สถานการณ์ปัจจุบันและทิศทางของเทคโนโลยีเนกาทีฟกราไฟต์

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของรถยนต์พลังงานใหม่ทั่วโลก ความต้องการของตลาดสำหรับวัสดุขั้วบวกแบตเตอรี่ลิเธียมเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ตามสถิติ ในปี 2021 บริษัทขั้วบวกแบตเตอรี่ลิเธียมแปดอันดับแรกของอุตสาหกรรมวางแผนที่จะขยายกำลังการผลิตเป็นเกือบหนึ่งล้านตัน การทำให้เป็นกราฟีไทเซชันมีผลกระทบสูงสุดต่อดัชนีและต้นทุนของวัสดุขั้วบวก อุปกรณ์การทำให้เป็นกราฟีไทเซชันในประเทศจีนมีหลายประเภท การใช้พลังงานสูง มลพิษหนัก และระดับอัตโนมัติต่ำ ซึ่งจำกัดการพัฒนาของวัสดุขั้วบวกกราไฟต์ในระดับหนึ่ง นี่คือปัญหาหลักที่ต้องแก้ไขอย่างเร่งด่วนในกระบวนการผลิตวัสดุขั้วบวก

1. สถานการณ์ปัจจุบันและการเปรียบเทียบเตาเผากราไฟต์เชิงลบ

1.1 เตาเผากราไฟไทเซชันแบบเนกาทีฟของ Atchison

ในเตาเผาแบบดัดแปลงที่ใช้เตาเผาแบบอิเล็กโทรด Aitcheson แบบดั้งเดิม เตาเผาแบบเดิมจะบรรจุด้วยเบ้าหลอมกราไฟต์เป็นตัวพาของวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบ (เบ้าหลอมจะบรรจุด้วยวัตถุดิบอิเล็กโทรดเชิงลบที่ถูกคาร์บอนไนซ์) แกนเตาเผาจะเต็มไปด้วยวัสดุที่ทนทานต่อความร้อน ชั้นนอกจะเต็มไปด้วยวัสดุฉนวนและฉนวนผนังเตาเผา หลังจากผ่านกระบวนการไฟฟ้าแล้ว อุณหภูมิสูง 2,800 ~ 3,000℃ จะถูกสร้างขึ้นโดยส่วนใหญ่โดยการให้ความร้อนกับวัสดุตัวต้านทาน และวัสดุเชิงลบในเบ้าหลอมจะถูกให้ความร้อนโดยอ้อมเพื่อให้ได้การลงหมึกหินที่มีอุณหภูมิสูงของวัสดุเชิงลบ

1.2. เตาเผากราไฟต์แบบความร้อนภายใน

แบบจำลองเตาเผาเป็นการอ้างอิงถึงเตาเผากราไฟต์แบบอนุกรมที่ใช้สำหรับการผลิตอิเล็กโทรดกราไฟต์ และเบ้าหลอมอิเล็กโทรดหลายอัน (บรรจุด้วยวัสดุอิเล็กโทรดลบ) เชื่อมต่อแบบอนุกรมในแนวยาว เบ้าหลอมอิเล็กโทรดเป็นทั้งตัวพาและตัวทำความร้อน และกระแสไฟฟ้าจะผ่านเบ้าหลอมอิเล็กโทรดเพื่อสร้างอุณหภูมิสูงและให้ความร้อนโดยตรงแก่วัสดุอิเล็กโทรดลบภายใน กระบวนการกราไฟต์ไม่ใช้วัสดุต้านทาน ทำให้กระบวนการโหลดและอบง่ายขึ้น และลดการสูญเสียความร้อนของวัสดุต้านทาน ช่วยประหยัดพลังงาน

1.3 เตาเผากราไฟต์ชนิดกล่องกริด

การใช้งานอันดับ 1 เพิ่มมากขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยหลักๆ แล้วคือเตากราไฟต์แบบซีรีส์ Acheson และเทคโนโลยีแบบเรียงต่อกันของเตากราไฟต์ แกนเตาใช้แผ่นขั้วบวกหลายชิ้นเป็นโครงสร้างกล่องวัสดุ โดยวัสดุจะเข้าไปในแคโทดในวัตถุดิบ โดยผ่านการเชื่อมต่อแบบมีร่องระหว่างคอลัมน์แผ่นขั้วบวก ซึ่งแต่ละภาชนะจะใช้แผ่นขั้วบวกปิดผนึกด้วยวัสดุเดียวกัน คอลัมน์และแผ่นขั้วบวกของโครงสร้างกล่องวัสดุจะประกอบกันเป็นตัวทำความร้อน ไฟฟ้าจะไหลผ่านอิเล็กโทรดของหัวเตาเข้าไปในตัวทำความร้อนของแกนเตา และอุณหภูมิสูงที่เกิดขึ้นจะให้ความร้อนกับวัสดุขั้วบวกในกล่องโดยตรงเพื่อบรรลุวัตถุประสงค์ของกราไฟต์

