الوضع الحالي واتجاه تكنولوجيا الجرافيت السلبي

مع التطور السريع لمركبات الطاقة الجديدة في جميع أنحاء العالم، زاد الطلب في السوق على مواد أنود بطارية الليثيوم بشكل ملحوظ. وفقًا للإحصاءات، في عام 2021، تخطط أكبر ثماني شركات أنود لبطاريات الليثيوم في الصناعة لتوسيع طاقتها الإنتاجية إلى ما يقرب من مليون طن. للجرافيت التأثير الأكبر على مؤشر وتكلفة مواد الأنود. معدات الجرافيت في الصين لديها أنواع عديدة، استهلاك الطاقة العالي، التلوث الشديد ودرجة منخفضة من الأتمتة، مما يحد من تطوير مواد أنود الجرافيت إلى حد ما. إنها المشكلة الرئيسية التي يجب حلها بشكل عاجل في عملية إنتاج مواد الأنود.

1. الوضع الحالي ومقارنة فرن الجرافيت السلبي

1.1 فرن الرسم الجرافيتي السلبي بأتشيسون

في نوع الفرن المعدل المعتمد على فرن الجرافيت التقليدي لفرن Aitcheson، يتم تحميل الفرن الأصلي ببوتقة من الجرافيت كحامل لمواد القطب السالب (يتم تحميل البوتقة بمواد خام قطب كهربائي سالب متفحمة)، ويتم تعبئة قلب الفرن بالتسخين مادة مقاومة، الطبقة الخارجية مملوءة بمادة عازلة وعزل جدار الفرن. بعد الكهربة، يتم توليد درجة حرارة عالية تتراوح من 2800 إلى 3000 درجة مئوية بشكل أساسي عن طريق تسخين مادة المقاوم، ويتم تسخين المادة السالبة في البوتقة بشكل غير مباشر لتحقيق التحبير الحجري بدرجة حرارة عالية للمادة السالبة

1.2. فرن الجرافيت سلسلة الحرارة الداخلية

نموذج الفرن هو إشارة إلى فرن الجرافيت التسلسلي المستخدم لإنتاج أقطاب الجرافيت، ويتم توصيل العديد من بوتقة الأقطاب الكهربائية (المحملة بمواد القطب السالب) في سلسلة طوليًا. بوتقة القطب عبارة عن حامل وجسم تسخين، ويمر التيار عبر بوتقة القطب لتوليد درجة حرارة عالية وتسخين مادة القطب السالب الداخلية مباشرة. لا تستخدم عملية GRAPHItization مواد مقاومة، مما يبسط عملية التحميل والخبز، ويقلل من فقدان تخزين الحرارة لمواد المقاومة، مما يوفر استهلاك الطاقة

1.3 فرن الجرافيت من نوع صندوق الشبكة

يتزايد التطبيق رقم 1 في السنوات الأخيرة، ويتم تعلم الجزء الرئيسي من فرن الجرافيت المتسلسل وخصائص التكنولوجيا المتسلسلة لفرن الجرافيت، قلب الفرن لاستخدام قطع متعددة من هيكل صندوق مادة شبكة لوحة الأنود، والمواد في الكاثود في المواد الخام، من خلال يتم إصلاح جميع الاتصالات فترة زمنية محددة بين عمود لوحة الأنود، كل حاوية، واستخدام ختم لوحة الأنود مع نفس المادة. يشكل العمود ولوحة الأنود لهيكل صندوق المواد معًا جسم التسخين. تتدفق الكهرباء من خلال القطب الكهربائي لرأس الفرن إلى جسم التسخين في قلب الفرن، وتقوم درجة الحرارة المرتفعة المتولدة بتسخين مادة الأنود الموجودة في الصندوق مباشرة لتحقيق غرض الجرافيت

1.4 مقارنة بين ثلاثة أنواع من أفران الجرافيت

فرن الجرافيت سلسلة الحرارة الداخلية هو لتسخين المواد مباشرة عن طريق تسخين قطب الجرافيت المجوف. تُستخدم "حرارة الجول" التي ينتجها التيار عبر بوتقة القطب في الغالب لتسخين المادة والبوتقة. سرعة التسخين سريعة، وتوزيع درجة الحرارة موحد، والكفاءة الحرارية أعلى من فرن أتشيسون التقليدي مع تسخين المواد المقاومة. يعتمد فرن الرسم البياني ذو الصندوق الشبكي على مزايا فرن الرسم البياني التسلسلي الحراري الداخلي، ويعتمد لوحة الأنود المخبوزة مسبقًا بتكلفة أقل كجسم تسخين. بالمقارنة مع فرن الرسم البياني التسلسلي، فإن قدرة التحميل لفرن الرسم البياني ذو الصندوق الشبكي تكون أكبر، ويتم تقليل استهلاك الطاقة لكل وحدة منتج وفقًا لذلك

