鋰離子電池正極材料窯爐熱工分析與節(jié)能實(shí)踐

王旭芳， 賈建新

（天津國(guó)安盟固利新材料科技股份有限公司， 天津 301811）

0 引言

電熱輥道窯作為鋰離子二次電池正極材料高溫反應(yīng)的主要設(shè)備，其能耗成本占制造總成本78%左右，對(duì)產(chǎn)品的成本起著決定性作用。因此如何正確分析輥道窯的熱工狀況、探討節(jié)能方法，對(duì)粉末冶金行業(yè)以及目前蓬勃發(fā)展的電池材料行業(yè)節(jié)能增效具有重要意義， 對(duì)工業(yè)窯爐的設(shè)計(jì)改進(jìn)和各項(xiàng)指標(biāo)的正確計(jì)算也具有指導(dǎo)意義，更重要的是對(duì)國(guó)家推動(dòng)碳達(dá)峰和碳中和也具有深遠(yuǎn)意義。

1 鋰離子電池正極材料輥道窯

在鋰離子電池正極材料行業(yè)中， 隨著各種新型二次電池正極材料鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元復(fù)合材料的成功開(kāi)發(fā)， 與之配套的產(chǎn)業(yè)化高溫合成設(shè)備也隨之誕生。 目前在電池正極材料行業(yè)中常用的電熱隧道窯按照窯內(nèi)運(yùn)輸方式分類主要有三種： 推板窯、 輥道窯和網(wǎng)帶窯；按照使用氣氛可分為：大氣窯和氣氛窯；按照爐溫分：爐溫高于1000℃時(shí)稱為高溫爐， 爐溫650℃～1000℃時(shí)稱為中溫爐，爐溫低于650℃時(shí)稱為低溫爐。 這里重點(diǎn)以國(guó)內(nèi)電池材料行業(yè)廣泛使用的大氣輥道窯為例， 介紹窯爐的系統(tǒng)組成和工作原理。

1.1 輥道窯系統(tǒng)組成

輥道窯主要由四部分組成： 爐體部分、 產(chǎn)品輸送系統(tǒng)、溫度加熱控制系統(tǒng)和送排風(fēng)系統(tǒng)，現(xiàn)將各部分的結(jié)構(gòu)及工作原理闡述如下。

1.1.1 爐體部分

爐體外殼為鋼結(jié)構(gòu)， 采用鋼型材、 鋼板分段焊接而成，外罩掛板。耐火砌體砌筑在金屬外殼之中，爐襯耐火層由高檔莫來(lái)石質(zhì)、高鋁質(zhì)、粘土質(zhì)等重質(zhì)耐火材料組成。隔熱層由輕質(zhì)耐火材料與硅酸鋁纖維、硅酸鈣大板等組成見(jiàn)圖1。 由爐襯圍成的爐膛是物料高溫?zé)Y(jié)的主要場(chǎng)所。

圖1 輥道窯爐體斷面結(jié)構(gòu)圖

1.1.2 產(chǎn)品輸送系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要用于物料的自動(dòng)循環(huán)輸送。 由動(dòng)力馬達(dá)通過(guò)鏈條齒輪將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)輥棒， 通過(guò)輥棒的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)匣缽將承載物料的匣缽由窯頭送至窯尾， 再由外循環(huán)軌道自動(dòng)循環(huán)至窯頭。

1.1.3 溫度加熱控制系統(tǒng)

然而當(dāng)三電平逆變器出現(xiàn)復(fù)雜故障時(shí),如出現(xiàn)Sa2、Sc3故障或Sa3、Sc2等故障時(shí),相電壓輸出波形就比較復(fù)雜,不僅造成故障相的輸出相電壓波形產(chǎn)生畸變,而且非故障相的輸出相電壓波形也隨之發(fā)生畸變,在這種情況下就不能僅僅依靠觀察輸出波形來(lái)確定故障具體結(jié)果。

沿窯爐長(zhǎng)度方向， 從窯爐入口處至窯爐出口處設(shè)置多個(gè)加熱區(qū)（區(qū)域設(shè)定由工藝確定），各溫區(qū)爐膛上下發(fā)熱元件分別控溫。 各組溫區(qū)具有獨(dú)立的調(diào)壓、控溫單元，共同組成了具有完善PID 調(diào)節(jié)功能的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以保證爐膛內(nèi)溫度的均勻性。

1.1.4 送排風(fēng)系統(tǒng)

為保證爐內(nèi)氣氛，窯爐設(shè)有一套空氣補(bǔ)氣系統(tǒng)。所有的進(jìn)排氣支管均有閥門(mén)控制， 進(jìn)氣支管裝有玻璃轉(zhuǎn)子流量顯示計(jì)顯示氣體流量。全窯配有四臺(tái)風(fēng)機(jī)：窯頭升溫區(qū)送風(fēng)機(jī)主要用于電池正極材料高溫反應(yīng)過(guò)程中的氧氣提供， 排風(fēng)機(jī)主要用于將反應(yīng)生成的二氧化碳等廢氣及時(shí)排除，窯尾的送排風(fēng)系統(tǒng)主要用于燒成物料的緩慢冷卻。

