关于热平衡的锂电池材料烧结辊道炉节能技术

廖荣武

廖荣武

（佛山市天禄智能装备科技有限公司）

摘要：为进一步提高锂电池烧结辊式炉的热能利用效率，采用40m锂电池材料的烧结辊式炉作为模型，介绍了基于锂电池烧结辊式炉的热平衡计算方法，基于热平衡对辊道炉的节能途径与技术进行分析，结果表明，锂电池材料烧结辊炉内废气的热损失高达30％。建议使用废气余热回收，适用范围的炉具和炉衬用耐火材料，并优化炉体结构以提高能源利用率。

关键词：热平衡；锂电池材料；辊道炉；节能技术

引言

随着国家对新能源汽车产业的重点支持，动力锂电池行业疾速发展。锂电池材料的需求量急剧增加，而电热辊道炉由于环保、灵活、高产等优点而广泛应用于锂电池材料的规模化批量生产。锂电池材料行业是一个高能耗的行业，在锂电池材料制备过程中，电热辊道炉作为主要耗能设备，需要消耗大量的电力，电力费用占生产成本比重较大，降低能耗、提高经济效益成为锂电池材料生产厂家亟需解决的实际问题]。本文对某锂电池材料辊道烧结炉进行热平衡计算，结合目前热工设备发展新技术，提出锂电池材料烧结辊道炉节能技术和途径，为提高辊道炉热能利用效率、降低产品能耗提供理论参考。

一、热平衡计算

本文热平衡计算针对锂电池材料烧结辊道炉加热带进行，其作用主要有两个：一是计算每小时的热耗，即每小时的电能消耗量；二是通过热平衡的计算，可通过分析计算得到的各项热耗支出或收入所占比例的大小，采取适当可行的节能技术，达到节能降耗，降低成本，提高经济效益的目的[4]。本文以某40m锂电池材料电热辊道炉为模型，以一小时作为计算时间基准，以0℃为温度基准进行辊道炉热平衡计算。

1、热收入项目

1.1匣钵中物料带入的显热Q1Q1=C1·m1·T1式中：C1—原料混合物的比热容，kJ/（kg·℃）m1—物料每小时进炉体的质量，kgT1—物料初始温度，℃

1.2匣钵吸收的热量Q2

Q2=C2·m2·T2式中：C2—匣钵的比热容，kJ/（kg·℃）m2—匣钵每小时进炉体的质量，kgT2—匣钵初始温度，℃

1.3常温空气带入显热Q3

Q3=m3·h3式中：m3—每小时进入炉体的常温空气质量，kgh3—常温空气焓值，取302kJ/kg

1.4电热元件产生的热量Q4Q4=3600·P4=3600·（P0-Pf）式中：P4—电热辊道炉的加热功率，kWP0—辊道炉的保温功率，kWPf—辊道炉配套所有电器消耗功率之和，kW

2、热支出项目

2.1匣钵中物料带出的显热Q5Q5=C5·m5·T5式中：C5—生成物的比热容，kJ/（kg·℃）

m5—物料每小时出炉的质量，kgT5—物料出炉温度，℃

2.2匣钵带出的显热Q6Q6=C6·m6·T6式中：C6—匣钵的比热容，kJ/（kg·℃）m6—匣钵每小时出炉的质量，kgT6—匣钵出炉温度，℃

2.3物化反应耗热量Q7

（1）物料中水汽化吸热Q7-1Q7-1=m7·q7式中：m7—每小时排出的水分质量，kgq7—单位质量水的汽化潜热，kJ/kg

（2）加热水蒸气热耗Q7-2

Q7-2=C7·m7·ΔT7式中：C7—水蒸气的平均比热容，取1.93kJ/（kg·℃）m7—物料每小时排出的水分质量，kgΔT7—水蒸气温度相对沸点的温升，℃

（3）化学反应过程吸热Q7-3

原料进入炉膛，经过烧结过程之后变为成品，在此过程中要不断的吸收能量。这些能量一部分用来提高物料的自身温度，另一部分提供给物料进行高温固相反应。这两部分的能量都很难单独计算，只能通过测量得到。本文借助热重-差热手段进行统计分析，便可得到单位重量原料在整个烧结过程中需要消耗的能量Ea，利用下式可求得：Q7-3=m1·Ea式中：m1—物料每小时进炉体的质量，kgEa—单位质量物料反应热，kJ/kg

