六列三元材料燒結(jié)輥道爐的研制

伍紅平 劉譯升 奚思

鋰離子電池商業(yè)化前景最好的二次電池，其中三元材料是近年來的研究熱點(diǎn)之一。本文從三元材料的燒結(jié)工藝出發(fā)，研發(fā)一款六列輥道爐，介紹了其爐膛、置換室、冷卻、進(jìn)排氣等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計。該輥道爐可實(shí)現(xiàn)三元正極材料燒結(jié)工藝的連續(xù)穩(wěn)定量產(chǎn)，具備廣闊的應(yīng)用前景。

輥道爐;三元材料;燒結(jié)設(shè)備;爐膛;窯爐結(jié)構(gòu)

鋰離子電池具有電壓高、比容量大、無記憶性、自放電率低、快速充放電等優(yōu)點(diǎn)，是商業(yè)化前景最好的二次電池。在鋰電池中正極材料是其核心材料，正極材料為整個電池提供鋰源，決定了電池的電性能和成本。目前已經(jīng)商業(yè)化的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等。其中三元材料綜合了幾種材料的優(yōu)點(diǎn)且具備協(xié)同性，具有良好的應(yīng)用前景。

根據(jù)鎳、鈷、錳的原子比例不同，商業(yè)化的三元材料產(chǎn)品型號有111、523、622、811等。一般來說，鎳含量越高，電池的能量密度越高，成本越低，同時其堿性更高，對燒結(jié)設(shè)備的抗腐蝕能力要求也更高。

高溫?zé)Y(jié)是三元材料制成的重要步驟之一，常用的燒結(jié)設(shè)備有箱式爐、推板爐、輥道爐、回轉(zhuǎn)爐等，其中以輥道爐為連續(xù)批量生產(chǎn)的最優(yōu)方案。目前國內(nèi)高鎳三元燒結(jié)設(shè)備仍以國外進(jìn)口或合資企業(yè)制造為主，以雙列、四列輥道爐為主。為適應(yīng)目前三元材料市場需求，開發(fā)六列超大產(chǎn)能輥道爐迫在眉睫。

一、三元材料燒結(jié)工藝

三元材料燒結(jié)反應(yīng)是固相反應(yīng)，在一定溫度下，前驅(qū)體和鋰源發(fā)生固相反應(yīng)，經(jīng)過一定時間的燒結(jié)，得到完整晶型的層狀結(jié)構(gòu)的三元材料。燒結(jié)溫度、燒結(jié)氣氛和燒結(jié)時間是燒結(jié)工藝的最重要的因素。常用的鋰源有碳酸鋰和單水氫氧化鋰，前驅(qū)體和鋰源在氧氣環(huán)境中燒結(jié)產(chǎn)生三元材料，同時產(chǎn)生大量水汽及CO2（鋰源為碳酸鋰時）。不同的三元材料燒結(jié)工藝溫度不同，燒結(jié)環(huán)境所需氧氣濃度也不同。

二、設(shè)備主要構(gòu)成及參數(shù)

該輥道爐主要由爐膛、爐體、傳動系統(tǒng)、置換室、降溫冷卻系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)及全自動控制系統(tǒng)等構(gòu)成。其示意圖如圖1所示，其中加熱爐體和冷卻爐體采用標(biāo)準(zhǔn)模塊設(shè)計，可進(jìn)行自由組合，以滿足不同產(chǎn)能、工藝及廠房大小。

三、設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)

三元材料，尤其是高鎳三元材料對其燒結(jié)的設(shè)備的性能要求較高，如：（1）材料的強(qiáng)堿性對設(shè)備的防腐性能要求高;（2）為保證燒結(jié)物料性能的一致性，爐內(nèi)截面溫度均勻性較高;（3）要保證燒結(jié)過程中產(chǎn)生的大量水汽及時排出;（4）在保證足夠的氧分壓以促進(jìn)燒結(jié)，同時從成本上考慮需盡量降低氧氣耗量。以下從設(shè)備的主要組件出發(fā)，優(yōu)化其設(shè)計，使其滿足要求。

1.爐膛結(jié)構(gòu)

三元材料燒結(jié)過程為氧化反應(yīng)，其燒結(jié)過程中會產(chǎn)生大量水，并揮發(fā)堿性物質(zhì)，對爐膛材料等提出了更高的抗堿性腐蝕要求。綜合考慮成本和材料的抗腐蝕性能，爐膛內(nèi)層使用氧化鋁空心球磚和莫來石磚砌筑，爐膛外層使用陶瓷纖維板及微孔納米絕熱板。此結(jié)構(gòu)保證了爐膛內(nèi)層材料的抗腐蝕性能，同時由于所用材料熱容小、傳熱系數(shù)低，能有效降低熱量損失、減小爐膛材料自身的蓄熱量，降低窯爐的能耗。

采用了拱頂結(jié)構(gòu)，能有效及時的排出燒結(jié)過程產(chǎn)生的水汽、CO2（鋰源為碳酸鋰時）及其他排出物。相對于平頂結(jié)構(gòu)，拱頂結(jié)構(gòu)更有利于輻射傳熱，提高爐膛內(nèi)溫度的均勻性，提高物料的燒結(jié)性能。

在窯爐的升溫區(qū)，有大量水分排出，升溫區(qū)爐膛外層使用憎水型陶瓷纖維板。且在底部設(shè)計有排水盒，保證冷凝水及時排出，防止其對爐膛材料的侵蝕。爐膛結(jié)構(gòu)如所圖 2示。

2.進(jìn)口置換室結(jié)構(gòu)

