鋰電池輥道窯的結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)效益分析

許　鵬，蘇文生，謝禮飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111）

鋰電池輥道窯的結(jié)構(gòu)與經(jīng)濟(jì)效益分析

許鵬，蘇文生，謝禮飛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111）

分析了輥道窯的內(nèi)高、內(nèi)寬、窯長(zhǎng)以及堆跺密度對(duì)輥道窯的產(chǎn)量及能耗的影響，提出輥道窯產(chǎn)量的提高應(yīng)以穩(wěn)定的熱工性能為前提，以達(dá)到單位產(chǎn)品成本和能耗的最低值。

鋰電池輥道窯；結(jié)構(gòu)；產(chǎn)量；能耗

目前，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，能源相對(duì)缺乏的情況下，降低能耗，提高經(jīng)濟(jì)效益成為任何企業(yè)的首要任務(wù)，特別是能源消耗大戶——鋰電池企業(yè)更是如此［1］。自從上個(gè)世紀(jì)90年代，推板窯投入我國(guó)鋰電池行業(yè)使用以來(lái)，各個(gè)鋰電池企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量都有了大幅度的提高，并顯著降低了能耗［2］。然而，隨著輥道窯的出現(xiàn)，特別是近年來(lái)寬斷面輥道窯的使用、發(fā)展，使得鋰電池產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量又進(jìn)一步大大提高，在能耗上顯著低于推板窯及其他間歇式窯（如梭式窯），因而，得到人們的青睞與廣泛關(guān)注［3］。鑒于此，本文針對(duì)鋰電池輥道窯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及其在降低能耗、提高產(chǎn)量等方面所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益方面進(jìn)行了分析，并與推板窯進(jìn)行了比較。

1　輥道窯的優(yōu)點(diǎn)

首先，輥道窯是通過(guò)連續(xù)排布的輥?zhàn)觽鲃?dòng)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，不必使用窯車或耐火墊板。因此，輥道窯比推板窯減少了由推板帶走的熱量。更重要的是由于輥道窯無(wú)窯體蓄熱，窯內(nèi)溫度均勻，預(yù)熱帶溫差小，輥棒上下均可加熱，為產(chǎn)品快燒創(chuàng)造了條件。其次，輥道窯大大節(jié)約了能耗，其熱效率及經(jīng)濟(jì)效益明顯優(yōu)于推板窯，如表1所示。

表1　輥道窯和推板窯的綜合效益比較

另外，科學(xué)地設(shè)計(jì)輥道窯裝載產(chǎn)品的有效高與寬度比，可有效地減少產(chǎn)品的上下溫差。它還具有抗腐蝕性好，使用壽命長(zhǎng)，自動(dòng)化程度高，截面溫度均勻，產(chǎn)品一致性好，產(chǎn)能大，單位能耗低，以及外觀美觀大氣等一系列優(yōu)點(diǎn)［4］。

2　輥道窯產(chǎn)量與結(jié)構(gòu)的關(guān)系

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，有資料得:

式中：V為輥道窯容積，m3；V=F×L=H×W×L，其中F為窯截面積，m2；L為窯長(zhǎng)，m；H為窯內(nèi)高，m；W為窯內(nèi)寬，m；Γ為燒成時(shí)間，h；k為產(chǎn)品合格率；g為體積裝窯密度，件/m3，或kg/m3；G為小時(shí)產(chǎn)量，件/h，或kg/h。

G=年產(chǎn)量（件/年或kg/h）年工作日×24

由式（1）可得窯長(zhǎng)的計(jì)算公式如下：

從式（1）可以看出，當(dāng)其他量一定的情況下，輥道窯的小時(shí)產(chǎn)量與窯的容積成正比；而窯容積V是窯的內(nèi)寬、內(nèi)高及窯長(zhǎng)的乘積，故內(nèi)高、內(nèi)寬及窯長(zhǎng)三者之一或是聯(lián)合作用導(dǎo)致窯容積的增加都可以提高輥道窯的產(chǎn)量。下面將分別從輥道窯的內(nèi)寬、內(nèi)高和窯長(zhǎng)來(lái)討論窯爐產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系。