2.4排气带走的热量Q8

Q8=m8·h8式中：m8—排出气体的质量，kgh8—高温空气的焓值，kJ/kg

2.5炉体外表面向周围环境散失的热量Q9

炉体外表面向外散失的热量由对流换热Q9-1和辐射换热Q9-2两部分组成。

Q9=Q9-1+Q9-2

（1）炉体对流换热量Q9-1Q9-1=h·A·（Tf-T0）式中：h—炉体外表面与周围环境的对流换热系数，W/（m2·℃）A—炉体外表面的换热面积，m2Tf—炉体外表面的温度，℃T0—周围环境的温度，℃

（2）炉体辐射换热量Q9-2

Q9-2=ε·σ·A·[（Tf）4-（T0）4]式中：ε—炉体外表面的无量纲辐射系数，取0.85σ—斯忒番-玻尔兹曼辐射常数，5.67×10-8W/（m2·K4）

2.6其它热损失Q10

取经验数据，约占热收入的5%。

3、热平衡测试

3.1测试对象

测试针对湖南某锂电池材料厂3t/d的电热辊道炉加热带进行。炉内空宽1.53m，炉内空高0.79m，有效长度40m，共20节。产品烧成温度约950℃，烧成周期约6h，测试期间，车间内环境温度为35℃。

3.2测试方案

测试以1h作为时间基准，以0℃为温度基准进行热平衡计算。测试期间生产工艺过程稳定，测试过程不影响正常生产，测试持续时间大于烧成周期。测试包括现场既有仪表数据采集和现场热工参数测试两部分。

现场既有仪表数据采集主要包括：每小时进入炉体的常温空气质量m3、每小时排出的水分m7以及排出气体的质量m8等数据的收集；现场热工参数测试主要包括：物料进口温度T1和出口温度T5、匣钵进口温度T2和出口温度T6以及炉体外表面温度Tf

3.3测试结果见表1

（1）辊道炉热收入主要依靠电加热棒带入热量Q4=1512000kJ，因此辊道炉的保温功率Po=P4+Pf=460kW，这与项目现场设备的运行保温功率基本吻合，验证计算过程的可靠性。

（2）热支出项目中排气带走热量最多占30%，通过炉体散失热量次之占23%，因此充分利用气体余热和提高炉体保温性能是辊道炉节能的主要途径。

二、节能技术分析

在能源日益紧张的今天，为了降低生产成本，提高竞争力，必须尽量减少无用的能量消耗，提高有效能量利用效率。本节将基于热平衡结果，即锂电池材料烧结辊道炉的能耗种类及其各项热耗所占的比例，探讨辊道炉的节能技术途径。

2.1辊道炉气体余热与节能

2.1.1充分回收利用气体余热

回收利用余热是辊道炉节能降耗的一种重要途径充，分利用电热辊道炉余热的载能体是气体的特性，对余热气体进行回收再利用。由于锂电池材料制备工艺温度的限制，辊道炉排出高温气体经过处理后，可回收利用的部分有限，因此研制换热效率更高、使用寿命更长、投资成本更低廉等优越性能的换热装置是气体余热利用的发展方向。目前，气体余热可用于以下几个方面：

（1）预热物料和匣钵

由热平衡表可以看出，在热入项目中，电加热棒带入显热Q4占最大比例92%，在热收入总量不变的情况下，增加热收入中Q1、Q2和Q3三项所占比例，可达到节能目的。因此，在不影响物料烧结工艺的前提下，利用气体余热对物料和匣钵进行预热，适当提高物料和窑具入窑温度，增加物料和窑具带入的显热Q1和Q2，可以一定程度上提高能源利用效率。

（2）用作升温带工艺气体

对辊道炉来说，利用余热气体作为升温带的工艺气体，一方面增加了工艺气体带入的显热Q3；另一方面可减少常温气体进入炉膛对炉内温度的扰动，可有效降低炉内温差，有利于提高烧成产品的质量，进而降低单位产品的能耗，但其节能潜力受原料及工艺条件的限制。

2.1.2降低气体余热支出比例

由于排气带走的显热Q8与排气量和排气温度的高低成正比，因此在保证物料正常烧成的条件下，通过适当途径降低排气量和排气温度，便可降低排气带走的热量。比如，通过排气管道调节插板阀适当减小各支气管的排气量，或者高温带尽量不设置排气管等方式，都可以减少排气带走的显热。

