Con il rapido sviluppo di veicoli a nuova energia in tutto il mondo, la domanda di mercato di materiali anodici per batterie al litio è aumentata significativamente. Secondo le statistiche, nel 2021, le otto principali aziende produttrici di anodi per batterie al litio del settore prevedono di espandere la propria capacità produttiva a quasi un milione di tonnellate. La grafitizzazione ha il maggiore impatto sull'indice e sul costo dei materiali anodici. Le apparecchiature di grafitizzazione in Cina sono di vario tipo, con un elevato consumo energetico, un elevato inquinamento e un basso livello di automazione, che limitano in una certa misura lo sviluppo di materiali anodici in grafite. Questo è il problema principale da risolvere con urgenza nel processo di produzione dei materiali anodici.
1. Situazione attuale e confronto del forno di grafitizzazione negativa
1.1 Forno di grafitizzazione negativa Atchison
Nel tipo di forno modificato basato sul tradizionale forno di grafitizzazione a elettrodo Aitcheson, il forno originale è caricato con un crogiolo di grafite come supporto del materiale dell'elettrodo negativo (il crogiolo è caricato con materia prima carbonizzata per l'elettrodo negativo), il nucleo del forno è riempito con materiale termoresistente, lo strato esterno è riempito con materiale isolante e isolante per le pareti del forno. Dopo l'elettrificazione, un'alta temperatura di 2800 ~ 3000 °C viene generata principalmente dal riscaldamento del materiale del resistore, e il materiale negativo nel crogiolo viene riscaldato indirettamente per ottenere l'inchiostrazione ad alta temperatura del materiale negativo.
1.2. Forno di grafitizzazione a serie di calore interno
Il modello del forno fa riferimento al forno di grafitizzazione seriale utilizzato per la produzione di elettrodi di grafite, in cui diversi crogioli per elettrodi (caricati con materiale per elettrodi negativi) sono collegati in serie longitudinalmente. Il crogiolo per elettrodi funge sia da supporto che da corpo riscaldante, e la corrente passa attraverso il crogiolo per generare alte temperature e riscaldare direttamente il materiale interno dell'elettrodo negativo. Il processo di grafitizzazione non utilizza materiale resistivo, semplificando le operazioni di caricamento e cottura e riducendo la perdita di calore accumulata dal materiale resistivo, con conseguente risparmio energetico.
1.3 Forno di grafitizzazione a griglia
Negli ultimi anni, l'applicazione n. 1 è in aumento, principalmente grazie al forno di grafitizzazione Acheson Series e alle caratteristiche tecnologiche concatenate del forno di grafitizzazione. Il nucleo del forno utilizza più pezzi di materiale a griglia a piastra anodica, la struttura a scatola, il materiale nel catodo nella materia prima, attraverso tutte le connessioni scanalate tra la colonna della piastra anodica è fissata, ogni contenitore, l'uso di guarnizioni della piastra anodica con lo stesso materiale. La colonna e la piastra anodica della struttura a scatola del materiale costituiscono insieme il corpo riscaldante. L'elettricità fluisce attraverso l'elettrodo della testa del forno nel corpo riscaldante del nucleo del forno e l'alta temperatura generata riscalda direttamente il materiale anodico nella scatola per raggiungere lo scopo della grafitizzazione.
1.4 Confronto tra tre tipi di forni di grafitizzazione
Il forno di grafitizzazione in serie a riscaldamento interno riscalda direttamente il materiale riscaldando l'elettrodo di grafite cavo. Il "calore Joule" prodotto dalla corrente che attraversa il crogiolo dell'elettrodo viene utilizzato principalmente per riscaldare il materiale e il crogiolo. La velocità di riscaldamento è elevata, la distribuzione della temperatura è uniforme e l'efficienza termica è superiore a quella del tradizionale forno Atchison con riscaldamento a resistenza. Il forno di grafitizzazione a griglia-box sfrutta i vantaggi del forno di grafitizzazione in serie a riscaldamento interno e adotta la piastra anodica precotta, a costo inferiore, come corpo riscaldante. Rispetto al forno di grafitizzazione in serie, la capacità di carico del forno di grafitizzazione a griglia-box è maggiore e il consumo energetico per unità di prodotto è di conseguenza ridotto.
