CN220531541U - 一种稳定生产硅碳材料的流化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种稳定生产硅碳材料的流化系统，涉及流化装置的技术领域，包括流化床体、除尘筒和尾气处理装置，流化床体的底部设置有气体分布器和进气管、上方设置有进料口，气体分布器能够使气流分布均匀，流化床体的出气口依次与除尘筒和尾气处理装置连通，除尘筒上方连接有负压风机、下方连接有收料筒。本实用新型通过气体分布器可以把气体流速降低然后均匀分散到主炉体内的浓相段和分离段中，工艺气体和物料颗粒接触更加充分，提高沉积效率；尾气处理装置把尾气进行处理达到要求后进行排放，绿色环保。

Description

一种稳定生产硅碳材料的流化系统

技术领域

本实用新型涉及流化装置的技术领域，特别是涉及一种稳定生产硅碳材料的流化系统。

背景技术

硅负极材料由于其较高的理论容量(4200mAh/g)、较低放电平台以及储量丰富等优势，成为当前最有可能替代传统石墨负极材料的新一代负极材料。

锂离子电池由于具有能量密度高，效率好等优点广泛应用于便携式设备，对电动汽车具有重要的意义。石墨被用作阳极的活性材料，主要是由于其对Li+摄取和释放具有较高的可逆性，具有良好的循环稳定性。对于锂电池来说，提高能量密度是非常重要的，比如提高电动汽车的行驶里程。作为阳极，许多其他材料，如硅和锡，都显示出明显高于石墨的重量和体积能量密度，但这些材料的整体实现仍然具有挑战性。Si作为活性材料面临的主要挑战是锂离子插入过程中体积变化大，高达300％，导致颗粒粉碎和固体电解质界面相(SEI)层的持续增长，导致电解液和活性锂的持续消耗，以及其较差的电学性能。因此，由石墨和少量硅(或氧化硅)组成的复合阳极已被认为是一个有利的选择:石墨可以缓冲硅的体积变化，提供一个高导电的基体，而硅可以增加容量。

电极材料的性能不仅取决于其化学成分，还取决于其颗粒微观结构。合成方法的选择是制造商用电极材料的关键。Si/C复合材料的合成或成型途径一般为CVD(ChemicalVaporDeposition)回转炉、固定床、移动床、流化床、沸腾床，气相沉积的挑战主要是气固边界(即实现足够的气固接触以促进CVD反应)、多孔支架中的传热(即达到足够的温度水平和均匀性以促进CVD反应)。现有的流化装置多为单一进气口，进气量集中且流速分布不均匀，容易产生气泡，增加耗气量的同时使反应不均匀。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种稳定生产硅碳材料的流化系统，以解决上述现有技术存在的问题，使硅碳材料能够稳定生产，沉积效率提高。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

本实用新型提供了一种稳定生产硅碳材料的流化系统，包括流化床体、除尘筒和尾气处理装置，所述流化床体的底部设置有气体分布器和进气管、上方设置有进料口，所述气体分布器能够使气流分布均匀，所述流化床体的出气口依次与所述除尘筒和所述尾气处理装置连通，所述除尘筒上方连接有负压风机、下方连接有收料筒。

优选的，所述流化床体包括由下至上依次连通设置的浓相段、分离段和扩散段，所述浓相段的下端设置有锥斗且锥斗上设置有所述进气管，所述分离段上设置有加热装置和保温套，所述扩散段的内径逐渐变大且顶部设置有所述进料口。

优选的，所述浓相段、所述分离段和所述扩散段上分别设置有一热电偶和一压力表。

优选的，所述浓相段下端的锥斗上连接有一进气腔，所述进气腔与所述锥斗的底面之间设置有所述气体分布器，所述进气腔上设置有所述进气管。

优选的，所述进气管包括工艺气进气管和保护气进气管，所述保护气进气管与所述进气腔连通，所述工艺气进气管对称设置于所述锥斗的两侧，所述所述工艺气进气管倾斜向下设置且与所述气体分布器上表面呈100°-160°。

优选的，所述工艺气进气管连通有硅源气体或者碳源气体，所述硅源气体包括硅烷、二硅烷、二氯硅烷、三氯氢硅、四氯硅烷、二溴硅烷、三溴硅烷和四溴硅烷中的至少一种；所述碳源气体包括甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔、气态的苯、气态的甲苯、气态的二甲苯、气态乙醇和气态丙酮中的至少一种；所述保护气进气管连通有保护气体，所述保护气体包括氮气和惰性气体。