2. اتجاه تطوير فرن الجرافيت السلبي

2. 1 تحسين هيكل الجدار المحيطي

في الوقت الحاضر، طبقة العزل الحراري للعديد من أفران الجرافيت مملوءة بشكل أساسي بأسود الكربون وفحم الكوك. يتم حرق هذا الجزء من المواد العازلة أثناء إنتاج الأكسدة ذات درجة الحرارة العالية، في كل مرة يتم فيها التحميل خارج الحاجة إلى استبدال أو تكملة مادة عازلة خاصة، واستبدال عملية البيئة السيئة، وكثافة اليد العاملة العالية.

يمكن النظر في استخدام جدار أسمنت خاص عالي القوة ودرجة حرارة عالية من الطوب اللبن، وتعزيز القوة الإجمالية، وضمان استقرار الجدار في دورة التشغيل بأكملها في التشوه، وختم التماس الطوب في نفس الوقت، ومنع الهواء الزائد من خلال جدار الطوب الشقوق والفجوة المشتركة في الفرن، تقلل من فقدان الأكسدة الناتج عن حرق المواد العازلة ومواد الأنود؛

والثاني هو تثبيت الطبقة العازلة المتنقلة الشاملة المعلقة خارج جدار الفرن، مثل استخدام الألواح الليفية عالية القوة أو ألواح سيليكات الكالسيوم، وتلعب مرحلة التسخين دورًا فعالًا في الختم والعزل، وتكون المرحلة الباردة ملائمة للإزالة التبريد السريع ثالثا، يتم وضع قناة التهوية في الجزء السفلي من الفرن وجدار الفرن. تعتمد قناة التهوية هيكل الطوب الشبكي الجاهز مع فتحة الحزام الأنثوية، مع دعم البناء الأسمنتي ذو درجة الحرارة العالية، مع الأخذ في الاعتبار تبريد التهوية القسرية في المرحلة الباردة.

2. 2 تحسين منحنى مصدر الطاقة عن طريق المحاكاة العددية

في الوقت الحاضر، يتم تصنيع منحنى مصدر الطاقة لفرن الجرافيت الكهربائي السالب وفقًا للتجربة، ويتم ضبط عملية الجرافيت يدويًا في أي وقت وفقًا لدرجة الحرارة وحالة الفرن، ولا يوجد معيار موحد. من الواضح أن تحسين منحنى التسخين يمكن أن يقلل من مؤشر استهلاك الطاقة ويضمن التشغيل الآمن للفرن. يجب إنشاء النموذج العددي لمحاذاة الإبرة بوسائل علمية وفقًا للظروف الحدودية المختلفة والمعلمات الفيزيائية، ويجب تحليل العلاقة بين التيار والجهد والطاقة الإجمالية وتوزيع درجة الحرارة للمقطع العرضي في عملية الرسم البياني، وذلك لصياغة منحنى التسخين المناسب وضبطه بشكل مستمر في التشغيل الفعلي. كما هو الحال في المرحلة المبكرة من نقل الطاقة، يتم استخدام نقل الطاقة العالية، ثم تقليل الطاقة بسرعة ثم رفعها ببطء، ثم تقليل الطاقة حتى نهاية الطاقة

2.3 إطالة عمر خدمة البوتقة وجسم التسخين

بالإضافة إلى استهلاك الطاقة، فإن عمر البوتقة والسخان يحدد أيضًا بشكل مباشر تكلفة الجرافيت السلبي. بالنسبة لجسم تسخين بوتقة الجرافيت والجرافيت، فإن نظام إدارة الإنتاج للتحميل، والتحكم المعقول في معدل التسخين والتبريد، وخط إنتاج البوتقة الأوتوماتيكي، وتعزيز الختم لمنع الأكسدة وغيرها من التدابير لزيادة أوقات إعادة تدوير البوتقة، وتقليل تكلفة الجرافيت بشكل فعال التحبير. بالإضافة إلى التدابير المذكورة أعلاه، يمكن أيضًا استخدام لوحة التسخين لفرن الرسم البياني على شكل صندوق شبكي كمواد تسخين للأنود المخبوز مسبقًا، أو القطب الكهربائي أو المواد الكربونية الثابتة ذات المقاومة العالية لتوفير تكلفة الرسم البياني.

