一种锂离子电池石墨类负极材料炭化处理系统及其炭化处理工艺的制作方法

1.本发明涉及锂离子电池石墨类负极材料炭化处理技术，属于锂离子电池负极材料制造技术领域。


背景技术：

2.锂离子电池的石墨类负极材料生产过程中，为了保证石墨化工序的有效装料量以及避免喷炉等安全环保方面的原因，通常在石墨化前需对物料进行炭化处理以排出其中的挥发分。目前，锂离子电池石墨类负极材料生产的炭化工段通常采用的工艺为辊道窑/推板窑静态高温炭化，这类炭化设备的共同特点为：
3.(1)物料需要陶瓷匣钵盛放，陶瓷匣钵吸收了大量的热量，导致了能耗利用率低；
4.(2)由于采用静态烧结，传热受限，相对动态烧结而言需要更长的热处理停留时间，整体能耗较高；
5.(3)加热方式为电加热，单个设备产能小；设备数量多，投资高，占地面积大；设备连续化自动化程度低，操作环境差。
6.同时，传统的燃气外加热回转窑存在燃烧尾气排放温度高、热量利用率低的问题。虽然通过燃气燃烧尾气预热助燃空气可以部分提高热利用率，但受限于换热器效率和成本方面的原因，换热后的尾气排放温度仍然高达350-500℃，余热利用能力依旧有限。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对以上背景技术中的至少一项技术问题，提供一种锂离子电池石墨类负极材料炭化处理系统及其炭化处理工艺，以解决锂离子电池石墨类负极材料采用传统炭化方式导致能耗高、单机产能低、匣钵容器消耗量大、投资成本高和自动化程度低的问题。
8.本发明提供的方案如下：
9.一种锂离子电池石墨类负极材料炭化处理系统，包括有一高温炭化回转窑，所述高温炭化回转窑包括可转动的筒体，所述筒体一端进料、另一端出料；所述筒体包括预热段、高温加热段以及冷却段，预热段靠近进料端，冷却段靠近出料端；在预热段与高温加热段的外部设有加热体对筒体进行加热。通过采用高温炭化回转窑来对石墨类负极材料进行炭化，并将高温炭化回转窑设计成具有预热段、高温加热段以及冷却段的三段式工作模式，可以实现石墨类负极材料的流水线炭化反应，投资低产能高、自动化程度高。
10.进一步优选的，上述加热体采用蓄热式烧嘴加热，所述蓄热式烧嘴由蓄热式烧嘴切换阀控制燃烧切换。在预热段与高温加热段的外部的加热体采用蓄热式烧嘴加热，可以充分根据所需加热的温度情况进行调控，减少了耗能。
11.进一步优选的，上述高温炭化回转窑还包括窑头箱与窑尾箱，所述窑尾箱位于筒体的进料端，所述窑头箱位于筒体的出料端；所述窑头箱上连接有传质气体通入管道，所述
窑尾箱上连接有炭化烟气排出管道。通过在高温炭化回转窑设置具有传质作用的气体管路，可以实现使高温炭化回转窑内部解离出的挥发分顺利排除，进一步的加速炭化。传质气体采用氮气，既满足传质要求，有不会污染原料。
12.进一步优选的，上述炭化处理系统还包括依次连接的真空上料器、缓冲料仓、称重计量单元和螺旋给料机；螺旋给料机与所述窑尾箱连接；所述称重计量单元采用失重秤或螺杆秤；所述窑头箱后还接有一滚筒冷却机，所述滚筒冷却机采用软化循环冷却水进行冷却。
13.进一步优选的，上述筒体q235、q345、304、316l、310s或gh系列高温耐热合金材料制造。不同的筒体会对内部反应物质产生影响，采用此几类材料在对锂离子电池石墨类负极材料的炭化处理时，效果最优。
14.进一步优选的，上述冷却段布设有喷淋装置；所述冷却段还布设有一层淋水壳体。
15.进一步优选的，上述筒体的安装位置呈现进料端高而出料端低，水平倾斜角为0-3
°
。
16.基于同一技术思路，本发明还提供一种利用上述的石墨类负极材料炭化处理系统进行的炭化处理工艺，包括如下步骤：
17.(1)开启蓄热式烧嘴对高温炭化回转窑的筒体进行加热，使高温炭化回转窑的筒体的预热段、高温加热段达到预定温度；使高温炭化回转窑冷却段达到可工作状态；
