一种金属锂废渣的无害化处理系统的制作方法

文档序号:17918024发布日期:2019-06-14 23:54
一种金属锂废渣的无害化处理系统的制作方法

本实用新型涉及一种金属锂废渣的无害化处理系统,特别涉及一种快速有效地金属锂废渣的无害化处理系统,回收其中的金属锂,属于锂的回收技术领域。



背景技术:

金属锂,是瑞典化学家阿·阿尔夫维特桑1817年首先在一种稀有的岩石中发现的。金属锂的元素符号为Li,是银白色的金属,相对原子质量6.941,密度0.534g/cm3,是最轻的金属,熔点180.54℃,沸点1317℃。金属锂具有强还原性,可与大量无机试剂和有机试剂发生反应,与氧、氮、硫等均能化合。是唯一的与氮在室温下反应,生成氮化锂(Li3N)的碱金属。暴露在湿空气中容易与氧气反应,遇水剧烈反应燃烧或爆炸。在500℃左右容易与氢发生反应,是唯一能生成稳定得足以熔融而不分解的氢化物的碱金属。金属锂易受氧化且密度比煤油小,故一般存放于液体石蜡中。目前金属锂广泛用于锂电池、航空、冶金、化工、医药和建材等工业,用于生产锂电池、轻质锂铝合金、有机合成维生素和合成橡胶等等。

金属锂制造过程中的油炼阶段会产生大量含锂废渣,其质量约为金属锂产量的3%,主要成分包含金属锂、钾、钠及其氧化物、氮化物、碳化物。金属锂废渣通常是浸泡在白油中,从白油中捞出后,表面会均匀的覆盖一层油膜,这层油膜阻止了金属锂与空气中水、氧气和氮气等的直接接触,起到了保护金属锂废渣的作用。金属锂废渣回收装桶后,随着放置时间的延长,金属锂废渣表面的油膜逐渐变薄,并且在搬运过程中,金属锂废渣之间的摩擦促进了油膜的破坏,失去油膜保护的金属锂与空气中的水、氧气和氮气等发生如下反应:

Li+H2O=LiOH+H2↑

4Li+O2=2Li2O

Li2O+H2O=2LiOH

6Li+N2=2Li3N

Li3N+3H2O=3LiOH+NH3↑

上述反应释放大量反应热,并产生气体,如果不能及时处理掉这些金属锂废渣,热量不能及时排放,经过长时间的热量积聚,金属锂废渣的温度逐渐升高,积累到一定程度就会发生自燃甚至爆炸,引发火灾,造成财产损失和人身伤害,仅2012年就发生过3起金属锂废渣自燃事件。因此金属锂废渣的安全处理显得尤为重要,具有很大的社会价值和经济价值。

目前的金属锂废渣处理装置主要为以下几种:

1.将金属锂废渣溶解于水得到锂的化合物。例如,专利CN1326640C提供了一种合成烷基锂所得锂渣的水解方法,将烷基锂过滤所得的锂渣收入锂渣缓冲罐中,然后通过锂渣计量泵将锂渣缓缓压入水解釜中,与水解釜内大量的水发生水解反应,反应温度控制在60℃以下,并通过水解釜的温度来控制锂渣的加入量;反应热通过釜体夹套冷却水带走,反应过程蒸发出来的烃类溶剂等气体则通过放空冷凝器冷却回收。但是将金属锂废渣溶解于水得到锂的化合物,由于金属锂的活泼性质,金属锂废渣溶解于水时反应剧烈,生成大量氢气,难免会出现燃烧甚至爆炸等危险情况,存在安全环保方面的问题。

2.通过高温燃烧来处理金属锂废渣,金属锂废渣中的金属组分燃烧时形成氧化物,而金属态锂则受热融化脱离主体,冷却后单独回收。例如,专利CN104764024B提供了一种钠钾锂及锂渣废料处理装置,包括燃烧室、烟气处理装置和烟气排出装置。在燃烧室内点燃钠钾锂及锂渣物料,锂物料转化为氧化物,燃烧时由于金属锂的熔点低,金属锂被加热至熔融状态后过排锂漏孔而排至盛锂盆。燃烧后得到的氧化物经过水解处理即可回收锂资源。燃烧过程中产生大量的烟气,该烟气经过烟气处理装置做无害化处理,最终通过烟气排出装置排至外界。通过高温燃烧来处理金属锂废渣,同样也是由于金属锂的活泼性质,其在高温下容易形成炽热的金属球体,将反应产生的气体(氢气和有机气体等)引燃,使得金属锂废渣在空气中燃烧时存在着燃烧失控的隐患,不能达到安全处理金属锂废渣的目的,同时这种处理装置也有设备较多、流程复杂和能耗较高的缺点。

