الوضع الحالي واتجاه تكنولوجيا التغرافيت السلبي

مع التطور السريع لمركبات الطاقة الجديدة عالميًا، ازداد الطلب في السوق على مواد الأنود لبطاريات الليثيوم بشكل ملحوظ. وتشير الإحصاءات إلى أن أكبر ثماني شركات في هذا القطاع تخطط لزيادة طاقتها الإنتاجية إلى ما يقارب مليون طن بحلول عام 2021. وتُعد عملية الجرافيت العامل الأهم في تحديد مؤشرات وتكاليف مواد الأنود. وتتنوع معدات الجرافيت في الصين، وتستهلك كميات كبيرة من الطاقة، وتُسبب تلوثًا كبيرًا، وتفتقر إلى مستوى عالٍ من الأتمتة، مما يُعيق تطوير مواد الأنود الجرافيتية إلى حد ما. وتُعد هذه المشكلة الرئيسية التي تتطلب حلًا عاجلًا في عملية إنتاج مواد الأنود.

1. الوضع الحالي ومقارنة أفران التغرافيت السلبي

1.1 فرن أتشيسون للتغرافيت السلبي

في نوع الفرن المُعدَّل المُستند إلى فرن أيتشيسون التقليدي لتكوين الجرافيت، يُحمَّل الفرن الأصلي ببوتقة جرافيتية كحامل لمادة القطب السالب (تُحمَّل البوتقة بمادة خام مُكربنة للقطب السالب)، ويُملأ قلب الفرن بمادة مقاومة للحرارة، وتُملأ الطبقة الخارجية بمادة عازلة، كما يُعزل جدار الفرن. بعد عملية التكهرب، تتولد درجة حرارة عالية تتراوح بين 2800 و3000 درجة مئوية بشكل أساسي عن طريق تسخين المادة المقاومة، وتُسخَّن المادة السالبة في البوتقة بشكل غير مباشر لتحقيق عملية التلوين الحراري العالي للمادة السالبة.

1.2. فرن تحويل الجرافيت ذو سلسلة التسخين الداخلي

يُعدّ نموذج الفرن مرجعًا لفرن التغرافيت التسلسلي المستخدم في إنتاج أقطاب الجرافيت، حيث يتم توصيل عدة بوتقات أقطاب (محمّلة بمادة القطب السالب) على التوالي طوليًا. تعمل بوتقة الأقطاب كحامل وجسم تسخين في آنٍ واحد، ويمر التيار الكهربائي عبرها لتوليد درجة حرارة عالية وتسخين مادة القطب السالب الداخلية مباشرةً. لا تستخدم عملية التغرافيت مواد مقاومة، مما يُبسّط عملية التحميل والتسخين، ويقلل من فقدان الحرارة الناتج عن تخزين الحرارة في المواد المقاومة، وبالتالي يوفر استهلاك الطاقة.

1.3 فرن التغرافيت من نوع صندوق الشبكة

يتزايد استخدام هذا النوع من الأفران في السنوات الأخيرة، ويعود ذلك بشكل رئيسي إلى فرن تحويل المواد إلى جرافيت من سلسلة أتشيسون وتقنية التجميع. يتكون قلب الفرن من عدة قطع من ألواح الأنود الشبكية، حيث تُوضع المادة الخام في الكاثود. يتم تثبيت ألواح الأنود في الأعمدة عبر وصلات مشقوقة، ويتم استخدام نفس المادة في كل حاوية. يشكل العمود وألواح الأنود معًا جسم التسخين. يتدفق التيار الكهربائي عبر قطب رأس الفرن إلى جسم التسخين في قلب الفرن، وتؤدي درجة الحرارة العالية المتولدة إلى تسخين مادة الأنود داخل الصندوق مباشرةً لتحقيق عملية تحويل المواد إلى جرافيت.

1.4 مقارنة بين ثلاثة أنواع من أفران التغرافيت

تعتمد فرن التغرافيت ذو التسخين الداخلي المتسلسل على تسخين المادة مباشرةً عن طريق تسخين قطب الجرافيت المجوف. وتُستخدم حرارة جول الناتجة عن مرور التيار الكهربائي عبر بوتقة القطب بشكل أساسي لتسخين المادة والبوتقة. يتميز هذا الفرن بسرعة التسخين، وتوزيع درجة الحرارة بشكل متجانس، وكفاءة حرارية أعلى من فرن أتشيسون التقليدي الذي يعتمد على تسخين المادة بالمقاومة. أما فرن التغرافيت ذو الصندوق الشبكي، فيستفيد من مزايا فرن التغرافيت ذي التسخين الداخلي المتسلسل، ويستخدم صفيحة الأنود المُسخّنة مسبقًا والأقل تكلفة كجسم تسخين. وبالمقارنة مع فرن التغرافيت المتسلسل، يتميز فرن التغرافيت ذو الصندوق الشبكي بسعة تحميل أكبر، وبالتالي انخفاض استهلاك الطاقة لكل وحدة منتج.

