МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное бюджетное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Курсовая работа

На тему: технологии и оборудование, используемые для утилизации аккумуляторов

Преподаватель:

Студент:

Группа: 164-511

Москва

2017

Введение


Опасные отходы требуют обязательной утилизации согласно законодательству РФ, при этом прием, вывоз и переработка таких отходов должна происходить в строгом соответствии с нормативными требованиями. Выполнять утилизацию опасных отходов имеют право только те организации, которые имеют разрешительные документы на производство такого вида работ. Кроме того, утилизация отходов должна быть оформлена документально. Отсутствие подтверждающих документов, а также самостоятельная утилизация отходов производства является нарушением действующего законодательства и влечет за собой внушительные штрафные санкции.
Отработанные аккумуляторные батареи являются самым распространенным видом вторичного сырья, так как их срок службы не велик: в среднем батареи отрабатывают от трех до пяти лет. И, вместе с тем, аккумуляторный лом – это достаточно сложное для утилизации сырье. Ведь и кислотные автомобильные аккумуляторы, и щелочные батареи содержат опасные химические вещества, с которыми нельзя контактировать неспециалистам. Только профессионалы должны заниматься выработавшими свой ресурс аккумуляторами.

При замене отработанной аккумуляторной батареи на новую немедленно после удаления из транспортного средства каждая отработанная аккумуляторная батарея должна быть упакована в отдельный мешок из прочной полимерной пленки (защищена от случайных механических повреждений и пролива отработанного электролита внутренней упаковкой).

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Упакованные в герметичные мешки из прочной полимерной пленки отработанные аккумуляторные батареи передаются на склад временного хранения и накопления.

Отработанные аккумуляторные батареи должны храниться в специальных контейнерах.

Наибольшее распространение в жизни современного человека получили аккумуляторы кислотного типа. Практически в любой жизненной сфере можно обнаружить объекты, функционирующие именно на этом типе батарей. Все, начиная с транспортных средств, будь то мотоцикл или автомобиль, и заканчивая источниками бесперебойного питания в бытовых условиях и в промышленных масштабах, так или иначе связано именно с кислотными аккумуляторами.