3.采用熔炼法回收金属锂。例如,专利CN 106756067A涉及一种回收金属锂的方法以及制备金属锂的工艺,包括以下步骤:将50~60份氯化锂和40~50份氯化钾混合熔融,得到第一混合熔液。在第一混合熔液中加入锂渣后加热熔融,得到第二混合熔液。对第二混合熔液除杂后加入8~10份添加剂后进行熔融,待上层液体变为银白色时,从上层液体中回收金属锂。熔炼法回收金属锂,需要添加较多的氯化物,成本较高,流程较长,设备要求较高。



技术实现要素:

本实用新型的主要目的在于提供一种金属锂废渣的无害化处理系统,从而克服了现有技术中的不足。

为实现上述目的,本实用新型采用了如下技术方案:

本实用新型实施例提供了一种金属锂废渣的无害化处理系统,其包括:

废渣加热容器,其具有加热腔室,所述加热腔室内设有隔板,所述隔板至少用于承载金属锂废渣,所述隔板的外周部与加热腔室内壁环绕密封配合;

上盖,其带有保护气体管道和出锂管道,且所述上盖下部安装有滤网,当所述上盖与废渣加热容器结合时,所述加热腔室被密闭,而所述滤网被置于加热腔室内;

加热单元,其至少用于对所述废渣加热容器和出锂管道进行加热;

气体控制单元,其至少用于向所述加热腔室内输入保护性气体或对所述加热腔室抽真空;

搅拌机构,其至少用于扰动所述加热腔室内的物料;

隔板驱动机构,其至少用于驱使所述隔板在加热腔室内上下移动;以及

推饼机构,其至少用于移除余留于隔板上的残渣滤饼。

较之现有技术,本实用新型的有益效果在于:

1)本实用新型提供的金属锂废渣的无害化处理系统在处理金属锂废渣时不发生化学反应,不与空气接触,杜绝了安全隐患,且能够直接快速有效地无害化回收金属锂废渣中的金属锂,工艺简便,经济效益高;

2)本实用新型的系统在处理金属锂废渣时只消耗少量工作气体,且工作气体可以回收,不会生成易燃和有毒的气体,安全环保;

3)本实用新型的金属锂废渣在高温下压滤,过程迅速,所获金属锂品质较高,处理耗时较少,工艺流程较短;并且,处理后的滤饼安全性能好,与空气和水反应缓慢。

附图说明

图1是本实用新型一典型实施方案中一种金属锂废渣的无害化处理系统的工作状态结构示意图。

图2是本实用新型一典型实施方案中一种金属锂废渣的无害化处理系统的分体状态结构示意图。

附图标记说明:1-废渣加热容器,10-加热腔室,11-隔板,200-上盖,21-保护气体管道,22-出锂管道,23-滤网,300-加热单元,400-搅拌机构,500-工作气体管道,600-推饼机构,700-上盖驱动机构,800-残渣滤饼。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足,本案发明人经长期研究和大量实践,得以提出本实用新型的技术方案,如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

作为本实用新型技术方案的另一个方面,其所涉及的系一种金属锂废渣的无害化处理系统,其包括:

废渣加热容器,其具有加热腔室,所述加热腔室内设有隔板,所述隔板至少用于承载金属锂废渣,所述隔板的外周部与加热腔室内壁环绕密封配合;

上盖,其带有保护气体管道和出锂管道,且所述上盖下部安装有滤网,当所述上盖与废渣加热容器结合时,所述加热腔室被密闭,而所述滤网被置于加热腔室内;

加热单元,其至少用于对所述废渣加热容器和出锂管道进行加热;

气体控制单元,其至少用于向所述加热腔室内输入保护性气体或对所述加热腔室抽真空;

搅拌机构,其至少用于扰动所述加热腔室内的物料;

