مع التطور السريع لمركبات الطاقة الجديدة عالميًا، ازداد الطلب على مواد أنود بطاريات الليثيوم بشكل ملحوظ. ووفقًا للإحصاءات، تخطط أكبر ثماني شركات أنود بطاريات الليثيوم في هذا القطاع لزيادة طاقتها الإنتاجية إلى ما يقرب من مليون طن في عام 2021. للجرافيت التأثير الأكبر على مؤشر وتكلفة مواد الأنود. تتميز معدات الجرافيت في الصين بتنوعها، واستهلاكها العالي للطاقة، وتلوثها الشديد، ومستوى أتمتة منخفض، 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 الجرافيت السلبي أتشيسون
في نوع الفرن المُعدّل المُستند إلى فرن الجرافيت التقليدي لفرن أيتشيسون، يُحمَّل الفرن الأصلي ببوتقة من الجرافيت كحامل لمادة القطب السالب (تُحمَّل البوتقة بمواد خام مُكربنة للقطب السالب)، ويُملأ قلب الفرن بمادة مقاومة للحرارة، وتُملأ الطبقة الخارجية بمادة عازلة وعازل جدار الفرن. بعد الكهربة، تُولَّد درجة حرارة عالية تتراوح بين 2800 و3000 درجة مئوية، وذلك أساسًا عن طريق تسخين مادة المقاومة، وتُسخَّن المادة السالبة في البوتقة بشكل غير مباشر لتحقيق درجة حرارة عالية من الحبر الحجري للمادة السالبة.
1.2. فرن الجرافيت المتسلسلة بالحرارة الداخلية
نموذج الفرن هو إشارة إلى فرن الجرافيت التسلسلي المستخدم لإنتاج أقطاب الجرافيت، حيث تتصل عدة بوتقات أقطاب (مُحمّلة بمادة قطب سالب) على التوالي طوليًا. بوتقة الأقطاب هي حامل وجسم تسخين في آنٍ واحد، ويمر التيار عبر بوتقة الأقطاب لتوليد درجة حرارة عالية وتسخين مادة القطب السالب الداخلية مباشرةً. لا تستخدم عملية الجرافيت مادة مقاومة، مما يُبسط عملية التحميل والخبز، ويقلل من فقدان الحرارة المخزنة لمادة المقاومة، مما يوفر استهلاك الطاقة.
1.3 فرن الجرافيت من نوع صندوق الشبكة
يتزايد استخدام فرن الجرافيت رقم 1 في السنوات الأخيرة، ويتمثل أهمها في خصائص تقنية فرن الجرافيت المتسلسلة من أتشيسون، واستخدامه في قلب الفرن لأجزاء متعددة من هيكل صندوقي من مادة شبكية لصفائح الأنود، حيث تدخل المادة إلى الكاثود في المادة الخام. يتم تثبيت جميع الوصلات المشقوقة بين عمود صفيحة الأنود، وكل حاوية مزودة بختم صفيحة الأنود من نفس المادة. يشكل العمود ولوح الأنود في هيكل صندوق المواد معًا جسم التسخين. تتدفق الكهرباء عبر قطب رأس الفرن إلى جسم التسخين في قلب الفرن، وتسخن درجة الحرارة العالية المتولدة مباشرة مادة الأنود في الصندوق، مما يحقق الغرض من الجرافيت.
1.4 مقارنة بين ثلاثة أنواع من أفران الجرافيت
فرن الجرافيت المتسلسلة بالحرارة الداخلية هو فرن تسخين مباشر للمواد عن طريق تسخين قطب الجرافيت المجوف. تُستخدم "حرارة جول" الناتجة عن التيار المار عبر بوتقة القطب في الغالب لتسخين المواد والبوتقة. يتميز بسرعة تسخين عالية، وتوزيع حرارة متساوٍ، وكفاءة حرارية أعلى من فرن أتشيسون التقليدي المزود بتسخين المواد بالمقاومة. يعتمد فرن الجرافيت المتسلسلة بالحرارة الداخلية على مزايا فرن الجرافيت المتسلسلة بالحرارة الداخلية، ويستخدم صفيحة أنود مسبقة التسخين بتكلفة أقل كجسم تسخين. بالمقارنة مع فرن الجرافيت المتسلسلة، يتميز فرن الجرافيت المتسلسلة بسعة تحميل أكبر، وبالتالي ينخفض استهلاك الطاقة لكل وحدة منتج.
