鋰離子電池正極材料窯爐熱工分析與節能實踐

王旭芳， 賈建新

（天津國安盟固利新材料科技股份有限公司， 天津 301811）

0 引言

電熱輥道窯作為鋰離子二次電池正極材料高溫反應的主要設備，其能耗成本占制造總成本78%左右，對產品的成本起著決定性作用。因此如何正確分析輥道窯的熱工狀況、探討節能方法，對粉末冶金行業以及目前蓬勃發展的電池材料行業節能增效具有重要意義， 對工業窯爐的設計改進和各項指標的正確計算也具有指導意義，更重要的是對國家推動碳達峰和碳中和也具有深遠意義。

1 鋰離子電池正極材料輥道窯

在鋰離子電池正極材料行業中， 隨著各種新型二次電池正極材料鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元復合材料的成功開發， 與之配套的產業化高溫合成設備也隨之誕生。 目前在電池正極材料行業中常用的電熱隧道窯按照窯內運輸方式分類主要有三種： 推板窯、 輥道窯和網帶窯；按照使用氣氛可分為：大氣窯和氣氛窯；按照爐溫分：爐溫高于1000℃時稱為高溫爐， 爐溫650℃～1000℃時稱為中溫爐，爐溫低于650℃時稱為低溫爐。 這里重點以國內電池材料行業廣泛使用的大氣輥道窯為例， 介紹窯爐的系統組成和工作原理。

1.1 輥道窯系統組成

輥道窯主要由四部分組成： 爐體部分、 產品輸送系統、溫度加熱控制系統和送排風系統，現將各部分的結構及工作原理闡述如下。

1.1.1 爐體部分

爐體外殼為鋼結構， 采用鋼型材、 鋼板分段焊接而成，外罩掛板。耐火砌體砌筑在金屬外殼之中，爐襯耐火層由高檔莫來石質、高鋁質、粘土質等重質耐火材料組成。隔熱層由輕質耐火材料與硅酸鋁纖維、硅酸鈣大板等組成見圖1。 由爐襯圍成的爐膛是物料高溫燒結的主要場所。

圖1 輥道窯爐體斷面結構圖

1.1.2 產品輸送系統

本系統主要用于物料的自動循環輸送。 由動力馬達通過鏈條齒輪將動力傳遞給傳動輥棒， 通過輥棒的轉動帶動匣缽將承載物料的匣缽由窯頭送至窯尾， 再由外循環軌道自動循環至窯頭。

1.1.3 溫度加熱控制系統

然而當三電平逆變器出現復雜故障時,如出現Sa2、Sc3故障或Sa3、Sc2等故障時,相電壓輸出波形就比較復雜,不僅造成故障相的輸出相電壓波形產生畸變,而且非故障相的輸出相電壓波形也隨之發生畸變,在這種情況下就不能僅僅依靠觀察輸出波形來確定故障具體結果。

沿窯爐長度方向， 從窯爐入口處至窯爐出口處設置多個加熱區（區域設定由工藝確定），各溫區爐膛上下發熱元件分別控溫。 各組溫區具有獨立的調壓、控溫單元，共同組成了具有完善PID 調節功能的閉環控制系統，以保證爐膛內溫度的均勻性。

1.1.4 送排風系統

為保證爐內氣氛，窯爐設有一套空氣補氣系統。所有的進排氣支管均有閥門控制， 進氣支管裝有玻璃轉子流量顯示計顯示氣體流量。全窯配有四臺風機：窯頭升溫區送風機主要用于電池正極材料高溫反應過程中的氧氣提供， 排風機主要用于將反應生成的二氧化碳等廢氣及時排除，窯尾的送排風系統主要用于燒成物料的緩慢冷卻。

1.2 輥道窯工作原理

裝滿粉末物料的匣缽經搖勻、切塊、疊缽送入爐膛，進入爐膛后的產品經升溫預燒、保溫燒結和降溫冷卻后，完成一個周期的燒結。 具體流程見圖2。

圖2 輥道窯工作流程圖

2 輥道窯熱平衡分析

在電熱輥道窯的日常使用過程中， 根據實測數據進行用熱設備的熱平衡計算， 不僅可以了解單位時間內窯爐熱收入和各項熱支出量的大小和比例， 衡量窯爐熱效率的高低，而且可以通過各支出（或收入）項數據的熱平衡分析， 對各項熱耗項目節能的可行性和節能潛力進行理論分析。為節能途徑和技術改造提供理論依據，以達到節能降耗、降低產品成本、提高經濟效益的目的。

現以某電池正極材料生產商1000℃的電熱大氣輥道窯為例，進行熱平衡測試及全窯熱平衡計算，計算基準為連續生產高密度鈷酸鋰1h 的能耗，單位kw·h。 全窯熱平衡計算結果列于表1。

表1 某廠電池正極材料輥道窯全窯熱平衡表

從表1 可以看出， 用于材料高溫反應的有效熱量僅占總熱量的9.44%， 窯爐熱效率較國外同類廠家30%～50%的熱效率相差甚遠， 因此分析并降低窯爐各熱支出項的比例，對降低產成品生產成本，確定最佳的熱工操作制度具有重要的指導意義。

2.1 熱收入項的傳熱機理與節能潛力分析

由表l 可知，熱收入項主要依靠電加熱元件將電能轉化為熱能，傳熱方式主要以輻射為主。因此可以通過改善電熱元件的發熱性能， 增強熱輻射能力，提高加熱元件的加熱效率，達到節能增效的目的。 在電加熱輥道窯中，窯體電熱元件位于爐膛內部， 見圖1， 因此電熱元件熱輻射效率的高低，不僅取決于電熱體本身，而且與爐膛內裝料匣缽、頂部加熱保護管材質的選擇有很大關系。因此在保證其使用性能的前提下，可以按照窯體不同的部位選擇不同熱容、熱導率、熱膨脹系數的耐火材料提高窯爐的電加熱效率。

