負(fù)極材料預(yù)碳化窯爐的技術(shù)特點(diǎn)及窯爐選擇淺談

1引言

鋰離子電池作為新能源領(lǐng)域的核心組件，在全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、便攜式電子設(shè)備及儲(chǔ)能系統(tǒng)等。負(fù)極材料作為其關(guān)鍵組成部分，對(duì)電池的性能有著直接的影響。在負(fù)極材料的生產(chǎn)過程中，預(yù)碳化工序是為了提高石墨化工序的裝填量及燒成的穩(wěn)定性（降低噴爐概率）。本文將從技術(shù)角度出發(fā)，解析負(fù)極材料預(yù)碳化窯爐的技術(shù)特性，并討論如何根據(jù)生產(chǎn)需求選擇合適的窯爐類型。傳統(tǒng)的窯爐設(shè)計(jì)已逐漸不能滿足高效、環(huán)保的產(chǎn)業(yè)需求。因此，開發(fā)針對(duì)性強(qiáng)、效率高的預(yù)碳化窯爐成為行業(yè)的重要趨勢(shì)。本文旨在分析和總結(jié)預(yù)碳化窯爐在設(shè)計(jì)上的獨(dú)特性，以及這些設(shè)計(jì)如何更好地適應(yīng)負(fù)極材料的生產(chǎn)過程。

2負(fù)極材料預(yù)碳化特性

負(fù)極材料是電池中的關(guān)鍵組成部分，而負(fù)極材料預(yù)碳化工序是石墨化的前一道工序，通過加熱負(fù)極材料到一定溫度（通常在 ），使其中的非碳成分如揮發(fā)份脫離，從而提高碳純度，降低石墨化工序噴爐風(fēng)險(xiǎn)，并提高振實(shí)密度，增加石墨化的裝爐量。

3負(fù)極材料預(yù)碳化生產(chǎn)難點(diǎn)及解決措施

3.1負(fù)極材料預(yù)碳化生產(chǎn)難點(diǎn)

負(fù)極材料的原材料品種、制作工藝及揮發(fā)份含量決定了負(fù)極材料預(yù)碳化的生產(chǎn)有如下特點(diǎn)或者是難點(diǎn)：

（1）按訂單生產(chǎn)，訂單批量少，品種多；（2）負(fù)極材料訂單的產(chǎn)品粒徑分布、揮發(fā)份含量范圍大。

3.2負(fù)極材料預(yù)碳化生產(chǎn)需解決的技術(shù)難題

因負(fù)極材料在 以上易氧化，粒徑分布為um級(jí)，且入窯前含有不同比例的可燃揮發(fā)份，非?？简?yàn)窯爐的性能。針對(duì)負(fù)極材料特質(zhì)和生產(chǎn)特性，預(yù)碳化窯爐在設(shè)計(jì)上旨在解決三個(gè)主要技術(shù)問題：

（1）物料氧化問題，影響成品比表；

（2）\"跑料\"現(xiàn)象，即材料粉體在碳化過程中隨著煙氣揮發(fā)份的流失，影響產(chǎn)量并增加成本；（3）原料中揮發(fā)性組分的處理問題也需要特別關(guān)注。

3.3解決負(fù)極材料預(yù)碳化生產(chǎn)難點(diǎn)的技術(shù)措施

廣東科達(dá)新能源裝備有限公司針對(duì)負(fù)極材料的制備，可提供整線系統(tǒng)解決方案，包括：預(yù)碳化隧道窯、可移動(dòng)石墨化爐、高溫碳化氣氛輥道窯等重點(diǎn)產(chǎn)品，下面主要講述預(yù)碳化隧道窯的技術(shù)特點(diǎn)。