1.2 輥道窯工作原理

裝滿粉末物料的匣缽經(jīng)搖勻、切塊、疊缽送入爐膛，進(jìn)入爐膛后的產(chǎn)品經(jīng)升溫預(yù)燒、保溫?zé)Y(jié)和降溫冷卻后，完成一個(gè)周期的燒結(jié)。 具體流程見(jiàn)圖2。

圖2 輥道窯工作流程圖

2 輥道窯熱平衡分析

在電熱輥道窯的日常使用過(guò)程中， 根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行用熱設(shè)備的熱平衡計(jì)算， 不僅可以了解單位時(shí)間內(nèi)窯爐熱收入和各項(xiàng)熱支出量的大小和比例， 衡量窯爐熱效率的高低，而且可以通過(guò)各支出（或收入）項(xiàng)數(shù)據(jù)的熱平衡分析， 對(duì)各項(xiàng)熱耗項(xiàng)目節(jié)能的可行性和節(jié)能潛力進(jìn)行理論分析。為節(jié)能途徑和技術(shù)改造提供理論依據(jù)，以達(dá)到節(jié)能降耗、降低產(chǎn)品成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

現(xiàn)以某電池正極材料生產(chǎn)商1000℃的電熱大氣輥道窯為例，進(jìn)行熱平衡測(cè)試及全窯熱平衡計(jì)算，計(jì)算基準(zhǔn)為連續(xù)生產(chǎn)高密度鈷酸鋰1h 的能耗，單位kw·h。 全窯熱平衡計(jì)算結(jié)果列于表1。

表1 某廠電池正極材料輥道窯全窯熱平衡表

從表1 可以看出， 用于材料高溫反應(yīng)的有效熱量?jī)H占總熱量的9.44%， 窯爐熱效率較國(guó)外同類廠家30%～50%的熱效率相差甚遠(yuǎn)， 因此分析并降低窯爐各熱支出項(xiàng)的比例，對(duì)降低產(chǎn)成品生產(chǎn)成本，確定最佳的熱工操作制度具有重要的指導(dǎo)意義。

2.1 熱收入項(xiàng)的傳熱機(jī)理與節(jié)能潛力分析

由表l 可知，熱收入項(xiàng)主要依靠電加熱元件將電能轉(zhuǎn)化為熱能，傳熱方式主要以輻射為主。因此可以通過(guò)改善電熱元件的發(fā)熱性能， 增強(qiáng)熱輻射能力，提高加熱元件的加熱效率，達(dá)到節(jié)能增效的目的。 在電加熱輥道窯中，窯體電熱元件位于爐膛內(nèi)部， 見(jiàn)圖1， 因此電熱元件熱輻射效率的高低，不僅取決于電熱體本身，而且與爐膛內(nèi)裝料匣缽、頂部加熱保護(hù)管材質(zhì)的選擇有很大關(guān)系。因此在保證其使用性能的前提下，可以按照窯體不同的部位選擇不同熱容、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)的耐火材料提高窯爐的電加熱效率。

2.2 熱支出項(xiàng)的節(jié)能潛力分析

對(duì)所有熱支出項(xiàng)來(lái)說(shuō)，了解其散熱機(jī)理，并合理有效地降低它們各自的熱能損失，不僅可以節(jié)約電耗，提高窯爐的綜合利用率，而且可以大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

由表1 可以看出，窯壁熱損失（包括窯兩側(cè)墻、窯頂和窯底） 在熱支出項(xiàng)中的比例最大，占總額的41.13%。 因此分析窯壁熱損失機(jī)理， 并有效控制其散熱損失至關(guān)重要。 由圖1 的爐體斷面結(jié)構(gòu)圖不難看出，窯壁的散熱損失主要是通過(guò)多層平壁爐墻的熱傳導(dǎo)損失。 由穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)公式

式中t1，t2，…，tn—從里到外第一層到第n 層的壁溫（℃）；δ1，δ2，…，δn—第一層到第n 層的壁厚（m）；t空—窯爐所在的室溫（℃）；F1'，F(xiàn)2'，…，F(xiàn)n'—各層壁的核算面積（m2）；λ1，λ2，…，λn—各層壁的熱導(dǎo)系數(shù)[W/（m·℃）]；α'∑—爐殼外表面對(duì)周圍空氣的總放熱系數(shù)[W/（m·℃）]。

可知，其熱損耗率與窯墻的散熱面積、各層耐火隔熱材料的熱導(dǎo)系數(shù)成正比， 和各層耐火隔熱材料的厚度成反比。因此可以通過(guò)合理選用新型輕質(zhì)、隔熱保溫性好的耐火材料，增加耐火隔熱材料的厚度，降低窯墻的散熱面積等方式降低爐壁的散熱損失。