2. Direzione di sviluppo del forno di grafitizzazione negativa
2. 1 Ottimizzare la struttura del muro perimetrale
Attualmente, lo strato isolante termico di diversi forni di grafitizzazione è riempito principalmente con nerofumo e coke di petrolio. Questa parte del materiale isolante, durante la produzione, brucia per ossidazione ad alta temperatura; ogni volta che si carica, è necessario sostituire o integrare un materiale isolante specifico, il che comporta un ambiente di lavoro sfavorevole e un'elevata intensità di lavoro.
Si può prendere in considerazione l'utilizzo di speciali bastoni in cemento per muratura ad alta resistenza e alta temperatura, per migliorare la resistenza complessiva, garantire la stabilità della parete durante l'intero ciclo operativo, sigillare le giunzioni dei mattoni e prevenire eccessive infiltrazioni d'aria attraverso le crepe del muro di mattoni e le fessure dei giunti nel forno, ridurre la perdita di materiale isolante e di materiali anodici per ossidazione;
In secondo luogo, si installa l'intero strato isolante mobile sospeso all'esterno della parete del forno, ad esempio utilizzando pannelli in fibra di legno ad alta resistenza o pannelli in silicato di calcio. La fase di riscaldamento svolge un'efficace funzione di tenuta e isolamento, mentre la fase di raffreddamento è facilmente rimovibile per un rapido raffreddamento. In terzo luogo, il canale di ventilazione è posizionato sul fondo del forno e sulla parete del forno. Il canale di ventilazione adotta una struttura in mattoni reticolari prefabbricati con l'imboccatura femmina della cinghia, supportando al contempo la muratura in cemento ad alta temperatura e tenendo conto del raffreddamento a ventilazione forzata nella fase di raffreddamento.
2. 2 Ottimizzare la curva di alimentazione mediante simulazione numerica
Attualmente, la curva di alimentazione del forno di grafitizzazione a elettrodo negativo viene definita in base all'esperienza e il processo di grafitizzazione viene regolato manualmente in qualsiasi momento in base alla temperatura e alle condizioni del forno, senza uno standard unificato. L'ottimizzazione della curva di riscaldamento può ovviamente ridurre l'indice di consumo energetico e garantire il funzionamento sicuro del forno. Il MODELLO NUMERICO di allineamento degli aghi DOVREBBE essere stabilito con mezzi scientifici in base a diverse condizioni al contorno e parametri fisici, e la relazione tra corrente, tensione, potenza totale e distribuzione della temperatura della sezione trasversale nel processo di grafitizzazione dovrebbe essere analizzata, in modo da formulare la curva di riscaldamento appropriata e regolarla costantemente durante il funzionamento effettivo. Ad esempio, nella fase iniziale della trasmissione di potenza si utilizza una trasmissione ad alta potenza, quindi si riduce rapidamente la potenza e poi la si aumenta lentamente, per poi ridurla fino al raggiungimento della potenza massima.
2. 3 Prolungare la durata del crogiolo e del corpo riscaldante
Oltre al consumo energetico, anche la durata del crogiolo e del riscaldatore determina direttamente il costo della grafitizzazione negativa. Per il crogiolo di grafite e il corpo riscaldante in grafite, il sistema di gestione della produzione per il carico, il controllo accurato della velocità di riscaldamento e raffreddamento, la linea di produzione automatica del crogiolo, il rafforzamento della sigillatura per prevenire l'ossidazione e altre misure volte ad aumentare i tempi di riciclo del crogiolo, riducono efficacemente i costi di inchiostrazione della grafite. Oltre alle misure sopra menzionate, la piastra riscaldante del forno di grafitizzazione a griglia può essere utilizzata anche come materiale riscaldante per anodi precotti, elettrodi o materiali carboniosi fissi ad alta resistività, riducendo così i costi di grafitizzazione.