2.1窯長(zhǎng)與產(chǎn)量

由式（2）可知，當(dāng)燒成時(shí)間、年工作日、成品率及線裝窯密度不變的情況下，窯的年產(chǎn)量隨著窯長(zhǎng)的增加而提高。由于制品產(chǎn)量的大大提高，抵消了由于窯長(zhǎng)的増加而引起窯墻散熱損失的増加，使單位制品熱耗和窯墻散熱量減少。同時(shí)，隨著窯長(zhǎng)的增加，相應(yīng)各帶的長(zhǎng)度都?jí)埣?。在預(yù)熱帶，窯內(nèi)能有更多時(shí)間加熱制品，較長(zhǎng)時(shí)間的熱交換使溫度升高的更為平穩(wěn)；在冷卻帶，制品的余熱能夠更好地散失給冷空氣。因此，在整個(gè)窯長(zhǎng)方向上熱耗大大減少且溫度曲線趨于平緩，有助于避免預(yù)熱帶較短導(dǎo)致升溫較快所帶來(lái)的料體開裂等等不良后果。同時(shí)，產(chǎn)量也直線上升。以某廠寬度為2 m左右的鋰電池輥道窯為例，窯長(zhǎng)50 m以下產(chǎn)量一般為400～1 000 t/a；24 m為400 t/a；360 m為800 t/a；48 m為1 000 t/a，故窯長(zhǎng)越建越長(zhǎng)，現(xiàn)已建到100 m，據(jù)說(shuō)產(chǎn)量可達(dá)2 000 t/a。因此，在場(chǎng)地允許的情況下適當(dāng)增加窯長(zhǎng)，產(chǎn)量會(huì)明顯提高。

然而，窯長(zhǎng)的增加超過(guò)一定長(zhǎng)度后，將影響到窯內(nèi)的正常的熱工制度，反而增加了窯爐單位制品的能耗和質(zhì)量。

根據(jù)流體力學(xué)中能量守恒方程（二流體伯努利方程簡(jiǎn)寫）

式中：hs1，2，hge1，2，hk1，2，分別表示二流體在1-2斷面的靜壓頭、幾何壓頭和動(dòng)壓頭；hL表示窯內(nèi)氣體流動(dòng)的阻力損失。

式中：hf為摩擦阻力損失；hl為局部阻力損失，數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：ω為氣體流速，m/s；ξ為摩擦阻力系數(shù)：磚砌通道為0.03～0.06，金屬管道為0.02～0.04；ρ為氣體密度，kg/m3；d為通道當(dāng)量直徑，m；對(duì)于非圓形通道，其中F為通道截面積，m2；I為氣體浸潤(rùn)周邊長(zhǎng)，m；L為通道長(zhǎng)度，m；ω為氣體流速，m/s；V為流量，m2/s。

式中，ζ為局部阻力系數(shù)，其數(shù)值由實(shí)驗(yàn)求出。

由于窯內(nèi)氣體流動(dòng)（hs）而產(chǎn)生阻力損失（hl），且阻力損失hL由動(dòng)壓頭（hs）轉(zhuǎn)變而來(lái)，故由式（3）的能量守恒方程可知，在窯內(nèi)同一水平面上，為了保證氣體在窯內(nèi)的正常流動(dòng)，靜壓頭（hk）轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)壓頭（hs）以彌補(bǔ)動(dòng)壓頭（hs）損失。因而，沿窯長(zhǎng)方向窯內(nèi)靜壓頭的差值（hk1-hk2）成為推動(dòng)輥道窯內(nèi)氣體水平流動(dòng)的動(dòng)力。由式（4）、（5）可知摩擦阻力損失hf與窯長(zhǎng)成正比，即輥道窯的窯長(zhǎng)越大，摩擦阻力損失hf和總阻力損失hL越大，靜壓頭減少量也隨之而增大，最終導(dǎo)致窯內(nèi)燒成帶正壓和預(yù)熱帶負(fù)壓都增大。如果正壓過(guò)大，則漏出熱氣體多，熱氣體帶出熱使能耗增大，惡化工作環(huán)境并且燒成帶附近的耐火材料由于高溫氣體的溢出而降低壽命；如果負(fù)壓過(guò)大，在窯門及密封較差的地方將漏入大量的冷空氣，產(chǎn)生氣體分層，導(dǎo)致預(yù)熱帶上下溫差進(jìn)一步增大，耗損消耗大等弊端，影響了窯內(nèi)正常的熱工制度，最終導(dǎo)致次品率增加，產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量下降。故在輥道窯截面積一定的情況下，必須在保證窯內(nèi)熱工制度穩(wěn)定的前提下才能通過(guò)增大窯長(zhǎng)以達(dá)到增加產(chǎn)量的目的。