优选的，所述流化床体与所述除尘筒之间设置有旋风分离器，所述旋风分离器的上端通过管路与所述扩散段连通、下端通过一段弧形的回料管与所述浓相段连通，所述旋风分离器的排气口与所述除尘筒的进气口连通。

优选的，所述气体分布器包括支撑板和进气帽，所述支撑板水平连接于所述流化床体的内腔中，所述支撑板上均布有若干个通孔，所述进气帽包括中心管和伞帽，所述中心管插接于所述通孔内，所述伞帽设置于所述中心管的顶部，所述伞帽的下表面沿周向均布有若干个气孔，所述气孔与所述中心管连通。

优选的，所述除尘筒上依次连接有负压风机和排气管，所述除尘筒内部设置有若干个除尘布袋，所述除尘筒的上端设置有反冲机构和出气管、下端连接有所述收料筒；所述反冲机构包括反冲管和气包，所述反冲管上设置于所述除尘筒的顶盖上，所述反冲管的端部通过电磁脉冲阀与所述气包连通，所述反冲管设置有与所述除尘布袋端口相对应的出气口。

优选的，所述尾气处理装置包括依次连接的中和水箱和燃烧筒，所述燃烧筒上设置有排气烟道。

本实用新型相对于现有技术取得了以下技术效果：

本实用新型通过气体分布器可以把气体流速降低然后均匀分散到主炉体内的浓相段和分离段中，工艺气体和物料颗粒均匀分布且接触更加充分，提高沉积效率；尾气处理装置把尾气进行处理达到要求后进行排放，绿色环保。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例中稳定生产硅碳材料的流化系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中流化床体和旋风分离器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中除尘筒和尾气处理装置的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中气体分布器的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中气体分布器的侧视图；

图6为本实用新型实施例中进气帽的结构示意图；

其中：1-浓相段，2-分离段，3-扩散段，4-工艺气进气管，5-保护气进气管，6-进气腔，7-气体分布器，8-除尘筒，9-旋风分离器，10-负压风机，11-除尘布袋，12-反冲管，13-收料筒，14-中和水箱，15-燃烧筒，16-加热装置，17-保温套，18-进料口，19-管路，20-热电偶，21-压力表，22-电磁脉冲阀，23-气包，24-排气烟道，25-中心管，26-气孔，27-伞帽，28-支撑板，29-回料管，30-排气管。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种稳定生产硅碳材料的流化系统，以解决现有技术存在的问题，使硅碳材料能够稳定生产，沉积效率提高。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1至图6所示：本实施例提供了一种稳定生产硅碳材料的流化系统，包括流化床体、除尘筒8和尾气处理装置，流化床体的底部设置有气体分布器7和进气管、上方设置有进料口18，气体分布器7能够使气流分布均匀，流化床体的出气口依次与除尘筒8和尾气处理装置连通，除尘筒8上方连接有负压风机10、下方连接有收料筒13。

作为优选方案，本实施例中流化床体包括由下至上依次连通设置的浓相段1、分离段2和扩散段3，浓相段1的下端设置有锥斗且锥斗上设置有进气管，分离段2上设置有加热装置16和保温套17，扩散段3的内径逐渐变大且顶部设置有进料口18。工艺气会在分离段2中和物料充分接触，分离段2外缠绕有电阻丝作为加热装置16，最外层有保温材料的保温套17，通过使用电加热的方式为分离段2进行加热，使工艺气体达到分解温度分解进入物料中。浓相段1、分离段2和扩散段3上分别设置有一热电偶20和一压力表21，分别测量不同段区的温度和压力，根据其压力和温度显示的变化进行气体流量或流速的调节。

作为优选方案，本实施例中浓相段1下端的锥斗上连接有一进气腔6，进气腔6与锥斗的底面之间设置有气体分布器7，进气腔6上设置有进气管。进气管包括工艺气进气管4和保护气进气管5，保护气进气管5与进气腔6连通，工艺气进气管4对称设置于锥斗的两侧，工艺气进气管4倾斜向下设置且与气体分布器7上表面呈100°-160°。物料从顶部加入，保护气体和工艺气体通过不同角度进气，由于工艺气体的进气量小于保护气体的进气量，故将保护气进气管5设置于气体分布器7的下方，可把高压高速惰性气体均匀分布到浓相段1，待其均布后加入工艺气体，可避免工艺气体被集中吹散、分布不均，工艺气进气管4倾斜向下设置，可在气体分布器7上与惰性气体进行混合分散均匀，使进气在气体分布器7表面反弹、均匀分布，同时可以防止物料粉尘因重力落入到气体管道中，而导致气路堵塞。其中流化床体由不锈钢材质焊接制成。

