黃俊初

（佛山市天祿智能裝備科技有限公司，廣東佛山 528051）

在鋰電池原材料行業(yè)，電池的原材料處理中存在一個(gè)高溫處理的環(huán)節(jié)。高溫處理采用的設(shè)備有多種，其中輥道窯和回轉(zhuǎn)窯是適用性最廣的兩種窯爐?；剞D(zhuǎn)窯是指旋轉(zhuǎn)煅燒窯，俗稱旋窯，其在多種領(lǐng)域都有運(yùn)用。按照處理物料的不同，有水泥窯、冶金化工窯、石灰窯、陶粒窯和鋰電池窯。其中，根據(jù)物料的不同，工藝也千差萬別，所需的環(huán)境也不同。

目前，用于燒制鋰電池原料的旋轉(zhuǎn)窯的加熱方式有許多，例如通過電偶加熱、天然氣加熱、燃煤加熱等方式。近些年來，對(duì)于回轉(zhuǎn)窯的加熱方式從燃煤加熱到天然氣加熱，再到熱電偶加熱，逐漸地降低了能源的消耗。但是，鋰電池原料在燒制過程中，熱量的回收再利用還處于空缺狀態(tài)，因而有必要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)窯和余熱回收系統(tǒng)，能夠降低余熱的揮發(fā)率，且能夠充分回收和利用余熱，從而減少能耗。

1 回轉(zhuǎn)窯的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 回轉(zhuǎn)筒

回轉(zhuǎn)筒包括筒體和兩個(gè)支承環(huán)形套。筒體的兩端分別活動(dòng)套接一個(gè)支承環(huán)形套。通?；剞D(zhuǎn)窯的筒體由四個(gè)滾輪進(jìn)行支承，受支承環(huán)形套承托，筒體能夠相對(duì)于支承環(huán)形套進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。筒體的外壁固定有從動(dòng)齒輪，在外界的主動(dòng)齒輪的驅(qū)動(dòng)下，從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，從而使得筒體被傳動(dòng)而持續(xù)旋轉(zhuǎn)。

1.2 原料燒制腔

如圖1所示，回轉(zhuǎn)筒內(nèi)設(shè)有相互獨(dú)立的原料燒制腔和氣體隔熱腔。原料燒制腔包括順次連通的進(jìn)料輸送腔、原料攪拌腔和出料輸送腔。在原料燒制腔內(nèi)，進(jìn)料輸送腔將原料送入原料攪拌腔進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁詈笸ㄟ^出料輸送腔送出。出料輸送腔內(nèi)設(shè)有螺旋桿，螺旋送料葉片沿螺旋桿的軸向延伸。徑向輸氣管的進(jìn)口端固定于螺旋桿上，這樣設(shè)計(jì)可強(qiáng)化徑向輸氣管的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

圖1 回轉(zhuǎn)窯的結(jié)構(gòu)示意圖

原料攪拌腔內(nèi)設(shè)有多排攪拌排，均沿原料攪拌腔的軸向延伸，并以原料攪拌腔的軸線為中心線進(jìn)行圓周陣列分布。攪拌排包括攪拌塊，其固定于原料攪拌腔的腔壁，隸屬于同一攪拌排的多個(gè)攪拌塊沿原料攪拌腔的軸向間隔地設(shè)置，使得相鄰的兩個(gè)攪拌塊之間形成用于供原料掉落的間隔槽。攪拌時(shí)，在筒體的旋轉(zhuǎn)下，原料被攪拌排承托起后抵達(dá)最高點(diǎn)時(shí)再受自重掉落，從而使得原料混合更加均勻。此外，攪拌塊上遠(yuǎn)離原料攪拌腔腔壁的一端設(shè)有擊碎刀刃，用于將結(jié)團(tuán)的原料擊碎，從而提高原料的混合度。攪拌排還包括沿原料攪拌腔的軸向延伸的固定條，位于攪拌塊兩端之間，用于固定同一攪拌排的各攪拌塊。受固定條的支承，即使當(dāng)某一塊攪拌塊與筒體脫離后，依然可以起到攪拌作用。

1.3 氣體隔熱腔

如圖2所示，氣體隔熱腔呈環(huán)形結(jié)構(gòu)并圍設(shè)在原料燒制腔的外圍，沿筒體的軸向延伸。氣體隔熱腔兩端設(shè)有進(jìn)氣口與出氣口。其中進(jìn)氣口與氣源連通，靠近出料端，出氣口與原料燒制腔連通，靠近進(jìn)料端，使得充入的氣體在氣體隔熱腔的行程較長，保證原料燒制腔內(nèi)充滿氮?dú)饣蜓鯕?。并且，氣體隔熱腔阻隔了熱量的揮發(fā)，降低了余熱的揮發(fā)，節(jié)約了能耗。而揮發(fā)的大多熱量則被氮?dú)饣蛘哐鯕馑?，使得進(jìn)入原料燒制腔后的氮?dú)饣蜓鯕庵恍栉丈倭康臒崃考纯膳c原料的溫度相近，從而進(jìn)一步降低了能耗。對(duì)于燒制鋰電池負(fù)極原料而言，該設(shè)計(jì)有利于保證氮?dú)獬錆M原料燒制腔以提高保護(hù)性能。對(duì)燒制鋰電池正極原料而言，該設(shè)計(jì)有利于提高氧氣濃度以降低雜質(zhì)氣體比重。