另外，當(dāng)窯長(zhǎng)增加時(shí)，輥道窯的動(dòng)力消耗也隨之增加。如風(fēng)機(jī)，由于窯長(zhǎng)、產(chǎn)量增加，故需選用功率較大的排風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)才能保證窯頭氣體正常排放及窯尾所需要的冷卻風(fēng)量，以達(dá)到較好的壓力、氣氛制度。而輥道窯的輥?zhàn)域?qū)動(dòng)功率需滿足以下關(guān)系式：

式中：N為輥?zhàn)域?qū)動(dòng)功率，kW；N1為克服輥?zhàn)幽Σ磷枇ψ龉λ韫β?，kW；N2為克服制品慣性阻力做功所需功率，kW；N3為克服制品重力做功所需功率，kW。

由于輥道窯內(nèi)制品是水平運(yùn)動(dòng)的，故克服制品重力做功為零即N3=0。又因?yàn)?，故式?）可表示為：

式中，M摩為摩擦阻力力矩，N·m；v為輥?zhàn)虞斔退俣?，m/s；D為輥?zhàn)又睆?，m；Q為輥?zhàn)虞斔偷纳a(chǎn)率，kg/s。

由式（8）可知輥?zhàn)拥尿?qū)動(dòng)功率在其他情況一定時(shí)，隨著輥?zhàn)虞斔退俣燃拜佔(zhàn)虞斔蜕a(chǎn)率的增加而增大，隨著輥?zhàn)又睆降脑龃蠖鴾p小。也就是說(shuō)當(dāng)輥道窯窯長(zhǎng)增加以后，輥?zhàn)拥妮斔退俣?、輸送生產(chǎn)率也隨之而增加。故需選用輥?zhàn)域?qū)動(dòng)功率較大的電機(jī)（或是增加電機(jī)的個(gè)數(shù)，以增加總電機(jī)功率）和輥徑較大的輥?zhàn)樱@樣才能保證輥道窯生產(chǎn)的正常、持續(xù)運(yùn)行［5］。表2是我所建造的同一寬斷面、不同窯長(zhǎng)、生產(chǎn)鋰電池正極材料的幾種規(guī)格的輥道窯參數(shù)。

表2　不同窯長(zhǎng)鋰電池輥道窯參數(shù)

從表2可以看出，同一內(nèi)寬的輥道窯，在保證正常的熱工制度的前提下，隨著窯長(zhǎng)的增加，風(fēng)機(jī)總功率及傳動(dòng)輥電機(jī)功率也隨之增加且產(chǎn)量明顯提高，而單位產(chǎn)品的能耗量卻基本不變。

2.2窯寬、窯高與產(chǎn)置

從式（9）、（10）可知，摩擦阻力損失（hf）與局部阻力損失（hl）分別與窯截面積的三次及二次方成反比，由此可見，通過(guò)增大面積來(lái)減少窯內(nèi)的阻力損失hL是非常有效的。再加上輥道窯內(nèi)的制品（鋰電池正極材料為例）的堆跺阻力較小，可以視為中空窯爐，故增加窯寬可以大大減小氣流阻力，有利于流場(chǎng)的控制。

然而，由于靠近窯兩側(cè)壁處的摩擦阻力不變，流速的增大引起窯內(nèi)同一斷面上兩側(cè)壁和窯中心處的流速差更大，這對(duì)同一斷面上溫度的均勻性不利，反而增大同一水平面上的溫差。我們利用紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)進(jìn)行溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)測(cè)試［6］，以及進(jìn)行輥道窯內(nèi)動(dòng)態(tài)溫差的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電阻絲加熱溫度在窯中同一水平面上形成一駝峰形的溫度曲線，靠近窯壁處溫度比窯內(nèi)同一水平上高溫處溫度低20～46℃。因此，當(dāng)窯內(nèi)寬增加而電阻絲沒有增長(zhǎng)時(shí)，無(wú)疑會(huì)使溫度達(dá)不到窯中心，使中心的溫度更低。如果燒制大批量的鋰電池正極材料，難免出現(xiàn)嚴(yán)重色差和不一致。湖南省某材料廠通過(guò)在改變電阻絲的長(zhǎng)度以及合適部位應(yīng)用硅碳棒加熱，提高了窯內(nèi)同一斷面中心的溫度。這是因?yàn)樵黾与娮杞z長(zhǎng)度和更換硅碳棒之后，增加了加熱范圍。彌補(bǔ)了由于加熱距離較短不能到達(dá)寬斷面輥道窯中心的不足，均勻了窯內(nèi)中心區(qū)域的溫度（如圖1所示）。