3.3.1氧化方面的控制

在當(dāng)今新能源產(chǎn)業(yè)中，動(dòng)力電池的發(fā)展對(duì)負(fù)極材料的品質(zhì)提出了更高的要求。為保障負(fù)極材料的高品質(zhì)，預(yù)碳化過程中需避免產(chǎn)品氧化。下面將詳細(xì)探討負(fù)極材料預(yù)碳化隧道窯的防氧化設(shè)計(jì)措施，確保整個(gè)預(yù)碳化過程都在可控的氛圍中進(jìn)行，從而有效防止產(chǎn)品因接觸空氣中的氧氣而導(dǎo)致的氧化現(xiàn)象：

（1）窯頭封閉置換室的布置。

傳統(tǒng)隧道窯往往在窯頭設(shè)置單窯門，但由于窯門的開啟，會(huì)造成窯內(nèi)壓力、氣氛的突然性波動(dòng)，采用窯頭置換室代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單窯門，即設(shè)置兩道窯門，可有效解決這一問題。

工作原理為：液壓推進(jìn)機(jī)構(gòu)將置換室內(nèi)的窯車推進(jìn)到隧道窯內(nèi)到位時(shí)，第二道窯門下落，封閉了窯門，然后開啟第一道窯門，擺渡車上的步進(jìn)小車將一輛窯車推進(jìn)置換室，到位后先關(guān)閉第一道窯門，接著開啟第二道窯門，進(jìn)入下一車的推進(jìn)程序，依次循環(huán)。該置換室的運(yùn)行，有效的防止窯內(nèi)熱煙氣外溢和窯外冷空氣入內(nèi)，保證了窯內(nèi)氣氛的穩(wěn)定性。

（2）窯內(nèi)氧含量的合理控制。

煙氣的成分控制：通過燃燒控制系統(tǒng)，控制窯內(nèi)的氣氛為中性或還原氣氛，并在特定的位置布置氧氣分析儀進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)分析，確保煙氣成分不會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成氧化。

煙氣的規(guī)律排放：設(shè)計(jì)時(shí)需計(jì)算煙氣的排放量，以保持爐內(nèi)的微正壓狀態(tài)。微正壓可以防止外界空氣的逆流，減少氧氣與產(chǎn)品接觸的機(jī)會(huì)。

（3）使用保護(hù)氣體（只在高溫碳化或特殊的情況下使用）。

通入保護(hù)氣體，在煙氣成分控制中除了可打入氮?dú)馔?，還可以考慮使用氬氣等惰性氣體作為保護(hù)氣氛。這些氣體的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易與產(chǎn)品發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而有效地防止了產(chǎn)品在高溫下的氧化。

（4）提高設(shè)備工藝的自動(dòng)化與智能化水平。

自動(dòng)控制系統(tǒng)：應(yīng)用先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)來監(jiān)控和調(diào)節(jié)爐內(nèi)的氣氛、溫度和壓力等關(guān)鍵參數(shù)。當(dāng)檢測(cè)到氧氣濃度異常時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整保護(hù)氣體的供應(yīng)量和排煙系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，以維持爐內(nèi)的還原性氛圍。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋：結(jié)合現(xiàn)代傳感器技術(shù)和數(shù)據(jù)分析算法，實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。通過對(duì)爐內(nèi)氣氛的連續(xù)分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的氧化風(fēng)險(xiǎn)并采取相應(yīng)措施。

3.3.2跑料方面的控制

（1）優(yōu)化窯爐設(shè)計(jì)。

氣體流動(dòng)控制：優(yōu)化隧道窯內(nèi)的氣體流動(dòng)設(shè)計(jì)是防止“跑料\"的一個(gè)關(guān)鍵方向。合理調(diào)整風(fēng)量和風(fēng)向，確保在高溫處理過程中揮發(fā)性組分可以被有效地引出而不是攜帶物料粉末逸出，對(duì)于減少材料損失和改善工作環(huán)境都有積極作用。

密封性強(qiáng)化：隧道窯的密封性對(duì)于防止“跑料\"也至關(guān)重要。加強(qiáng)窯體各部位的密封，如砂封、膨脹縫、各處理孔處，定期檢查和維護(hù)密封系統(tǒng)，可以大幅降低粉塵和原料的泄漏問題。

