Com o rápido desenvolvimento de veículos de nova energia em todo o mundo, a demanda do mercado por materiais de ânodo para baterias de lítio aumentou significativamente. Segundo estatísticas, em 2021, as oito maiores empresas de ânodo para baterias de lítio do setor planejam expandir sua capacidade de produção para quase um milhão de toneladas. A grafitização tem o maior impacto no índice e no custo dos materiais de ânodo. Os equipamentos de grafitização na China possuem diversos tipos, alto consumo de energia, alta poluição e baixo grau de automação, o que limita o desenvolvimento de materiais de ânodo de grafite até certo ponto. Este é o principal problema a ser resolvido urgentemente no processo de produção de materiais de ânodo.
1. Situação atual e comparação do forno de grafitização negativa
1.1 Forno de grafitização negativa Atchison
No forno modificado, baseado no forno de grafitização tradicional de eletrodo Aitcheson, o forno original é carregado com um cadinho de grafite como portador do material do eletrodo negativo (o cadinho é carregado com matéria-prima do eletrodo negativo carbonizada), o núcleo do forno é preenchido com material de resistência de aquecimento e a camada externa é preenchida com material isolante e isolamento da parede do forno. Após a eletrificação, uma alta temperatura de 2800 a 3000°C é gerada principalmente pelo aquecimento do material do resistor, e o material negativo no cadinho é aquecido indiretamente para obter a tinta de pedra de alta temperatura do material negativo.
1.2. Forno de grafitização em série de calor interno
O modelo do forno é uma referência ao forno de grafitização em série utilizado na produção de eletrodos de grafite, e vários cadinhos de eletrodos (carregados com material de eletrodo negativo) são conectados em série longitudinalmente. O cadinho de eletrodo atua como um transportador e um corpo de aquecimento, e a corrente passa através do cadinho de eletrodo para gerar alta temperatura e aquecer diretamente o material interno do eletrodo negativo. O processo de grafitização não utiliza material de resistência, simplificando a operação de carregamento e cozimento, reduzindo a perda de armazenamento de calor do material de resistência e economizando o consumo de energia.
1.3 Forno de grafitização tipo caixa de grade
A aplicação nº 1 tem aumentado nos últimos anos, sendo a principal a série de fornos de grafitização Acheson e as características tecnológicas concatenadas do forno de grafitização. O núcleo do forno utiliza múltiplas peças de estrutura de caixa de material de grade de placa anódica, o material no cátodo na matéria-prima, através de todas as conexões ranhuradas entre a coluna da placa anódica e a fixação, cada recipiente, utilizando a vedação da placa anódica com o mesmo material. A coluna e a placa anódica da estrutura da caixa de material constituem, juntas, o corpo de aquecimento. A eletricidade flui através do eletrodo da cabeça do forno para o corpo de aquecimento do núcleo do forno, e a alta temperatura gerada aquece diretamente o material anódico na caixa para atingir o objetivo da grafitização.
1.4 Comparação de três tipos de fornos de grafitização
O forno de grafitização em série com aquecimento interno aquece o material diretamente por meio do aquecimento do eletrodo de grafite oco. O calor Joule produzido pela corrente que atravessa o cadinho do eletrodo é utilizado principalmente para aquecer o material e o cadinho. A velocidade de aquecimento é rápida, a distribuição de temperatura é uniforme e a eficiência térmica é superior à do forno Atchison tradicional com aquecimento de material por resistência. O forno de grafitização em caixa de grade aproveita as vantagens do forno de grafitização em série com aquecimento interno e adota uma placa de ânodo pré-cozida de menor custo como corpo de aquecimento. Comparado ao forno de grafitização em série, a capacidade de carga do forno de grafitização em caixa de grade é maior e o consumo de energia por unidade de produto é reduzido consequentemente.
2. Direção de desenvolvimento do forno de grafitização negativa
2.1 Otimizar a estrutura da parede perimetral
Atualmente, a camada de isolamento térmico de vários fornos de grafitização é preenchida principalmente com negro de fumo e coque de petróleo. Durante a queima de oxidação em alta temperatura, essa parte do material isolante precisa ser substituída ou complementada por um material isolante especial a cada carga, devido a condições ambientais adversas e alta intensidade de trabalho.
Pode-se considerar o uso de cimento especial de alta resistência e alta temperatura para alvenaria de parede, adobe, para aumentar a resistência geral, garantir a estabilidade da parede em todo o ciclo de operação em caso de deformação, vedação das juntas de tijolo ao mesmo tempo, evitar o excesso de ar através das rachaduras da parede de tijolo e da abertura das juntas no forno, reduzir a perda de oxidação por queima do material isolante e dos materiais do ânodo;
A segunda é instalar a camada isolante móvel a granel, suspensa externamente à parede do forno, utilizando painéis de fibra de alta resistência ou placas de silicato de cálcio. A fase de aquecimento desempenha um papel eficaz de vedação e isolamento, sendo a fase fria fácil de remover para resfriamento rápido. Em terceiro lugar, o canal de ventilação é instalado na parte inferior do forno e na parede do forno. O canal de ventilação adota uma estrutura de tijolo treliçado pré-fabricado com a boca fêmea da correia, enquanto suporta a alvenaria de cimento de alta temperatura, considerando o resfriamento por ventilação forçada na fase fria.
