Con il rapido sviluppo dei veicoli a energia alternativa a livello globale, la domanda 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 prevedevano di espandere la propria capacità produttiva fino a quasi un milione di tonnellate. La grafitizzazione ha il maggiore impatto sull'indice e sul costo dei materiali anodici. Le apparecchiature di grafitizzazione presenti in Cina sono di vario tipo, ma presentano un elevato consumo energetico, un forte inquinamento e un basso grado di automazione, il che limita in una certa misura lo sviluppo dei materiali anodici a base di grafite. Questo rappresenta il problema principale da risolvere con urgenza nel processo produttivo dei materiali anodici.
1. Situazione attuale e confronto del forno di grafitizzazione negativa
1.1 Forno di grafitizzazione negativa Atchison
Nel forno modificato basato sul tradizionale forno di grafitizzazione Aitcheson con elettrodi, il forno originale è caricato con un crogiolo di grafite come supporto per il materiale dell'elettrodo negativo (il crogiolo è caricato con materia prima carbonizzata per l'elettrodo negativo), il nucleo del forno è riempito con materiale resistivo al calore, lo strato esterno è riempito con materiale isolante e le pareti del forno sono isolate. Dopo l'elettrificazione, si genera un'alta temperatura di 2800 ~ 3000 °C principalmente per riscaldamento del materiale resistivo, 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 riscaldamento interno
Il modello del forno si ispira al forno di grafitizzazione in serie utilizzato per la produzione di elettrodi di grafite, e prevede il collegamento in serie longitudinale di diversi crogioli per elettrodi (contenenti materiale per l'elettrodo negativo). Il crogiolo funge sia da supporto che da elemento riscaldante, e la corrente che lo attraversa genera temperature elevate e riscalda direttamente il materiale interno dell'elettrodo negativo. Il processo di grafitizzazione non utilizza materiale resistivo, semplificando le operazioni di caricamento e cottura, riducendo le perdite di calore dovute all'accumulo di materiale resistivo e, di conseguenza, il consumo energetico.
1.3 Forno di grafitizzazione a griglia
L'applicazione n. 1 è in aumento negli ultimi anni, la principale è la serie di forni di grafitizzazione Acheson appresi e le caratteristiche della tecnologia concatenata del forno di grafitizzazione, il nucleo del forno utilizza più pezzi di griglia di piastre anodiche struttura scatola materiale, il materiale entra nel catodo nella materia prima, attraverso tutte le connessioni scanalate tra la colonna di piastre anodiche è fissato, ogni contenitore, usa piastra anodica sigillata con lo stesso materiale. La colonna e la piastra anodica della struttura scatola materiale insieme costituiscono il corpo riscaldante. L'elettricità scorre 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 ottenere lo scopo della grafitizzazione
1.4 Confronto di tre tipologie di forni di grafitizzazione
Il forno di grafitizzazione a riscaldamento interno in serie riscalda direttamente il materiale tramite l'elettrodo cavo di grafite. Il calore Joule prodotto dalla corrente che attraversa il crogiolo dell'elettrodo viene utilizzato principalmente per riscaldare il materiale e il crogiolo stesso. La velocità di riscaldamento è elevata, la distribuzione della temperatura è uniforme e l'efficienza termica è superiore rispetto al tradizionale forno Atchison con riscaldamento a resistenza. Il forno di grafitizzazione a griglia sfrutta i vantaggi del forno di grafitizzazione a riscaldamento interno in serie e adotta una piastra anodica precotta a basso costo come elemento riscaldante. Rispetto al forno di grafitizzazione in serie, la capacità di carico del forno di grafitizzazione a griglia 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 di isolamento termico di diversi forni di grafitizzazione è costituito principalmente da nerofumo e coke di petrolio. Durante il processo di produzione, questo materiale isolante subisce un'ossidazione ad alta temperatura e, ogni volta che si effettua il carico, è necessario sostituirlo o integrarlo con un materiale isolante speciale. Questa operazione di sostituzione è complessa e richiede un elevato impiego di manodopera.
Si può considerare l'utilizzo di speciali mattoni di cemento ad alta resistenza e ad alta temperatura per la muratura, che migliorano la resistenza complessiva, garantiscono la stabilità della parete durante l'intero ciclo operativo in termini di deformazione, sigillano le fughe dei mattoni e allo stesso tempo impediscono all'aria eccessiva di penetrare nel forno attraverso le crepe e le fessure delle fughe, riducendo la perdita per ossidazione e combustione del materiale isolante e dei materiali anodici;
Il secondo metodo consiste nell'installare uno strato isolante mobile complessivo che penda all'esterno della parete del forno, ad esempio utilizzando pannelli in fibra ad alta resistenza o pannelli in silicato di calcio; la fase di riscaldamento svolge un'efficace funzione di sigillatura e isolamento, mentre la fase di raffreddamento è agevole da rimuovere per un rapido raffreddamento. Il terzo metodo prevede l'installazione di un canale di ventilazione sul fondo e sulla parete del forno. Il canale di ventilazione adotta una struttura prefabbricata a griglia con un'apertura femmina per la cinghia, supportando al contempo la muratura in cemento ad alta temperatura e tenendo conto del raffreddamento a ventilazione forzata nella fase fredda.
