废旧动力电池梯次利用过程中的废气污染特征及无害化处理工艺

引言

全球范围内新能源汽车的保有量呈现出急剧增加的态势，在推动对动力电池需求不断提升的同时，也造成了数量众多的废旧动力电池的产生。梯次利用作为资源循环过程中的非常关键的一个环节，在一定程度上，延长电池的使用期限、减少资源的浪费。但在进行电池拆解、检测、重组操作时，由于壳体破碎、电极加热等具体操作，会释放出包含硫、包含氮、具有挥发性的有机化合物的废气。倘若废气在没有经过任何处理的情况下，被排放到环境中，将会加剧大气的污染状况，对生态环境、人类的健康构成威胁。对此，针对梯次利用废气的研究大多集中在对某一种污染物的治理，缺少对系统性污染特征的剖析，深入探究其废气的污染特性，对无害化处理工艺加以优化，对于该行业实现绿色化发展有着极为重要的意义。

一、废旧动力电池进行梯次利用期间所呈现出的废气污染特性

（一）在不同的梯次利用环节中，废气排放所呈现出的差异情况

在梯次利用的进程中，核心的几个环节分别是拆解、检测、重组，由于各个环节所采用的工艺存在不同，使得废气排放方面呈现出极为明显的差异。在拆解环节中，需要借助机械的方式对壳体进行破碎操作，在此期间，电极材料会和金属壳体发生摩擦，进而产生数量众多的颗粒物；同时，粘结剂（PVDF）因为受到摩擦产生的热量影响而发生分解，会产生少量的挥发性有机化合物（VOCs）；而电池中残留的电量有可能引发微小的短路状况，促使电解液中的碳酸酯类物质发生分解，释放出氮氧化物(NO_x) ），其中主要成分是二氧化氮 (NO₂ ）。在检测环节中，会针对电池单体开展充放电测试工作，而电池内部会发生较为轻微的反应，释放出少量的 SO₂ 、VOCs，对此，污染浓度处于相对较低的水平，具体表现为：SO₂的浓度在 5-10mg/m³ 之间，VOCs 的浓度处于 8-15mg/m³ 的范围，而颗粒物的含量低到几乎可以不做考虑。在重组环节进行电池包组装工作时，针对密封胶开展的封装操作、焊接操作，造成了挥发性有机化合物（VOCs）在空气中的浓度处于较高水平；而焊接过程中产生的高温会生成少量的颗粒物、氮氧化物（ (NO_x) ）。在重组环节中，挥发性有机化合物（VOCs）的浓度范围是 25-40mg/m³ ，颗粒物的浓度范围为 20-35mg/m³ ，氮氧化物 (NO_x ）的浓度范围是15-25mg/m³ 。

（二）废气中主要污染物的成分与浓度特性

经过综合监测可知，废气中的主要污染物有 SO₂ 、 NO_x 、VOCs、颗粒物，其成分和浓度的特征十分显著。其中， SO₂ 是由电解液硫酸酯类添加剂分解产生的，会在检测、重组的环节排放出来，其浓度会随着电池残余电量的升高而增加，平均处于8-12mg/m³ 的范围； NO_x 主要以 NO₂ 的形态存在，主要来自于拆解时的微短路现象、重组焊接时产生的高温，其浓度在 15-50mg/m³ 之间，在拆解环节所占据的比例超过了60% ；VOCs 包含苯、甲苯等成分，其是源于粘结剂的分解、电解液的挥发、密封胶的使用，在重组环节的贡献比例达到了 55%-65% ，平均浓度为 15-30mg/m³ ；颗粒物是电极金属氧化物和壳体金属粉尘，在拆解环节所占的比例超过了 80% ，平均浓度处于80-150mg/m³ 的区间。从时间分布情况来看，拆解流程中污染物呈现出脉冲样的波动态势，其峰值出现在破碎操作完成之后的 5 到 10min 间；重组流程中污染物浓度处于相对稳定的状态，在进行密封胶涂抹操作的时候，挥发性有机化合物（VOCs）达到峰值水平；检测流程的污染物排放具有持续性，并且浓度保持平稳状态。