2.2 熱支出項的節能潛力分析

對所有熱支出項來說，了解其散熱機理，并合理有效地降低它們各自的熱能損失，不僅可以節約電耗，提高窯爐的綜合利用率，而且可以大大降低產品的生產成本。

由表1 可以看出，窯壁熱損失（包括窯兩側墻、窯頂和窯底） 在熱支出項中的比例最大，占總額的41.13%。 因此分析窯壁熱損失機理， 并有效控制其散熱損失至關重要。 由圖1 的爐體斷面結構圖不難看出，窯壁的散熱損失主要是通過多層平壁爐墻的熱傳導損失。 由穩態熱傳導公式

式中t1，t2，…，tn—從里到外第一層到第n 層的壁溫（℃）；δ1，δ2，…，δn—第一層到第n 層的壁厚（m）；t空—窯爐所在的室溫（℃）；F1'，F2'，…，Fn'—各層壁的核算面積（m2）；λ1，λ2，…，λn—各層壁的熱導系數[W/（m·℃）]；α'∑—爐殼外表面對周圍空氣的總放熱系數[W/（m·℃）]。

可知，其熱損耗率與窯墻的散熱面積、各層耐火隔熱材料的熱導系數成正比， 和各層耐火隔熱材料的厚度成反比。因此可以通過合理選用新型輕質、隔熱保溫性好的耐火材料，增加耐火隔熱材料的厚度，降低窯墻的散熱面積等方式降低爐壁的散熱損失。

2.2.2 窯頭排出廢氣帶走熱量Q4

根據熱力學定律可知：

式中：W氣—每小時從窯頭排風機排出廢氣的質量（kg/h）；C氣—排出廢氣的平均比熱容[kJ/（kg·℃）]；t2、t1—分別為排出氣體加熱前和被加熱后的溫度（℃）。

從公式（2）不難看出，降低廢熱氣體的排出量，減少送入氣體和排出氣體的溫差，可以達到節能降耗的目的。但是前面已經提到， 窯頂排風機主要用于將產品高溫反應產生的廢氣、二氧化碳和部分鋰揮發物及時排走，以保證半成品材料與送風機送入的氧氣充分反應。 因此采用降低廢熱氣體排出量的方法節能是有限的， 但可以通過調節窯頭送風風機鼓入的冷空氣量、 提高送風風量的溫度等方式減少窯頭廢氣排出的熱量。

2.2.3 窯尾抽出熱空氣帶走熱量Q5

窯爐尾部的送排風系統主要用于燒結后物料的冷卻， 如果要通過降低熱空氣排出的體積和溫度達到降低熱抽出量，是不能滿足物料達到緩冷的效果的。如果提高熱氣排出量，加大冷風進氣不僅會降低產品的燒成質量，而且會導致裝載物料的匣缽出窯時因溫差太大發生開裂，因此通過降低抽熱風量來達到節能是有限的。不過由于窯尾抽出的載能體是氣體， 故可以將抽出的高溫氣體部分回收利用， 回收利用效率決定余熱回收裝置的技術水平。 可見輥道窯這項余熱的節能潛力仍然較大。

2.2.4 裝料窯具（匣缽）帶出的熱損失Q6

在裝載粉末物料的匣缽由窯頭慢速推向窯尾的過程中，產品及缽體不斷吸收加熱體的輻射熱，并將吸收的熱量傳導給待加熱的下層物料。因此在保證耐火度、荷重軟化度等使用性能的前提下，可以通過選擇熱容小、傳導系數大的匣缽，以降低窯具的蓄熱損失。

2.2.5 其他熱損失Q7

包括窯爐側壁熱電偶插孔密封不嚴造成的漏熱損失、窯爐入口和出口的空氣對流和輻射損失等。這部分熱損失取決于孔口的大小，爐溫的高低，以及單位時間內逸出或吸入空氣的體積。因其在熱損失中占據比例很小，計算也相對復雜，這里就不在一一分析，只能通過加強管理盡量降低其熱能損失。

3 節能改造實踐與效果

針對鋰電正極材料高溫輥道窯能耗大、 熱效率低的問題，筆者在2021 年對車間內兩臺舊輥道窯進行了降低窯壁熱損失的改造，改造后節能效果顯著，經實測能耗降低了20%，見表2。

表2 改造前后測量數據

4 結論

從窯爐熱平衡測試結果可知， 鋰離子電池正極材料高溫輥道窯在日常運行過程中，窯壁散熱損失、窯頭、窯尾排風系統帶走的熱損失占較大比例， 窯爐熱效率也較國外同類廠家相差甚遠，節能改造的潛力很大。

通過熱量散失機理的理論分析，得出隧道窯的節能途徑：一是通過優化爐體結構，選用輕質硅酸鋁纖維等新型耐火隔熱材料、將紅外輻射涂層和多功能涂層材料如熱輻射涂料（HR.C）涂覆在窯壁耐火材料上等方法降低窯壁的散熱和蓄熱損失； 二是充分回收利用隧道窯的窯尾排出氣體余熱，采用換熱器裝置將氣體余熱應用在生產、生活用熱水或返回窯頭預熱送入的新鮮空氣；三是通過調節變頻風機頻率合理控制氣體的排出；四是采用新型微波電加熱結合的方式實施節能。