18.(2)将经过包覆后的石墨类负极材料原料送入到高温炭化回转窑中；
19.(3)石墨类负极材料原料在高温炭化回转窑的筒体内部依次经过预热段、高温加热段后，再冷却降温后即到炭化的石墨类负极材料。
20.进一步优选的，通过监测蓄热式烧嘴中尾气排放温度的高低来同时控制蓄热式烧嘴切换阀的切换时间。此方法可以提高天然气在蓄热式烧嘴中燃烧的热能利用率，达到节能的目的。
21.进一步优选的，上述高温炭化回转窑的预热段温度为350-900℃；所述高温炭化回转窑的高温加热段温度为900-1200℃；所述蓄热式烧嘴切换阀的切换时间为20-180秒；所述高温炭化窑回转筒体转速为0-5rpm；石墨类负极材料在高温炭化回转炭化窑中的停留时间为60-360min。
22.进一步优选的，上述步骤(2)中将原料送入到高温炭化回转窑中时，同时通过传质气体通入管道向高温炭化回转窑中持续通入传质气体并由炭化烟气排出管道排出高温炭化回转窑中的炭化烟气。
23.进一步优选的，上述步骤(3)中的冷却降温采用一段式降温或二段式降温；所述一段式降温为利用高温炭化回转窑的筒体的冷却段直接降温到所需温度；所述二段式降温为先利用高温炭化回转窑的筒体的冷却段降温至200-300℃，后再由滚筒冷却机将降温到50-60℃。二段式降温避免了冷却段直接降温时操作时间长的问题；也避免了将炭化后的石墨类负极材料转运后再降温时容易导致石墨类负极材料被再次氧化的问题。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
25.本发明解决了锂离子电池石墨类负极材料在传统高温炭化过程中反应速率低、能耗高、停留时间长、匣钵等物料容器消耗量大的问题；加热体采用蓄热式烧嘴进行燃烧加热，大大降低了天然气燃烧尾气的排气温度，提高了热能利用率。
26.本发明通过对石墨类负极材料炭化工艺采取自动称量连续进料的方式使得整个炭化处理工艺自动化程度高，操作环境好，劳动强度低。通过分步骤降温的方式，避免了单步骤降温难以快速达到降温需要的问题；且分步骤降温的方式可以使得炭化处理工艺后的物料可以根据需要流入不同的下段处理工序，提高了炭化处理工艺在负极材料处理工艺中的工序适应性。通过在高温炭化回转窑设置具有传质作用的气体管路，可以实现使高温炭化回转窑内部解离出的挥发分顺利排除，进一步的加速炭化。通过优化加热体中的蓄热式烧嘴切换阀与高温炭化回转窑的筒体的转动速度之间的配合关系，使得在最低限度使用燃料的情况下，使高温炭化回转窑达到最优的热量利用。
27.本发明的炭化处理系统的吨炭化产品天然气消耗量≤100nm3；高温炭化回转窑生产的炭化料挥发分≤1％；本发明将具有蓄热式烧嘴的加热体外加热于高温炭化回转窑的筒体，天然气消耗相对于普通烧嘴降低30％以上。
附图说明
28.图1为本发明的锂离子电池石墨负极材料炭化处理系统的连接结构示意图。
29.其中：1、真空上料器；2、缓冲料仓；3、称重计量单元；4、螺旋给料机；5、窑尾箱；6、筒体；7、传动机构；8、加热体；9、淋水壳体；10、窑头箱；11、助燃风机；12、蓄热式烧嘴切换阀；13、蓄热式烧嘴；14、喷淋装置；15、滚筒冷却机；16、冷却水槽；17、传质气体通入管道；18、炭化烟气排出管道；a、预热段；b、高温加热段；c、冷却段。
具体实施方式
30.为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要特别说明的是，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.实施例1