2.2.2 窯頭排出廢氣帶走熱量Q4

根據(jù)熱力學(xué)定律可知：

式中：W氣—每小時(shí)從窯頭排風(fēng)機(jī)排出廢氣的質(zhì)量（kg/h）；C氣—排出廢氣的平均比熱容[kJ/（kg·℃）]；t2、t1—分別為排出氣體加熱前和被加熱后的溫度（℃）。

從公式（2）不難看出，降低廢熱氣體的排出量，減少送入氣體和排出氣體的溫差，可以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。但是前面已經(jīng)提到， 窯頂排風(fēng)機(jī)主要用于將產(chǎn)品高溫反應(yīng)產(chǎn)生的廢氣、二氧化碳和部分鋰揮發(fā)物及時(shí)排走，以保證半成品材料與送風(fēng)機(jī)送入的氧氣充分反應(yīng)。 因此采用降低廢熱氣體排出量的方法節(jié)能是有限的， 但可以通過(guò)調(diào)節(jié)窯頭送風(fēng)風(fēng)機(jī)鼓入的冷空氣量、 提高送風(fēng)風(fēng)量的溫度等方式減少窯頭廢氣排出的熱量。

2.2.3 窯尾抽出熱空氣帶走熱量Q5

窯爐尾部的送排風(fēng)系統(tǒng)主要用于燒結(jié)后物料的冷卻， 如果要通過(guò)降低熱空氣排出的體積和溫度達(dá)到降低熱抽出量，是不能滿足物料達(dá)到緩冷的效果的。如果提高熱氣排出量，加大冷風(fēng)進(jìn)氣不僅會(huì)降低產(chǎn)品的燒成質(zhì)量，而且會(huì)導(dǎo)致裝載物料的匣缽出窯時(shí)因溫差太大發(fā)生開(kāi)裂，因此通過(guò)降低抽熱風(fēng)量來(lái)達(dá)到節(jié)能是有限的。不過(guò)由于窯尾抽出的載能體是氣體， 故可以將抽出的高溫氣體部分回收利用， 回收利用效率決定余熱回收裝置的技術(shù)水平。 可見(jiàn)輥道窯這項(xiàng)余熱的節(jié)能潛力仍然較大。

2.2.4 裝料窯具（匣缽）帶出的熱損失Q6

在裝載粉末物料的匣缽由窯頭慢速推向窯尾的過(guò)程中，產(chǎn)品及缽體不斷吸收加熱體的輻射熱，并將吸收的熱量傳導(dǎo)給待加熱的下層物料。因此在保證耐火度、荷重軟化度等使用性能的前提下，可以通過(guò)選擇熱容小、傳導(dǎo)系數(shù)大的匣缽，以降低窯具的蓄熱損失。

2.2.5 其他熱損失Q7

包括窯爐側(cè)壁熱電偶插孔密封不嚴(yán)造成的漏熱損失、窯爐入口和出口的空氣對(duì)流和輻射損失等。這部分熱損失取決于孔口的大小，爐溫的高低，以及單位時(shí)間內(nèi)逸出或吸入空氣的體積。因其在熱損失中占據(jù)比例很小，計(jì)算也相對(duì)復(fù)雜，這里就不在一一分析，只能通過(guò)加強(qiáng)管理盡量降低其熱能損失。

3 節(jié)能改造實(shí)踐與效果

針對(duì)鋰電正極材料高溫輥道窯能耗大、 熱效率低的問(wèn)題，筆者在2021 年對(duì)車間內(nèi)兩臺(tái)舊輥道窯進(jìn)行了降低窯壁熱損失的改造，改造后節(jié)能效果顯著，經(jīng)實(shí)測(cè)能耗降低了20%，見(jiàn)表2。

表2 改造前后測(cè)量數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

從窯爐熱平衡測(cè)試結(jié)果可知， 鋰離子電池正極材料高溫輥道窯在日常運(yùn)行過(guò)程中，窯壁散熱損失、窯頭、窯尾排風(fēng)系統(tǒng)帶走的熱損失占較大比例， 窯爐熱效率也較國(guó)外同類廠家相差甚遠(yuǎn)，節(jié)能改造的潛力很大。

通過(guò)熱量散失機(jī)理的理論分析，得出隧道窯的節(jié)能途徑：一是通過(guò)優(yōu)化爐體結(jié)構(gòu)，選用輕質(zhì)硅酸鋁纖維等新型耐火隔熱材料、將紅外輻射涂層和多功能涂層材料如熱輻射涂料（HR.C）涂覆在窯壁耐火材料上等方法降低窯壁的散熱和蓄熱損失； 二是充分回收利用隧道窯的窯尾排出氣體余熱，采用換熱器裝置將氣體余熱應(yīng)用在生產(chǎn)、生活用熱水或返回窯頭預(yù)熱送入的新鮮空氣；三是通過(guò)調(diào)節(jié)變頻風(fēng)機(jī)頻率合理控制氣體的排出；四是采用新型微波電加熱結(jié)合的方式實(shí)施節(jié)能。