Wraz z dynamicznym rozwojem nowych pojazdów elektrycznych na całym świecie, popyt rynkowy na materiały anodowe do akumulatorów litowych znacząco wzrósł. Według statystyk, w 2021 roku osiem największych przedsiębiorstw produkujących anody do akumulatorów litowych planuje zwiększyć swoje moce produkcyjne do prawie miliona ton. Grafityzacja ma największy wpływ na indeks i koszt materiałów anodowych. Urządzenia do grafityzacji w Chinach są różnorodne, charakteryzują się wysokim zużyciem energii, dużym zanieczyszczeniem środowiska i niskim stopniem automatyzacji, co w pewnym stopniu ogranicza rozwój grafitowych materiałów anodowych. Jest to główny problem, który należy pilnie rozwiązać w procesie produkcji materiałów anodowych.
1. Aktualna sytuacja i porównanie pieców do grafityzacji ujemnej
1.1 Piec do grafityzacji ujemnej Atchisona
W zmodyfikowanym typie pieca, opartym na tradycyjnym piecu grafityzacyjnym Aitchesona, oryginalny piec jest wypełniony grafitowym tyglem jako nośnikiem materiału elektrody ujemnej (tygiel jest wypełniony zwęglonym surowcem elektrody ujemnej), rdzeń pieca jest wypełniony materiałem oporowym, a warstwa zewnętrzna materiałem izolacyjnym i izolacją ścian pieca. Po elektryfikacji, wysoka temperatura 2800–3000°C jest generowana głównie poprzez nagrzewanie materiału oporowego, a materiał ujemny w tyglu jest podgrzewany pośrednio w celu uzyskania wysokiej temperatury nanoszenia farby na kamień.
1.2. Piec grafityzacyjny szeregowy z wewnętrznym ogrzewaniem
Model pieca nawiązuje do szeregowego pieca grafityzacyjnego, stosowanego do produkcji elektrod grafitowych. Kilka tygli elektrodowych (załadowanych ujemnym materiałem elektrodowym) jest połączonych szeregowo wzdłużnie. Tygiel elektrodowy pełni zarówno funkcję nośnika, jak i elementu grzejnego, a prąd przepływa przez tygiel elektrodowy, generując wysoką temperaturę i bezpośrednio ogrzewając wewnętrzny ujemny materiał elektrodowy. Proces grafityzacji nie wykorzystuje materiału oporowego, co upraszcza proces załadunku i wypalania oraz zmniejsza straty ciepła materiału oporowego, oszczędzając w ten sposób energię.
1.3 Piec grafityzacyjny typu kratowego
W ostatnich latach rośnie popularność pieców grafityzacyjnych serii Acheson i ich łączonych cech technologicznych. Rdzeń pieca wykorzystuje wiele elementów kratownicy anodowej, strukturę skrzyni, materiał w katodzie w surowcu, a wszystkie szczeliny między kolumnami są zamocowane, a każdy pojemnik jest uszczelniony tym samym materiałem. Kolumna i płyta anodowa w strukturze skrzyni tworzą razem element grzejny. Prąd elektryczny przepływa przez elektrodę głowicy pieca do elementu grzejnego rdzenia pieca, a generowana wysoka temperatura bezpośrednio nagrzewa materiał anodowy w skrzyni, co pozwala na osiągnięcie celu grafityzacji.
1.4 Porównanie trzech typów pieców grafityzacyjnych
Piec grafityzacyjny z grzaniem wewnętrznym służy do bezpośredniego nagrzewania materiału poprzez nagrzewanie pustej elektrody grafitowej. „Ciepło Joule'a” wytwarzane przez prąd przepływający przez tygiel elektrodowy jest wykorzystywane głównie do nagrzewania materiału i tygla. Szybkość nagrzewania jest duża, rozkład temperatury równomierny, a sprawność cieplna wyższa niż w tradycyjnym piecu Atchisona z nagrzewaniem materiału oporowego. Piec grafityzacyjny z rusztem kratowym wykorzystuje zalety pieca grafityzacyjnego z grzaniem wewnętrznym i wykorzystuje wstępnie wypaloną płytę anodową o niższym koszcie jako element grzejny. W porównaniu z piecem grafityzacyjnym z grzaniem szeregowym, piec grafityzacyjny z rusztem kratowym ma większą pojemność, co przekłada się na niższe zużycie energii na jednostkę produktu.
