一种锂电池正极材料焙烧及冷却系统的制作方法

1.本实用新型涉及锂电池正极材料生产技术领域，尤其涉及一种锂电池正极材料焙烧及冷却系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本实用新型相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.锂电池正极材料是决定锂离子电池容量、安全性和成本的最核心材料。锂电池正极材料生产主要三大环节：混料磨料、高温烧结、粉碎分解，而高温烧结部分是整个工艺的核心，目前三元正极材料通常采用氢氧化镍钴锰粉体、氢氧化镍钴铝粉体为前驱体，并通过固相烧结法制备镍钴锰酸锂(ncm)、镍钴铝酸锂(nca)三元正极材料。
4.现有的烧结工艺采用隧道窑工艺，混合后的粉料采用推车、匣钵或托盘等形式分批进入隧道窑升温烧结，达到工艺规定的时间，取出粉料进行下一阶段的冷却。
5.现有工艺分批进料出料，需要大量人工参与，自动化程度较低；分批进料出料，有生产间歇，生产效率较低；现有工艺很难对尾气有效收集，尾气大多为自然排放，无法对尾气进行有效处理；匣钵或托盘为易损件，且匣钵或托盘一般为陶瓷材质，机械强度低，机械手抓取过程中容易损坏匣钵或托盘，且反复加热及冷却后，匣钵或托盘容易破裂，一般使用几十次后就要更换；匣钵或托盘与其内部物料始终处于相对静止状态，底部物料不能与工艺气体充分接触，焙烧效果差；烧结过程中匣钵或托盘容易与材料粘结，烧结后底部物料不容易从匣钵或托盘内取出，存在产品浪费现象(正极材料以几十万吨单价计)；匣钵或托盘导热性能较差，达到物料工艺焙烧温度所需环境温度较高，系统耗能大；烧结过程中，现有工艺无法避免物料暴露在外界大气中，存在磁性异物污染等问题。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本实用新型提出了一种锂电池正极材料焙烧及冷却系统，能够实现各设备的有效衔接和能源的高效利用，从而实现整个系统的连续、高效生产。
7.在一些实施方式中，采用如下技术方案：
8.一种锂电池正极材料焙烧及冷却系统，包括：依次连接的破拱进料装置、焙烧装置、冷却装置和尾气处理装置；
9.所述焙烧装置包括回转焙烧窑，所述回转焙烧窑的进料端和出料端存在设定的倾角；所述回转焙烧窑设置多组加热单元，以独立控制焙烧窑不同位段的温度；焙烧过程中所需气体由焙烧窑出料端进入窑内，由焙烧窑进料端排风口出焙烧窑，进入尾气处理装置。
10.作为进一步地方案，所述回转焙烧窑进料端和出料端的倾角可调。
11.作为进一步地方案，所述回转焙烧窑内臂设置导料板，所述导料板与回转焙烧窑筒体中心线呈设定角度；回转焙烧窑筒体外壁设置自力式振打结构。
12.作为进一步地方案，所述回转焙烧窑焙烧段设置延时板，所述延时板设置在回转
焙烧窑内壁上，延时板与导料板的倾斜方向相反。
13.作为进一步地方案，所述回转焙烧窑焙烧段设置扬料板；所述扬料板为沿周向均匀设置在回转焙烧窑内壁上的楔形体结构。
14.作为进一步地方案，所述回转焙烧窑的出料罩进气主管路上设置流量计和电动调节阀，回转焙烧窑的排风口处设置氧气分析仪；通过在线监测气体流量及氧气氛围，连锁调节电动调节阀开度，以自动调整回转焙烧窑的氧含量。
15.作为进一步地方案，所述加热单元为电加热装置或者燃气加热装置。
16.作为进一步地方案，所述冷却装置包括：设置在回转焙烧窑筒体上部的喷淋管，以及设置在回转焙烧窑筒体下部的水箱。