1 Аккумуляторы и их виды


1.1 Понятие и основные характеристики аккумуляторов


Разные типы аккумуляторов имеют не только различную стоимость, но и отличаются по основным параметрам: количеству циклов перезарядки, максимальному сроку хранения, отдаваемой емкости, размерам, температурному диапазону работы, возможностям ускоренной зарядки и т. д.
       Аккумуляторы выполняются как в виде одного элемента, так и нескольких, последовательно включенных и оформленных в одном корпусе элементов - батареи. Некоторые модели аккумуляторов включают в себя электронные элементы управления, обеспечивающие контроль режима заряда и защиту аккумулятора от неправильной эксплуатации.
Аккумулятор (от лат. аccumulator — собиратель, accumulo — собираю, накопляю) — устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования. Электрический аккумулятор преобразует электрическую энергию в химическую и по мере надобности обеспечивает обратное преобразование. Зарядка аккумулятора происходит путем пропускания через него электрического тока. В результате вызванных химических реакций один из электродов приобретает положительный заряд, а другой — отрицательный.
Аккумулятор - это устройство для хранения энергии, которая в дальнейшем используется как электричество. Работа аккумулятора зависит от двух металлов, которые находясь в кислотном растворе, и вырабатывают электричество.
Все аккумуляторы, независимо от электрохимической системы, характеризуются напряжением, электрической емкостью, внутренним сопротивлением, током саморазряда, эффектом памяти и, конечно же, сроком службы.
Емкость аккумулятора - это количество электрической энергии, которой должен обладать полностью заряженный аккумулятор. Емкость — самый важный параметр аккумулятора, ведь чем больше емкость аккумулятора — тем дольше будут работать приборы, не требуя подзарядки. Измеряется емкость в миллиампер-часах (мА. час). Номинальная емкость всегда указывается на этикетке аккумулятора или на самом аккумуляторе. Однако реальная емкость не всегда совпадает с номинальной. На практике, реальная емкость аккумулятора колеблется от 80% до 110% от номинального значения.
Внутреннее сопротивление является еще одним очень важным параметром аккумулятора. Измеряется внутреннее сопротивление в миллиомах (мОм) и зависит от емкости элемента, числа элементов, электрохимической системы, а также возраста и условий эксплуатации аккумулятора. Измерить его можно на специальных приборах-анализаторах аккумуляторов. В процессе эксплуатации аккумулятора значение его внутреннего сопротивления увеличивается. Аккумулятор с высоким внутренним сопротивлением не выдает в нагрузку всю запасенную им энергию, вследствие чего и сокращается время работы приборов.
Саморазряд аккумулятора - это самопроизвольная потеря аккумулятором запасенной энергии с течением времени после того, как он был полностью заряжен. Явление саморазряда присуще всем типам аккумуляторов, независимо от их электрохимической системы. Для количественной оценки саморазряда используется величина потерянной аккумулятором за определенное время энергии, выраженная в процентах от значения, полученного сразу после заряда. Саморазряд максимален в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается. Поэтому оценивается саморазряд за одни сутки и за один месяц после заряда.
Для исправных Ni-Cd аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончания заряда, для Ni-MH — немного больше, а для Li-Ion, как и для Li-Pol, пренебрежимо мал и оценивается только за месяц. За такой период Ni-Cd аккумуляторы теряют до 20% запасенной энергии, Ni-MH — до 30%, a Li-Ion — не более 10%.
Эффект памяти — это обратимая потеря емкости аккумулятора, связанная с неблагоприятными условиями эксплуатации. Он развивается вследствие заряда не полностью разряженных аккумуляторов и свойственен только аккумуляторам на основе никеля. Сильнее всего эффект памяти проявляется именно в никель-кадмиевых аккумуляторах. Дело в том, что в аккумуляторах на основе никеля рабочее вещество находится в виде мелких кристаллов, обеспечивая максимальную площадь соприкосновения с электролитом. С каждым циклом заряда/разряда рабочее вещество постепенно изменяет свою структуру, уменьшая при этом площадь активной поверхности. Как следствие, снижается напряжение и уменьшается емкость. При неблагоприятных условиях эксплуатации кристаллы укрупняются до размеров, в 150 раз превосходящих первоначальные. В некоторых случаях острые грани кристаллов прокалывают сепаратор, вызывая высокий саморазряд или короткое замыкание.
Как правило, каждый изготовитель использует оригинальную технологию производства, и, соответственно, свои собственные разработки по конструкции тех или иных моделей. Тем не менее можно выделить несколько общих подходов к конструкции разных типов аккумуляторов.


1.2 Типы аккумуляторных батарей


Никелево-кадмиевый тип аккумулятора выпускается в разных странах мира примерно с 1950 года. На сегодняшний день более 50% всех аккумуляторов для портативного оборудования являются никелево-кадмиевыми.
Основные преимущества этого типа аккумуляторов:
- низкая стоимость;
- высокая устойчивость к перепадам температур;
- хорошая устойчивость к большим токам заряда и разряда, так как малое внутреннее сопротивление позволяет отдавать большие токи (другие типы аккумуляторов это не устраивает);
- большое количество циклов.
Среди всех типов аккумуляторов никелево-кадмиевый - единственный, который лучше всего отдает максимальную емкость, обеспечивает большое количество циклов заряда, разряда, если периодически осуществляются глубокие разряды (до 1В на элемент).
Недостатки никелево-кадмиевого типа аккумулятора:
- данный тип аккумулятора экологически загрязнен, так как кадмий является высокотоксичным веществом. Также появляются дополнительные проблемы с его переработкой;
- сравнительно низкая удельная емкость, хотя и не во всех случаях это является критичным.
Никелево-металлогидридный (Ni-MH) тип аккумулятора. Известны на рынке с конца 80-х годов. Толчком к разработке и производству этого типа аккумуляторов явилась, главным образом, их более высокая плотность энергии по сравнению с Ni-Cd.
Некоторые из отличительных преимуществ сегодняшнего Ni-MH типа аккумулятора по сравнению с Ni-Cd:
- большая удельная емкость (при тех же габаритных размерах значение емкости на 30% больше) меньший вес;
- в состав данного типа аккумулятора входит меньшее количество токсичных металлов, и в настоящее время он считается экологически чистым.
К сожалению, Ni-MH тип аккумулятора обладает и недостатками по сравнению с Ni-Cd типом аккумулятора, а именно:
- имеет гораздо меньшее количество циклов заряда разряда;
- цена Ni-MH типа аккумулятора выше, чем Ni-Cd, хотя и не всегда может быть главной проблемой, если пользователь предпочитает небольшой размер и вес;
- температурный режим работы меньше, чем у Ni-Cd типа аккумулятора.
Современная Ni-MH батарея оборудована внутренним считывателем температуры, чтобы помочь обнаружению полного заряда. Перезаряд аккумулятора в дешевом зарядном устройстве (ЗУ) (не имеющем автоматического отключения) может привести к перегреву и полному разрушению аккумулятора.
Литиево-ионый тип аккумуляторов (Li-Ion). Их производство началось в начале 90-х годов.
Главные преимущества литиево-ионного типа аккумуляторов:
- высокая удельная емкости Li-Ion, по крайней мере, в два раза большей, чем у Ni-Cd типа аккумулятора;
- Литий - очень легкий металл, имеет самый большой электрохимический потенциал и обеспечивает самое большое содержание энергии;
- имеет относительно низкий саморазряд и в нем полностью отсутствует.
Благодаря низкому саморазряду время от времени можно дозаряжать и не совсем разряженный аккумулятор. Количество циклов по данным большинства производителей (так как у каждого производителя свои технологии и соответственно количество циклов несколько отличается) немного больше, чем у Ni-MH типа аккумулятора.
Основные недостатки литиево-ионного (Li-Ion) типа аккумуляторов:
- высокая стоимость;
- малый диапазон рабочих температур, хотя это и не всегда является критичным фактором.
В конструкции современных литиево-ионного (Li-Ion) типа аккумуляторов присутствуют так называемые smart-микросхемы. Это позволяет управлять зарядным устройством таким образом, чтобы процесс зарядки был наиболее эффективным в зависимости от проработавшего количества циклов.