2. Kierunek rozwoju pieca do grafityzacji ujemnej
2.1 Zoptymalizuj konstrukcję muru obwodowego
Obecnie warstwa izolacji termicznej wielu pieców grafityzacyjnych jest wypełniona głównie sadzą i koksem naftowym. Ta część materiału izolacyjnego ulega zniszczeniu podczas procesu wysokotemperaturowego utleniania, co za każdym razem, gdy jest załadowywana, wymaga wymiany lub uzupełnienia specjalnym materiałem izolacyjnym. Proces ten odbywa się w niekorzystnych warunkach i jest pracochłonny.
Można rozważyć zastosowanie specjalnego, wytrzymałego i odpornego na wysoką temperaturę cementu do murowania ścian, zwiększającego ogólną wytrzymałość i zapewniającego stabilność ściany w całym cyklu operacyjnym przy odkształceniu, a także uszczelniającego spoiny cegieł, zapobiegającego nadmiernemu przedostawaniu się powietrza przez pęknięcia w ścianie ceglanej i szczeliny w spoinie do pieca, zmniejszającego utratę materiału izolacyjnego i materiałów anodowych w wyniku utleniania;
Drugim sposobem jest zainstalowanie ogólnej, ruchomej warstwy izolacyjnej, zawieszonej na zewnątrz ściany pieca, na przykład z płyty pilśniowej o wysokiej wytrzymałości lub płyty silikatowej. Stopień grzania pełni skuteczną rolę uszczelniającą i izolacyjną, a stopień chłodzenia jest łatwy do demontażu w celu szybkiego schłodzenia. Trzecim sposobem jest umieszczenie kanału wentylacyjnego w dnie pieca i w jego ścianie. Kanał wentylacyjny wykorzystuje prefabrykowaną konstrukcję z cegły kratowej z żeńskim otworem pasa, podpierając jednocześnie wysokotemperaturową zabudowę cementową i uwzględniając chłodzenie wymuszonej wentylacji w fazie zimnej.
2.2 Zoptymalizuj krzywą zasilania za pomocą symulacji numerycznej
Obecnie krzywa zasilania pieca do grafityzacji elektrodą ujemną jest tworzona na podstawie doświadczenia, a proces grafityzacji jest regulowany ręcznie w dowolnym momencie, w zależności od temperatury i stanu pieca, i nie ma ujednoliconego standardu. Optymalizacja krzywej nagrzewania może oczywiście zmniejszyć wskaźnik zużycia energii i zapewnić bezpieczną pracę pieca. MODEL NUMERYCZNY UKŁADANIA IGIEŁ POWINIEN ZOSTAĆ OKREŚLONY metodami naukowymi, z uwzględnieniem różnych warunków brzegowych i parametrów fizycznych, a także należy przeanalizować zależność między prądem, napięciem, mocą całkowitą i rozkładem temperatury przekroju poprzecznego w procesie grafityzacji, aby sformułować odpowiednią krzywą nagrzewania i stale ją dostosowywać w trakcie rzeczywistej pracy. Na przykład we wczesnym etapie przesyłu mocy stosuje się przesył dużej mocy, następnie szybko zmniejsza się moc, a następnie powoli ją zwiększa, a następnie zmniejsza się moc aż do końca.
2.3 Wydłuża żywotność tygla i korpusu grzewczego
Oprócz zużycia energii, żywotność tygla i grzałki ma również bezpośredni wpływ na koszt ujemnej grafityzacji. W przypadku tygli grafitowych i grafitowych korpusów grzejnych, system zarządzania produkcją, rozsądna kontrola tempa nagrzewania i chłodzenia, automatyczna linia produkcyjna tygli, wzmocnione uszczelnienia zapobiegające utlenianiu oraz inne środki wydłużające czas recyklingu tygla skutecznie obniżają koszty grafityzacji. Oprócz powyższych rozwiązań, płyta grzewcza pieca do grafityzacji kratowej może być również wykorzystywana jako materiał grzejny wstępnie wypalonej anody, elektrody lub stałego materiału węglowego o wysokiej rezystywności, co pozwala obniżyć koszty grafityzacji.