（2）工藝參數(shù)調(diào)控。

溫度控制優(yōu)化：因物料中含有揮發(fā)性組分，過度的提高預(yù)熱帶溫度或加快推車速度，都可能會(huì)導(dǎo)致物料的過度膨脹甚至爆燃（噴爐現(xiàn)象），增加“跑料\"的風(fēng)險(xiǎn)。所以，在確保預(yù)碳化效果的同時(shí)，通過精確控制加熱溫度和加熱速率，可以有效避免這一現(xiàn)象。

處理時(shí)間調(diào)整：根據(jù)裝載物料的坩蝸規(guī)格型號(hào)，適當(dāng)優(yōu)化處理時(shí)間，既能保證負(fù)極材料的預(yù)碳化效果，又能減少因長(zhǎng)時(shí)間高溫處理導(dǎo)致的材料損耗。

氣氛控制：采用中性或還原焰，可以有效防止負(fù)極材料在高溫下與氧氣發(fā)生反應(yīng)，同時(shí)減少材料揮發(fā)，降低“跑料”風(fēng)險(xiǎn)。

（3）物料預(yù)處理。

粒徑控制：通過控制進(jìn)窯前負(fù)極材料的粒徑分布，可以更有效地控制其在高溫處理過程中的行為，減少細(xì)小顆粒的飛揚(yáng)和損失。

表面改性：對(duì)負(fù)極材料進(jìn)行表面改性處理，增加其抗高溫性和減少粉塵生成，有助于降低“跑料\"現(xiàn)象。

3.3.3揮發(fā)性組分的處理

負(fù)極材料預(yù)碳化揮發(fā)份的處理與利用是一個(gè)涉及生產(chǎn)效率、成本控制、環(huán)境保護(hù)和技術(shù)創(chuàng)新的多方面問題。通過優(yōu)化預(yù)碳化工藝、回收和利用揮發(fā)份、整合創(chuàng)新技術(shù)以及關(guān)注成本和環(huán)保效益，可以有效提升整個(gè)負(fù)極材料生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。

（1）揮發(fā)性組分的回收與利用方式。

負(fù)極材料的揮發(fā)性組分通常為瀝青焦油，揮發(fā)份的回收利用有幾種方式：一、可以通過冷凝和分離技術(shù)進(jìn)行收集，進(jìn)一步加工成化工原料或燃料，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，但這種方式需要增加設(shè)備投入。二、通過揮發(fā)分的能量回收利用，即負(fù)極材料在預(yù)碳化過程產(chǎn)生的揮發(fā)分氣體可通過燃燒產(chǎn)生熱能，用于隧道窯的加熱或其他工序，降低能耗并提高能量利用效率。

（2）揮發(fā)分循環(huán)再利用的創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用。

科達(dá)新能源設(shè)計(jì)制造的預(yù)碳化隧道窯采用針對(duì)性強(qiáng)、創(chuàng)新的揮發(fā)份循環(huán)再利用系統(tǒng)，開發(fā)集預(yù)碳化和揮發(fā)份處理于一體化的系統(tǒng)。根據(jù)負(fù)極材料預(yù)碳化的焙燒特點(diǎn)，我們?cè)诟G頭 的位置設(shè)置有揮發(fā)份循環(huán)再利用風(fēng)機(jī)，通過獨(dú)特的設(shè)計(jì)，將含揮發(fā)份的煙氣收集并打入到燒成段燃燒，即可保證揮發(fā)份在窯內(nèi)充分燃燒，減少煙氣排放對(duì)大氣的污染，又可節(jié)省燃耗。目前我們制造已在運(yùn)行的預(yù)碳化隧道窯，為0燃耗，不需要額外消耗燃?xì)狻?/p>