2. اتجاه تطوير فرن الجرافيت السلبي
2. 1 تحسين هيكل الجدار المحيط
حاليًا، تُملأ طبقة العزل الحراري للعديد من أفران الجرافيت بشكل أساسي بأسود الكربون وفحم الكوك. يتعرض هذا الجزء من مادة العزل لأكسدة عالية الحرارة أثناء الإنتاج، مما يتطلب استبدال أو إضافة مادة عزل خاصة في كل مرة، مما يؤدي إلى بيئة عمل سيئة وكثافة عالية.
يمكن النظر في استخدام جدار خاص عالي القوة ودرجة الحرارة العالية من الأسمنت الطوبى، وتعزيز القوة الشاملة، وضمان الجدار في دورة التشغيل بأكملها الاستقرار في التشوه، وختم طبقات الطوب في نفس الوقت، ومنع الهواء الزائد من خلال شقوق جدار الطوب والفجوة المشتركة في الفرن، والحد من فقدان حرق الأكسدة للمواد العازلة ومواد الأنود؛
ثانيًا، تركيب طبقة عزل متنقلة شاملة معلقة خارج جدار الفرن، مثل استخدام ألواح ألياف عالية القوة أو ألواح سيليكات الكالسيوم. تلعب مرحلة التسخين دورًا فعالًا في الختم والعزل، بينما يسهل إزالة المرحلة الباردة للتبريد السريع. ثالثًا، تُركّب قناة التهوية في أسفل الفرن وجداره. تعتمد قناة التهوية على هيكل من الطوب الشبكي الجاهز مع فوهة أنثوية للحزام، مع دعم البناء الأسمنتي عالي الحرارة، مع مراعاة التبريد القسري في المرحلة الباردة.
2. 2 تحسين منحنى إمداد الطاقة عن طريق المحاكاة العددية
في الوقت الحالي، يُحدَّد منحنى إمداد الطاقة لفرن الجرافيت ذي القطب السالب بناءً على الخبرة، وتُضبط عملية الجرافيت يدويًا في أي وقت وفقًا لدرجة الحرارة وحالة الفرن، ولا يوجد معيار موحد. يُسهم تحسين منحنى التسخين بشكل واضح في تقليل مؤشر استهلاك الطاقة وضمان التشغيل الآمن للفرن. يجب وضع نموذج رقمي لمحاذاة الإبرة بوسائل علمية وفقًا لمختلف الظروف الحدودية والمعايير الفيزيائية، وتحليل العلاقة بين التيار والجهد والطاقة الكلية وتوزيع درجة حرارة المقطع العرضي في عملية الجرافيت، وذلك لصياغة منحنى التسخين المناسب وضبطه باستمرار أثناء 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، يُحدد عمر البوتقة والسخان بشكل مباشر تكلفة الجرافيت السالب. بالنسبة لبوتقة الجرافيت وجسم تسخين الجرافيت، فإن نظام إدارة الإنتاج للتحميل، والتحكم المعقول في معدلات التسخين والتبريد، وخط إنتاج البوتقة الآلي، وتعزيز الختم لمنع الأكسدة، وغيرها من التدابير لزيادة أوقات إعادة تدوير البوتقة، وتقليل تكلفة حبر الجرافيت بشكل فعال. بالإضافة إلى التدابير المذكورة أعلاه، يمكن أيضًا استخدام صفيحة التسخين في فرن الجرافيت الشبكي كعنصر تسخين للأنود أو القطب الكهربائي أو المواد الكربونية الثابتة ذات المقاومة العالية، مما يوفر تكلفة الجرافيت.
