S rychlým rozvojem nových energetických vozidel po celém světě se výrazně zvýšila poptávka po anodových materiálech pro lithiové baterie. Podle statistik plánovalo osm největších podniků v oboru výroby anod pro lithiové baterie v roce 2021 rozšířit svou výrobní kapacitu na téměř jeden milion tun. Grafitizace má největší vliv na index a cenu anodových materiálů. Grafitizační zařízení v Číně má mnoho druhů, vysokou spotřebu energie, silné znečištění a nízký stupeň automatizace, což do určité míry omezuje vývoj grafitových anodových materiálů. To je hlavní problém, který je třeba v procesu výroby anodových materiálů naléhavě řešit.
1. Současný stav a srovnání pece pro negativní grafitizaci
1.1 Atchisonova negativní grafitizační pec
V upraveném typu pece, založeném na tradiční grafitizační peci Aitcheson s elektrodami, je původní pec naplněna grafitovým kelímkem jako nosičem materiálu záporné elektrody (kelímek je naplněn karbonizovanou surovinou pro zápornou elektrodu), jádro pece je naplněno tepelně odporovým materiálem, vnější vrstva je naplněna izolačním materiálem a stěna pece je izolována. Po elektrifikaci se v důsledku ohřevu materiálu rezistoru vytváří vysoká teplota 2800 ~ 3000 °C a záporný materiál v kelímku se nepřímo zahřívá, aby se dosáhlo vysokoteplotního nanesení negativního materiálu na kamenivo.
1.2. Grafitizační pec s vnitřním ohřevem
Model pece odkazuje na sériovou grafitizační pec používanou k výrobě grafitových elektrod a několik elektrodových kelímků (naplněných materiálem záporné elektrody) je podélně zapojeno do série. Elektrodový kelímek slouží jako nosič i topné těleso a proud prochází kelímkem, čímž generuje vysokou teplotu a přímo ohřívá vnitřní materiál záporné elektrody. Proces GRAFITIZACE nepoužívá odporový materiál, což zjednodušuje proces nakládání a vypalování a snižuje ztráty akumulace tepla odporovým materiálem, čímž šetří spotřebu energie.
1.3 Grafitizační pec s mřížkovým boxem
Aplikace číslo 1 v posledních letech roste, hlavními poznatky jsou grafitizační pece řady Acheson a jejich technologické charakteristiky. Jádro pece využívá více kusů anodové desky jako mřížkovou strukturu, materiál vstupuje do katody v surovině a skrz všechny drážkované spoje mezi sloupci anodové desky je upevněn, přičemž každá nádoba je utěsněna stejným materiálem anodové desky. Sloupec a anodová deska v materiálové konstrukci tvoří společně topné těleso. Elektřina protéká elektrodou hlavy pece do topného tělesa jádra pece a generovaná vysoká teplota přímo ohřívá anodový materiál v boxu, čímž se dosahuje účelu grafitizace.
1.4 Porovnání tří typů grafitizačních pecí
Grafitizační pec s vnitřním ohřevem slouží k přímému ohřevu materiálu ohřevem duté grafitové elektrody. „Jouleovo teplo“ produkované proudem procházejícím kelímkem elektrody se většinou využívá k ohřevu materiálu a kelímku. Rychlost ohřevu je vysoká, rozložení teploty rovnoměrné a tepelná účinnost je vyšší než u tradiční Atchisonovy pece s odporovým ohřevem materiálu. Grafitizační pec s mřížkovou skříňkou využívá výhod sériové grafitizační pece s vnitřním ohřevem a jako topné těleso používá předpálenou anodovou desku s nižšími náklady. Ve srovnání se sériovou grafitizační pecí je nosnost grafitizační pece s mřížkovou skříňkou větší a spotřeba energie na jednotku produktu je odpovídajícím způsobem snížena.
2. Směr vývoje negativní grafitizační pece
2. 1 Optimalizace struktury obvodové zdi
V současné době je tepelně izolační vrstva několika grafitizačních pecí plněna převážně sazí a ropným koksem. Tato část izolačního materiálu se během výroby oxiduje při vysokých teplotách a při každém naplnění je nutné jej vyměnit nebo doplnit speciálním izolačním materiálem. Proces nahrazování je špatný z hlediska prostředí a vysoké pracnosti.
Lze zvážit použití speciální vysokopevnostní a vysokoteplotní cementové zdicí tyčinky, která zvyšuje celkovou pevnost, zajišťuje stabilitu zdi v celém provozním cyklu v deformaci, zároveň utěsňuje cihlový švů, zabraňuje nadměrnému pronikání vzduchu skrz praskliny a spáry cihlové zdi do pece a snižuje ztráty izolačního materiálu a anodových materiálů způsobené oxidačním spalováním.
Druhým způsobem je instalace celkové objemové mobilní izolační vrstvy visící vně stěny pece, například s použitím vysokopevnostních dřevovláknitých desek nebo desek z křemičitanu vápenatého. Topný stupeň hraje účinnou roli těsnění a izolace, zatímco studený stupeň se snadno odstraňuje pro rychlé ochlazení. Za třetí, ventilační kanál je umístěn ve spodní části pece a ve stěně pece. Ventilační kanál využívá prefabrikovanou mřížkovou cihlovou konstrukci s vnějším hrdlem pásu, přičemž podpírá vysokoteplotní cementové zdivo a zohledňuje nucené větrání pro chlazení ve studené fázi.
