Con el rápido desarrollo de los vehículos de nueva energía a nivel mundial, 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 planeaban ampliar su capacidad de producción a casi un millón de toneladas. La grafitización tiene el mayor impacto en el índice y el coste de los materiales para ánodos. Los equipos de grafitización en China son muy diversos, consumen mucha energía, generan mucha contaminación y tienen un bajo grado de automatización, lo que limita en cierta medida el desarrollo de los materiales de ánodo 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 de hornos de grafitización negativa
1.1 Horno de grafitización negativa de Atchison
En el tipo de horno modificado basado en el horno de grafitización de electrodo Aitcheson tradicional, el horno original se carga con un crisol de grafito como soporte del material del electrodo negativo (el crisol se carga con materia prima de electrodo negativo carbonizada), el núcleo del horno se llena con material de resistencia térmica, la capa exterior se llena con material aislante y aislamiento de la pared del horno. Después de la electrificación, se genera una alta temperatura de 2800 ~ 3000 ℃ principalmente por el calentamiento del material de resistencia, y el material negativo en el crisol se calienta indirectamente para lograr la impresión de piedra a alta temperatura del material negativo.
1.2. Horno de grafitización en serie de calentamiento interno
El modelo de horno hace referencia al horno de grafitización en serie utilizado para la producción de electrodos de grafito, y varios crisoles de electrodos (cargados con material de electrodo negativo) están conectados en serie longitudinalmente. El crisol de electrodos actúa como soporte y elemento calefactor, y la corriente que lo atraviesa genera alta temperatura y calienta directamente el material interno del electrodo negativo. El proceso de grafitización no utiliza material resistivo, lo que simplifica la operación de carga y horneado, reduce la pérdida de calor asociada al material resistivo y ahorra energía.
1.3 Horno de grafitización tipo caja de rejilla
La aplicación n.° 1 ha aumentado en los últimos años, la principal es el horno de grafitización de la serie Acheson y las características de la tecnología concatenada del horno de grafitización, el núcleo del horno utiliza una estructura de caja de material de rejilla de placa de ánodo de múltiples piezas, el material en el cátodo en la materia prima, a través de todas las conexiones ranuradas entre las columnas de placas de ánodo se fija, cada contenedor, el uso de placas de ánodo selladas con el mismo material. La columna y la placa de ánodo de la estructura de caja de material juntas constituyen el cuerpo de calentamiento. La electricidad fluye a través del electrodo del cabezal del horno hacia el cuerpo de calentamiento del núcleo del horno, y la alta temperatura generada calienta directamente el material del ánodo en la caja para lograr el propósito de grafitización.
1.4 Comparación de tres tipos de hornos de grafitización
El horno de grafitización de calentamiento interno en serie calienta directamente el material mediante el calentamiento del electrodo hueco de grafito. El calor Joule producido por la corriente que circula por el crisol del electrodo se utiliza principalmente para calentar tanto el material como el crisol. La velocidad de calentamiento es rápida, la distribución de temperatura es uniforme y la eficiencia térmica es superior a la del horno Atchison tradicional con calentamiento por resistencia. El horno de grafitización de rejilla aprovecha las ventajas del horno de grafitización de calentamiento interno en serie y utiliza una placa de ánodo precalentada de menor coste como elemento calefactor. En comparación con el horno de grafitización en serie, el horno de grafitización de rejilla en caja tiene una mayor capacidad de carga y, en consecuencia, reduce el consumo de energía por unidad de producto.
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 compone principalmente de negro de humo y coque de petróleo. Durante la producción, este material aislante se oxida y quema a altas temperaturas, por lo que cada vez que se retira, es necesario reemplazarlo o complementarlo con un material aislante especial. Este proceso de reemplazo genera un entorno de trabajo deficiente y requiere mucha mano de obra.
Se puede considerar el uso de adobe para la construcción de muros de mampostería de cemento de alta resistencia y alta temperatura, lo que mejora la resistencia general y garantiza la estabilidad del muro durante todo el ciclo de operación, sellando las juntas de los ladrillos al mismo tiempo, evitando que entre aire en exceso a través de las grietas y los espacios entre las juntas del muro de ladrillos en el horno, reduciendo así la pérdida por oxidación y combustión del material aislante y los materiales del ánodo;
La segunda consiste en instalar una capa aislante móvil de gran volumen suspendida en el exterior de la pared del horno, como por ejemplo un tablero de fibra de alta resistencia o un tablero de silicato de calcio. La etapa de calentamiento cumple una función eficaz de sellado y aislamiento, y la etapa de enfriamiento permite retirarla fácilmente para una refrigeración rápida. En tercer lugar, se instala un canal de ventilación en la parte inferior y en la pared del horno. El canal de ventilación adopta una estructura de ladrillo reticular prefabricado con una abertura hembra para la correa, que soporta la mampostería de cemento de alta temperatura y tiene en cuenta la ventilación forzada durante la fase fría.