圖1　窯內(nèi)同一截面同一水平上的溫度分布圖

另外，當(dāng)焙燒同一種產(chǎn)品時(shí)，在窯長(zhǎng)和料體前進(jìn)的速度一定時(shí)，理論上產(chǎn)量G與輥道窯的有效寬度（窯內(nèi)擺放產(chǎn)品的實(shí)際寬度）B效成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中：Gl，ΔG分別表示原內(nèi)寬時(shí)單位時(shí)間產(chǎn)量和增加有效寬度后新增產(chǎn)量，kg/h；B效1、ΔB效分別表示原來(lái)有效寬度和增加的有效寬度，m；k是比例常數(shù)。

在增大窯體表面積的同時(shí)使用輕質(zhì)耐火材料（如纖維）減小窯墻厚度，以增加窯內(nèi)有效寬度也是增加產(chǎn)量的有效途徑之一。這也正是我國(guó)目前寬斷面輥道窯迅速發(fā)展的潛在原因，既能夠提高窯爐的產(chǎn)量也保證了窯內(nèi)較好的熱工制度，降低窯體重量，因而寬斷面輥道窯的發(fā)展具有極大的潛力。

2.3裝窯密度與產(chǎn)置

輥道窯如燒制鋰電池材料，無(wú)疑窯爐制品的堆跺密度越大，窯爐的產(chǎn)量也越高，但是從窯內(nèi)料跺阻力關(guān)系式：

式中：h′l為堆跺阻力損失，N/m2；k為阻力系數(shù)，k=；a為常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定；de為孔隙當(dāng)量直徑，m；L為通道長(zhǎng)度，m。

可以看出，料跺阻力與窯長(zhǎng)成正比，且隨著料跺空隙當(dāng)量直徑的增大而減小，故過(guò)密的堆放料跺及窯體過(guò)長(zhǎng)不但影響了料跺之間的換熱，而且還會(huì)導(dǎo)致如前所述的較差的熱工性能，最終降低產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。

2.4輥道窯的層數(shù)

從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，多層窯可節(jié)約能耗，縮短窯長(zhǎng)，減少用地，降低投資費(fèi)用。但由于層數(shù)增多，使入窯及出窯的運(yùn)輸線、連鎖控制系統(tǒng)、窯爐本身的結(jié)構(gòu)都復(fù)雜化了，尤其給棍棒承載能力帶來(lái)不少麻煩。

意大利窯爐公司SITI總結(jié)出確定輥道窯層數(shù)的原則有以下幾點(diǎn):①有效高度大的輥道窯（窯高多為0.7～0.85 m）最好用單層，矮窯（有效高度≤0.15 m）則可以選用多層；②寬窯宜用單層，窄窯可用多層；③產(chǎn)量不大、燒成溫度高時(shí)宜用單層，反之可用多層；④不用墊板承燒時(shí)采用三層窯最為經(jīng)濟(jì)，而多層窯一般不用電作為熱源。

綜上所述，在增加輥道窯截面積、有效寬度、窯長(zhǎng)及增加制品層數(shù)目以增加窯爐的產(chǎn)量的同時(shí)，必須考慮到一些基本的條件，如窯內(nèi)溫度的均勻性、氣體的流動(dòng)、壓力制度、熱效率等熱工性能，然后確定最為經(jīng)濟(jì)的窯爐產(chǎn)量。單位產(chǎn)品與燒成成本之間存在最優(yōu)值，如圖2所示。

圖2　鋰電池輥道窯運(yùn)行優(yōu)化圖

3　輥道窯的能耗

窯爐的能耗與窯爐的工作制度有直接關(guān)系，它可表示為產(chǎn)品產(chǎn)量的多項(xiàng)式關(guān)系。對(duì)于燃料爐，建立爐膛總熱平衡方程［7-8］：