隔板驱动机构,其至少用于驱使所述隔板在加热腔室内上下移动;以及

推饼机构,其至少用于移除余留于隔板上的残渣滤饼。

在一些实施例中,所述推饼机构包括水平设置的推饼杆,所述隔板至少能够在第一工位、第二工位和第三工位之间往返移动,所述第一工位、第二工位和第三工位从下向上依次设置;在所述第二工位处,所述隔板能够与滤网配合形成压滤机构,所述压滤机构至少用于从金属锂液与固态杂质的混合物中滤出金属锂液并输往出锂管道,以及使固态杂质余留于隔板上形成残渣滤饼;在所述第三工位处,所述残渣滤饼与推饼杆平齐。

在一些实施例中,所述隔板驱动机构包括与加热腔室连通的工作气体管道、与工作气体管道连通的工作气体加热容器,且所述加热单元至少还用于所述工作气体加热容器和工作气体管道加热。

其中,所述工作气体加热容器指的是工作气体在进入金属锂废渣加热容器前进行预先加热的一个容器,工作气体先在其中加热第二温度后,再经过加热到第二温度的工作气体管道保温进入废渣加热容器,避免直接将较低温度的工作气体通入废渣加热容器后导致的熔融废渣温度降低甚至凝固。

进一步地,所述出锂管道与集锂罐连通。

进一步地,所述加热腔室还与外部油冷系统连通。

在一些实施例中,所述系统还包括:上盖驱动机构,其至少用于驱使上盖与废渣加热容器分离或结合。

进一步地,所述滤网的孔径为5μm~1000μm。当所述滤网的孔径低于5μm则较易堵塞,影响过滤效率;滤网的孔径高于1000μm则杂质较易通过滤网,造成回收的金属锂中杂质含量较高。

应用本实用新型的系统进行金属锂废渣的无害化处理方法的步骤包括:

将金属锂废渣置于密闭的加热腔室内,并将加热腔室内的气体彻底置换为不与锂反应的保护性气体;

将金属锂废渣加热至第一温度并进行扰动,且对加热腔室抽真空,实现除油处理;

完成所述的除油处理后,继续将金属锂废渣加热至第二温度并进行扰动,使其中的金属锂熔融并聚集为金属锂液,且使金属锂液与固态杂质分层;

使所述的金属锂液通过置于加热腔室内的滤网后从加热腔室内流出,而使固态杂质被所述的滤网截留。

本实用新型用于快速有效地处理金属锂废渣并回收其中的金属锂,具体应用范围包括但不仅限于:金属锂废渣和其它含金属锂的混合物的处理、碱金属和含碱金属的混合物的处理。

在一些实施例中,所述的第一温度为150~250℃。

在一些实施例中,所述的第二温度为200~400℃。升温时,金属锂废渣熔融液的温度在略低于200℃时也可以通过滤网分离出金属锂熔融液,但过滤过程极为缓慢,过滤时间过长;金属锂废渣熔融液的温度在400℃以上也可以通过滤网分离出金属锂熔融液,但高温情况下杂质可能燃烧、挥发和熔融,且能耗过高,过滤速率也不会提高。

进一步地,所述滤网的孔径为5μm~1000μm。当所述滤网的孔径低于5μm则较易堵塞,影响过滤效率;滤网的孔径高于1000μm则杂质较易通过滤网,造成回收的金属锂中杂质含量较高。

在一些实施例中,所述方法包括:在金属锂废渣温度升高至150~250℃时,对加热腔室抽真空至压力为100~1000Pa,并维持该压力而进行所述的除油处理。金属锂废渣熔融液升温后也可以不除油,但压滤时白油会随着金属锂熔融液流出,影响过滤效率和金属锂的品质。

在一些实施例中,所述方法包括:将金属锂废渣加热至第二温度并进行搅拌,搅拌时间为1min~60min,使获得的金属锂液与固态杂质分层。金属锂废渣熔融液升温后搅拌时间可以低于1min,但包裹液态金属锂的固态杂质被搅拌散开的比例较小,影响过滤速率;搅拌时间可以高于60min,但能耗过高,耗时过多,过滤速率也不会提高。

本实用新型在隔绝空气的环境下加热金属锂废渣,渣中熔点较低的金属锂熔融,杂质仍呈固态,但金属锂液滴被氮化物及杂质包裹或隔断,呈锂熔团状,本实用新型通过搅拌可打破锂熔团之间的间隔,促进锂液富集,实现锂液与杂质的分层(锂液在上、杂质在下),然后再通过机械或气体施加压力,让熔融锂液通过过滤网流出,杂质则被拦截,即可分离锂渣中的金属锂和杂质。金属锂废渣熔融液升温后也可以不搅拌,但固态杂质仍如升温前一般包裹液态金属锂,加压过滤时过滤效率低下。