1.4 การเปรียบเทียบเตาเผากราไฟต์สามประเภท

เตาเผากราไฟต์แบบอนุกรมความร้อนภายในนั้นใช้ความร้อนวัสดุโดยตรงโดยการให้ความร้อนกับอิเล็กโทรดกราไฟต์กลวง “ความร้อนแบบจูล” ที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าผ่านเบ้าหลอมอิเล็กโทรดนั้นส่วนใหญ่ใช้ในการให้ความร้อนกับวัสดุและเบ้าหลอม ความเร็วในการให้ความร้อนนั้นรวดเร็ว การกระจายอุณหภูมินั้นสม่ำเสมอ และประสิทธิภาพความร้อนนั้นสูงกว่าเตาเผา Atchison แบบดั้งเดิมที่มีการให้ความร้อนกับวัสดุที่มีความต้านทาน เตาเผากราไฟต์แบบกริดบ็อกซ์นั้นใช้ประโยชน์จากข้อดีของเตาเผากราไฟต์แบบอนุกรมความร้อนภายใน และใช้แผ่นแอนโนดที่อบไว้ล่วงหน้าซึ่งมีต้นทุนต่ำกว่าเป็นตัวทำความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกับเตาเผากราไฟต์แบบอนุกรมแล้ว ความจุในการรับน้ำหนักของเตาเผากราไฟต์แบบกริดบ็อกซ์นั้นใหญ่กว่า และการใช้พลังงานต่อหน่วยผลิตภัณฑ์ก็ลดลงตามไปด้วย

2. ทิศทางการพัฒนาเตาเผากราไฟต์เชิงลบ

2.1 ปรับปรุงโครงสร้างผนังรอบปริมณฑลให้เหมาะสม

ปัจจุบัน ชั้นฉนวนกันความร้อนของเตาเผากราไฟต์หลายเตาจะเต็มไปด้วยคาร์บอนแบล็กและปิโตรเลียมโค้กเป็นหลัก วัสดุฉนวนส่วนนี้ในระหว่างการผลิตที่เผาออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง ทุกครั้งที่โหลดออก จำเป็นต้องเปลี่ยนหรือเสริมวัสดุฉนวนพิเศษ ซึ่งทำให้กระบวนการเปลี่ยนมีสภาพแวดล้อมที่ไม่ดีและต้องใช้แรงงานมาก

สามารถพิจารณาใช้ผนังก่ออิฐมอญชนิดพิเศษที่มีความแข็งแรงสูงและทนอุณหภูมิสูงเพื่อเพิ่มความแข็งแรงโดยรวม ช่วยให้มั่นใจได้ว่าผนังตลอดรอบการทำงานมีเสถียรภาพในการเสียรูป พร้อมกันนั้นยังปิดรอยต่ออิฐอีกด้วย ป้องกันไม่ให้อากาศเข้ามากเกินไปผ่านรอยแตกร้าวของผนังอิฐและช่องว่างระหว่างรอยต่อเข้าไปในเตาเผา ลดการสูญเสียของวัสดุฉนวนและวัสดุขั้วบวกจากการเผาออกซิเดชัน

ประการที่สองคือการติดตั้งชั้นฉนวนเคลื่อนที่จำนวนมากโดยรวมที่แขวนอยู่ด้านนอกผนังเตา เช่น การใช้แผ่นใยไม้อัดที่มีความแข็งแรงสูงหรือแผ่นแคลเซียมซิลิเกต ขั้นตอนการทำความร้อนมีบทบาทในการปิดผนึกและเป็นฉนวนที่มีประสิทธิภาพ ขั้นตอนการทำความเย็นนั้นสะดวกในการถอดออกเพื่อการทำความเย็นอย่างรวดเร็ว ประการที่สาม ช่องระบายอากาศถูกตั้งค่าที่ด้านล่างของเตาและผนังเตา ช่องระบายอากาศใช้โครงสร้างอิฐตาข่ายสำเร็จรูปพร้อมปากตัวเมียของสายพาน ในขณะที่รองรับงานก่ออิฐซีเมนต์ที่ทนอุณหภูมิสูง และพิจารณาการระบายอากาศแบบบังคับเพื่อระบายความร้อนในช่วงเย็น