2.4 التحكم في غاز المداخن واستخدام الحرارة المهدرة

إن غاز المداخن المتولد أثناء عملية الجرافيت يأتي بشكل أساسي من المواد المتطايرة ومنتجات الاحتراق للمواد الأنودية، وحرق الكربون السطحي، وتسرب الهواء وما إلى ذلك. في بداية تشغيل الفرن، يتسرب عدد كبير من المواد المتطايرة والغبار، وتكون بيئة ورشة العمل سيئة، ولا تملك معظم الشركات تدابير معالجة فعالة، وهذه هي أكبر مشكلة تؤثر على الصحة والسلامة المهنية للمشغلين في إنتاج القطب السالب. ينبغي بذل المزيد من الجهود للنظر بشكل شامل في الجمع والإدارة الفعالة لغاز المداخن والغبار في ورشة العمل، وينبغي اتخاذ تدابير تهوية معقولة لتقليل درجة حرارة ورشة العمل وتحسين بيئة العمل في ورشة الرسم الجرافيتي.

بعد أن يتم جمع غاز المداخن من خلال المداخن إلى غرفة الاحتراق، قم بإزالة معظم القطران والغبار الموجود في غاز المداخن، ومن المتوقع أن تكون درجة حرارة غاز المداخن في غرفة الاحتراق أعلى من 800 درجة مئوية، و يمكن استعادة الحرارة المهدرة لغاز المداخن من خلال غلاية بخار الحرارة المهدرة أو المبادل الحراري الصدفي. يمكن أيضًا استخدام تكنولوجيا الحرق RTO المستخدمة في معالجة دخان الأسفلت الكربوني كمرجع، ويتم تسخين غاز مداخن الأسفلت إلى 850 ~ 900 درجة مئوية. من خلال احتراق تخزين الحرارة، يتم أكسدة الأسفلت والمكونات المتطايرة وغيرها من الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات الموجودة في غاز المداخن وتتحلل أخيرًا إلى CO2 وH2O، ويمكن أن تصل كفاءة التنقية الفعالة إلى أكثر من 99%. النظام لديه عملية مستقرة ومعدل تشغيل مرتفع.

2. 5 فرن الجرافيت السلبي المستمر العمودي

الأنواع المتعددة المذكورة أعلاه من أفران الجرافيت هي هيكل الفرن الرئيسي لإنتاج مواد الأنود في الصين، والنقطة المشتركة هي الإنتاج المتقطع الدوري، والكفاءة الحرارية المنخفضة، والتحميل يعتمد بشكل أساسي على التشغيل اليدوي، ودرجة الأتمتة ليست عالية. يمكن تطوير فرن الرسم البياني السلبي المستمر العمودي المماثل من خلال الرجوع إلى نموذج فرن تكليس فحم الكوك وفرن عمود تكليس البوكسيت. يتم استخدام مقاومة ARC كمصدر حرارة بدرجة حرارة عالية، ويتم تفريغ المادة بشكل مستمر عن طريق جاذبيتها الخاصة، ويتم استخدام هيكل تبريد الماء التقليدي أو تبريد التغويز لتبريد المواد ذات درجة الحرارة المرتفعة في منطقة المخرج، ونظام نقل المسحوق الهوائي يستخدم لتصريف وتغذية المواد خارج الفرن. يمكن لنوع الفرن أن يحقق إنتاجًا مستمرًا، ويمكن تجاهل فقدان تخزين الحرارة لجسم الفرن، وبالتالي يتم تحسين الكفاءة الحرارية بشكل كبير، وتكون مزايا الإنتاج واستهلاك الطاقة واضحة، ويمكن تحقيق التشغيل التلقائي الكامل بالكامل. المشاكل الرئيسية التي يتعين حلها هي سيولة المسحوق، وتوحيد درجة الجرافيت، والسلامة، ومراقبة درجة الحرارة والتبريد، وما إلى ذلك. ويعتقد أنه مع التطوير الناجح للفرن لتوسيع نطاق الإنتاج الصناعي، فإنه سيطلق ثورة في مجال رسم الالكترود السالب .

3 اللغة العقدية

تعد العملية الكيميائية للجرافيت أكبر مشكلة تعاني منها الشركات المصنعة لمواد الأنود في بطاريات الليثيوم. السبب الأساسي هو أنه لا تزال هناك بعض المشاكل في استهلاك الطاقة والتكلفة وحماية البيئة ودرجة الأتمتة والسلامة والجوانب الأخرى لفرن الجرافيت الدوري المستخدم على نطاق واسع. الاتجاه المستقبلي للصناعة هو تطوير هيكل فرن الإنتاج المستمر الآلي والمنظم بالكامل، ودعم مرافق العمليات المساعدة الناضجة والموثوقة. في ذلك الوقت، سيتم تحسين مشاكل الجرافيت التي تعاني منها الشركات بشكل كبير، وستدخل الصناعة في فترة من التطور المستقر، مما يعزز التطور السريع للصناعات الجديدة المتعلقة بالطاقة