32.一种锂离子电池石墨类负极材料炭化处理系统，如图1所示，包括有一高温炭化回转窑，所述高温炭化回转窑包括可转动的筒体6，传动机构7带动筒体6进行转动；所述筒体6一端进料而另一端出料；所述筒体6包括预热段a、高温加热段b以及冷却段c，预热段a靠近进料端，冷却段c靠近出料端；在预热段a与高温加热段b的外部设有加热体8对筒体6进行加热。
33.在本实施例中，所述加热体8采用蓄热式烧嘴13成对使用并由蓄热式烧嘴切换阀12控制燃烧切换；所述蓄热式烧嘴切换阀的切换时间为30秒。加热体8采用天燃气和空气混合燃烧的方式提供热量；助燃风机11为加热体8中的蓄热式烧嘴13提供送风。
34.在本实施例中，所述冷却段c上布设有喷淋装置14。炭化处理系统还设置有冷却水
槽16用于回收冷却段c的冷却水，冷却段c的冷却水采用一般循环冷却水，回收的冷却水再由冷却水回水泵泵入喷淋装置14，实现水资源的循环利用。所述筒体6的冷却段c还布设有一层淋水壳体9。淋水壳体9包裹住冷却段c，使得喷淋装置14在淋水壳体9内部对冷却段c进行冷却，既保证了冷却水的充分传热，又使得冷却过程不至于水流不可控而影响工作环境。
35.在本实施例中，所述筒体6的安装位置呈现进料端高而出料端低，水平倾斜角为0-3
°
。通过设计筒体6的安装位置呈水平倾斜角度0-3
°
，便于物料在筒体6内部以合理的速度自动的向前转进。使得物料在筒体6中的停留时间得以保持为60-360min。
36.在本实施例中，所述高温炭化回转窑还包括窑头箱10与窑尾箱5，所述窑尾箱5位于筒体6的进料端并且进料口设置在窑尾箱5上，所述窑头箱10位于筒体6的出料端并且出料口设置在窑头箱10上；所述窑头箱10上连接有传质气体通入管道17，所述窑尾箱5上连接有炭化烟气排出管道18。所述传质气体为氮气，主要作用是使高温炭化回转窑内部解离出的挥发分顺利排除。
37.在本实施例中，所述窑头箱10后还接有一滚筒冷却机15，所述滚筒冷却机15采用软化循环冷却水进行冷却，所述喷淋装置14采用一般循环冷却水进行冷却。
38.在本实施例中，炭化处理系统还包括依次连接的真空上料器1、缓冲料仓2、称重计量单元3和螺旋给料机4；螺旋给料机4与所述窑尾箱5连接。通过设置此类称重供料装置，使得系统中的给料也可以精确控制，并可以根据实际炭化工作情况控制进料量。
39.在本实施例中，所述称重计量单元3采用失重秤或螺杆秤。
40.在本实施例中，所述筒体6采用q235、q345、304、316l、310s或gh系列高温耐热合金材料制造。采用此种特别的制造材料是由于不同的处理物料在高温下可以高温炭化回转窑的筒体产生反应；而采用此种材料制造成的高温炭化回转窑的筒体在进行锂离子电池石墨类负极材料的炭化处理具有较好的稳定性。
41.实施例2
42.一种利用实施例1中锂离子电池石墨类负极材料炭化处理系统进行的炭化处理工艺；包括如下步骤：
43.(1)开启加热体8对高温炭化回转窑的筒体6进行加热并同时开启冷却段c的喷淋装置14，使高温炭化回转窑的筒体6的预热段a、高温加热段b达到可炭化温度；使高温炭化回转窑冷却段c达到可工作状态。
44.(2)将真空上料器1中的石墨类负极材料经缓冲料仓2，再通过称重计量单元3称重后，按照450kg/h的量通过螺旋给料机4连续由窑尾箱5进料送入到规格为φ1500
×
25000mm的高温炭化回转窑中。
45.(3)石墨类负极材料在高温炭化回转窑的筒体6内部依次经过预热段a、高温加热段b和冷却段c后完成炭化处理和初步降温。加热体8中的蓄热式烧嘴切换阀12控制蓄热式烧嘴13的切换时间为40-150秒，使得高温炭化回转窑的预热段a温度维持为350-900℃，高温炭化回转窑的高温加热段b温度维持为950-980℃。根据前述温度，由传动机构7带动高温炭化窑回转筒体6按照转速为0-5rpm转动，石墨类负极材在高温炭化回转炭化窑中的停留时间为60-360min。冷却段c将物料温度降低到200-300℃。而后炭化后的石墨类负极材料由经窑头箱10送入到滚筒冷却机15进行深度冷却到60℃以下后得到适合进行下一步处理工艺的石墨类负极材料物料。