二、针对废旧动力电池梯次利用过程中所产生废气的无害化处理工艺开展优化工作

（一）湿法脱硫工艺的优化与应用

鉴于湿法脱硫具备显著较高的脱硫效率、相当强的适应性，其已成为处理 SO₂ 的核心工艺。针对呈梯次利用状态的废气中 SO₂ 浓度处于较低水平（ 5-10mg/m³ ），并且存在间歇性波动的特性。对吸收剂的选型、浓度配比予以优化，传统的单一石灰石（ CaCO₃ ）对于低浓度 SO₂ 的吸收效率仅仅处在 85%-90% 的范围。在本研究中，采用了“石灰石-氧化镁（ (CaCO₃-MgO) ）复合吸收剂”，其中， MgO 能够增强吸附能力，可以迅速生成可溶性亚硫酸镁 ⟨MgSO₃⟩ ），防止结垢现象的产生。通过正交实验确定了最佳的配比为 CaCO₃:MgO=3:1 ，浓度处于 8%-10% ，在此条件下， SO₂ 的去除率超过了 98% ，相较于传统工艺提升了 10%15% 。对吸收塔的结构予以改进，采用具备“喷淋+填料”形式的复合式塔体，让三层喷淋装置和废气以逆向的方式接触，使用聚丙烯阶梯环填料，以此强化气液之间的传质；借助底部浆液循环系统，可使吸收剂的利用率提高 30% 以上，让成本得以降低。着重加强副产物的处理工作，脱硫所产生的副产物是亚硫酸钙（ CaSO₃ ）和硫酸镁（ MgSO₄ ）混合而成的浆液。向该混合浆液中通入压缩空气（曝气强度处于 0.5⋅1.0m³/(m²⋅h) ）范围），从而把亚硫酸钙氧化成为硫酸钙（ CaSO₄) ）；经过氧化后所形成的晶体，在经过压滤、干燥等操作后，可以作为建筑石膏使用，或者当作肥料添加剂，该副产物的资源化比例超过了 90% 。

（二）多污染物协同处理工艺

针对由 NO_x 、VOCs、颗粒物所构成的复合污染情况，搭建起“湿法脱硫 + 低温 SCR脱硝+活性炭吸附 ^⋅+ 布袋除尘”的协同处理工艺。在完成湿法脱硫操作之后，废气会进入到低温 SCR 脱硝系统之中，此系统选用 MnO_x-CeO₂/TiO₂ 作为催化剂，在 180-220℃的温度条件下，对氨水的喷入量进行动态化的调节，从而让 NO_x 的去除率能够超过90% ；接下来，废气会进入活性炭吸附塔，在该吸附塔内，柱状颗粒活性炭（其比表面积处于 800⋅1000m²/g 的范围）借助协同吸附的方式来去除 VOCs，去除效率超过92% ，并且，活性炭能够在 300-350^∘C 的温度下进行热再生操作，再生效率超过 85% ；最后，废气会经过布袋除尘器（采用 PTFE 滤袋），使得颗粒物的去除率超过 99.5% ，排放的浓度符合国家相关标准（ ⩽10mg/m³ ）。此工艺的各个单元之间衔接极为紧密，能够依据梯次利用废气呈现出的间歇性排放特性，灵活地对运行负荷加以调节，一方面有效规避了单一工艺在处理过程中存在的盲区；另一方面，还降低了能源、药剂的无谓消耗，其很好地契合了中小规模梯次利用企业对于废气治理的需求，在实际的应用中，能够借助模块化设计达成快速安装、扩容的目标。

三、结论

本文的研究结果显示，在废旧动力电池梯次利用的各个环节中，废气污染情况存在着极为明显的差异：在拆解环节，废气中主要包含的污染物是颗粒物与 NO_x ；在重组环节，废气中的主要污染物则为 VOCs；而检测环节所产生的废气污染相对而言比较轻微。经过优化的湿法脱硫工艺（采用 CaCO₃ -MgO 复合吸收剂，同时对吸收塔进行了改进），对于 SO₂ 的去除比率能够超过 98% ，当把该工艺与多污染物协同处理工艺相结合时，能够高效地去除 SO₂ 、 NO_x 、VOCs、颗粒物等多种污染物。CEMS 连续且无间断的监测系统达成对污染物的实时监控工作、数据的传输任务、预警功能，通过三级审核的方式来确保数据的质量，依据数据开展工艺的动态调整，提升处理的效率、稳定性。为梯次利用废气的治理工作给予技术方面的支持，助力行业朝着绿色方向发展。在未来，可以对低浓度 VOCs 的深度处理工作、CEMS 的智能化优化进行更深入的研究。

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