17.作为进一步地方案，所述尾气处理装置包括：袋式除尘器；
18.或者，所述尾气处理装置包括：袋式除尘器，以及与袋式除尘器连接的喷淋塔。
19.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
20.(1)本实用新型可以通过调下料关风器、回转焙烧窑、冷却滚筒等设备的转速以及电加热装置输出功率，实现各设备的有效衔接和能源的高效利用，从而实现整个系统的连续、高效生产。
21.(2)本实用新型物料的进出口、气体的进出口都与前后工序密闭衔接，这有利于对尾气进行收集并处理，达标排放，物料焙烧过程处于特定工艺气体氛围中，氛围含氧量可控，有利于工艺、质量稳定。
22.(3)本实用新型焙烧窑转动速度可以调节、窑体倾角可调，因此物料在焙烧窑中的停留时间可控。焙烧窑多组加热装置分别控制，可以控制焙烧窑不同位段的温度。焙烧窑内部设置的扬料板及延时板，可以将物料扬撒翻转及延时，加大换热面积及与工艺气体的接触面积，促进物料焙烧，提高物料振实密度等物性指标。通过窑炉底部加热以及扬料板翻转物料作用，能使物料在窑内充分有效加热，可以提高热利用效率，从而起到节能作用。
23.(4)衡量三元正极材料优劣的一个重要指标是金属异物含量，一般控制在100ppb以内，要求严格的控制在50ppb以内。本实用新型采用在物料与设备有转动或滑动摩擦的部件处喷涂特氟龙、碳化钨，以及对焙烧窑及冷却滚筒内部过流部件进行高等级抛光处理，可有效降低最终产品的金属异物含量，均小于100ppb，长期稳定后可控制在50ppb以内。
24.本实用新型的其他特征和附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本方面的实践了解到。
附图说明
25.图1为本实用新型实施例中锂电池正极材料焙烧及冷却系统结构示意图；
26.图2为本实用新型实施例回转焙烧窑结构示意图；
27.图3为本实用新型实施例中回转焙烧窑扬料板示意图；
28.图4为本实用新型实施例中回转焙烧窑导料板和延时板示意图；
29.其中，1.拆包机，2.下料气动蝶阀，3.称重仓，4.活化料斗，5.下料关风器，6.除铁器，7.进料螺旋，8.回转焙烧窑，9.高温卸料阀，10.冷却滚筒，11.冷却卸料阀，12.布袋除尘器，13.布袋卸料阀，14.引风机，15.调节阀，16.冷风阀，17.氧气分析仪；
30.8-1.尾气出口，8-2.回转焙烧窑筒体，8-3.炉膛，8-4.出料罩，8-5.扬料板，8-6.导
料板，8-7.延时板。
具体实施方式
31.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本实用新型使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
32.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
33.实施例一
34.根据本实用新型的实施例，公开了一种锂电池正极材料焙烧及冷却系统，包括：依次连接的破拱进料装置、焙烧装置、冷却装置和尾气处理装置；其中，焙烧装置包括回转焙烧窑8，所述回转焙烧窑8的进料端和出料端存在设定的倾角；所述回转焙烧窑8设置多组加热单元，以独立控制焙烧窑不同位段的温度；焙烧过程中所需气体由焙烧窑出料端进入窑内，由焙烧窑进料端排风口出焙烧窑，进入尾气处理装置。