圖2 圖1的A處的局部放大圖和B處的局部放大圖

出氣口連接有單向閥，可以避免原料堵塞出氣口。進(jìn)氣口跟隨筒體旋轉(zhuǎn)作規(guī)律的圓周運(yùn)動(dòng)，使得進(jìn)氣口處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下與氣源進(jìn)行連接，即要求氣管甩動(dòng)。因此，筒體內(nèi)固定有徑向輸氣管，其出口端與進(jìn)氣口連通，進(jìn)口端與筒體共軸，且進(jìn)口端活動(dòng)套接有靜態(tài)送氣管，靜態(tài)送氣管固定于其中一個(gè)支承環(huán)形套。如此，靜態(tài)送氣管不僅可以對(duì)運(yùn)動(dòng)的徑向輸氣管進(jìn)行送氣，而且相對(duì)于支承環(huán)形套靜止，從而避免甩動(dòng)氣管狀況的發(fā)生。

此外，氣體隔熱腔內(nèi)設(shè)有承重體。承重體的相對(duì)兩側(cè)分別固定于氣體隔熱腔的內(nèi)曲面壁和氣體隔熱的外曲面壁，用于增強(qiáng)筒體的強(qiáng)度和剛度，防止因開設(shè)氣體隔熱腔而使得筒體彎曲。承重體由多塊承重塊組成，承重塊沿氣體隔熱腔的周向和軸向間隔地陣列分布，從而在保證筒體強(qiáng)度和剛度的前提下，利于氮?dú)饣蜓鯕庠跉怏w隔熱腔內(nèi)流動(dòng)。

2 余熱回收系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)窯的余熱回收功能，還設(shè)計(jì)了余熱回收系統(tǒng)，如圖3所示。包括換熱輸送筒、換熱液體箱和氣體輸送管。由于傳統(tǒng)燒制負(fù)極厚料時(shí)，氮?dú)獾恼嬲裏嵩慈縼碜杂诩訜嵫b置，因而更應(yīng)當(dāng)通過余熱對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行加熱。

圖3 余熱回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 換熱輸送筒

換熱輸送筒有送料腔，回轉(zhuǎn)窯的出料口與送料腔接通。換熱輸送筒內(nèi)設(shè)有其軸向延伸的旋轉(zhuǎn)軸，旋轉(zhuǎn)軸連接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)軸具有用于輸送鋰電池原料的螺旋送料葉片。通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使得螺旋送料葉片對(duì)高熱的鋰電池原料進(jìn)行翻滾和輸送，這樣有利于高熱的鋰電池原料充分地與送料腔的腔壁直接接觸，進(jìn)行熱傳遞，大幅提高了換熱效率。

送料腔外圍設(shè)有環(huán)形液體換熱腔，環(huán)形液體換熱腔兩端連接低溫管和高溫管，且低溫管更靠近回轉(zhuǎn)窯的出料口。利用溫差越大，熱傳遞效率越高的原理，從低溫管進(jìn)入環(huán)形液體換熱腔的液體優(yōu)先與較高溫的鋰電池原料充分進(jìn)行熱交換，從而提高換熱效率。液體在環(huán)形液體換熱腔內(nèi)流動(dòng)一定距離后，從高溫管送出即可。此外，換熱輸送筒相對(duì)于水平面傾斜設(shè)置，使得進(jìn)料端的水平高度比出料端的水平高度高，利于提高鋰電池原料的輸送效率，同時(shí)也利于液體在環(huán)形液體換熱腔有傾向地流動(dòng)，防止部分液體處于靜止?fàn)顟B(tài)。

2.2 換熱液體箱

換熱液體箱含有儲(chǔ)液換熱腔。低溫管和高溫管均與儲(chǔ)液換熱腔連通，且低溫管或高溫管連接有泵。因此，高溫的液體在換熱液體箱降溫后，被低溫管抽吸而進(jìn)入環(huán)形液體換熱腔內(nèi)重新受熱。高溫管連接在換熱液體箱的底部，低溫管連接在換熱液體箱的頂部，這樣更利于換熱液體箱內(nèi)液體的熱交換，也利于提高換熱液體箱內(nèi)液體的紊亂度。

