CN111573663A - 一种用于电池负极材料的连续冶炼装置以及冶炼方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于电池负极材料的连续冶炼装置以及冶炼方法，包括：两组并排设置的冶炼装置；每组冶炼装置均包括：并排设置有至少两个炉体以及用于交替密封至少两个炉体其中一个炉体的炉盖；至少两个炉体之间连接有一个换热冷却装置；还包括有用于将密封的炉体内部高温汽体送至一个换热冷却装置进行冷却的抽真空装置，且一个换热冷却装置的低温排放端输送至密封的炉体的底部排放降温。本发明中的两个炉体之间共用一套换热冷却装置和抽真空装置，增加提纯度以及降低冷却时长。此外，四个炉体交替进行装料、加热冶炼、冷却降温以及取料工序，使冶炼过程连续且有序进行，加快生产效率。
Description
技术领域：
本发明涉及电池负极材料冶炼技术领域，特别涉及一种用于电池负极材料的连续冶炼装置以及冶炼方法。
背景技术：
锂离子电池具有较高的理论比容量、较长的循环寿命和安全性高等优点，是近年来新能源研究的热点。锂离子电池在充放电的过程中，Li+在正极和负极之间往返嵌入和脱嵌。因此，负极材料的选择对锂离子电池的容量起着至关重要的作用。目前锂离子的负极材料主要选择碳材料、硅材料以及金属或者合金材料，碳材料原料易得、理论容量高，并且可以提供足够的储锂空间，目前商业化的锂离子电池优选采用碳材料作为锂离子电池的负极。
锂离子电池负极的碳材料通常选择天然石墨和人造石墨。但对电池负极材料制备过程中，采用高温在常压状态下进行冶炼提纯，致使电池负极材料中的杂质不易于分解蒸发；并且在冶炼过程中，装料、加热冶炼、冷却降温以及取料在同一炉中进行，致使生产效率低下，并且每个炉体均装配一套冷却系统，造成设备成本的增加。
发明内容：
鉴于此，有必要设计一种用于电池负极材料的连续冶炼装置以及冶炼方法使电池负极材料在冶炼过程中有序进行，加快生产效率。
一种用于电池负极材料的连续冶炼装置，其特征在于，包括：两组并排设置的冶炼装置；
每组冶炼装置均包括：并排设置有至少两个炉体以及用于交替密封所述至少两个炉体其中一个炉体的炉盖；所述至少两个炉体之间连接有一个换热冷却装置；还包括有用于将密封的炉体内部高温汽体送至所述一个换热冷却装置进行冷却的抽真空装置，且所述一个换热冷却装置的低温排放端输送至所述密封的炉体的底部排放降温。
优选的，每组冶炼装置的炉体个数为两个。
优选的，每个炉体均包括有顶部开口的密闭炉壳，所述炉盖可拆卸的连接所述密闭炉壳并密封所述开口。
优选的，所述炉体的内部设置有用于装载电池负极材料的导电加热装置，且所述炉体内部设置有用于包裹所述导电加热装置的保温层，位于下层的保温层的底部设置有连接所述一个换热冷却装置的低温排放端的多条进汽管路。
优选的，所述多条进汽管路与所述下层的保温层之间设置有透气砂石层。
优选的，所述导电加热装置包括：设置在所述密闭炉壳内部的多个石墨坩埚，且所述密闭炉壳的内部两端均设置有与多个所述石墨坩埚电性连接的炉头，两端的炉头一一对应装配有正极导电端和负极导电端，且所述正极导电端和所述负极导电端均对应连接有延伸至所述密闭炉壳外部的导电铜排。
优选的，每个换热冷却装置均包括：换热器；同一组的两个炉体均通过第一分叉管与所述换热器的管程一侧连接，且所述第一分叉管上装配有第一转换阀；所述换热器的管程另一侧与所述抽真空装置连接；所述换热器的底部设置有与所述换热器的壳程连通的供冷却水管，所述换热器的顶部设置有与所述换热器的壳程连通的排热水管。
优选的，每个抽真空装置均包括：罗茨风机；所述罗茨风机的抽风端连接所述换热器的管程，所述罗茨风机的排风端连接有折弯管，所述折弯管上连接有燃气排放阀，且所述折弯管远离所述罗茨风机的一端通过第二分叉管与同一组的两个炉体的多条管路连接，所述第二分叉管上装配有第二转换阀。
本发明中，通过真空冶炼电池负极材料，使杂质充分分解蒸发；设有的保温层，能够保证热场不外漏，并且防止空气氧化高温的石墨坩埚；同时通过设有的换热冷却装置降低冷却时间，加快生产效率；并对冶炼过程中产生的热能以及废气进行充分利用；且同一组冶炼装置中采用一套换热冷却装置和抽真空装置，降低设备成本。