2.2 เพิ่มประสิทธิภาพเส้นโค้งแหล่งจ่ายไฟโดยการจำลองเชิงตัวเลข

ปัจจุบันเส้นโค้งการจ่ายไฟของเตาเผากราไฟต์แบบขั้วลบนั้นสร้างขึ้นตามประสบการณ์ และกระบวนการกราไฟต์จะถูกปรับด้วยมือตลอดเวลาตามอุณหภูมิและสภาพของเตาเผา และไม่มีมาตรฐานรวม การเพิ่มประสิทธิภาพเส้นโค้งการให้ความร้อนสามารถลดดัชนีการใช้พลังงานได้อย่างเห็นได้ชัด และช่วยให้เตาเผาทำงานได้อย่างปลอดภัย แบบจำลองเชิงตัวเลขของการจัดตำแหน่งเข็มควรได้รับการสร้างขึ้นโดยใช้วิธีการทางวิทยาศาสตร์ตามเงื่อนไขขอบเขตและพารามิเตอร์ทางกายภาพต่างๆ และความสัมพันธ์ระหว่างกระแส แรงดันไฟฟ้า พลังงานทั้งหมด และการกระจายอุณหภูมิของหน้าตัดในกระบวนการกราไฟต์ควรได้รับการวิเคราะห์ เพื่อสร้างเส้นโค้งการให้ความร้อนที่เหมาะสม และปรับอย่างต่อเนื่องในการทำงานจริง เช่น ในระยะเริ่มต้นของการส่งพลังงานคือการใช้การส่งพลังงานสูง จากนั้นลดพลังงานอย่างรวดเร็วแล้วค่อยๆ เพิ่มขึ้น พลังงานแล้วลดพลังงานจนกว่าจะสิ้นสุดพลังงาน

2. 3 ยืดอายุการใช้งานของเบ้าหลอมและตัวทำความร้อน

นอกจากการใช้พลังงานแล้ว อายุการใช้งานของเบ้าหลอมและเครื่องทำความร้อนยังกำหนดต้นทุนของการสร้างกราไฟต์เชิงลบโดยตรง สำหรับเบ้าหลอมกราไฟต์และตัวทำความร้อนกราไฟต์ ระบบการจัดการการผลิตของการโหลดออก การควบคุมอัตราการให้ความร้อนและการทำความเย็นที่เหมาะสม สายการผลิตเบ้าหลอมอัตโนมัติ เสริมการปิดผนึกเพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันและมาตรการอื่นๆ เพื่อเพิ่มเวลาการรีไซเคิลเบ้าหลอม ลดต้นทุนการเติมกราไฟต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ นอกเหนือจากมาตรการข้างต้น แผ่นทำความร้อนของเตาเผากราไฟต์แบบกริดบ็อกซ์ยังสามารถใช้เป็นวัสดุทำความร้อนของขั้วบวกที่อบล่วงหน้า อิเล็กโทรด หรือวัสดุคาร์บอนคงที่ที่มีค่าต้านทานสูงเพื่อประหยัดต้นทุนการสร้างกราไฟต์

2.4 การควบคุมก๊าซไอเสียและการใช้ความร้อนเหลือทิ้ง

ก๊าซไอเสียที่เกิดขึ้นระหว่างการสร้างกราไฟต์นั้นส่วนใหญ่มาจากสารระเหยและผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ของวัสดุขั้วบวก การเผาไหม้คาร์บอนบนพื้นผิว การรั่วไหลของอากาศ และอื่นๆ ในช่วงเริ่มต้นของการเริ่มต้นเตา สารระเหยและฝุ่นจะหลุดออกมาเป็นจำนวนมาก สภาพแวดล้อมของเวิร์กช็อปไม่ดี องค์กรส่วนใหญ่ไม่มีมาตรการบำบัดที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งถือเป็นปัญหาใหญ่ที่สุดที่ส่งผลต่อสุขภาพและความปลอดภัยของผู้ปฏิบัติงานในการผลิตอิเล็กโทรดลบ ควรพยายามมากขึ้นเพื่อพิจารณาการรวบรวมและจัดการก๊าซไอเสียและฝุ่นในเวิร์กช็อปอย่างครอบคลุม และควรใช้มาตรการระบายอากาศที่เหมาะสมเพื่อลดอุณหภูมิในเวิร์กช็อปและปรับปรุงสภาพแวดล้อมการทำงานของเวิร์กช็อปการสร้างกราไฟต์