進(jìn)口置換室由兩道密封閘門分割成兩個獨(dú)立的置換空間，每個置換空間包含獨(dú)立的進(jìn)氣、排氣及傳動系統(tǒng)。匣缽由進(jìn)口置換室逐級置換后進(jìn)入爐膛，置換室起到了如下作用：（1）保證了爐內(nèi)氧含量的穩(wěn)定，是物料燒結(jié)反應(yīng)有足夠的氧分壓;（2）減少爐內(nèi)氣體外泄，降低氧氣耗量;（3）防止燒結(jié)排出物及揮發(fā)物外泄，保證了廠房環(huán)境安全。

前文所述三元材料燒結(jié)會在升溫去產(chǎn)生大量水汽，部分水汽會在進(jìn)口置換室冷凝并回滴到物料上，造成物料中的前驅(qū)體和鋰源混合不均勻，影響燒結(jié)后的物料性能。為解決此問題，除在窯爐進(jìn)口設(shè)計有氣幕進(jìn)行水汽阻隔外，還將進(jìn)口置換室頂部蓋板設(shè)計為拱頂形式，使冷凝水沿蓋板流下，避免其滴入物料。此外，在置換室底部設(shè)計有排水漏斗及閥門，冷凝水可及時通過閥門排出。進(jìn)口置換室結(jié)構(gòu)簡圖如圖 3所示。

3.冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

該輥道爐冷卻采用了風(fēng)冷換熱和水冷換熱兩種冷卻方式結(jié)合的結(jié)構(gòu)。其中風(fēng)冷換熱由碳化硅風(fēng)管進(jìn)行換熱，通過風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對流加速換熱效率。水冷冷卻由螺旋扁管進(jìn)行換熱，螺旋扁管增加了冷卻水的湍流程度，提高換熱效率。較傳統(tǒng)的水冷缸套冷卻或者翅片冷卻方式，螺旋扁管在保證換熱效率的前提下，避免了爐腔內(nèi)水道的焊接，避免了焊縫易被侵蝕從而導(dǎo)致漏水的問題。

組合使用風(fēng)冷和水冷兩種冷卻方式，其中風(fēng)冷靠近加熱區(qū)，水冷靠近窯爐出口，在保證冷卻效果的前提下，可有效避免爐膛內(nèi)水汽過早遇到冷卻水管產(chǎn)生冷凝。

4.進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計

三元材料燒結(jié)過程需要氧氣參與反應(yīng)，因此需要足夠的氧分壓來保證物料的燒結(jié)。在物料批量燒結(jié)工藝中，需要通過增加氧氣進(jìn)氣量和增大排氣量來稀釋反應(yīng)產(chǎn)生的廢氣，從而保證氧氣濃度。

進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)計為氧氣和空氣雙管道進(jìn)氣，其中氧氣進(jìn)氣的主要目的是維持爐內(nèi)的氧氣濃度，保證足夠的氧分壓;空氣進(jìn)氣主要起到稀釋反應(yīng)產(chǎn)生的廢氣使其及時被排出。氧氣管道上的支路連接爐體上的側(cè)面進(jìn)氣管，空氣管道上的支路連接爐體上的底部進(jìn)氣管，氧氣主管道與空氣主管道通過蝶閥連接，兩者可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立進(jìn)氣或互通。由此可實(shí)現(xiàn)三種不同工況：①底部進(jìn)空氣，側(cè)面進(jìn)氧氣;②底部和側(cè)面全部進(jìn)空氣;③底部和側(cè)面全部進(jìn)氧氣。針對不同的物料，其燒結(jié)環(huán)境所需要的氧氣濃度不同，此進(jìn)氣系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)氧氣和空氣的進(jìn)氣比例，使其滿足爐內(nèi)氣氛要求，并減少氧氣耗量。所有進(jìn)氣在進(jìn)入爐膛錢先經(jīng)過爐膛保溫層內(nèi)預(yù)熱氣盒進(jìn)行預(yù)熱，減小進(jìn)氣對爐內(nèi)溫度場的擾動。

窯爐排氣設(shè)計在爐頂，煙囪為L型結(jié)構(gòu)，防止廢氣物掉入物料。單個煙囪與主排氣管道采用非直接連接方式，保證了爐內(nèi)爐壓穩(wěn)定。通過調(diào)節(jié)各支路閥門大小，實(shí)現(xiàn)廢氣及時排出。

四、總結(jié)

本文從三元材料燒結(jié)工藝出發(fā)，針對爐膛、置換室、冷卻、進(jìn)排氣等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)對六列三元輥道爐做出了優(yōu)化設(shè)計，其具備以下幾個方面的優(yōu)勢：

（1）可連續(xù)自動化生產(chǎn)（需配合自動線），產(chǎn)能大，單位能耗低;

（2）針對三元燒結(jié)工藝所設(shè)計，在爐膛溫度均勻性、防冷卻水回滴等關(guān)鍵點(diǎn)作了技術(shù)改進(jìn)，保證了燒結(jié)物料性能的一致性;

（3）工藝適應(yīng)性強(qiáng)，可根據(jù)不同三元材料的燒結(jié)特性進(jìn)行工藝調(diào)整;

（4）模塊化設(shè)計，可根據(jù)不同的需求進(jìn)行組合。

六列三元燒結(jié)輥道爐的研發(fā)，能較好的解決市場對大產(chǎn)能、高穩(wěn)定性三元材料燒結(jié)設(shè)備的需求，具備很好的社會、經(jīng)濟(jì)效益前景。

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