35.具体地，结合图1，破拱进料装置包括：依次连接的拆包机、下料气动蝶阀和原料缓存仓，所述原料缓存仓内设有破拱件进行破拱；所述原料缓存仓依次连接下料关风器、除铁器和进料螺旋，所述进料螺旋连接回转焙烧窑。
36.将物料粉末原料吊至拆包机1上方，拆包后经下料气动蝶阀2进入原料缓存仓(该仓可以设置称重传感器，精确计量进料量)，仓内物料经具有破拱作用的装置或结构(如仓底活化料斗4、转动破拱装置)进行破拱，防止粉料在仓内板结堵塞，经下料关风器5、除铁器6、进料螺旋7，最后进入回转焙烧窑8。
37.本实施例中，原料缓存仓下部设置活化料斗4；当然，原料缓存仓也可以由带有转动破拱装置的仓实现，通过破拱装置的旋转搅拌，可以破除物料架桥现象，便于物料输送。
38.焙烧装置包括：回转焙烧窑8，以电机带动焙烧窑转动，进料端与出料端存在倾斜角，随着窑体的转动，在倾斜角作用下，三元正极材料粉末从进料端逐步向出料端运动，可以通过变频调节电机转速，控制窑体转动速度，且窑体倾角可调，从而调节物料在窑体内停留时间。
39.在焙烧窑非支撑段的下部设置多组电加热装置或燃气烧嘴，窑体外设置保温炉膛8-3，炉膛8-3与电加热装置或燃气燃烧系统处于静止状态。在焙烧窑内，原料与炉膛电加热装置或燃气燃烧系统间接换热，实现物料的脱水与焙烧。
40.本实施例中，回转焙烧窑8的结构如图2所示，焙烧窑为间接加热回转窑，即在回转窑中段外部设置加热炉膛，炉膛设置天然气热源(设置多组电加热装置，每个单独可调)，窑筒体受热并与窑内物料发生传热；窑内前端内壁设置导料板8-6，与回转焙烧窑筒体8-2中心线呈设定角度，可将物料快速送至焙烧段加热；回转焙烧窑筒体8-2外壁设置自力式振打结构。
41.同时筒体外壁设置自力式振打结构，防止原料粘结在筒壁上。焙烧段设置扬料板8-5及延时板8-7，将物料扬撒翻转及延时，加大换热面积及与工艺气体的接触面积，使得物
料在窑内充分有效加热，可以提高热利用效率，促进物料焙烧，提高物料振实密度等物性指标，从而起到节能作用。
42.参照图3，扬料板8-5为沿周向均匀设置在回转焙烧窑8内壁上的楔形体结构。参照图4，回转焙烧窑8自进料端到出料端，其内壁依次设置导料板8-6、扬料板8-5和延时板8-7；延时板8-7设置在回转焙烧窑8内壁上，延时板8-7与导料板8-6的倾斜方向相反。导料板8-6能够起到快速推动物料往窑出料端方向移动的作用，而延时板8-7作用刚好与之相反，起到延缓阻尼物料向窑出料端移动的作用。
43.本实施例中，冷却装置与焙烧窑出料罩8-4通过高温卸料阀9相连，脱水与焙烧后的高温三元正极材料经高温卸料阀9进入冷却装置(如冷却转筒、粉体流冷器或冷却螺旋等)，冷却后的物料经卸料阀进入下一工段。采用冷却水对卸料阀和冷却装置降温，冷却水进入高温卸料阀9冷却腔，通过对流传热，及时将构件热量转移而使其温度得以有效控制，防止机械构件在高温环境中弯曲、变形，保证设备安全运行。
44.尾气处理装置：在焙烧过程中，需要纯氧、氮气或压缩空气等工艺气体作为工艺氛围，工艺气体由焙烧窑出料端进入窑内，由焙烧窑进料端排风口出焙烧窑，进入尾气处理装置；
45.冷却转筒采用纯氧、氮气或压缩空气等工艺气体作为工艺氛围，气体由冷却转筒进料段进入转筒，由出料端排风口排出，少量的粉尘物料随尾气进入后续尾气处理系统。焙烧和冷却两路尾气汇合，高温尾气经由冷风阀16掺入常温空气降温到150℃以下，进入布袋除尘器12，经引风机14排出车间外。布袋除尘器12收集的物料排入原料缓存仓(该仓可以设置称重传感器，精确计量进料量)，可回至焙烧环节，避免物料浪费。同时引风机14变频可调，保证窑内微负压，尽量减少粉尘夹带量。
