Con el rápido desarrollo de vehículos de nueva energía en todo el mundo, la demanda de materiales para ánodos de baterías de litio ha aumentado significativamente. Según las estadísticas, en 2021, las ocho principales empresas de ánodos de baterías de litio del sector planean ampliar su capacidad de producción a casi un millón de toneladas. La grafitización es la que más influye en el índice y el coste de los materiales para ánodos. En China, los equipos de grafitización son diversos, tienen un alto consumo energético, son muy contaminantes y su bajo grado de automatización limita en cierta medida el desarrollo de materiales para ánodos de grafito. Este es el principal problema que debe resolverse con urgencia en el proceso de producción de materiales para ánodos.
1. Situación actual y comparación del horno de grafitización negativa
1.1 Horno de grafitización negativa Atchison
En el horno modificado, basado en el horno de grafitización tradicional de electrodos Aitcheson, el horno original se carga con un crisol de grafito como soporte del material del electrodo negativo (el crisol se carga con materia prima carbonizada para el electrodo negativo), el núcleo del horno se llena con material de resistencia térmica, la capa exterior se llena con material aislante y la pared del horno se aísla. Tras la electrificación, se genera una temperatura de 2800 a 3000 °C principalmente mediante el calentamiento del material de la resistencia, y el material negativo del crisol se calienta indirectamente para lograr el entintado a alta temperatura del material negativo.
1.2. Horno de grafitización en serie de calor interno
El modelo del horno hace referencia al horno de grafitización en serie utilizado para la producción de electrodos de grafito. Varios crisoles de electrodos (cargados con material negativo) están conectados en serie longitudinalmente. El crisol de electrodos actúa como portador y cuerpo calefactor, y la corriente lo atraviesa para generar alta temperatura y calentar directamente el material interno del electrodo negativo. El proceso de grafitización no utiliza material resistivo, lo que simplifica la carga y el horneado, reduce la pérdida de calor del material resistivo y ahorra energía.
1.3 Horno de grafitización tipo caja de rejilla
Su aplicación principal ha aumentado en los últimos años. La principal se basa en las características de la serie Acheson de hornos de grafitización y la tecnología concatenada. El núcleo del horno utiliza múltiples piezas de rejilla de placa anódica en la estructura de caja. El material se introduce en el cátodo a través de la materia prima. La conexión ranurada entre la columna de la placa anódica y cada contenedor se fija con un sello de placa anódica del mismo material. La columna y la placa anódica de la estructura de caja constituyen el cuerpo calefactor. La electricidad fluye a través del electrodo del cabezal del horno hacia el cuerpo calefactor del núcleo, y la alta temperatura generada calienta directamente el material del ánodo en la caja para lograr la grafitización.
1.4 Comparación de tres tipos de hornos de grafitización
El horno de grafitización en serie de calor interno calienta directamente el material mediante el electrodo hueco de grafito. El calor Joule producido por la corriente a través del crisol del electrodo se utiliza principalmente para calentar el material y el crisol. La velocidad de calentamiento es rápida, la distribución de la temperatura es uniforme y la eficiencia térmica es mayor que la del horno Atchison tradicional con calentamiento de material por resistencia. El horno de grafitización de caja de rejilla aprovecha las ventajas del horno de grafitización en serie de calor interno y utiliza una placa de ánodo precocida, de menor costo, como cuerpo calefactor. En comparación con el horno de grafitización en serie, la capacidad de carga del horno de grafitización de caja de rejilla es mayor y, en consecuencia, el consumo de energía por unidad de producto se reduce.
2. Dirección de desarrollo del horno de grafitización negativa
2. 1 Optimizar la estructura del muro perimetral
Actualmente, la capa de aislamiento térmico de varios hornos de grafitización se rellena principalmente con negro de humo y coque de petróleo. Esta parte del material aislante, durante la producción de la quema de oxidación a alta temperatura, requiere reemplazar o complementar con un material aislante especial cada vez que se carga, lo que implica un entorno de trabajo deficiente y una alta intensidad de mano de obra.
Se puede considerar el uso de un muro de mampostería de cemento de adobe especial de alta resistencia y alta temperatura, para mejorar la resistencia general, garantizar la estabilidad de la pared en todo el ciclo de operación en caso de deformación, al mismo tiempo sellar las juntas de los ladrillos y evitar el exceso de aire a través de las grietas y juntas de las paredes de ladrillo hacia el horno, reducir la pérdida por oxidación y quema del material aislante y los materiales del ánodo;
En segundo lugar, se instala una capa de aislamiento móvil a granel que cuelga fuera de la pared del horno, como tableros de fibra de alta resistencia o tableros de silicato de calcio. La etapa de calentamiento cumple una función eficaz de sellado y aislamiento, mientras que la etapa de enfriamiento es fácil de retirar para un enfriamiento rápido. En tercer lugar, se instala un canal de ventilación en la parte inferior del horno y en la pared. Este canal de ventilación adopta una estructura de ladrillo de celosía prefabricada con una abertura hembra en la correa, soportando la mampostería de cemento de alta temperatura y considerando la refrigeración por ventilación forzada en la fase de enfriamiento.