Нашли применение в современных бытовых и строительных приборах, а так же в мобильных устройствах.
Новый тип аккумуляторных батарей - литиево-полимерный (Li-polymer)
  Первоначальная концепция батареи литий-полимера основана на использовании твердого электролита на полимерной основе. Эта идея предусматривает технологичность в производстве, и соответственно низкую цену.
Основные преимущества Li-polymer батарей:
- большая плотность энергии, т. е. примерно в три раза выше, чем у никелево-кадмиевого типа аккумулятора;
- очень малый саморазряд;
- малые габариты.
Использование твердого электролита позволяет довести размеры элементов аккумулятора до 1 мм в толщине. Так как данная конструкция не содержит жидкого электролита и реализуется набором различных пленок, то можно получать очень гибкие конструктивные формы. Аккумулятор такого типа имеет очень малую толщину, что позволяет ему придавать необходимую форму (например, повторить форму сотового телефона).
Недостатки литиево-полимерного типа аккумулятора:
- не может отдавать большие токи разряда;
- не любит низких температур.

Используется в мобильных устройствах и цифровой технике

Свинцово-кислотный (LEAD ACID) тип аккумуляторов.
В отличие от других типов аккумуляторов свинцовокислотная батарея

обычно используется, когда нужна большая емкость, требования к весу не критические и стоимость батареи должна сохраниться низкой.
Достоинства герметичных свинцовокислотного (SLA) типа аккумуляторов:
- относительно невысокая стоимость;
- полное отсутствие;
- низкий саморазряд;
- в современных герметичных свинцово-кислотных аккумуляторах, в зависимости от средней глубины разрядки, количество циклов может достигать 800-1000!
Недостатки SLA-батарей:
- среди перезаряжающихся батарей SLA имеют самую низкую удельную емкость, хотя во многих случаях это может быть и некритичным;
- сильный эффект памяти.

Самый распространённый тип аккумуляторной батареи, который используется в автомобилях, или же как источники бесперебойного питания в аварийных случаях.

2. Важность проведения утилизации аккумуляторов

Пришедшие в негодность аккумуляторы ни в коем случае нельзя хранить в домашних условиях, гаражах, а также выбрасывать их вместе с остальным мусором. Вещества, являющиеся составляющими любого аккумулятора, опасны для окружающей экологии и здоровья человека. С течением времени из выброшенного на свалку аккумулятора начинает вытекать свинец, ртуть, серная кислота, попадая в почву, а затем в грунтовые воды, они наносят колоссальный вред окружающей среде.

3. Опасные свойства компонентов отхода


Опасными компонентами отхода «Аккумуляторы свинцовые отработанные неповрежденные, с не слитым электролитом» оказывающими токсическое воздействие на человека и окружающую среду являются свинец и его соединения, а также серная кислота (отработанный электролит).