Bt（Qd+Qa）=QL+Qm+Qg（13）式中：Bt為窯爐的總能耗，kJ；Qd為電阻絲的發(fā)熱量，kJ/h；Qa為硅碳棒的回收熱量，kJ/h；QL為窯爐的熱損失（包括爐墻散熱和蓄熱、通過(guò)爐孔的輻射熱損失等），kJ/h；Qm為產(chǎn)品吸收的有效熱，kJ/h；Qg為氣體帶走的物理熱，kJ/h。

上述各項(xiàng)熱量計(jì)算如下：式中：ε為窯爐熱損失系數(shù)（0＜ε＜1），它的數(shù)值取決于窯爐的溫度和爐墻材料及結(jié)構(gòu)；ΔHm為產(chǎn)品熱含量的增值，kJ/kg；G為窯爐的產(chǎn)量，件/h或kg/h；Vn為單位產(chǎn)品的實(shí)際氣體產(chǎn)生量，m3/kg；Cg為煙氣在溫度tg下的比熱，kJ/m3·℃；tg為煙氣出爐溫度，℃；

由式（13）～（16）得窯爐的燃燒量為：

若電費(fèi)的價(jià)格為Cf，則窯爐單位產(chǎn)品的能耗費(fèi)用CF為：

顯然從式（17）、（18）可知窯爐能耗量與產(chǎn)量成正比，而單位產(chǎn)品的能耗費(fèi)取決于總能耗量與總產(chǎn)量的比值，故只有在保證良好的熱工制度，能耗量降至最低的前提下，増大窯寬、窯長(zhǎng)，增加產(chǎn)量，才可以降低單位產(chǎn)品的能耗費(fèi)，否則單純的依靠增加產(chǎn)品的總產(chǎn)量而不考慮產(chǎn)品的能耗，最終可能將導(dǎo)致單位產(chǎn)品的能耗增加。

4　結(jié)論

（1）近年來(lái)，輥道窯以其能耗低、燒成周期短、產(chǎn)量大、產(chǎn)品一致性好等優(yōu)點(diǎn)成為鋰電池材料燒結(jié)設(shè)備發(fā)展的主流。

（2）在增大窯體斷面、窯長(zhǎng)，增加產(chǎn)量的同時(shí)，應(yīng)該保證窯內(nèi)具有良好的溫度均勻性、壓力制度、熱效率等熱工性能。

（3）如果只是單方面的增加窯長(zhǎng)來(lái)增加產(chǎn)量可能會(huì)導(dǎo)致單位產(chǎn)品的能耗、成本增加。單位產(chǎn)品的能耗成本存在最優(yōu)值。

［1］劉彥紅，王本力.對(duì)我國(guó)動(dòng)力鋰電池產(chǎn)業(yè)的冷思考［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2015（9）:8-11.

［2］許文華，岳慶，萬(wàn)永剛.新能源粉體材料生產(chǎn)裝備與燒制工藝方案狀況［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2012（3）:42-45.

［3］劉貴民，王常青，齊杰，等.高溫多層推板電窯的開發(fā)研制［J］.磁性材料及器件，2002（2）:43-45.

［4］ 蘇文生，楊欣.動(dòng)力電池材料燒結(jié)窯的技術(shù)改造［J］.工業(yè)爐，2012（2）:57-59.

［5］胡澄清，朱輝球，余筱勤.輥道窯結(jié)構(gòu)的改進(jìn)［J］.中國(guó)陶瓷，2006（4）:52-53.

［6］吳武輝.陶瓷輥道窯溫度場(chǎng)數(shù)值模擬與分析研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

［7］李萍，曾令可，閻常峰，等.陶瓷輥道窯熱平衡測(cè)定與計(jì)算方法的若干問題探討［J］.陶瓷，2012（1）:31-33.

［8］毛保平.陶瓷輥道窯混合燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

Structure and Economic Benefits Analysis of Lithium Battery Roller Kiln

XU Peng，SU Wensheng，XIE Lifei
（No.48 Research Institute of CETC，Changsha 410111，China）

The influences of the inner height，inner width，kiln length of the roller kiln and stacking density on yield and energy consumption are analyzed.It is concluded that the roller kiln production should increase at a steady thermal performance as a precondition to reach the lowest unit cost and energy consumption.

lithium battery roller kiln；structure；production；energy consumption

TM910.5

B

1001-6988（2016）04-0031-04

2016-04-25

許鵬（1988—），男，助理工程師，主要從事熱工設(shè)備設(shè)計(jì)研發(fā)工作.