46.在一些实施方式中，可以在布袋除尘器12后增设喷淋塔，加强除尘及回收效果。
47.本实施例中，为尽量减少物料与焙烧窑筒壁相对摩擦而引入的金属异物，焙烧窑内部所有与物料接触的部分(包括筒体、进料罩、出料罩8-4、内构件等)喷涂特氟龙、碳化钨；对焙烧窑及冷却滚筒10内部过流部件进行高等级抛光处理，可有效降低最终产品的金属异物含量；另外，对于称重仓3、进料螺旋7和卸料阀等设备，也可以不用采用喷涂工艺，而直接采用钛材设备，同样可以有效减少金属异物掺入。
48.本实用新型实施例的锂电池正极材料焙烧及冷却方法如下：
49.(1)吨包的氢氧化镍钴铝物料通过行车提升至拆包机1拆包，下料关风器5电机变频可调以便控制下料量；经除铁器6、进料螺旋7，最后进入焙烧窑内部；焙烧窑进料端设置尾气出口8-1，便于工艺尾气由焙烧窑排出；称重仓3内壁喷涂特氟龙涂层、进料螺旋7过流部件喷涂碳化钨涂层，防止金属摩擦引入金属异物；
50.(2)调节焙烧窑运行频率，保证物料停留时间在3～8h；焙烧窑为间接加热回转窑，其外部炉膛设置6组电加热装置，炉膛温度控制在300～600℃，此时氢氧化镍钴铝物料在高温焙烧窑内充分受热、焙烧，水分快速蒸发、物料振实密度等物性指标逐步变化；通过调节后续引风机14频率，控制焙烧窑油气出口压力-50～-300pa；高温尾气经冷风阀16掺入常温空气降温至安全温度后，进入袋式除尘器进行气尘分离；气体中粉尘经布袋收尘，除尘后的尾气经引风机14排至车间外。布袋除尘器12收集的物料通过布袋卸料阀13排入原料称重仓3。布袋卸料阀13过流部件喷涂特氟龙涂层，防止金属摩擦引入金属异物。
51.(3)进焙烧窑出料罩8-4进气主管路上设置流量计及电动调节阀15，且焙烧窑排风口处设置氧气分析仪17，系统预热及焙烧过程中，可以在线检测工艺气体流量及窑内氧气氛围，从而连锁调节进气电动调节阀15开度，达到具体氧含量分数的要求。当工艺氛围需要为纯氧、氮气时，可以通过切换相应管路上的阀门，实现工艺气体转换。
52.(4)焙烧后的高温物料通过高温卸料阀9进入冷却装置，进行急冷降温；冷却装置以冷却滚筒10为例说明如下：冷却滚筒10采用间接水冷方式，其冷却水分为两路，一路进入转筒筒体上部喷淋管，直接喷淋在筒体表面，一路直接进入筒体下部水箱，筒体部分浸入水箱内，冷却水与筒内物料间接换热，冷却水带走筒体热量，降低筒体温度，从而达到降低筒内物料温度目的。升温后的冷却水在重力作用下回收到回水管网。冷却水量约20～30m3/h；筒体外部设置翅片，增大换热面积，加强冷却效果；
53.正常生产时，冷却筒体转速变频可调，控制物料在筒内停留时间15～60分钟内，从而调整排料温度。通过冷却卸料阀11排出，物料排料温度达到下一工段要求。冷却卸料阀11过流部件喷涂特氟龙涂层，防止金属摩擦引入金属异物。
54.(5)焙烧窑进出料端机械密封用气体、高温卸料阀9密封用气体、卸料阀密封用气体根据工况，分别采用纯氧、氮气或压缩空气作为密封气。冷却转筒采用纯氧、氮气或压缩空气等工艺气体作为工艺氛围。
55.焙烧和冷却两路尾气汇合，高温尾气经由冷风阀16掺入常温空气降温到150℃以下，进入布袋除尘器12，经引风机14排出车间外。布袋除尘器12收集的物料排入原料缓存仓(该仓可以设置称重传感器，精确计量进料量)，可回至焙烧环节，避免物料浪费。
56.上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。