一种用于电池负极材料的连续冶炼方法，所述方法应用如权利要求1-8任意一项的组冶炼装置，
所述方法包括：四个炉体分别对装进各自炉体内的料进行加工，四个炉体的加工时序步骤满足：在一组冶炼装置中，一个炉体进行装料，另一炉体已完整装料并进行加热冶炼；在另一组炉体中，一个炉体对加工完的料进行冷却降温，另一个炉体进行冷却降温后的料进行取料；且四个炉体交替进行上述的时序步骤。
优选的，所述方法还包括：在进行加热冶炼以及进行冷却降温的两个炉体分别位于两个冶炼装置中进行。
本发明中采用四个炉体对装料、加热冶炼、冷却降温以及取料工序进行同步有序运行，加快生产效率。
附图说明：
附图1是本发明中的用于电池负极材料的冶炼装置的结构示意图。
附图2是本发明中炉体的结构示意图。
附图3是本发明中导电加热装置的结构示意图。
附图4是本发明用于电池负极材料的连续冶炼方法的一种状态示意图。
附图5是本发明用于电池负极材料的连续冶炼方法的另一种状态示意图。
图中：第一炉体-10A、第二炉体-10B、第三炉体-10C、第四炉体-10D、密闭炉壳-11、供冷却水管-12、导电加热装置-13、第一炉头-131A、第二炉头-131B、火墙-132、石墨坩埚-133、保温层-14、正极导电端-15A、负极导电端-15B、导电铜排-16、冷却水套-17、进汽管路-18、透气砂石层-19；
第一炉盖-20A、第二炉盖-20B、安全阀-21；
第一运行装置-30A、第二运行装置-30B、换热器-31、罗茨风机-32排热水管-33、常闭排气阀-34、折弯管-35、第一叉管-36A、第二叉管-36B、燃气排放管-37、开关阀-371、第三叉管-38A、第四叉管-38B、第一转换阀-381A、第二转换阀-381B。
具体实施方式：
一并参考图1-图2所示，一种用于电池负极材料的连续冶炼装置，包括：两组并排设置的冶炼装置；每组冶炼装置均包含有两个炉体，从而该实施例中由四个炉体连续运行；该每个炉体均包括有顶部开口的密闭炉壳11，炉盖可拆卸的连接密闭炉壳11并密封开口。在炉盖开启时完成装料以及取料工序，在炉盖盖合密封炉体时，对炉体内部进行加热冶炼以及降温冷却工序。
此外，在对电池负极材料进行高温提纯时，本实施例中采用导电加热装置13对电池负极材料进行高温加热。具体的，导电加热装置13包括：多个依次紧密排列的石墨坩埚133，任意相邻的两个石墨坩埚133之间具有导电性。如图2中所示，密闭炉壳11的长度为30m左右，并在密闭炉壳11的内部砌有长方形的火墙132，火墙132的长度为27m左右，宽度为2.5m左右，高度为2.6m左右。每个石墨坩埚133均装配有锅盖，在石墨坩埚133的内部承载电池负极材料。石墨坩埚133为圆柱形锅体，其直径为0.5m左右，高度为1.3m左右。上述描述中可以看出，石墨坩埚133在密闭炉壳11内部可层叠设置有两层，并且单层可紧密接触放置有270个石墨坩埚133，整体密闭炉壳11内部可放置540个，在任意相邻的石墨坩埚133之间的间隙中撒入石墨粉，使多个石墨坩埚133之间具有导电性，从而对内部的电池负极材料进行通电加热，多个分体加热的石墨坩埚133对内部的电池负极材料加热更加均匀。
继续参阅图2，在具体对多个石墨坩埚133进行通导电能时，密闭炉壳11的内部两端均设置有与多个石墨坩埚133电性连接的炉头。此处为了方便理解，将左端炉头分为第一炉头131A，在第一炉头131A上装配正极导电端15A；右端的炉头分为第二炉头131B，在第二炉头131B上装配有负极导电端15B。正极导电端15A和负极导电端15B均连接有延伸至密闭炉壳11外部的导电铜排16，并在导电铜排16与对应的电极连接处设置有冷却水套17，该冷却水套内部循环有冷却介质，从而防止因连接处温度较高造成的烧损。正极导电端15A和负极导电端15B与外界380伏高压电路电性连接，正极导电端15A和负极导电端15B均采用石墨块与多个石墨坩埚133进行导电连接。
在多个石墨坩埚133通电加热后，为了防止多个石墨坩埚133的热场外漏，在密闭炉壳11的内部设置有用于包裹多个石墨坩埚133的保温层14。该保温层14厚度在1m左右，能够避免热能外漏以及隔绝空气氧化高温的石墨坩埚133。并且保温层14优选石油焦、煤料中的任意一种材料，从而在保温层14受热后产生CH4、C2H4以及其他焦油蒸汽。本实施例中对产生的可燃性气体进行回收进行燃烧发电等再利用。