2.4 التحكم في غازات المداخن واستغلال الحرارة المهدرة
ينتج غاز المداخن الناتج عن عملية الجرافيت بشكل رئيسي من المواد المتطايرة ونواتج احتراق مواد الأنود، واحتراق الكربون السطحي، وتسرب الهواء، وغيرها. في بداية تشغيل الفرن، تتسرب المواد المتطايرة والغبار بكميات كبيرة، وبيئة الورشة سيئة، ومعظم الشركات تفتقر إلى إجراءات معالجة فعالة، وهذه هي أكبر مشكلة تؤثر على الصحة والسلامة المهنية للعاملين في إنتاج الأقطاب السالبة. ينبغي بذل المزيد من الجهود للنظر بشكل شامل في جمع وإدارة غاز المداخن والغبار بفعالية في الورشة، واتخاذ تدابير تهوية مناسبة لخفض درجة حرارة الورشة وتحسين بيئة العمل فيها.
بعد تجميع غاز المداخن عبر المدخنة إلى غرفة الاحتراق المختلطة، وإزالة معظم القطران والغبار من غاز المداخن، يُتوقع أن تتجاوز درجة حرارة غاز المداخن في غرفة الاحتراق 800 درجة مئوية، ويمكن استعادة الحرارة المهدرة من خلال غلاية بخار الحرارة المهدرة أو المبادل الحراري الصدفي. كما يمكن استخدام تقنية حرق RTO المستخدمة في معالجة دخان الأسفلت الكربوني كمرجع، حيث يتم تسخين غاز مداخن الأسفلت إلى 850-900 درجة مئوية. من خلال احتراق تخزين الحرارة، يتأكسد الأسفلت والمكونات المتطايرة والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات الأخرى في غاز المداخن، ويتحلل أخيرًا إلى ثاني أكسيد الكربون وماء، ويمكن أن تصل كفاءة التنقية الفعالة إلى أكثر من 99%. يتميز النظام بتشغيل مستقر ومعدل تشغيل مرتفع.
2. 5 فرن الجرافيت السلبي المستمر العمودي
تُعدّ أفران الجرافيت المذكورة أعلاه الهيكل الرئيسي لإنتاج مادة الأنود في الصين، وتتميز بالإنتاج المتقطع الدوري، والكفاءة الحرارية المنخفضة، والاعتماد على التشغيل اليدوي بشكل أساسي، وضعف مستوى الأتمتة. يمكن تطوير فرن جرافيت سلبي مستمر رأسي مماثل بالرجوع إلى نموذج فرن تكليس فحم الكوك البترولي وفرن تكليس البوكسيت. يُستخدم قوس المقاومة كمصدر حرارة عالية، ويتم تفريغ المادة باستمرار بفعل جاذبيتها الذاتية، ويُستخدم هيكل التبريد المائي أو التغويزي التقليدي لتبريد المادة عالية الحرارة في منطقة المخرج، ويُستخدم نظام نقل هوائي للمسحوق لتفريغ وتغذية المادة خارج الفرن. يتميز نوع الفرن بالإنتاج المستمر، مع تجاهل فقدان الحرارة المخزنة في هيكل الفرن، مما يُحسّن الكفاءة الحرارية بشكل كبير، ويزيد من مزايا الإنتاج واستهلاك الطاقة، ويحقق التشغيل الآلي الكامل. 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 سيؤدي إلى ثورة في مجال الجرافيت بالأقطاب السالبة.
3 لغة العقدة
تُعدّ عملية الجرافيت الكيميائية أكبر مشكلة تُواجه مُصنّعي مواد أنود بطاريات الليثيوم. ويعود السبب الرئيسي إلى استمرار وجود بعض المشاكل في استهلاك الطاقة، والتكلفة، وحماية البيئة، ودرجة الأتمتة، والسلامة، وغيرها من جوانب أفران الجرافيت الدورية المُستخدمة على نطاق واسع. ويتمثل التوجه المُستقبلي للصناعة في تطوير هيكل أفران إنتاج مستمر مُؤتمت بالكامل ومُنظم، ودعم مرافق عمليات مساعدة ناضجة وموثوقة. وفي ذلك الوقت، ستُحسّن مشاكل الجرافيت التي تُعاني منها الشركات بشكل ملحوظ، وستدخل الصناعة مرحلة من النمو المُستقر، مما يُعزز التطور السريع للصناعات الجديدة المُرتبطة بالطاقة.
وقت النشر: ١٩ أغسطس ٢٠٢٢