进一步地,使所述的金属锂液与固态杂质分层后,再静置1min~60min。金属锂废渣熔融液升温搅拌后静置时间可以低于1min,但金属锂熔融液分层不明显,影响过滤速率;静置时间可以高于60min,但耗时过多,过滤速率也不会提高。

在一些具体实施案例之中,所述系统的应用方法可具体包括:

将金属锂废渣置入废渣加热容器的加热腔室内,并使金属废渣分布于隔板上,所述隔板可以在所述加热腔室内上下移动;

将上盖与废渣加热容器结合,使所述加热腔室被密闭,所述上盖带有保护气体管道和出锂管道,且所述上盖下部安装有滤网;

通过所述的保护气体管道将所述加热腔室内的气体彻底置换为保护性气体;

对所述废渣加热容器进行加热,当其中的锂金属废渣温度升至第一温度时开始进行搅拌,并对加热腔室抽真空,进行所述的除油处理;

在完成所述的除油处理后,继续将金属锂废渣加热至第二温度并加速搅拌,使获得的金属锂液与固态杂质分层,之后停止搅拌并静置;

驱使隔板从下向上移动,并与所述的滤网配合,对所述的金属锂液及固态杂质进行压滤处理,使金属锂液通过滤网后,再经出锂管道输出至集锂罐,而使固态杂质被滤网截留。

进一步地,所述方法包括:由下往上对金属锂废渣熔融液施加压力,迫使金属锂熔融液通过滤网。其中,由上往下对金属锂废渣熔融液施加压力也可以迫使金属锂熔融液通过滤网,但由于搅拌并静置分层后金属锂废渣熔融液的杂质集中在下层,过滤时滤网的网孔容易堵塞,过滤效率较低。

在一些实施例中,所述方法还包括:在所述的压滤处理完成后,通过所述保护气体管道吹入保护性气体,将滤网上部空间的锂液完全排入集锂罐内。

在一些实施例中,所述方法还包括:在所述的压滤处理完成后,待废渣加热容器内的温度低于150℃、压力恢复至常压时,将上盖与废渣加热容器分离,并将余留于隔板上的残渣滤饼移除,而后使隔板回返至初始位置。

进一步地,所述方法还包括:通过工作气体管道向所述加热腔室内输入工作气体,从而驱使所述隔板在所述加热腔室内从下向上移动。

进一步地,所述压滤处理的最大压力为0.5~5MPa。其中,由机械或气体提供推动金属锂废渣熔融液的压力。

在一些实施例中,所述方法还包括:在完成所述的除油处理后,将废渣加热容器、工作气体管道、与工作气体管道连通的工作气体加热容器和出锂管道均加热至第二温度200~400℃,之后依次进行所述的扰动、静置、压滤处理。

进一步地,所述的保护性气体或工作气体包括一种以上惰性气体。更进一步地,工作气体或保护性气体可以是一种不与锂反应的纯的气体或者多种不与锂反应的气体的混合气体。

其中,作为本实用新型的更为具体的实施案例之一,应用所述系统进行金属锂废渣的无害化处理方法可具体包括以下步骤:

1.取金属锂废渣,放入废渣加热容器中;

2.在带有保护气体管道和出锂管道的上盖上安装一定孔径的滤网,通过液压提升杆(即上盖驱动机构)放下上盖,密封废渣加热容器,密封后装置如图1所示;

3.开启气体控制单元,通过上盖的保护气体管道置换废渣加热容器内气氛,置换气体为氩气等惰性气体,保证废渣加热容器内空气被彻底置换;

4.关闭气体控制单元,开启加热单元(即温度控制系统),对废渣加热容器、工作气体加热容器、工作气体管道和出锂管道进行加热;

5.当废渣加热容器内部金属锂废渣温度升高至150~250℃时,开启搅拌,并通过气体控制单元对废渣加热容器抽真空,维持压力在100~1000Pa范围内一定时间进行除油,并开启外部油冷系统进行回收处理;

6.彻底除油后,关闭气体控制单元,继续升温至200~400℃,并加速搅拌,通过搅拌促使熔融锂渣分层;