在石墨坩埚133内部的电池负极材料提纯后，现有的自然冷却耗时较长，致使生产效率的低下。为此，本实施例中采用在冶炼完成后采用保温层14产生的乏汽进行冷却，冷却后的汽体重新注入密闭炉壳11的下部进行排放。具体的，在位于下层的保温层14的底部均匀设置有多条进汽管路18，并且多条进汽管路18与下层的保温层14之间设置有透气砂石层19。从而在对乏汽冷却后通过多条进汽管路18排放至密闭炉壳11的内部，对保温层14以及多个石墨坩埚133进行冷却降温，加快出炉进程，提高生产效率。
继续参阅图3，本申请实施例中位于同一组的冶炼装置的两个炉体之间共用一组运行装置进行冷却降温以及抽真空。具体的，在对密闭炉体内部的热汽进行回收再利用以及对乏汽冷却回用至炉体内部降温时；本实施例中还包括有换热冷却装置以及抽真空装置；每个换热冷却装置均包括：换热器31；同一组的两个炉体均通过第一分叉管与换热器31的管程一侧连接，且第一分叉管上装配有第一转换阀381A(第一转换阀381A部分被遮挡，未示出)；第一分叉管的第一叉管36A连接同一组的其中一个炉体的热汽排放端，第一分叉管的第二叉管36B连接同一组的另一个炉体的热汽排放端，通过打开不同叉管上的转换阀，使同一组的其中一个炉体的热汽排放至换热器31内部。
换热器31的管程另一侧与抽真空装置连接；换热器31的底部设置有与换热器31的壳程连通的供冷却水管12，换热器31的顶部设置有与换热器31的壳程连通的排热水管33。换热器31中的壳程中的冷却水与高温的乏汽换热接触后升温，加热后的水介质由排热水管33排至工厂中的采暖设备中再利用。
此外，每个抽真空装置均包括：罗茨风机32；罗茨风机32的抽风端连接换热器31的管程，罗茨风机32的排风端连接有折弯管35，折弯管35上连接有燃气排放阀，燃气排放阀包括连通折弯管35的燃气排放管37以及装配在燃气排放管37上的开关阀371；且折弯管35远离罗茨风机32的一端通过第二分叉管与同一组的两个炉体的多条管路连接，第二分叉管上装配有第二转换阀381B。在炉体内部通电冶炼过程中，保温层14产生的可燃性气体，通过打开开关阀371使可燃性气体由燃气排放管37内输送再利用。在对炉体内部的乏汽进行冷却回用使，第二分叉管的第三叉管38A连接同一组冶炼装置的其中一个炉体的多条进汽管路18，第二分叉管的第四叉管38B连接同一组冶炼装置的另外一个炉体的多条进汽管路18；第二转换阀381B包括，设置在第三叉管38A上的第一转换阀381A以及设置在第四叉管38B上的第二转换阀381B；从而通过打来不同的转换阀，使冷却后的气体进入对应炉体内部进行降温，缩短冷却时间。第一分叉管和第二分叉管均为三通管，且结构相同，对同一侧的管路进行通导以及关闭。此外，为了保证炉体在初始加热冶炼过程中的真空度，在换热器31的管程的任意一侧设置有常闭排气阀34。通过打开常闭排气阀34，启动氮气机组，将氮气注入密封炉体内部，常闭排气阀34将炉体内部的空气排出，使密封炉体内部真空后加热冶炼，有效提高电池负极材料的冶炼纯度。
继续参阅图4以及图5，本申请实施例中还包括一种用于电池负极材料的连续冶炼方法，
方法包括：分属于两组冶炼装置的四个炉体，四个炉体分别对装进各自炉体内的料进行加工，四个炉体分别为第一炉体10A、第二炉体10B为一组冶炼装置；第三炉体10C和第四炉体10D为另一组冶炼装置；其中，第一炉体10A和第二炉体10B之间连接有用于抽真空以及冷却降温气体的第一运行装置30A，第三炉体10C和第四炉体10D之间连接有用于抽真空以及冷却降温气体的第二运行装置30B；第一运行装置30A和第二运行装置30B均包含有一套换热冷却装置和一套抽真空装置，从而降低设备制造成本。并且第一炉体10A和第二炉体10B之间交替使用第一炉盖20A，第三炉体10C和第四炉体10D交替使用第二炉盖20B，在第一炉盖20A和第二炉盖20B上均设置有用于安全阀21，防止对应的炉体内部压力过大时进行排除压力，并且在安全阀21的两侧设置有吊装环，从而方便移动第一炉盖20A和第二炉盖20B密封不同的炉体。
