织物的时候,由于直接与活性炭接触,吸附速度非常快,高效率的处理使得出口浓度可低至0~几ppm。

  而且,如上图所示,由于ADM的吸附材量少,热容量也小,低温就可以脱附,起动迅速,非常节能。

  那么,由于活性炭是可燃物,也许会有人认为比使用沸石的吸着浓缩装置具有危险性。但是,这里使用的纤维状活性炭是煤炭沥青系活性炭,燃点高达460℃。由于比NMP的燃点高,所以即使NMP燃烧后,活性炭也不会燃烧。此外,活性碳的量非常少,常时吸附的NMP的量和沸石的方式相比只为其中的十分之一,混有活性碳的可燃物量也只有沸石方式的三分之一不到。相反是安全性相当高。

7.结语

  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。此外,最近,针对负极制造生产线的水溶性辅助剂的方面也在准备节能系统。

  以上即大气社的锂离子电池制造工程的NMP回收装置的相关内容。该装置如能对那些在锂离子电池的批量生产线上工作的人有所帮助本公司将感到万分荣幸。

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