2.3 氣體輸送管

氣體輸送管包括順次連接的輸入段、受熱段和輸出段。輸入段用于連接氣源，受熱段容置在換熱液體箱內(nèi)，通過換熱液體箱內(nèi)的高溫液體對(duì)受熱段內(nèi)的氣體進(jìn)行加熱，輸出段與回轉(zhuǎn)窯的氣體充入口連接。氮?dú)廨斔凸艿氖軣岫伟ǘ喔孜岔槾蜗噙B的U 型段，以使受熱段呈現(xiàn)為蜿蜒的長條狀結(jié)構(gòu)。這樣的設(shè)置是為了盡可能地提高受熱段的表面積，以提高其與液體的接觸面積，從而在有限的空間內(nèi)提高其換熱效率。

如圖3所示，回轉(zhuǎn)窯的氣體充入口設(shè)置在回轉(zhuǎn)窯上靠近進(jìn)料口的一端，同時(shí)，也可以設(shè)置在出料端，如圖2所示。燒制負(fù)極材料時(shí)，通過氣體充入口充入保護(hù)氣體氮?dú)?，使得整條燒制線充滿氮?dú)?。工作時(shí)，先向旋轉(zhuǎn)窯內(nèi)充入足夠的氮?dú)猓ㄟ^加熱裝置對(duì)回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行加熱，然后通過回轉(zhuǎn)窯不停地旋轉(zhuǎn)以對(duì)鋰電池原料進(jìn)行燒制。當(dāng)?shù)谝慌鸁坪玫匿囯姵卦蠌幕剞D(zhuǎn)窯的出料口送入換熱輸送筒的送料腔內(nèi)時(shí)，在螺旋送料葉片的驅(qū)動(dòng)下，高溫的鋰電池原料反復(fù)地接觸送料腔的腔壁，從而將熱量充分傳遞給環(huán)形液體換熱腔內(nèi)的液體。同時(shí)，在泵的循環(huán)作用下，換熱液體箱內(nèi)的液體溫度逐漸升高，從而能夠使得受熱段的氮?dú)鉁囟戎饾u升高，利用余熱對(duì)氮?dú)膺M(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)余熱回收。如此，氮?dú)庠谶M(jìn)入回轉(zhuǎn)窯前已經(jīng)具備較高的溫度，因而不會(huì)消耗回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的熱量，從而節(jié)約了能源。同時(shí)，從送料腔內(nèi)排出的鋰電池原料溫度得到大幅度降低，省去了冷卻鋰電池原料的工序，提高了生產(chǎn)效益。

由于高溫管連接在換熱液體箱的底部，低溫管連接在換熱液體箱的頂部。因此，氮?dú)廨斔凸艿妮斎攵芜B接在換熱液體箱的底部，輸出段連接在換熱液體箱的頂部。氮?dú)鈴妮斎攵芜M(jìn)入受熱段時(shí)，遇到較高溫的液體進(jìn)行高效的熱交換，從而提高氮?dú)獾臒嵛章?，充分地利用余熱?/p>

3 結(jié)束語

文章所設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)窯以及余熱回收系統(tǒng)具有以下有益效果：

（1）充入原料燒制腔內(nèi)的氮?dú)饣蛘哐鯕獗厝幌冉?jīng)過氣體隔熱腔，如此，氣體隔熱腔阻隔了熱量的揮發(fā)，從而降低了余熱的揮發(fā)率而節(jié)約了能耗。而揮發(fā)的大多熱量則被氮?dú)饣蛘哐鯕馑?，因而進(jìn)入原料燒制腔后的氮?dú)饣蜓鯕庵恍栉丈倭康臒崃考纯膳c原料的溫度相近，從而進(jìn)一步降低了能耗。

（2）通過將回轉(zhuǎn)窯的出料口與換熱輸送筒的送料腔接通，能夠?qū)⒏邷氐匿囯姵卦系臒崃總鬟f給換熱輸送筒的環(huán)形液體換熱腔內(nèi)的液體，對(duì)余熱進(jìn)行回收。同時(shí)，也是對(duì)高溫的鋰電池原料進(jìn)行冷卻，省去鋰電池原料的冷卻工序以提高生產(chǎn)效益。

（3）通過泵將環(huán)形液體換熱腔內(nèi)的液體與換熱液體箱的液體進(jìn)行循環(huán)，能夠逐漸提高換熱液體箱的液體溫度，以將熱量傳遞給氮?dú)廨斔凸軆?nèi)的氮?dú)?，?shí)現(xiàn)余熱的再利用而節(jié)約資源。

（4）通過環(huán)形液體換熱腔內(nèi)的液體與送料腔內(nèi)的高熱鋰電池原料進(jìn)行熱傳遞，大幅度提高了換熱效率；而且，利用旋轉(zhuǎn)軸的螺旋送料葉片對(duì)高熱的鋰電池原料進(jìn)行翻滾和輸送，利于高熱的鋰電池原料充分地與送料腔的腔壁直接接觸，以進(jìn)一步提高換熱效率。