2.4 Controllo dei fumi e utilizzo del calore di scarto
I gas di combustione generati durante la grafitizzazione provengono principalmente da sostanze volatili e prodotti di combustione dei materiali anodici, dalla combustione superficiale del carbonio, da perdite d'aria e così via. All'avvio del forno, si verificano numerose fuoriuscite di sostanze volatili e polvere, l'ambiente di lavoro è scadente e la maggior parte delle aziende non dispone di misure di trattamento efficaci. Questo è il problema principale che incide sulla salute e la sicurezza sul lavoro degli operatori addetti alla produzione di elettrodi negativi. È necessario compiere maggiori sforzi per considerare in modo completo l'efficace raccolta e gestione dei gas di combustione e delle polveri in officina, e adottare misure di ventilazione adeguate per ridurre la temperatura e migliorare l'ambiente di lavoro del reparto di grafitizzazione.
Dopo che i gas di scarico vengono raccolti attraverso la canna fumaria nella camera di combustione, dove avviene la combustione mista, rimuovendo la maggior parte del catrame e delle polveri presenti. Si prevede che la temperatura dei gas di scarico nella camera di combustione sia superiore a 800 °C e che il calore di scarto dei gas di scarico possa essere recuperato tramite la caldaia a vapore di recupero o lo scambiatore di calore a mantello. Anche la tecnologia di incenerimento RTO utilizzata nel trattamento dei fumi dell'asfalto al carbonio può essere utilizzata come riferimento, e i gas di scarico dell'asfalto vengono riscaldati a 850 ~ 900 °C. Attraverso la combustione con accumulo di calore, l'asfalto, i componenti volatili e altri idrocarburi policiclici aromatici presenti nei gas di scarico vengono ossidati e infine decomposti in CO₂ e H₂O, con un'efficienza di purificazione effettiva che può superare il 99%. Il sistema garantisce un funzionamento stabile e un'elevata velocità di funzionamento.
2. 5 Forno di grafitizzazione negativa continua verticale
I diversi tipi di forno di grafitizzazione sopra menzionati rappresentano la struttura principale per la produzione di materiale anodico in Cina. Il punto comune è la produzione intermittente periodica, la bassa efficienza termica, il carico si basa principalmente sul funzionamento manuale e il livello di automazione non è elevato. Un forno di grafitizzazione negativa continua verticale simile può essere sviluppato facendo riferimento al modello del forno di calcinazione del coke di petrolio e del forno a tino di calcinazione della bauxite. L'arco resistivo viene utilizzato come fonte di calore ad alta temperatura, il materiale viene scaricato continuamente per gravità e il raffreddamento ad acqua convenzionale o la struttura di raffreddamento a gassificazione vengono utilizzati per raffreddare il materiale ad alta temperatura nell'area di uscita, mentre il sistema di trasporto pneumatico delle polveri viene utilizzato per scaricare e alimentare il materiale all'esterno del forno. Il tipo FORNO può realizzare una produzione continua, le perdite di calore accumulate nel corpo del forno possono essere ignorate, quindi l'efficienza termica è significativamente migliorata, i vantaggi in termini di produzione e consumo energetico sono evidenti e il funzionamento completamente automatico può essere pienamente realizzato. I principali problemi da risolvere sono la fluidità della polvere, l'uniformità del grado di grafitizzazione, la sicurezza, il monitoraggio della temperatura e il raffreddamento, ecc. Si ritiene che con il successo dello sviluppo del forno per la produzione industriale su larga scala, si darà il via a una rivoluzione nel campo della grafitizzazione con elettrodi negativi.
3 il linguaggio dei nodi
Il processo chimico della grafite è il problema principale che affligge i produttori di materiali anodici per batterie al litio. Il motivo principale è che sussistono ancora problemi di consumo energetico, costi, tutela ambientale, livello di automazione, sicurezza e altri aspetti dei forni di grafitizzazione periodica, ampiamente utilizzati. La tendenza futura del settore è verso lo sviluppo di strutture di forni di produzione continua a emissione completamente automatizzate e organizzate, e il supporto di impianti di processo ausiliari maturi e affidabili. In quel momento, i problemi di grafitizzazione che affliggono le aziende saranno significativamente migliorati e il settore entrerà in una fase di sviluppo stabile, stimolando il rapido sviluppo di nuove industrie legate all'energia.
Data di pubblicazione: 19 agosto 2022