7.停止搅拌并静置一段时间,通过机械或气体对隔板进行逐步加压,进行压滤,熔融锂液穿过滤网经过出锂管道进入集锂罐,过程中控制最大压力为0.5~5MPa;

8.通过保护气体管道吹入氩气,将滤网上部空间的熔融锂液完全排入集锂罐内,然后停止从保护气体管道吹入高纯氩气;

9.停止加热加压,待废渣加热容器温度低于150℃、压力降至常压时,通过液压提升杆(即上盖驱动机构)提升上盖,分离上盖与废渣加热容器,由底部加压隔板升高残渣滤饼,再用推饼机构(即液压推饼杆)推出残渣滤饼,然后泄压放下隔板,重复进行下一次处理流程;

10.分析结果显示,集锂罐内金属锂达工业级要求,残渣滤饼中金属锂含量明显降低,金属锂回收率可达80%以上,残渣滤饼与水反应活性明显降低。

综上,本实用新型提供的金属锂废渣的无害化处理系统在处理金属锂废渣时不发生化学反应,不与空气接触,杜绝了安全隐患,且能够直接快速有效地无害化回收金属锂废渣中的金属锂,工艺简便,经济效益高;在处理金属锂废渣时只消耗少量工作气体,且工作气体可以回收,不会生成易燃和有毒的气体,安全环保。

下面结合若干优选实施例及附图对本实用新型的技术方案做进一步详细说明,显然,所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1和图2所示,本实用新型一典型实施例中一种金属锂废渣的无害化处理系统包括:废渣加热容器100、上盖200、加热单元300、气体控制单元、搅拌机构400(本实施例中采用搅拌器)、隔板驱动机构、推饼机构600(本实施例中采用液压推饼杆)、上盖驱动机构700(本实施例中采用液压提升杆)。

其中,所述废渣加热容器100具有加热腔室10,所述加热腔室10内设有隔板11,所述隔板11至少用于承载金属锂废渣,所述隔板11的外周部与加热腔室10内壁环绕密封配合。所述加热腔室10还与外部油冷系统连通。

所述上盖200带有保护气体管道21和出锂管道22,所述出锂管道22与集锂罐连通,且所述上盖200下部安装有滤网23,当所述上盖200与废渣加热容器100结合时,所述加热腔室10被密闭,而所述滤网23被置于加热腔室10内。所述上盖驱动机构700(即液压提升杆)至少用于驱使上盖200与废渣加热容器100分离或结合。

所述加热单元300(本实施例中采用加热层)至少用于对所述废渣加热容器100和出锂管道22进行加热。所述气体控制单元至少用于向所述加热腔室10内输入保护性气体或对所述加热腔室10抽真空。所述搅拌机构400(即搅拌器)至少用于扰动所述加热腔室10内的物料。

所述隔板驱动机构包括与加热腔室10连通的工作气体管道500、与工作气体管道500连通的工作气体加热容器,其至少用于驱使所述隔板11在加热腔室10内上下移动。

所述推饼机构600包括水平设置的推饼杆,所述隔板11至少能够在第一工位、第二工位和第三工位之间往返移动,所述第一工位、第二工位和第三工位从下向上依次设置;在所述第二工位处,所述隔板11能够与滤网23配合形成压滤机构,所述压滤机构至少用于从金属锂液与固态杂质的混合物中滤出金属锂液并输往出锂管道22,以及使固态杂质余留于隔板11上形成残渣滤饼800;如图2所示,在所述第三工位处,所述残渣滤饼800与推饼杆平齐。即,对于金属锂渣的加热、过滤等可以在同一腔室内完成,可以有效减少所需作业空间,提高作业效率,还可促进金属锂回收率及品质的提升。

本实用新型提供的金属锂废渣的无害化处理系统结构设计简单合理,可使金属锂废渣在高温下压滤,过程迅速,所获金属锂品质较高,处理耗时较少,工艺流程较短;并且,处理后的滤饼安全性能好,与空气和水反应缓慢。

需要说明的是,在本文中,在一般情况下,由语句“包括……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的步骤、过程、方法或者实验设备中还存在另外的相同要素。

应当理解,以上较佳实施例仅用于说明本实用新型的内容,除此之外,本实用新型还有其他实施方式,但凡本领域技术人员因本实用新型所涉及之技术启示,而采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本实用新型的保护范围内。

再多了解一些
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