Глава 5. Технология переработки никель-кадмиевых аккумуляторов

К числу достоинств никель-кадмиевых аккумуляторов относится возможность их переработки с целью повторного использования активных материалов в производстве. К сожалению, в России отсутствует необходимая законодательная база, регламентирующая порядок сбора источников тока не только бытового, но и промышленного назначения. Отсутствует опыт работы с потребителем на контрактной основе, отсутствует и технологический регламент, обеспечивающий эффективное извлечение из отработанных аккумуляторов ценного вторичного сырья. Тем не менее постоянно возрастающая конкуренция и дефицит материальных ресурсов заставляют производителей аккумуляторных батарей самостоятельно решать проблему переработки никель-кадмиевых аккумуляторов.

Переработка кадмийсодержащих отходов дистилляционным способом

Для отработки технологического процесса извлечения кадмия из кадмийсодержащих отходов в ОАО «Завод АИТ» была изготовлена лабораторная установка для дистилляции металлического кадмия, принципиальная схема которой представлена на рис. 14. В основу ее работы положен пирометаллургический способ извлечения кадмия, заключающийся в смешении кадмиевых отходов с восстановителем (углеродом) и последующим нагревом смеси (шихты) в электропечи без доступа воздуха (дистилляционный способ).

Рис. 14. Схема лабораторной печи для дистилляции кадмия:

1 – вытяжка; 2 – печь; 3 – реакторный стакан; 4 – нагреватель; 5 – реактор; 6 – водяной затвор; 7 – сборник Cdмет; 8 - разливочная емкость

Экспериментально были установлены компонентный состав шихты и оптимальные условия протекания процесса дистилляции (рис. 15, 16). Критерием оценки качества протекания процесса служили такие параметры, как скорость восстановления и эффективность извлечения металлического кадмия. Установлено, что данные параметры существенно зависят от количества шихты, находящейся в зоне реакции (рис. 17, 18).

Рис. 18. Зависимость скорости дистилляции кадмия (%) при 850 ?С (700 ?С в зоне реакции) из шихты от степени загрузки рабочей зоны при различном времени выдержки (час): 1 – 6; 2 – 5; 3 – 4

В дальнейшем с учетом результатов исследований была спроектирована и изготовлена промышленная печь ручейкового типа для переработки кадмийсодержащих отходов рис. 19. Печь состоит из камеры загрузки 1, в которую устанавливают поддоны с шихтой, содержащей отходы кадмия (II). На торцевой поверхности камеры загрузки расположены смотровое окно и пневмоцилиндр 2, предназначенный для проталкивания поддонов в камеру предварительной конденсации 3. Камеру загрузки от камеры предварительной конденсации отделяет заслонка, состыкованная со штоком пневмоцилиндра 4 и поднимающаяся непосредственно перед проталкиванием поддонов. В закрытом состоянии эта заслонка препятствует выбросу раскаленных топочных газов в производственное помещение в момент загрузки поддона с шихтой. Из камеры предварительной конденсации поддон перемещается в муфель 5 камеры нагрева 6, опирающийся на каркас основания.

Рис. 20. Промышленная печь для переработки отходов кадмия (II) ручейкового типа:

1 – камера загрузки; 2, 4, 11, 12 – пневмоцилиндр; 3 – камера предварительной конденсации; 5 – муфель; 6 – камера нагрева; 7 – нагреватель; 8 – стойка управления; 9 – камера конденсации; 10 – камера выгрузки; 13 – бак-сборник; 14 – баллон с аргоном;

15 – водяной затвор; 16 - компрессор

Внутри муфеля в металлическом корпусе помещен нагреватель 7. На выходе из камеры нагрева муфель состыкован с камерой конденсации паров металлического кадмия 9 и камерой выгрузки 10. На камере выгрузки расположены два пневмоцилиндра, один - 11 для перемещения каретки с выгружаемым поддоном, другой - 12 приводит в движение заслонку, герметизирующую камеру выгрузки от камеры конденсации. Восстановленный углеродом металлический кадмий в виде пара поступает в камеру конденсации, где охлаждается и попадает в камеру слива, имеющую свой ленточный нагреватель и термопару. Из камеры слива кадмий стекает в воду бака-сборника 13, образуя частицы каплевидной формы.

Камеры загрузки и выгрузки в автоматическом режиме продуваются аргоном из баллона 14. Удаление топочных газов происходит через водяной затвор 15. Регулировкой уровня воды в водяном затворе можно обеспечить необходимое избыточное давление в камерах.

Согласно разработанному технологическому регламенту для осуществления процесса дистилляции металлического кадмия отходы, содержащие кадмий (II), просеивают, отделяют от металлической составляющей и смешивают с углеродом марки П324 (ГОСТ 7885-86) в соотношении 0,020-0,200 кг углерода на 1 кг содержащегося в активной массе Cd (II). Полученную смесь в непрерывном режиме порциями загружают в камеру нагрева печи и выдерживают при температуре 650-1100°С без доступа кислорода, при этом периодичность загрузки для каждой порции определяется с учетом времени ее пребывания при заданной температуре в течение 5-15 часов. Производительность печи в среднем составляет около 95 кг металлического кадмия в сутки и колеблется в зависимости от типа используемых отходов в интервале 70-120 кг в сутки. При этом фактически потребляемая мощность электрической печи не превышает значений порядка 7 кВт. По содержанию примесей полученный металлический кадмий полностью соответствует требованиям ГОСТ 1467-93, предъявляемым к кадмию марки Кд0 (табл. 11).

Таблица 11

Содержание примесей в металлическом кадмии, полученном

из кадмийсодержащих отходов

Содержание примесей фактическое/требуемое ГОСТ 1467-93 (не более), %

Fe Pb Cu Ni Zn Tl Mn

0,0004/0,004 0,001/0,02 0,001/0,01 <0,001/0,001 0,001/0,004 <0,002/0,003 -/-

Газообразные продукты реакции, смесь оксида и диоксида углерода проходят через водяной затвор и попадают в окружающую среду без дополнительной очистки. В дальнейшем металлический кадмий возгоняют в печи сжигания кадмия и окисляют кислородом воздуха до CdO. Полученный CdO смешивают с активирующими добавками и используют для изготовления кадмиевых электродов НКА. Остатки углерода с содержащимися в нем соединениями кадмия в количестве от 25 до 0,06 % накапливают и применяют для приготовления последующих порций смеси углерода с активной массой кадмиевых электродов отработанных НКА.

По результатам положительных испытаний аккумуляторов KH150P (табл. 12, 13) было сделано заключение о том, что оксид кадмия, полученный из продуктов переработки кадмийсодержащих отходов, соответствует требованиям ТУ 3482-004-05758523-97 и может быть использован в производстве НКА.

Таблица 12

Данные номинальной емкости блоков 5КН150Р, изготовленных

из вторичного CdO, при нормальной температуре 25±10 ?С (испытания

на соответствие ТУ 3482-004-05758523-97)

Режим заряда Режим разряда Требуемая

емкость, А·ч Фактическая емкость, А·ч

ток, А время,

А конечное напряжение, В, не менее

40 8 30 1.0 150 240±3 «опытный»

238±2 «контрольный»

Таблица 13

Результаты пусковых испытаний блоков 5КН150Р, изготовленных

из вторичного CdO, при нормальной температуре 25±10 ?С (испытания

на соответствие ТУ 3482-004-05758523-97)

Режим нагрузки Требования Факт, «опытный»/«контрольный»

ток, А длительность, с количество пусков напряжение, В, не менее количество

пусков напряжение, В, не менее