四个炉体的加工时序步骤满足：在一组冶炼装置中，一个炉体进行装料，另一炉体已完整装料并进行加热冶炼；在另一组炉体中，一个炉体对加工完的料进行冷却降温，另一个炉体进行冷却降温后的料进行取料；且四个炉体交替进行上述的时序步骤。
方法还包括：在进行加热冶炼以及进行冷却降温的两个炉体分别位于两个冶炼装置中进行。如图4以及图5中所示，加热冶炼以及冷却降温两个工序的运行工位可间隔运行、相近并排运行或相互远离运行。
本发明中，通过真空冶炼电池负极材料，使杂质充分分解蒸发；设有的保温层14，能够保证热场不外漏，并且防止空气氧化高温的石墨坩埚133；同时通过设有的换热冷却装置降低冷却时间，加快生产效率；并对冶炼过程中产生的热能以及废气进行充分利用；且同一组冶炼装置中采用一套换热冷却装置和抽真空装置，降低设备成本。并且采用四个炉体对装料、加热冶炼、冷却降温以及取料工序进行同步有序运行，提高生产效率。
Claims (10)
1.一种用于电池负极材料的连续冶炼装置，其特征在于，包括：两组并排设置的冶炼装置；
每组冶炼装置均包括：并排设置有至少两个炉体以及用于交替密封所述至少两个炉体其中一个炉体的炉盖；所述至少两个炉体之间连接有一个换热冷却装置；还包括有用于将密封的炉体内部高温汽体送至所述一个换热冷却装置进行冷却的抽真空装置，且所述一个换热冷却装置的低温排放端输送至所述密封的炉体的底部排放降温。
2.如权利要求1所述的用于电池负极材料的连续冶炼装置，其特征在于，每组冶炼装置的炉体个数为两个。
3.如权利要求2所述的用于电池负极材料的连续冶炼装置，其特征在于，每个炉体均包括有顶部开口的密闭炉壳，所述炉盖可拆卸的连接所述密闭炉壳并密封所述开口。
4.如权利要求2所述的用于电池负极材料的连续冶炼装置，其特征在于，所述炉体的内部设置有用于装载电池负极材料的导电加热装置，且所述炉体内部设置有用于包裹所述导电加热装置的保温层，位于下层的保温层的底部设置有连接所述一个换热冷却装置的低温排放端的多条进汽管路。
5.如权利要求4所述的用于电池负极材料的连续冶炼装置，其特征在于，所述多条进汽管路与所述下层的保温层之间设置有透气砂石层。
6.如权利要求5所述的用于电池负极材料的连续冶炼装置，其特征在于，所述导电加热装置包括：设置在所述密闭炉壳内部的多个石墨坩埚，且所述密闭炉壳的内部两端均设置有与多个所述石墨坩埚电性连接的炉头，两端的炉头一一对应装配有正极导电端和负极导电端，且所述正极导电端和所述负极导电端均对应连接有延伸至所述密闭炉壳外部的导电铜排。
7.如权利要求6所述的用于电池负极材料的连续冶炼装置，其特征在于，每个换热冷却装置均包括：换热器；同一组的两个炉体均通过第一分叉管与所述换热器的管程一侧连接，且所述第一分叉管上装配有第一转换阀；所述换热器的管程另一侧与所述抽真空装置连接；所述换热器的底部设置有与所述换热器的壳程连通的供冷却水管，所述换热器的顶部设置有与所述换热器的壳程连通的排热水管。
8.如权利要求7所述的用于电池负极材料的连续冶炼装置，其特征在于，每个抽真空装置均包括：罗茨风机；所述罗茨风机的抽风端连接所述换热器的管程，所述罗茨风机的排风端连接有折弯管，所述折弯管上连接有燃气排放阀，且所述折弯管远离所述罗茨风机的一端通过第二分叉管与同一组的两个炉体的多条管路连接，所述第二分叉管上装配有第二转换阀。
9.一种用于电池负极材料的连续冶炼方法，其特征在于，所述方法应用如权利要求1-8任意一项的两组冶炼装置，
所述方法包括：
四个炉体分别对装进各自炉体内的料进行加工，四个炉体的加工时序步骤满足：在一组冶炼装置中，一个炉体进行装料，另一炉体已完整装料并进行加热冶炼；在另一组炉体中，一个炉体对加工完的料进行冷却降温，另一个炉体进行冷却降温后的料进行取料；
且四个炉体交替进行上述的时序步骤。
10.如权利要求9所述的一种用于电池负极材料的连续冶炼方法，其特征在于，所述方法还包括：
在进行加热冶炼以及进行冷却降温的两个炉体分别位于两个冶炼装置中进行。
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