2.2 Ottimizzazione della curva di alimentazione tramite simulazione numerica
Attualmente, la curva di alimentazione del forno di grafitizzazione dell'elettrodo negativo viene realizzata 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 ridurre significativamente l'indice di consumo energetico e garantire il funzionamento sicuro del forno. Il MODELLO NUMERICO dell'allineamento dell'ago DOVREBBE essere STABILITO con mezzi scientifici in base a varie 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 continuamente durante il funzionamento effettivo. Ad esempio, nella fase iniziale della trasmissione di potenza si utilizza una trasmissione di potenza elevata, quindi si riduce rapidamente la potenza e poi la si aumenta lentamente, poi si riduce di nuovo la potenza fino alla fine della potenza.
2. 3 Prolungare la durata di servizio 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, il controllo razionale della velocità di riscaldamento e raffreddamento, la linea di produzione automatica dei crogioli, il rinforzo della sigillatura per prevenire l'ossidazione e altre misure consentono di aumentare i tempi di riciclo del crogiolo, riducendo efficacemente il costo dell'inchiostro di 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 materiale carbonioso fisso ad alta resistività per ridurre i costi di grafitizzazione.
2.4 Controllo dei gas di scarico e utilizzo del calore di scarto
I gas di scarico generati durante il processo di grafitizzazione provengono principalmente da sostanze volatili e prodotti di combustione dei materiali anodici, dalla combustione del carbonio superficiale, da perdite d'aria e così via. All'avvio del forno, si verificano grandi quantità di sostanze volatili e polveri che fuoriescono; l'ambiente di lavoro è spesso inadeguato e la maggior parte delle aziende non dispone di efficaci sistemi di trattamento. Questo rappresenta il problema principale che incide sulla salute e la sicurezza sul lavoro degli operatori nella produzione di elettrodi negativi. È necessario intensificare gli sforzi per considerare in modo completo l'efficace raccolta e gestione dei gas di scarico e delle polveri nell'ambiente di lavoro, adottando misure di ventilazione adeguate per ridurre la temperatura e migliorare le condizioni ambientali del reparto di grafitizzazione.
Dopo che i fumi di combustione vengono raccolti attraverso il condotto e convogliati nella camera di combustione, dove vengono miscelati e bruciati, vengono rimossi la maggior parte del catrame e delle polveri presenti. Si prevede che la temperatura dei fumi nella camera di combustione superi gli 800 °C, e il calore residuo dei fumi può essere recuperato tramite una caldaia a vapore a recupero di calore o uno scambiatore di calore a fascio tubiero. Come riferimento, si può utilizzare anche la tecnologia di incenerimento RTO impiegata nel trattamento dei fumi di asfalto carbonizzato, riscaldando i fumi di asfalto a 850-900 °C. Attraverso la combustione con accumulo di calore, l'asfalto, i componenti volatili e altri idrocarburi policiclici aromatici presenti nei fumi vengono ossidati e infine decomposti in CO2 e H2O, con un'efficienza di purificazione effettiva superiore al 99%. Il sistema presenta un funzionamento stabile e un elevato tasso di utilizzo.
2.5 Forno di grafitizzazione negativo continuo verticale
I forni di grafitizzazione sopra menzionati rappresentano la struttura principale dei forni per la produzione di materiale anodico in Cina. Il punto in comune è la produzione intermittente periodica, la bassa efficienza termica e il carico basato principalmente su operazioni manuali, con un grado di automazione non elevato. Un forno di grafitizzazione negativo verticale continuo simile può essere sviluppato prendendo come riferimento il modello del forno di calcinazione del coke di petrolio e del forno a pozzo per la calcinazione della bauxite. La resistenza ad arco viene utilizzata come fonte di calore ad alta temperatura, il materiale viene scaricato continuamente per gravità e un sistema di raffreddamento ad acqua o a gassificazione convenzionale viene utilizzato per raffreddare il materiale ad alta temperatura nella zona di uscita, mentre un sistema di trasporto pneumatico della polvere viene utilizzato per scaricare e alimentare il materiale all'esterno del forno. Il tipo FURNACE consente una produzione continua, le perdite di accumulo termico del corpo del forno possono essere trascurate, quindi l'efficienza termica è notevolmente migliorata, i vantaggi in termini di produzione e consumo energetico sono evidenti e il funzionamento completamente automatico può essere realizzato. I principali problemi da risolvere riguardano la fluidità della polvere, l'uniformità del grado di grafitizzazione, la sicurezza, il monitoraggio della temperatura e il raffreddamento, ecc. Si ritiene che, con lo sviluppo di successo del forno per la produzione industriale su scala industriale, si innescherà una rivoluzione nel campo della grafitizzazione con elettrodo negativo.
3 il linguaggio dei nodi
Il processo chimico di grafitizzazione rappresenta il problema principale per i produttori di materiali anodici per batterie al litio. La ragione fondamentale risiede nel fatto che permangono ancora alcune criticità in termini di consumo energetico, costi, impatto ambientale, grado di automazione e sicurezza, aspetti legati ai forni di grafitizzazione periodici ampiamente utilizzati. La tendenza futura del settore è verso lo sviluppo di una struttura di forni a ciclo continuo completamente automatizzata e organizzata, supportata da impianti ausiliari di processo maturi e affidabili. A quel punto, i problemi di grafitizzazione che affliggono le imprese saranno significativamente risolti e il settore entrerà in una fase di sviluppo stabile, favorendo la rapida crescita delle industrie legate alle energie rinnovabili.
Data di pubblicazione: 19 agosto 2022