46.在本实施例中，置有冷却水槽16用于回收冷却段c的冷却水，回收的冷却水再由冷却水回水泵泵入喷淋装置14，实现水资源的循环利用。所述筒体6的冷却段c还布设有一层淋水壳体9。淋水壳体9包裹住冷却段c，使得喷淋装置14在淋水壳体9内部对冷却段c进行冷却，既保证了冷却水的充分传热，又使得冷却过程不至于水流不可控而影响工作环境。
47.在本实施例中，采用氮气作为石墨类负极材炭化时的传质气体，使石墨类负极材炭化时脱出的挥发分被带走。氮气由窑头箱10上连接的传质气体通入管道17进入高温炭化回转窑的筒体6内部，由窑尾箱5上连接炭化烟气排出管道18排出。
48.本实施例的吨炭化处理产品天然气消耗量为100m3，普通烧嘴的吨炭化处理产品天然气消耗量为200m3；因而本实施例中采用蓄热式烧嘴加热体外加热高温炭化回转窑的筒体，天然气消耗相对于普通烧嘴降低50％。经检测，经炭化处理工艺后的物料的挥发分含量≤0.8％，振实密度≥0.8％。
49.实施例3
50.一种利用实施例1中锂离子电池石墨类负极材料炭化处理系统进行的炭化处理工艺；包括如下步骤：
51.(1)开启加热体8对高温炭化回转窑的筒体6进行加热并同时开启冷却段c的喷淋装置14，使高温炭化回转窑的筒体6的预热段a、高温加热段b达到可炭化温度；使高温炭化回转窑冷却段c达到可工作状态。
52.(2)将真空上料器1中的石墨类负极材料经缓冲料仓2，再通过称重计量单元3称重后，按照650kg/h的量通过螺旋给料机4连续由窑尾箱5进料送入到规格为φ1500
×
25000mm的高温炭化回转窑中。
53.(3)石墨类负极材料在高温炭化回转窑的筒体6内部依次经过预热段a、高温加热段b和冷却段c后完成炭化处理和初步降温。加热体8中的蓄热式烧嘴切换阀12控制蓄热式烧嘴13的切换时间为40-150秒，使得高温炭化回转窑的预热段a温度维持为350-900℃，高温炭化回转窑的高温加热段b温度维持为950-980℃。根据前述温度，由传动机构7带动高温炭化窑回转筒体6按照转速为0-5rpm转动，石墨类负极材在高温炭化回转炭化窑中的停留时间为60-360min。冷却段c将物料温度降低到200-300℃。而后炭化后的石墨类负极材料由经窑头箱10送入到滚筒冷却机15进行深度冷却到60℃以下后得到适合进行下一步处理工艺的石墨类负极材料物料。
54.在本实施例中，置有冷却水槽16用于回收冷却段c的冷却水，冷却段c的冷却水采用一般循环冷却水，回收的冷却水再由冷却水回水泵泵入喷淋装置14，实现水资源的循环利用。所述筒体6的冷却段c还布设有一层淋水壳体9。淋水壳体9包裹住冷却段c，使得喷淋装置14在淋水壳体9内部对冷却段c进行冷却，既保证了冷却水的充分传热，又使得冷却过程不至于水流不可控而影响工作环境。
55.在本实施例中，采用氮气作为石墨类负极材炭化时的传质气体，使石墨类负极材炭化时脱出的挥发分被带走。氮气由窑头箱10上连接的传质气体通入管道17进入高温炭化回转窑的筒体6内部，由窑尾箱5上连接炭化烟气排出管道18排出。
56.本实施例的吨炭化处理产品天然气消耗量为100m3，普通烧嘴的吨炭化处理产品天然气消耗量为200m3；因而本实施例中采用蓄热式烧嘴加热体外加热高温炭化回转窑的筒体，天然气消耗相对于普通烧嘴降低50％。经检测，经炭化处理工艺后的物料的挥发分含
量≤0.8％，振实密度≥0.8％。
57.上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。