作为优选方案，本实施例中工艺气进气管4连通有硅源气体或者碳源气体，硅源气体包括硅烷、二硅烷、二氯硅烷、三氯氢硅、四氯硅烷、二溴硅烷、三溴硅烷和四溴硅烷中的至少一种；碳源气体包括甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔、气态的苯、气态的甲苯、气态的二甲苯、气态乙醇和气态丙酮中的至少一种；保护气进气管5连通有保护气体，保护气体包括氮气和惰性气体。

作为优选方案，本实施例中流化床体与除尘筒8之间设置有旋风分离器9，旋风分离器9内有多个导流板，旋风分离器9的上端通过管路19与扩散段3连通、下端通过一段弧形的回料管29与浓相段1连通，在旋风分离器9上形成上进下出的循环气路，弧形的回料管29不积料、便于回收物料，旋风分离器9的排气口与除尘筒8的进气口连通。本实施例在反应过程中，流化床体内的部分细粉会通过旋风分离器9进行固气分离，把细粉通过锥形口经过回料管29把细粉重新返回到主床体内，从而减少物料的损失，提高物料的收率。

作为优选方案，本实施例中气体分布器7包括支撑板28和进气帽，支撑板28水平连接于流化床体的内腔中，支撑板28上均布有若干个通孔，进气帽包括中心管25和伞帽27，中心管25插接于通孔内，伞帽27设置于中心管25的顶部，伞帽27的下表面沿周向均布有若干个气孔26，气孔26与中心管25连通。本实施例的气体分布器7可以把高流速的气流均匀分散，使气流达到临界流化速度，将物料形成乳化相流动，改善或减小气泡形成。其中，气体分布器7由多个进气帽组成，进气帽为中空蘑菇形，底部为中空管、顶部为半圆形缓冲区，可有效降低气流流速，伞部均匀分布了多个向下的细孔，把气体进行均匀分布向下排出，气体经过中间的分布板使气体在分布板形成一层均匀的气膜，气体均匀地和物料进行接触，这样就可以通过较小的流速和气体流量达到物料的乳化相(也称颗粒相或密相)流动，减少了气体的气泡相(也称稀相)的形成，增大了固气间的接触，使反应更加均匀。

作为优选方案，本实施例中除尘筒8上依次连接有负压风机10和排气管30，除尘筒8内部设置有若干个除尘布袋11，除尘筒8的上端设置有反冲机构和出气管、下端连接有收料筒13。反冲机构包括反冲管12和气包23，反冲管12上设置于除尘筒8的顶盖上，反冲管12的端部通过电磁脉冲阀22与气包23连通，气包23中存储有高压气体，反冲管12设置有与除尘布袋11端口相对应的出气口。反应过程中，部分物料也会进入除尘筒8内，因此，反应结束后，应先通过反冲管12对除尘布袋11进行反吹振打，将废料进行收集，然后更换收料筒13进行收料。收料时，开启负压风机10把流化床内物料通过负压抽出到除尘筒8内腔，物料通过除尘布袋11进行过滤，可用高压气体通过反冲管12对除尘布袋11进行振打，使物料下落到收料筒13中进行收集。

作为优选方案，本实施例中尾气处理装置包括依次连接的中和水箱14和燃烧筒15，燃烧筒15上设置有排气烟道24。本实施例中的中和水箱14使用的是碱液，中和水箱14的进气管伸入液面下，出气管在顶部，对尾气进行中和过滤。中和后的尾气进入燃烧筒15中燃烧，焚烧完全后尾气达到要求后通过排气烟道24排出，炉渣则从燃烧筒15底部的排渣口排出。

本实施例的稳定生产硅碳材料的流化系统制备硅碳负极材料的制备方法，包括以下步骤：

S1：通过进料口18将物料(碳基材料)投入流化床体中，通过保护气进气管5向进气腔6中输入惰性气体，惰性气体经过气体分布器7使碳基材料产生流态化，使流化床体内压力达到预设压力90Pa-5000Pa。

S2：开启加热装置16，对分离段2进行加热，使流化床内温度上升至预设反应温度；实时监测不同段区的温度和压力，根据其压力和温度显示的变化进行气体流量或流速的调节。

S3：通过工艺气进气管4将硅源气体输入流化床主体中，使硅源气体与碳基材料在分离段2中进行CVD流化沉积，形成流化沉积材料。

S4：到达预设时间后，停止向工艺气进气管4输入硅源气体，通过工艺气进气管4将碳源气体输入流化床主体中，使碳源气体与硅碳材料在分离段2中进行新的CVD流化沉积，形成新的流化沉积材料；同时连续输入惰性气体到流化床主体中，使流化床体的温度降低至室温。