2. 2 Optimalizace křivky napájení numerickou simulací
V současné době se křivka napájení grafitizační pece se zápornou elektrodou vytváří na základě zkušeností a proces grafitizace se upravuje ručně kdykoli podle teploty a stavu pece, takže neexistuje jednotný standard. Optimalizace topné křivky může samozřejmě snížit index spotřeby energie a zajistit bezpečný provoz pece. NUMERICKÝ MODEL zarovnání jehel by měl být stanoven vědeckými prostředky na základě různých okrajových podmínek a fyzikálních parametrů a měl by být analyzován vztah mezi proudem, napětím, celkovým výkonem a rozložením teploty v průřezu v procesu grafitizace, aby bylo možné formulovat vhodnou topnou křivku a průběžně ji upravovat v reálném provozu. Například v rané fázi přenosu výkonu se používá přenos vysokého výkonu, poté se výkon rychle snižuje a poté pomalu zvyšuje, a poté se výkon snižuje až do konce.
2. 3 Prodloužení životnosti kelímku a topného tělesa
Kromě spotřeby energie přímo ovlivňuje náklady na negativní grafitizaci také životnost kelímku a ohřívače. U grafitového kelímku a grafitového topného tělesa systém řízení výroby při vykládání, rozumná regulace rychlosti ohřevu a chlazení, automatická výrobní linka kelímků, zesílené těsnění pro zabránění oxidaci a další opatření pro prodloužení doby recyklace kelímků účinně snižují náklady na grafitové barvení. Kromě výše uvedených opatření lze topnou desku mřížkové grafitizační pece použít také jako topný materiál předpálené anody, elektrody nebo pevného uhlíkatého materiálu s vysokým odporem, čímž se sníží náklady na grafitizaci.
2.4 Regulace spalin a využití odpadního tepla
Spaliny vznikající během grafitizace pocházejí převážně z těkavých látek a produktů spalování anodových materiálů, spalování povrchového uhlíku, úniku vzduchu a tak dále. Na začátku spouštění pece uniká velké množství těkavých látek a prachu, prostředí v dílně je špatné a většina podniků nemá účinná opatření na čištění, což je největší problém ovlivňující bezpečnost a ochranu zdraví při práci obsluhy při výrobě negativních elektrod. Je třeba vynaložit větší úsilí na komplexní zvážení efektivního sběru a hospodaření s spalinami a prachem v dílně a měla by být přijata přiměřená větrací opatření ke snížení teploty v dílně a zlepšení pracovního prostředí v grafitační dílně.
Poté, co se spaliny mohou shromáždit kouřovodem do spalovací komory smíšeného spalování, čímž se odstraní většina dehtu a prachu ve spalinách, se očekává, že teplota spalin ve spalovací komoře bude nad 800 °C a odpadní teplo ze spalin bude možné rekuperovat pomocí parního kotle na odpadní teplo nebo plášťového výměníku tepla. Jako reference lze také použít technologii spalování RTO používanou při zpracování uhlíkového asfaltu kouřem, kde se asfaltové spaliny zahřejí na 850 ~ 900 °C. Spalováním s akumulací tepla se asfalt, těkavé složky a další polycyklické aromatické uhlovodíky ve spalinách oxidují a nakonec se rozkládají na CO2 a H2O, přičemž účinnost čištění může dosáhnout více než 99 %. Systém má stabilní provoz a vysokou provozní rychlost.
2. 5 Vertikální kontinuální negativní grafitizační pec
Výše uvedené několik druhů grafitizačních pecí je hlavní strukturou pecí pro výrobu anodových materiálů v Číně. Společným rysem je periodická přerušovaná výroba, nízká tepelná účinnost, vykládání se spoléhá převážně na ruční provoz a stupeň automatizace není vysoký. Podobnou vertikální kontinuální negativní grafitizační pec lze vyvinout s odkazem na model pece pro kalcinaci ropného koksu a šachtové pece pro kalcinaci bauxitu. Jako zdroj vysokoteplotního tepla se používá odporový obloukový výboj, materiál je kontinuálně odváděn vlastní gravitací a k chlazení vysokoteplotního materiálu ve výstupní oblasti se používá konvenční vodní chlazení nebo zplyňovací chladicí struktura a k vypouštění a podávání materiálu mimo pec se používá pneumatický dopravní systém prášku. Typ PEC umožňuje realizovat kontinuální výrobu, ztráty tepla akumulací tělesa pece lze ignorovat, takže se výrazně zlepšuje tepelná účinnost, zřejmé jsou výhody ve výkonu a spotřebě energie a lze plně realizovat plně automatický provoz. Hlavními problémy, které je třeba vyřešit, jsou tekutost prášku, rovnoměrnost stupně grafitizace, bezpečnost, sledování teploty a chlazení atd. Předpokládá se, že úspěšný vývoj pece pro průmyslovou výrobu spustí revoluci v oblasti grafitizace negativních elektrod.
3 jazyk uzlů
Chemický proces výroby grafitu je největším problémem, který trápí výrobce anodových materiálů pro lithiové baterie. Základním důvodem jsou stále přetrvávající problémy se spotřebou energie, náklady, ochranou životního prostředí, stupněm automatizace, bezpečností a dalšími aspekty široce používané periodické grafitizační pece. Budoucí trend v tomto odvětví směřuje k vývoji plně automatizovaných a organizovaných struktur pecí s kontinuální produkcí emisí a k podpoře vyspělých a spolehlivých pomocných procesních zařízení. V té době se problémy s grafitizací, které trápí podniky, výrazně zlepší a odvětví vstoupí do období stabilního rozvoje, což podpoří rychlý rozvoj nových odvětví souvisejících s energetikou.
Čas zveřejnění: 19. srpna 2022