2. اتجاه تطوير فرن التغرافيت السلبي

2.1 تحسين هيكل الجدار المحيطي

في الوقت الحالي، تُملأ طبقة العزل الحراري في العديد من أفران التغرافيت بشكل أساسي بالكربون الأسود وفحم الكوك البترولي. أثناء عملية الأكسدة والحرق بدرجة حرارة عالية، يتطلب هذا الجزء من مادة العزل استبدالها أو إضافة مادة عزل خاصة في كل مرة يتم فيها إخراجها من الفرن، مما يجعل عملية الاستبدال غير ملائمة للبيئة وتتطلب جهدًا بشريًا كبيرًا.

يمكن اعتبار استخدام طوب البناء الإسمنتي الخاص عالي القوة ودرجة الحرارة العالية لتعزيز القوة الإجمالية، وضمان استقرار الجدار في دورة التشغيل بأكملها في حالة التشوه، وسد فواصل الطوب في نفس الوقت، ومنع دخول الهواء الزائد من خلال شقوق جدار الطوب وفجوة المفصل إلى الفرن، وتقليل فقدان احتراق الأكسدة لمواد العزل ومواد الأنود؛

ثانيًا، يتم تركيب طبقة عازلة متحركة خارجية للفرن، باستخدام ألواح ألياف عالية المقاومة أو ألواح سيليكات الكالسيوم، حيث تؤدي مرحلة التسخين دورًا فعالًا في منع التسرب والعزل، بينما يسهل إزالة الطبقة الخارجية لتبريد الفرن بسرعة. ثالثًا، يتم تركيب قناة تهوية في قاع الفرن وجداره. تعتمد هذه القناة على هيكل طوب شبكي مسبق الصنع بفتحة أنثوية، مع دعمها لجدران الأسمنت المقاومة للحرارة العالية، مع مراعاة التبريد بالتهوية القسرية في المرحلة الباردة.

2. تحسين منحنى إمداد الطاقة عن طريق المحاكاة العددية

في الوقت الحالي، يُصمم منحنى إمداد الطاقة لفرن الجرافيت ذي القطب السالب بناءً على الخبرة، وتُعدّل عملية الجرافيت يدويًا في أي وقت وفقًا لدرجة الحرارة وظروف الفرن، ولا يوجد معيار موحد. من شأن تحسين منحنى التسخين أن يقلل بشكل ملحوظ من استهلاك الطاقة ويضمن التشغيل الآمن للفرن. ينبغي إنشاء نموذج عددي لمحاذاة الإبرة بوسائل علمية وفقًا لمختلف الشروط الحدية والمعايير الفيزيائية، وتحليل العلاقة بين التيار والجهد والطاقة الكلية وتوزيع درجة الحرارة في المقطع العرضي أثناء عملية الجرافيت، وذلك لصياغة منحنى التسخين المناسب وتعديله باستمرار أثناء التشغيل الفعلي. على سبيل المثال، في المرحلة الأولى من نقل الطاقة، يُستخدم نقل طاقة عالي، ثم تُخفض الطاقة بسرعة، ثم تُرفع ببطء، وهكذا حتى نهاية الطاقة.

2.3 إطالة عمر خدمة البوتقة وجسم التسخين

بالإضافة إلى استهلاك الطاقة، يؤثر عمر البوتقة والسخان بشكل مباشر على تكلفة عملية التغرافيت السلبي. بالنسبة لبوتقة الجرافيت وجسم التسخين المصنوع من الجرافيت، فإن نظام إدارة الإنتاج، بما في ذلك التحميل، والتحكم الأمثل في معدل التسخين والتبريد، وخط إنتاج البوتقات الآلي، وتعزيز الإحكام لمنع الأكسدة، وغيرها من التدابير، تساهم في زيادة عدد مرات إعادة تدوير البوتقة، مما يقلل بشكل فعال من تكلفة التغرافيت. إضافةً إلى ما سبق، يمكن استخدام صفيحة التسخين في فرن التغرافيت الشبكي كمادة تسخين للأنود المُسخّن مسبقًا، أو كقطب كهربائي، أو كمادة كربونية ثابتة ذات مقاومة عالية، مما يوفر تكلفة التغرافيت.