2.2 Otimizar a curva de alimentação por simulação numérica
Atualmente, a curva de fornecimento de energia do forno de grafitização com eletrodo negativo é feita de acordo com a experiência, e o processo de grafitização é ajustado manualmente a qualquer momento, de acordo com a temperatura e as condições do forno, sem um padrão unificado. A otimização da curva de aquecimento pode, obviamente, reduzir o índice de consumo de energia e garantir a operação segura do forno. O MODELO NUMÉRICO DE ALINHAMENTO DA AGULHADORA DEVE ser ESTABELECIDO por meios científicos de acordo com várias condições de contorno e parâmetros físicos, e a relação entre a corrente, a tensão, a potência total e a distribuição de temperatura da seção transversal no processo de grafitização deve ser analisada, de modo a formular a curva de aquecimento apropriada e ajustá-la continuamente na operação real. Como no estágio inicial da transmissão de energia, o uso de alta potência é usado, então reduza rapidamente a potência e, em seguida, aumente lentamente a potência e, em seguida, reduza a potência até o final da potência.
2.3 Prolongue a vida útil do cadinho e do corpo de aquecimento
Além do consumo de energia, a vida útil do cadinho e do aquecedor também determina diretamente o custo da grafitização negativa. Para cadinho de grafite e corpo de aquecimento de grafite, o sistema de gerenciamento de produção para carregamento, o controle razoável da taxa de aquecimento e resfriamento, a linha de produção automática de cadinho, o reforço da vedação para evitar oxidação e outras medidas para aumentar o tempo de reciclagem do cadinho reduzem efetivamente o custo da tinta de grafite. Além das medidas acima, a placa de aquecimento do forno de grafitização de caixa de grade também pode ser usada como material de aquecimento de ânodo pré-cozido, eletrodo ou material carbonáceo fixo com alta resistividade para economizar o custo da grafitização.
2.4 Controle de gases de combustão e utilização de calor residual
Os gases de combustão gerados durante a grafitização provêm principalmente de voláteis e produtos de combustão de materiais anódicos, queima de carbono superficial, vazamento de ar, etc. No início da partida do forno, há uma grande liberação de voláteis e poeira, o ambiente da oficina é precário e a maioria das empresas não possui medidas de tratamento eficazes, o que representa o maior problema que afeta a saúde e a segurança ocupacional dos operadores na produção de eletrodos negativos. Mais esforços devem ser feitos para considerar de forma abrangente a coleta e o gerenciamento eficazes de gases de combustão e poeira na oficina, e medidas de ventilação razoáveis devem ser tomadas para reduzir a temperatura da oficina e melhorar o ambiente de trabalho da oficina de grafitização.
Após a coleta dos gases de combustão através da chaminé para a câmara de combustão, a combustão mista remove a maior parte do alcatrão e da poeira presentes nos gases de combustão. Espera-se que a temperatura dos gases de combustão na câmara de combustão seja superior a 800°C, e o calor residual dos gases de combustão possa ser recuperado através da caldeira a vapor de calor residual ou do trocador de calor de casco. A tecnologia de incineração RTO usada no tratamento de fumaça de asfalto carbono também pode ser usada como referência, e os gases de combustão do asfalto são aquecidos a 850 ~ 900°C. Através da combustão com armazenamento de calor, o asfalto, os componentes voláteis e outros hidrocarbonetos aromáticos policíclicos presentes nos gases de combustão são oxidados e finalmente decompostos em CO2 e H2O, e a eficiência de purificação efetiva pode chegar a mais de 99%. O sistema possui operação estável e alta taxa de operação.
2. 5 Forno vertical contínuo de grafitização negativa
Os vários tipos de fornos de grafitização mencionados acima são a principal estrutura de forno para a produção de material anódico na China. O ponto comum é a produção intermitente periódica, baixa eficiência térmica, o carregamento depende principalmente da operação manual e o grau de automação não é alto. Um forno de grafitização negativa vertical contínuo semelhante pode ser desenvolvido com base no modelo do forno de calcinação de coque de petróleo e do forno de cuba de calcinação de bauxita. O arco de resistência é usado como fonte de calor de alta temperatura, o material é continuamente descarregado por sua própria gravidade, e a estrutura de resfriamento de água convencional ou gaseificação é usada para resfriar o material de alta temperatura na área de saída, e o sistema de transporte pneumático de pó é usado para descarregar e alimentar o material fora do forno. O tipo FORNO pode realizar produção contínua, a perda de armazenamento de calor do corpo do forno pode ser ignorada, portanto, a eficiência térmica é significativamente melhorada, as vantagens de produção e consumo de energia são óbvias, e a operação totalmente automática pode ser totalmente realizada. Os principais problemas a serem resolvidos são a fluidez do pó, a uniformidade do grau de grafitização, a segurança, o monitoramento da temperatura e o resfriamento, etc. Acredita-se que, com o desenvolvimento bem-sucedido do forno para produção industrial em escala, isso desencadeará uma revolução no campo da grafitização por eletrodo negativo.
3 a linguagem do nó
O processo químico de grafite é o maior problema que assola os fabricantes de ânodos para baterias de lítio. A razão fundamental é que ainda existem alguns problemas em termos de consumo de energia, custo, proteção ambiental, grau de automação, segurança e outros aspectos do forno de grafitização periódica amplamente utilizado. A tendência futura da indústria é o desenvolvimento de uma estrutura de forno de produção contínua de emissões totalmente automatizada e organizada, com suporte a instalações de processo auxiliar maduras e confiáveis. Nesse período, os problemas de grafitização que afetam as empresas serão significativamente melhorados e a indústria entrará em um período de desenvolvimento estável, impulsionando o rápido desenvolvimento de novas indústrias relacionadas à energia.
Data de publicação: 19/08/2022