2. 2 Optimizar la curva de suministro de potencia mediante simulación numérica
Actualmente, la curva de alimentación del horno de grafitización con electrodo negativo se elabora según la experiencia, y el proceso de grafitización se ajusta manualmente en cualquier momento según la temperatura y las condiciones del horno, sin que exista un estándar unificado. Optimizar la curva de calentamiento reduce significativamente el consumo de energía y garantiza la seguridad del horno. El modelo numérico de alineación de agujas debe establecerse científicamente según diversas condiciones de contorno y parámetros físicos, y debe analizarse la relación entre la corriente, el voltaje, la potencia total y la distribución de temperatura de la sección transversal durante el proceso de grafitización para formular la curva de calentamiento adecuada y ajustarla continuamente durante la operación. Por ejemplo, en la etapa inicial de transmisión de potencia, se utiliza una transmisión de alta potencia, reduciéndola rápidamente y luego incrementándola lentamente, y reduciéndola hasta su fin.
2. 3 Prolonga la vida útil del crisol y del cuerpo calefactor.
Además del consumo de energía, la vida útil del crisol y del calentador también determina directamente el costo de la grafitización negativa. Para el crisol y el cuerpo calentador de grafito, el sistema de gestión de la producción durante la carga, el control razonable de la velocidad de calentamiento y enfriamiento, la línea de producción automática de crisoles, el sellado reforzado para prevenir la oxidación y otras medidas para aumentar los tiempos de reciclaje del crisol reducen eficazmente el costo del entintado de grafito. Además de las medidas mencionadas, la placa calefactora del horno de grafitización de caja de rejilla también puede utilizarse como material de calentamiento de ánodos precocidos, electrodos o materiales carbonosos fijos de alta resistividad para reducir el costo de la grafitización.
2.4 Control de gases de combustión y aprovechamiento del calor residual
Los gases de combustión generados durante la grafitización provienen principalmente de volátiles y productos de combustión de los materiales del ánodo, la quema de carbón superficial, fugas de aire, etc. Al inicio de la puesta en marcha del horno, se liberan grandes cantidades de volátiles y polvo. El ambiente del taller es deficiente y la mayoría de las empresas carecen de medidas de tratamiento efectivas. Este es el mayor problema que afecta la salud y seguridad ocupacional de los operarios en la producción de electrodos negativos. Se deben realizar mayores esfuerzos para considerar integralmente la recolección y gestión efectiva de gases de combustión y polvo en el taller, y se deben implementar medidas de ventilación adecuadas para reducir la temperatura del taller y mejorar el ambiente de trabajo en el taller de grafitización.
Después de que el gas de combustión se puede recoger a través de la chimenea en la cámara de combustión de combustión mixta, eliminar la mayor parte del alquitrán y el polvo en el gas de combustión, se espera que la temperatura del gas de combustión en la cámara de combustión sea superior a 800 ℃, y el calor residual del gas de combustión se puede recuperar a través de la caldera de vapor de calor residual o intercambiador de calor de carcasa. La tecnología de incineración RTO utilizada en el tratamiento de humo de asfalto de carbono también se puede utilizar como referencia, y el gas de combustión de asfalto se calienta a 850 ~ 900 ℃. A través de la combustión de almacenamiento de calor, el asfalto y los componentes volátiles y otros hidrocarburos aromáticos policíclicos en el gas de combustión se oxidan y finalmente se descomponen en CO2 y H2O, y la eficiencia de purificación efectiva puede alcanzar más del 99%. El sistema tiene un funcionamiento estable y una alta tasa de operación.
2. 5 Horno vertical continuo de grafitización negativa
Los hornos de grafitización mencionados anteriormente constituyen la principal estructura de producción de material anódico en China. Sus puntos en común son la producción intermitente periódica, la baja eficiencia térmica, la carga manual y el bajo grado de automatización. Se puede desarrollar un horno de grafitización negativo vertical continuo similar, basado en el modelo del horno de calcinación de coque de petróleo y el horno de cuba de calcinación de bauxita. El arco de resistencia se utiliza como fuente de calor de alta temperatura, el material se descarga continuamente por gravedad, y la refrigeración por agua o gasificación convencional se utiliza para enfriar el material a alta temperatura en la salida. El sistema de transporte neumático de polvo se utiliza para descargar y alimentar el material fuera del horno. El horno de tipo HORNO permite una producción continua, ignorando la pérdida de calor del cuerpo del horno, lo que mejora significativamente la eficiencia térmica, ofrece ventajas evidentes en la producción y el consumo de energía, y permite un funcionamiento totalmente automático. Los principales problemas a resolver son la fluidez del polvo, la uniformidad del grado de grafitización, la seguridad, el control de la temperatura y el enfriamiento, etc. Se cree que con el desarrollo exitoso del horno a escala de producción industrial, se desencadenará una revolución en el campo de la grafitización de electrodos negativos.
3 el lenguaje del nudo
El proceso químico del grafito es el mayor problema que afecta a los fabricantes de materiales para ánodos de baterías de litio. La razón fundamental es que aún existen dificultades en el consumo de energía, el coste, la protección medioambiental, el grado de automatización, la seguridad y otros aspectos del horno de grafitización periódica, ampliamente utilizado. La tendencia futura de la industria apunta al desarrollo de una estructura de horno de producción continua de emisiones totalmente automatizada y organizada, junto con instalaciones de proceso auxiliares consolidadas y fiables. En ese momento, los problemas de grafitización que afectan a las empresas se verán significativamente mejorados y la industria entrará en un período de desarrollo estable, impulsando el rápido desarrollo de nuevas industrias relacionadas con la energía.
Hora de publicación: 19 de agosto de 2022