Свинец (Pb) по степени токсического воздействия на человека относится к самому высокому 1 классу опасности. Опасность свинца для человека определяется его значительной токсичностью и способностью накапливаться в  организме. Свинец и его соединения являются политропными ядами и вызывают изменения иммунного статуса организма, влияют на нервную, сердечно-сосудистую и опорно-двигательную системы. Токсичность свинца обусловлена денатурирующим (разрушающим белки) действием на ткани и клетки организма. Органические соединения свинца более токсичны, чем неорганические, но обладают меньшей кумулятивной способностью (свойство вещества накапливается в живом организме в течение всей жизни, не выводиться из него). Свинец обладает мутагенной активностью (действие вещества на организм человека в стадии внутриутробного развития, вызывающее наследуемые мутационные изменения в организме). Предельно-допустимые концентрации соединений свинца в атмосферном воздухе 0,003 мг/мі, в воде 0,03 мг/л, в почве 20,0 мг/кг, токсическая доза свинца – 1мг, летальная – 10г.

Свинец – голубовато-белый тяжёлый металл с металлическим блеском в свежем срезе, плотность 11,34 г/см3, температура плавления 327,4єС, температура кипения 1745єС, имеет довольно низкую теплопроводность – 35,1 Вт/(м·К) при температуре 0°C. По химическим свойствам свинец – малоактивный металл. На поверхности он обычно покрыт плёнкой оксидов, при разрезании открывается блестящая поверхность, которая на воздухе быстро исчезает из-за того, что свинец покрывается слоем окиси и солей, получающихся при доступе влаги и кислот воздуха. Тонкоизмельченный свинец обладает пирофорными свойствами – вспыхивает на воздухе. Свинец сплавляется со многими металлами. Это один из самых мягких металлов, легко царапается ногтем и режется ножом, легко прокатывается в тонкие листы и ленты, продавливается на прессах в трубы, из него изготовляют проволоку, а также запорные устройства водопроводных сетей. Свинец иногда формуют, но из-за низкой прочности на разрыв он плохо поддается ковке. Хотя свинец нерастворим в чистой воде при обычной температуре, он растворяется в воде, насыщенной кислородом, поэтому свинец непригоден для трубопроводов с питьевой водой. Достаточно, чтобы в литре воды был один миллиграмм свинца и питье такой воды становится крайне опасным. Это количество свинца так малу, что не изменяет ни запаха, ни вкуса воды, обнаружить его можно только с помощью точных приборов.

Серная кислота (H2SO4) – бесцветная жидкость без запаха. Очень сильная двухосновная кислота. Смешивается с водой во всех соотношениях, растворение сопровождается выделением значительного количества тепла, паров и газов. Кислота серная отработанная пожаро - и взрывобезопасна. Токсична. По степени воздействия на организм относится к веществам 2-го класса опасности. Чрезвычайно агрессивное вещество, поражает дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывает затруднение дыхания, кашель, нередко – ларингит, трахеит, бронхит и т. д. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м3, в атмосферном воздухе 0,3 мг/м3 (максимальная разовая) и 0,1 мг/м3 (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Аэрозоль серной кислоты образуется в атмосфере в результате выбросов диоксида серы котельными, химическими и металлургическими производствами, выхлопными газами автотранспорта и выпадает в виде кислотных дождей.

4. Утилизация аккумуляторов

Утилизация аккумуляторов — это серьёзный бизнес, который требует на первоначальном этапе огромных финансовых вложений, чтобы обеспечить приобретение полного комплекта оборудования. При правильной организации производственного процесса владелец перерабатывающего предприятия может рассчитывать на отличные доходы от продажи свинца, переработанного пластика, корпусов и прочих составляющих аккумуляторов.

Реализовать полученное после переработки сырьё несложно, поскольку оно пользуется активным спросом на предприятиях, занимающихся производством новых АКБ.

Процесс утилизации автомобильных батарей в зависимости от наличия специального оборудования может быть ручным и промышленным.

4.1 Утилизация автомобильных аккумуляторов

       Утилизация аккумуляторов производится ручным или промышленным способом.

Ручная утилизация считается достаточно опасной, хотя и позволяет получить сырьё самого высокого качества. В связи с тем, что оборудование, которое необходимо для оснащения промышленного производства, имеет высокую стоимость, не каждый может позволить себе его приобрести, поэтому ручная утилизация до сих пор встречается достаточно часто. Она сопровождается четырьмя этапами.

Первоначально производится слив электролита с соблюдением всех правил техники безопасности. После этого аккумулятор тщательно промывают, применяя содовый раствор.