หลังจากที่สามารถรวบรวมก๊าซไอเสียผ่านปล่องควันเข้าไปในห้องเผาไหม้แบบผสมแล้ว กำจัดทาร์และฝุ่นส่วนใหญ่ในก๊าซไอเสีย คาดว่าอุณหภูมิของก๊าซไอเสียในห้องเผาไหม้จะสูงกว่า 800℃ และความร้อนเสียจากก๊าซไอเสียสามารถกู้คืนได้ผ่านหม้อไอน้ำความร้อนเสียหรือตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเปลือก เทคโนโลยีการเผาไหม้ RTO ที่ใช้ในการบำบัดควันแอสฟัลต์คาร์บอนยังสามารถใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงได้ และก๊าซไอเสียแอสฟัลต์จะถูกให้ความร้อนถึง 850 ~ 900℃ ผ่านการเผาไหม้เพื่อเก็บความร้อน แอสฟัลต์และส่วนประกอบระเหยได้ รวมถึงไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกโพลีไซคลิกอื่นๆ ในก๊าซไอเสียจะถูกออกซิไดซ์และสลายตัวในที่สุดเป็น CO2 และ H2O และประสิทธิภาพการทำให้บริสุทธิ์ที่มีประสิทธิภาพสามารถสูงถึง 99% ระบบมีการทำงานที่เสถียรและอัตราการทำงานที่สูง

2.5 เตาเผากราไฟต์เชิงลบต่อเนื่องแนวตั้ง

เตาเผากราไฟต์หลายประเภทที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นโครงสร้างเตาเผาหลักในการผลิตวัสดุขั้วบวกในประเทศจีน จุดร่วมคือการผลิตเป็นระยะๆ ประสิทธิภาพความร้อนต่ำ การโหลดออกส่วนใหญ่ต้องอาศัยการทำงานด้วยมือ ระดับของระบบอัตโนมัติไม่สูง สามารถพัฒนาเตาเผากราไฟต์เชิงลบแบบต่อเนื่องแนวตั้งที่คล้ายกันได้โดยอ้างอิงจากแบบจำลองของเตาเผาโค้กปิโตรเลียมและเตาเผาเพลาเผาบ็อกไซต์ ความต้านทาน ARC ใช้เป็นแหล่งความร้อนอุณหภูมิสูง วัสดุจะถูกปล่อยออกมาอย่างต่อเนื่องด้วยแรงโน้มถ่วงของตัวเอง และโครงสร้างระบายความร้อนด้วยน้ำแบบธรรมดาหรือการระบายความร้อนด้วยก๊าซจะใช้เพื่อระบายความร้อนวัสดุอุณหภูมิสูงในพื้นที่ทางออก และระบบลำเลียงผงลมใช้ในการระบายและป้อนวัสดุออกนอกเตาเผา ประเภทเตาเผาสามารถผลิตได้อย่างต่อเนื่อง โดยสามารถละเลยการสูญเสียการเก็บความร้อนของตัวเตาเผาได้ ดังนั้นประสิทธิภาพความร้อนจึงได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ ข้อได้เปรียบด้านผลผลิตและการใช้พลังงานนั้นชัดเจน และสามารถดำเนินการอัตโนมัติเต็มรูปแบบได้อย่างเต็มที่ ปัญหาหลักที่ต้องแก้ไขคือ การไหลของผง ความสม่ำเสมอของระดับการสร้างกราไฟต์ ความปลอดภัย การติดตามอุณหภูมิและการทำความเย็น เป็นต้น เชื่อกันว่าการพัฒนาเตาเผาเพื่อการผลิตในระดับอุตสาหกรรมที่ประสบความสำเร็จจะจุดชนวนให้เกิดการปฏิวัติในสาขาการสร้างกราไฟต์ด้วยอิเล็กโทรดเชิงลบ

3. ภาษาปม

กระบวนการทางเคมีของกราไฟต์เป็นปัญหาใหญ่ที่สุดที่รุมเร้าผู้ผลิตวัสดุขั้วบวกของแบตเตอรี่ลิเธียม เหตุผลพื้นฐานคือยังคงมีปัญหาบางประการในด้านการใช้พลังงาน ต้นทุน การปกป้องสิ่งแวดล้อม ระดับอัตโนมัติ ความปลอดภัย และด้านอื่นๆ ของเตาเผากราไฟต์เป็นระยะที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย แนวโน้มในอนาคตของอุตสาหกรรมคือการพัฒนาโครงสร้างเตาเผาการผลิตแบบต่อเนื่องที่ควบคุมอัตโนมัติและเป็นระเบียบอย่างสมบูรณ์ และสนับสนุนสิ่งอำนวยความสะดวกกระบวนการเสริมที่เป็นผู้ใหญ่และเชื่อถือได้ ในเวลานั้น ปัญหากราไฟต์ที่รุมเร้าองค์กรจะได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ และอุตสาหกรรมจะเข้าสู่ช่วงของการพัฒนาที่มั่นคง ส่งเสริมการพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับพลังงานใหม่