Dünya çapında yeni enerji araçlarının hızlı gelişimiyle birlikte, lityum pil anot malzemelerine olan pazar talebi önemli ölçüde arttı. İstatistiklere göre, 2021 yılında sektörün önde gelen sekiz lityum pil anot firması üretim kapasitelerini yaklaşık bir milyon tona çıkarmayı planlıyor. Grafitizasyon, anot malzemelerinin endeksi ve maliyeti üzerinde en büyük etkiye sahip. Çin'deki grafitizasyon ekipmanlarının çok çeşitli olması, yüksek enerji tüketimi, ağır kirlilik ve düşük otomasyon seviyesi, grafit anot malzemelerinin gelişimini bir ölçüde sınırlıyor. Bu, anot malzemelerinin üretim sürecinde acilen çözülmesi gereken temel sorunlardan biridir.
1. Negatif grafitizasyon fırınının mevcut durumu ve karşılaştırması
1.1 Atchison negatif grafitizasyon fırını
Geleneksel elektrotlu Aitcheson fırınının grafitizasyon fırınına dayalı modifiye fırın tipinde, orijinal fırına negatif elektrot malzemesinin taşıyıcısı olarak grafit pota (pota karbonize edilmiş negatif elektrot ham maddesi ile doldurulur) yerleştirilir, fırın çekirdeği ısıya dayanıklı malzeme ile doldurulur, dış katman yalıtım malzemesi ve fırın duvarı yalıtımı ile doldurulur. Elektriklendirmeden sonra, esas olarak direnç malzemesinin ısıtılmasıyla 2800 ~ 3000℃ arasında yüksek bir sıcaklık üretilir ve potadaki negatif malzeme dolaylı olarak ısıtılarak negatif malzemenin yüksek sıcaklıkta taşlaşması sağlanır.
1.2. İçten ısıtmalı seri grafitizasyon fırını
Fırın modeli, grafit elektrot üretiminde kullanılan seri grafitizasyon fırınına bir referanstır ve birkaç elektrot potası (negatif elektrot malzemesiyle doldurulmuş) uzunlamasına seri olarak bağlanmıştır. Elektrot potası hem taşıyıcı hem de ısıtma gövdesidir ve akım, yüksek sıcaklık üretmek ve içindeki negatif elektrot malzemesini doğrudan ısıtmak için elektrot potasından geçer. Grafitizasyon işleminde direnç malzemesi kullanılmaz, bu da yükleme ve pişirme işlemini basitleştirir ve direnç malzemesinin ısı depolama kaybını azaltarak enerji tüketimini düşürür.
1.3 Izgara kutu tipi grafitizasyon fırını
Son yıllarda 1 numaralı uygulama alanı artmaktadır; başlıca uygulama, Acheson serisi grafitizasyon fırını ve grafitizasyon fırınının birleşik teknoloji özelliklerine sahip öğrenilmiş bir uygulamadır. Fırın çekirdeği, çok sayıda anot plakası ızgara malzeme kutusu yapısı kullanır; malzeme, ham madde olarak katoda girer ve anot plakaları arasındaki tüm oluklu bağlantılar aracılığıyla sabitlenir; her bir kap, aynı malzemeden yapılmış anot plakası ile kapatılır. Malzeme kutusu yapısının kolonu ve anot plakası birlikte ısıtma gövdesini oluşturur. Elektrik, fırın başlığının elektrotundan fırın çekirdeğinin ısıtma gövdesine akar ve üretilen yüksek sıcaklık, kutudaki anot malzemesini doğrudan ısıtarak grafitizasyon amacına ulaşılmasını sağlar.
1.4 Üç farklı grafitizasyon fırını tipinin karşılaştırılması
İçten ısıtmalı seri grafitizasyon fırını, içi boş grafit elektrotu ısıtarak malzemeyi doğrudan ısıtır. Elektrot potasından geçen akımın ürettiği "Joule ısısı" çoğunlukla malzemeyi ve potayı ısıtmak için kullanılır. Isıtma hızı yüksektir, sıcaklık dağılımı homojendir ve termal verimlilik, dirençli malzeme ısıtmalı geleneksel Atchison fırınına göre daha yüksektir. Izgara kutulu grafitizasyon fırını, içten ısıtmalı seri grafitizasyon fırınının avantajlarından yararlanır ve ısıtma gövdesi olarak daha düşük maliyetli önceden pişirilmiş anot plakasını kullanır. Seri grafitizasyon fırınına kıyasla, ızgara kutulu grafitizasyon fırınının yükleme kapasitesi daha büyüktür ve buna bağlı olarak birim ürün başına güç tüketimi azalır.
2. Negatif grafitizasyon fırınının geliştirme yönü
2.1 Çevre duvarı yapısını optimize edin
Şu anda, birçok grafitizasyon fırınının ısı yalıtım tabakası esas olarak karbon siyahı ve petrol koku ile doldurulmaktadır. Bu yalıtım malzemesi, üretim sırasında yüksek sıcaklıkta oksidasyon yanmasına maruz kaldığından, her yüklemede özel bir yalıtım malzemesi ile değiştirilmesi veya takviye edilmesi gerekmektedir; bu da değiştirme işleminin çevre açısından elverişsiz olmasına ve yüksek iş gücü gerektirmesine neden olmaktadır.
Özel yüksek mukavemetli ve yüksek sıcaklığa dayanıklı çimento esaslı duvar örme malzemesi kullanılması düşünülebilir; bu, genel mukavemeti artırır, duvarın tüm çalışma döngüsü boyunca deformasyona karşı stabilitesini sağlar, aynı zamanda tuğla derzlerini sızdırmaz hale getirir, aşırı havanın tuğla duvar çatlaklarından ve derz boşluklarından fırına girmesini önler, yalıtım malzemesinin ve anot malzemelerinin oksidasyon kaynaklı yanma kaybını azaltır;
İkincisi, fırın duvarının dışına asılan, yüksek mukavemetli lif levha veya kalsiyum silikat levha gibi malzemelerden yapılmış, genel olarak hacimli hareketli bir yalıtım tabakasının monte edilmesidir; bu tabaka ısıtma aşamasında etkili bir sızdırmazlık ve yalıtım görevi görürken, soğutma aşamasında hızlı soğutma için kolayca çıkarılabilir. Üçüncüsü, fırının tabanına ve fırın duvarına havalandırma kanalı yerleştirilir. Havalandırma kanalı, yüksek sıcaklığa dayanıklı çimento duvarcılığını desteklerken, soğuk fazda zorlamalı havalandırma soğutmasını da dikkate alarak, bantın dişi ağzına sahip prefabrik kafes tuğla yapısını benimser.
2.2 Sayısal simülasyon ile güç kaynağı eğrisini optimize edin
Şu anda, negatif elektrotlu grafitizasyon fırınının güç kaynağı eğrisi deneyime göre oluşturulmakta ve grafitizasyon işlemi, sıcaklık ve fırın koşullarına göre her an manuel olarak ayarlanmaktadır; bu nedenle birleşik bir standart bulunmamaktadır. Isıtma eğrisinin optimize edilmesi, güç tüketim endeksini önemli ölçüde azaltabilir ve fırının güvenli çalışmasını sağlayabilir. İğne hizalamasının sayısal modeli, çeşitli sınır koşulları ve fiziksel parametrelere göre bilimsel yöntemlerle oluşturulmalı ve grafitizasyon işleminde akım, voltaj, toplam güç ve kesit sıcaklık dağılımı arasındaki ilişki analiz edilerek uygun ısıtma eğrisi formüle edilmeli ve gerçek çalışma sırasında sürekli olarak ayarlanmalıdır. Örneğin, güç iletiminin ilk aşamasında yüksek güç iletimi kullanılmalı, ardından güç hızla azaltılmalı ve sonra yavaşça artırılmalı, güç tekrar azaltılarak güç sonuna kadar devam ettirilmelidir.
2.3 Pota ve ısıtma gövdesinin kullanım ömrünü uzatır.
Güç tüketimine ek olarak, pota ve ısıtıcının ömrü de negatif grafitizasyonun maliyetini doğrudan belirler. Grafit pota ve grafit ısıtma gövdesi için, yükleme üretim yönetim sistemi, ısıtma ve soğutma hızının makul kontrolü, otomatik pota üretim hattı, oksidasyonu önlemek için sızdırmazlığın güçlendirilmesi ve pota geri dönüşüm sürelerini artırmak için diğer önlemler, grafit mürekkepleme maliyetini etkili bir şekilde azaltır. Yukarıdaki önlemlere ek olarak, ızgara kutulu grafitizasyon fırınının ısıtma plakası, grafitizasyon maliyetini düşürmek için önceden pişirilmiş anot, elektrot veya yüksek dirençli sabit karbonlu malzeme gibi ısıtma malzemesi olarak da kullanılabilir.
2.4 Baca gazı kontrolü ve atık ısı kullanımı
Grafitizasyon sırasında oluşan baca gazı esas olarak anot malzemelerinin uçucu maddeleri ve yanma ürünlerinden, yüzey karbonunun yanmasından, hava kaçağından vb. kaynaklanmaktadır. Fırın çalıştırılmaya başlandığında, çok miktarda uçucu madde ve toz açığa çıkar, atölye ortamı kötüdür ve çoğu işletmede etkili arıtma önlemleri bulunmamaktadır; bu, negatif elektrot üretiminde operatörlerin iş sağlığı ve güvenliğini etkileyen en büyük sorundur. Atölyede baca gazı ve tozun etkili bir şekilde toplanması ve yönetimi için daha fazla çaba gösterilmeli ve atölye sıcaklığını düşürmek ve grafitizasyon atölyesinin çalışma ortamını iyileştirmek için makul havalandırma önlemleri alınmalıdır.
Baca gazı, baca yoluyla yanma odasına toplanıp karışık yanma işlemine tabi tutulduktan sonra, baca gazındaki katran ve tozun büyük bir kısmı uzaklaştırılır. Yanma odasındaki baca gazının sıcaklığının 800℃'nin üzerinde olması beklenir ve baca gazının atık ısısı, atık ısı buhar kazanı veya ısı eşanjörü aracılığıyla geri kazanılabilir. Karbon asfalt dumanı arıtımında kullanılan RTO yakma teknolojisi de referans olarak kullanılabilir ve asfalt baca gazı 850~900℃'ye ısıtılır. Isı depolamalı yanma yoluyla, baca gazındaki asfalt ve uçucu bileşenler ile diğer polisiklik aromatik hidrokarbonlar oksitlenir ve sonunda CO2 ve H2O'ya ayrışır; etkili arıtma verimliliği %99'un üzerine çıkabilir. Sistem istikrarlı çalışma ve yüksek çalışma hızına sahiptir.
2.5 Dikey sürekli negatif grafitizasyon fırını
Yukarıda bahsedilen çeşitli grafitizasyon fırınları, Çin'de anot malzemesi üretiminde kullanılan ana fırın yapısıdır; ortak noktaları ise periyodik aralıklı üretim, düşük termal verimlilik, yükleme işleminin çoğunlukla manuel olarak yapılması ve otomasyon derecesinin düşük olmasıdır. Petrol koku kalsinasyon fırını ve boksit kalsinasyon şaft fırını modellerine referans alınarak benzer bir dikey sürekli negatif grafitizasyon fırını geliştirilebilir. Yüksek sıcaklık ısı kaynağı olarak dirençli ark kullanılır, malzeme kendi yerçekimiyle sürekli olarak boşaltılır ve çıkış bölgesinde yüksek sıcaklıktaki malzemeyi soğutmak için geleneksel su soğutma veya gazlaştırma soğutma yapısı kullanılır; fırın dışına malzeme boşaltma ve besleme için ise toz pnömatik taşıma sistemi kullanılır. Fırın tipi sürekli üretim sağlayabilir, fırın gövdesinin ısı depolama kaybı ihmal edilebilir, bu nedenle termal verimlilik önemli ölçüde artırılır, çıktı ve enerji tüketimi avantajları belirgindir ve tam otomatik çalışma tamamen gerçekleştirilebilir. Çözülmesi gereken başlıca sorunlar arasında tozun akışkanlığı, grafitizasyon derecesinin homojenliği, güvenlik, sıcaklık izleme ve soğutma vb. yer almaktadır. Fırının endüstriyel ölçekte üretime başarılı bir şekilde geliştirilmesiyle, negatif elektrot grafitizasyonu alanında bir devrim yaratılacağına inanılmaktadır.
3 düğüm dili
Lityum pil anot malzemesi üreticilerini en çok rahatsız eden sorun, grafit kimyasal işlemidir. Bunun temel nedeni, yaygın olarak kullanılan periyodik grafitizasyon fırınlarının güç tüketimi, maliyet, çevre koruma, otomasyon derecesi, güvenlik ve diğer yönlerden hala bazı sorunlar içermesidir. Sektörün gelecekteki eğilimi, tam otomatik ve organize emisyon sürekli üretim fırın yapısının geliştirilmesine ve olgun ve güvenilir yardımcı proses tesislerinin desteklenmesine yöneliktir. O zaman, işletmeleri rahatsız eden grafitizasyon sorunları önemli ölçüde iyileştirilecek ve sektör istikrarlı bir gelişme dönemine girerek yeni enerji ile ilgili sektörlerin hızlı gelişimini destekleyecektir.
Yayın tarihi: 19 Ağustos 2022