2.4 التحكم في غازات المداخن واستخدام الحرارة المهدرة

ينتج غاز الاحتراق المتولد أثناء عملية التغرافيت بشكل رئيسي عن المواد المتطايرة ونواتج احتراق مواد الأنود، واحتراق الكربون السطحي، وتسرب الهواء، وغيرها. في بداية تشغيل الفرن، تتسرب كميات كبيرة من المواد المتطايرة والغبار، مما يؤدي إلى سوء بيئة العمل، حيث تفتقر معظم الشركات إلى تدابير معالجة فعالة. هذه هي المشكلة الأكبر التي تؤثر على الصحة والسلامة المهنية للعاملين في إنتاج الأقطاب السالبة. لذا، ينبغي بذل المزيد من الجهود للنظر بشكل شامل في جمع وإدارة غاز الاحتراق والغبار في ورشة العمل بشكل فعال، واتخاذ تدابير تهوية مناسبة لخفض درجة حرارة الورشة وتحسين بيئة العمل في ورشة التغرافيت.

بعد تجميع غازات الاحتراق عبر المدخنة إلى غرفة الاحتراق، يتم إجراء عملية الاحتراق المختلط، وإزالة معظم القطران والغبار منها. من المتوقع أن تتجاوز درجة حرارة غازات الاحتراق في غرفة الاحتراق 800 درجة مئوية، ويمكن استعادة الحرارة المهدرة من غازات الاحتراق عبر غلاية بخارية أو مبادل حراري. يمكن الاسترشاد بتقنية حرق RTO المستخدمة في معالجة دخان الأسفلت الكربوني، حيث يتم تسخين غازات احتراق الأسفلت إلى 850-900 درجة مئوية. من خلال الاحتراق المُخزّن للحرارة، يتأكسد الأسفلت والمكونات المتطايرة والهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات الأخرى الموجودة في غازات الاحتراق، وتتحلل في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون والماء، وتصل كفاءة التنقية الفعالة إلى أكثر من 99%. يتميز النظام بتشغيل مستقر ومعدل تشغيل عالٍ.

2.5 فرن التغرافيت السلبي المستمر العمودي

تُعدّ أنواع أفران التغرافيت المذكورة أعلاه البنية الأساسية لأفران إنتاج مواد الأنود في الصين، وتتمثل سماتها المشتركة في الإنتاج المتقطع الدوري، وانخفاض الكفاءة الحرارية، واعتماد التحميل بشكل رئيسي على التشغيل اليدوي، وانخفاض مستوى الأتمتة. يمكن تطوير فرن تغرافيت رأسي مستمر مماثل بالاستناد إلى نموذج فرن تكليس فحم الكوك البترولي وفرن تكليس البوكسيت العمودي. يُستخدم القوس الكهربائي المقاوم كمصدر حرارة عالي الحرارة، ويتم تفريغ المادة باستمرار بفعل جاذبيتها، ويُستخدم نظام التبريد المائي التقليدي أو نظام تبريد التغويز لتبريد المادة عالية الحرارة في منطقة المخرج، ويُستخدم نظام النقل الهوائي للمسحوق لتفريغ وتغذية المادة خارج الفرن. يُمكّن هذا النوع من الأفران من تحقيق الإنتاج المستمر، ويمكن إهمال فقدان تخزين الحرارة في جسم الفرن، مما يُحسّن الكفاءة الحرارية بشكل ملحوظ، ويُبرز مزايا الإنتاج واستهلاك الطاقة، ويُتيح التشغيل الآلي الكامل. تتمثل المشاكل الرئيسية التي يتعين حلها في سيولة المسحوق، وتجانس درجة التغرافيت، والسلامة، ومراقبة درجة الحرارة والتبريد، وما إلى ذلك. ومن المعتقد أنه مع التطوير الناجح للفرن على نطاق الإنتاج الصناعي، فإنه سيُحدث ثورة في مجال تغرافيت الأقطاب السالبة.

3 لغة العقدة

تُعدّ عملية تصنيع الجرافيت الكيميائية أكبر مشكلة تواجه مصنّعي مواد الأنود في بطاريات الليثيوم. والسبب الرئيسي هو وجود بعض المشاكل المتعلقة باستهلاك الطاقة، والتكلفة، وحماية البيئة، ومستوى الأتمتة، والسلامة، وغيرها من جوانب أفران التغرافيت الدورية واسعة الانتشار. يتجه مستقبل هذه الصناعة نحو تطوير بنية أفران إنتاج مستمرة ذات انبعاثات، مؤتمتة بالكامل ومنظمة، مع دعمها بمرافق عمليات مساعدة ناضجة وموثوقة. حينها، ستتحسن مشاكل التغرافيت التي تعاني منها الشركات بشكل ملحوظ، وستدخل الصناعة مرحلة من التطور المستقر، مما يعزز النمو السريع للصناعات المرتبطة بالطاقة الجديدة.