2.4 Kontrola spalin i wykorzystanie ciepła odpadowego
Spaliny powstające podczas grafityzacji pochodzą głównie z substancji lotnych i produktów spalania materiałów anodowych, powierzchniowego spalania węgla, nieszczelności itp. Na początku rozruchu pieca dochodzi do ulatniania się dużej ilości substancji lotnych i pyłu, a warunki w warsztacie są złe. Większość przedsiębiorstw nie posiada skutecznych metod oczyszczania. Jest to największy problem wpływający na bezpieczeństwo i higienę pracy operatorów pracujących przy produkcji elektrod ujemnych. Należy dołożyć wszelkich starań, aby kompleksowo rozważyć kwestię efektywnego odprowadzania i utylizacji spalin i pyłu w warsztacie, a także wdrożyć odpowiednie środki wentylacji w celu obniżenia temperatury w warsztacie i poprawy warunków pracy w warsztacie grafityzacji.
Po zebraniu spalin przez przewód kominowy do komory spalania, w procesie spalania mieszanego, usuwa się większość smoły i pyłu ze spalin. Oczekuje się, że temperatura spalin w komorze spalania przekroczy 800°C, a ciepło odpadowe ze spalin można odzyskać za pomocą kotła parowego lub wymiennika ciepła. Technologia spalania RTO stosowana w obróbce dymu z asfaltu węglowego może być również wykorzystana jako punkt odniesienia, a spaliny z asfaltu są podgrzewane do temperatury 850–900°C. Poprzez spalanie z magazynowaniem ciepła, asfalt, lotne składniki i inne wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne w spalinach są utleniane i ostatecznie rozkładane na CO2 i H2O, a efektywna wydajność oczyszczania może osiągnąć ponad 99%. System charakteryzuje się stabilną pracą i wysoką wydajnością.
2.5 Pionowy piec do ciągłej grafityzacji ujemnej
Wymienione powyżej kilka rodzajów pieców grafityzacyjnych stanowi główną konstrukcję pieca do produkcji materiałów anodowych w Chinach. Ich wspólną cechą jest okresowa, przerywana produkcja, niska sprawność cieplna, załadunek odbywa się głównie ręcznie, a stopień automatyzacji jest niski. Podobny pionowy piec do ciągłej, ujemnej grafityzacji można opracować, odwołując się do modelu pieca do kalcynacji koksu naftowego i pieca szybowego do kalcynacji boksytu. Jako wysokotemperaturowe źródło ciepła wykorzystywany jest łuk oporowy, materiał jest stale odprowadzany pod wpływem własnej grawitacji, a konwencjonalna struktura chłodzenia wodnego lub zgazowania służy do chłodzenia materiału o wysokiej temperaturze w obszarze wylotowym. Pneumatyczny system transportu proszku służy do odprowadzania i podawania materiału poza piec. Piec typu FURNACE umożliwia ciągłą produkcję, pomija straty ciepła w korpusie pieca, co znacznie poprawia sprawność cieplną, a korzyści w zakresie wydajności i zużycia energii są oczywiste, a praca w pełni zautomatyzowana. Główne problemy, które należy rozwiązać, to płynność proszku, jednorodność stopnia grafityzacji, bezpieczeństwo, monitorowanie temperatury i chłodzenie itp. Uważa się, że wraz z pomyślnym rozwojem pieca do produkcji na skalę przemysłową, nastąpi rewolucja w dziedzinie grafityzacji elektrod ujemnych.
3 język węzłów
Proces chemiczny grafitu stanowi największy problem nękający producentów materiałów anodowych do baterii litowych. Głównym powodem jest to, że wciąż istnieją pewne problemy związane z zużyciem energii, kosztami, ochroną środowiska, stopniem automatyzacji, bezpieczeństwem i innymi aspektami powszechnie stosowanego pieca do grafityzacji okresowej. Przyszłym trendem w branży jest rozwój w pełni zautomatyzowanej i zorganizowanej struktury pieca do produkcji ciągłej z emisją oraz wspieranie dojrzałych i niezawodnych instalacji procesów pomocniczych. Wówczas problemy z grafityzacją, które nękają przedsiębiorstwa, ulegną znacznemu złagodzeniu, a branża wejdzie w okres stabilnego rozwoju, stymulując dynamiczny rozwój nowych gałęzi przemysłu związanych z energią.
Czas publikacji: 19 sierpnia 2022 r.