Далее специалисты приступают к разборке устройства на составляющие, используя слесарный инструмент. После проведения ручной разборки остаётся произвести сортирование полученных составных элементов. Свинцовые пластины идут на пе­реплавку, оксид и сульфат свинца также идут в металлургиче­ский передел для восстановления до металлического свинца. Пластмассы и мастика используются в составе строительных ма­териалов, асфальта и других продуктов.

Ручной способ утилизации аккумуляторных батарей позволяет полу­чить высококачественные вторичные материалы, однако требует высоких затрат тяжелого физического труда, связанного с обработкой вы­сокотоксичных продуктов.

Аккумуляторная батарея, содержащая серную кислоту, относится ко II классу опасности, а свинец и его соединения - к I классу. Поэтому ручная технология утили­зации отработанных аккумуляторов, хотя и широко применяется, является устаревшей.

Со­временным способом утилизации является способ, основанный на дроблении и тяжелосредной сепарации дробленых продуктов.

Различают два способа разделения - в искусственных и самообразующихся суспензиях.

Более совершенными являются схемы разделения в самообразующихся суспензиях. Поскольку плотность свинца равна 13,6 г/см3, а плотность ПП и ПВХ составляет 0,95 и 1,3 г/см3 со­ответственно, то тяжелая среда должна иметь плотность более 1,3 г/см3, но менее 13,6 г/см. Такая среда получается с помощью шлама оксидно-сульфатного свинца, присутствующего в аккумуляторном ломе.

На рис. 3.1 приведена технологическая схема утилизации отработанных аккумуляторов, основанная на тяжелосредной ви­довой сепарации продуктов дробления.

Исходное сырье - отработанные аккумуляторы (1) - поступа­ет на измельчение в дробилку (2), в которую подается раствор со­ды (Na2C03) для нейтрализации остатков серной кислоты. Рас­твор готовится в мешалке (3) путем растворения соды, которая до­зируется питателем (4). Продукты дробления аккумулятора про­ходят через электромагнитный сепаратор (5) для отделения желе­зосодержащей фракции. С магнитного сепаратора дробленый продукт поступает на вибрационный грохот (6), имеющий два си­та с ячейками 60 мм и 1 мм.

Рис. 3.1 Технологическая схема утилизации отработанных аккумуляторов:

1 - аккумулятор; 2 - дробилка; 3 - мешалка; 4 - питатель;

5 - магнитный сепаратор; 6 - вибрационный грохот;

7 - тяжелосредный сепаратор; 8 – центрифуга

Фракция крупностью > 60 мм с верхнего сита поступает на повторное дробление. Среднюю фракцию крупностью от 1 до 60 мм с нижнего сита направляют в тяжелосредный сепаратор (7) для разделения в самообразующихся суспензиях. Основное ко­личество шлама оксидно-сульфатного свинца с частицами раз­мером <1 мм, прошедшего через нижнее сито, обезвоживают в центрифуге (8) и направляют на восстановление. Небольшое ко­личество этого шлама направляется в гидросепаратор для создания тяжелой среды. В результате тяжелосредной сепарации по­лучают металлический свинец и полимерную фракцию, состоя­щую из полипропилена и поливинилхлорида.

ПП и ПВХ, имеющие различную плотность, также разделя­ются в тяжелой среде с плотностью 1,1 г/см3, являющейся про­межуточной для этих полимеров.

Данная технология позволяет извлекать 99,4 % свинца, со­держащегося в отработанных аккумуляторах.

5 Преимущества проведения утилизации

Проведение утилизационных мероприятий сопровождается колоссальными позитивными моментами, поскольку благоприятствует получению свинца, в котором страна испытывает явный недостаток. Кроме этого, такой процесс позволяет получить и другое не менее важное вторичное сырьё, включая пользующиеся огромным спросом медь, сталь и пластик.

Перерабатывающее предприятие, совершенствующее технологические процессы, на сегодняшний момент может собирать и использовать вторично нейтрализованный электролит, что полностью обеспечивает безотходное производство. Самым важным преимуществом утилизационных мероприятий является предотвращения пагубного воздействия опасных веществ, находящихся в аккумуляторных устройствах, на окружающую среду. Учитывая эти обстоятельства, процесс утилизации не остаётся без должного внимания, количество предприятий с каждым годом увеличивается.

Список Литературы:

Утилизация автомобилей и автокомпонентов (); Аккумуляторы () Инструкция по обращению с отходами 2 класса опасности Автомобильный интернет-журнал;