2.2 Optimizar la curva de suministro de potencia mediante simulación numérica.
Actualmente, la curva de suministro de energía del horno de grafitización de 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. La optimización de la curva de calentamiento puede reducir notablemente el índice de consumo de energía y garantizar el funcionamiento seguro del horno. El MODELO NUMÉRICO de alineación de agujas DEBE ESTABLECERSE mediante métodos científicos según diversas condiciones límite y parámetros físicos, y se debe analizar la relación entre la corriente, el voltaje, la potencia total y la distribución de temperatura de la sección transversal en el proceso de grafitización, para así formular la curva de calentamiento adecuada y ajustarla continuamente en el funcionamiento real. Por ejemplo, en la etapa inicial de transmisión de energía se utiliza una transmisión de alta potencia, luego se reduce rápidamente la potencia y luego se aumenta lentamente, y luego se reduce la potencia hasta el final de la potencia.
2.3 Prolongar 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 calefactor de grafito, el sistema de gestión de producción para 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 aumentan los ciclos de reciclaje del crisol, reduciendo eficazmente el costo de la tinta de grafito. Además de las medidas anteriores, la placa calefactora del horno de grafitización de rejilla también puede utilizarse como material calefactor de ánodo prehorneado, electrodo o material carbonáceo fijo de alta resistividad para ahorrar en 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 combustión del carbono superficial, fugas de aire, etc. Al inicio del proceso de puesta en marcha del horno, se liberan grandes cantidades de volátiles y polvo, lo que genera un ambiente deficiente en el taller. La mayoría de las empresas carecen de medidas de tratamiento eficaces, lo que constituye el principal problema que afecta la salud y seguridad laboral de los operarios en la producción de electrodos negativos. Es necesario redoblar los esfuerzos para considerar de forma integral la recolección y gestión efectivas de los gases de combustión y el polvo en el taller, e implementar medidas de ventilación adecuadas para reducir la temperatura y mejorar el ambiente de trabajo en el taller de grafitización.
Después de que los gases de combustión se pueden recolectar a través de la chimenea hacia la cámara de combustión mixta, eliminando la mayor parte del alquitrán y el polvo de los gases de combustión, se espera que la temperatura de los gases de combustión en la cámara de combustión sea superior a 800℃, y el calor residual de los gases de combustión se puede recuperar a través de la caldera de vapor de calor residual o el intercambiador de calor de carcasa. La tecnología de incineración RTO utilizada en el tratamiento de humos de asfalto carbonizado también puede tomar como referencia, donde los gases de combustión del asfalto se calientan a 850 ~ 900℃. Mediante la combustión con almacenamiento de calor, el asfalto, los componentes volátiles y otros hidrocarburos aromáticos policíclicos en los gases 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 de grafitización negativa continua vertical
Los diversos tipos de hornos de grafitización mencionados anteriormente constituyen la principal estructura de horno para la producción de material de ánodo en China. Su característica común es la producción intermitente periódica, la baja eficiencia térmica y la dependencia principal de la carga y descarga, con un bajo grado de automatización. Un horno de grafitización negativa vertical continuo similar puede desarrollarse tomando como referencia el modelo del horno de calcinación de coque de petróleo y el horno de cuba de calcinación de bauxita. Se utiliza un arco de resistencia como fuente de calor de alta temperatura, el material se descarga continuamente por gravedad y se emplea un sistema de refrigeración por agua convencional o por gasificación para enfriar el material a alta temperatura en la zona de salida. El sistema de transporte neumático de polvo se utiliza para descargar y alimentar el material fuera del horno. Este tipo de horno permite la producción continua, se puede ignorar 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 la automatización completa. Los principales problemas a resolver son la fluidez del polvo, la uniformidad del grado de grafitización, la seguridad, el control de la temperatura y la refrigeración, entre otros. Se cree que, con el desarrollo exitoso del horno para la producción industrial a escala, se producirá una revolución en el campo de la grafitización de electrodos negativos.
3. El lenguaje de los nudos
El proceso químico del grafito es el mayor problema que aqueja a los fabricantes de materiales para ánodos de baterías de litio. La razón fundamental radica en que aún existen problemas relacionados con el consumo de energía, el costo, la protección ambiental, el grado de automatización, la seguridad y otros aspectos del horno de grafitización periódico, 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, con instalaciones de procesos auxiliares maduras y confiables. En ese momento, los problemas de grafitización que afectan a las empresas mejorarán significativamente, y la industria entrará en un período de desarrollo estable, impulsando el rápido desarrollo de las industrias relacionadas con las nuevas energías.
Fecha de publicación: 19 de agosto de 2022