這種整合技術(shù)不僅提高了生產(chǎn)效率，降低綜合成本，還由于減少了廢氣排放，具有顯著的環(huán)保效益。

4窯爐的選擇

目前，國(guó)內(nèi)用于負(fù)極材料預(yù)碳化的窯爐有兩種較為主流的類型，一種為隧道窯，另一種為回轉(zhuǎn)窯，每種類型的窯爐都有其特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。

選擇合適的負(fù)極材料預(yù)碳化窯爐時(shí)，需綜合考慮生產(chǎn)規(guī)模、溫度控制、能耗、“跑料\"現(xiàn)象以及設(shè)備成本和維護(hù)等多方面因素。隧道窯和回轉(zhuǎn)窯這兩種窯爐類型在負(fù)極材料預(yù)碳化過程中都發(fā)揮著重要作用，但它們?cè)诓僮髂Ｊ?、產(chǎn)量、能效和成本效益等方面各有優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)。因此，為確保選擇最合適的窯爐類型，企業(yè)必須仔細(xì)權(quán)衡每種類型的具體使用條件。

隧道窯的應(yīng)用：隧道窯以其連續(xù)生產(chǎn)的特質(zhì)，適用于大批量、規(guī)模化的生產(chǎn)需求。隧道窯不受溫度限制，最高可設(shè)計(jì)到 。其運(yùn)行穩(wěn)定，成品的各項(xiàng)驗(yàn)收指標(biāo)合格穩(wěn)定，且維護(hù)成本低。

以目前負(fù)極材料的生產(chǎn)趨勢(shì)來看，產(chǎn)量的競(jìng)爭(zhēng)在所難免，性價(jià)比是永恒的話題。現(xiàn)在單線單窯產(chǎn)量為15000噸/年以上的預(yù)碳化隧道窯非常常見，有些企業(yè)甚至已經(jīng)在規(guī)劃單窯25000噸/年的生產(chǎn)線，所以新上線的預(yù)碳化窯爐在產(chǎn)量上要有足夠的前瞻性以應(yīng)對(duì)未來的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)。

科達(dá)新能源裝備設(shè)計(jì)制造的6列寬體預(yù)碳化節(jié)能隧道窯已在各大企業(yè)廣泛使用，該新型隧道窯用在負(fù)極材料預(yù)碳化生產(chǎn)線上，有如下幾大優(yōu)勢(shì)：

1）采用 ？500mm×1200mm 的坩蝸，在坩蝸同等使用壽命的情況下，單噸負(fù)極材料平攤到坩蝸的使用成本比 ？450mm×1200mm 的坩蝸降低 10%

2）可節(jié)約近 30% 的燒成車間空間。以產(chǎn)量為20000噸 / 年的預(yù)碳化隧道窯為例，6列寬體節(jié)能隧道窯只需145m ，而5列窄體隧道窯需要 200m 。

3）能耗低。6列寬體節(jié)能隧道窯采用揮發(fā)份循環(huán)再利用的創(chuàng)新技術(shù)，再配合物料制備工藝，可實(shí)現(xiàn)0燃耗。另一方面，采用輕量化的窯車設(shè)計(jì)，合理的通排風(fēng)管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，耗電大大降低， ？50 度/噸。

此外，隨著鋰電池行業(yè)的持續(xù)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，預(yù)碳化隧道窯的設(shè)計(jì)和優(yōu)化將面向更高效率、更低能耗、更少環(huán)境影響的方向不斷演進(jìn)。例如，利用人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行深度優(yōu)化和預(yù)測(cè)性維護(hù)，以進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和降低成本。

5結(jié)語

預(yù)碳化隧道窯在設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新為負(fù)極材料的高效、高質(zhì)量生產(chǎn)提供了有力支持。通過針對(duì)性的設(shè)計(jì)優(yōu)化，預(yù)碳化窯爐不僅提升了生產(chǎn)效率，還在節(jié)能減排方面展現(xiàn)出巨大潛力。未來，這一領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步將為整個(gè)電池制造業(yè)帶來深遠(yuǎn)的影響。

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