S5：开启负压风机10把流化床体内硅碳材料通过负压抽出到除尘筒8，还可以同时通过保护气进气管5通入氮气，将流化床体内的物料吹起，使物料通过布袋11进行过滤，振打后使用收料筒13进行收料，尾气通过燃烧筒15的排气烟道24进行排出。

本实施例中保护气体和工艺气体通过不同角度进气可以防止物料粉尘进入到气体管道中，导致气路堵塞；气体分布器7可以把高流速的气流均匀分散，使气流达到临界流化速度，将物料形成乳化相流动，改善减小气泡形成，工艺气体和物料颗粒接触更加充分，减少耗气量的同时提高了沉积效率；反应过程中，物料可通过旋风分离器9回收到主炉体，部分物料进入到除尘筒8，也可以把物料进行回收，提高收率。

本说明书中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种稳定生产硅碳材料的流化系统，其特征在于：包括流化床体、除尘筒和尾气处理装置，所述流化床体的底部设置有气体分布器和进气管、上方设置有进料口，所述气体分布器能够使气流分布均匀，所述流化床体的出气口依次与所述除尘筒和所述尾气处理装置连通，所述除尘筒上方连接有负压风机、下方连接有收料筒。

2.根据权利要求1所述的稳定生产硅碳材料的流化系统，其特征在于：所述流化床体包括由下至上依次连通设置的浓相段、分离段和扩散段，所述浓相段的下端设置有锥斗且锥斗上设置有所述进气管，所述分离段上设置有加热装置和保温套，所述扩散段的内径逐渐变大且顶部设置有所述进料口。

3.根据权利要求2所述的稳定生产硅碳材料的流化系统，其特征在于：所述浓相段、所述分离段和所述扩散段上分别设置有一热电偶和一压力表。

4.根据权利要求2所述的稳定生产硅碳材料的流化系统，其特征在于：所述浓相段下端的锥斗上连接有一进气腔，所述进气腔与所述锥斗的底面之间设置有所述气体分布器，所述进气腔上设置有所述进气管。

5.根据权利要求4所述的稳定生产硅碳材料的流化系统，其特征在于：所述进气管包括工艺气进气管和保护气进气管，所述保护气进气管与所述进气腔连通，所述工艺气进气管对称设置于所述锥斗的两侧，所述工艺气进气管倾斜向下设置且与所述气体分布器上表面呈100°-160°。

6.根据权利要求5所述的稳定生产硅碳材料的流化系统，其特征在于：所述工艺气进气管连通有硅源气体或者碳源气体，所述硅源气体为硅烷、二硅烷、二氯硅烷、三氯氢硅、四氯硅烷、二溴硅烷、三溴硅烷和四溴硅烷中的一种；所述碳源气体为甲烷、乙烷、丙烷、乙烯、乙炔、气态的苯、气态的甲苯、气态的二甲苯、气态乙醇和气态丙酮中的一种；所述保护气进气管连通有保护气体，所述保护气体为氮气或者惰性气体。

7.根据权利要求2所述的稳定生产硅碳材料的流化系统，其特征在于：所述流化床体与所述除尘筒之间设置有旋风分离器，所述旋风分离器的上端通过管路与所述扩散段连通、下端通过一段弧形的回料管与所述浓相段连通，所述旋风分离器的排气口与所述除尘筒的进气口连通。

8.根据权利要求1所述的稳定生产硅碳材料的流化系统，其特征在于：所述气体分布器包括支撑板和进气帽，所述支撑板水平连接于所述流化床体的内腔中，所述支撑板上均布有若干个通孔，所述进气帽包括中心管和伞帽，所述中心管插接于所述通孔内，所述伞帽设置于所述中心管的顶部，所述伞帽的下表面沿周向均布有若干个气孔，所述气孔与所述中心管连通。

9.根据权利要求1所述的稳定生产硅碳材料的流化系统，其特征在于：所述除尘筒上依次连接有负压风机和排气管，所述除尘筒内部设置有若干个除尘布袋，所述除尘筒的上端设置有反冲机构和出气管、下端连接有所述收料筒；所述反冲机构包括反冲管和气包，所述反冲管设置于所述除尘筒的顶盖上，所述反冲管的端部通过电磁脉冲阀与所述气包连通，所述反冲管设置有与所述除尘布袋端口相对应的出气口。

10.根据权利要求1所述的稳定生产硅碳材料的流化系统，其特征在于：所述尾气处理装置包括依次连接的中和水箱和燃烧筒，所述燃烧筒上设置有排气烟道。