2.2窑具积热与节能

窑具匣钵带出的热量Q6占热支出的10%，在不影响物料烧结工艺的情况下，应尽量减少窑具，减小窑具的热量消耗。在实际生产中，使用侧壁较薄的匣钵，或者将双层匣钵改为单层大匣钵，缩短匣钵再循环时间以及使用比热容较小的匣钵都可以有效降低窑具能耗。

2.3辊道炉炉体散热与节能

通过炉体向外散失热量Q9占总散失热量23%，所占比重较大。通过炉体散失的热量与炉衬耐火材料的种类及物性参数（如导热系数、密度等）、炉体的散热面积与厚度等因素密切相关。因此，应合理设计锂电池材料烧结辊道炉的炉体结构、炉衬耐火材料的搭

配，来降低辊道炉炉体散热，减少此部分热损失。

2.3.1合理选用炉衬材料

辊道炉炉衬耐火材料的选择，应尽量采用蓄热低、容重小、强度高以及隔热性能好的耐火材料。采用导热率较低的硅酸铝纤维板或纤维毯，都可以起到良好的隔热保温效果。目前，涂层隔热节能技术应用范围广泛，其中红外辐射涂层和多功能涂层在工业窑炉节能应用中均取得良好的效果。

2.3.2优化炉体结构

通过炉体向外散失的热量除了与炉衬耐火材料有密切联系外，还与炉体的散热面积成正比，因此在不影响辊道炉正常运行的情况下，适当减小炉体表面积可以有效减少炉体外部热损失。此外，在炉体外侧加装隔热板，可以降低散热面的对流传热系数和灰度，降低炉体表面散热，节约能源。

结束语

采用40m锂电池材料制成的烧结辊式炉，提出了电动辊式炉热平衡的计算方法，分析了锂电池材料制成的烧结辊式炉的能耗及其热耗比。结果表明，轧钢炉的热输出主要取决于电加热棒贡献92％的热量，热耗项目给出的热量高达30％，通过炉体散失热量次之占23%。

气体余热的完全恢复和气体余热的减少是节约能源和减少辊式炉消耗的重要途径。具有较高传热效率的换热器的发展是瓦斯余热利用的发展方向。通过减少窑具的储存热量和炉子的散热，进一步提高了辊式炉的节能潜力。一方面，必须进一步提高耐火窑具的技术水平，另一方面，必须积极研究更好的辊道炉结构作用。

参考文献：

[1]许鹏，苏文生，谢礼飞.锂电池辊道窑的结构与经济效益分析[J].工业炉，2016

[2]刘彦红，王本力．对我国动力锂电池产业的冷思考[J]．新材料产业，2015

[3]崔志强，王春华，陈泽弘.油田注汽锅炉的节能技术研究进展[J].工业炉，2015

（上接第358页）

入去运行线路的停信压板。沟通三跳压板，根据厂家、保护版本不同，其功能有两种，一是当重合闸装置原因不允许选跳时，由重合闸装置输出GTST节点至保护装置和BDJ串联，连接至操作箱三跳回路。严格意义上将，沟通三跳压板是“重合闸失效三跳压板，如PSL603GA型装置，这种功能压板，正常时应投入；二是沟通三跳压板是个24V开关量压板，投入后对重合闸装置进行放电闭锁，同时在软件上将沟通三跳回路接通，使任何故障时均发三相跳闸命令，如RCS931A型装置，这种功能压板正常时应退出。旁路断路器带线路运行时保护投退按下列原则进行：与调度核对旁路保护与被带线路的定值相符。

3改进及建议

3.1保护装置出口压板应设置在本屏，避免现场误操作。

3.2线路保护功能及通道压板应独立设置，单侧功能调式（包括主保护自环调式）只需投入功能压板即可，通道压板只在两侧联调或正式运行时投入。同时

3.3同时在继电装置系统中还需要保障电缆质量在继电系统装置中，为了保障电缆质量可以。同时需要对电缆进行定期检验，最重要的是保护检查二次回路的绝缘，所以在继电系统装置中需要根据继电系统装置的设计进行检测和保护。而且要根据一定的定制对电阻数值进行设置。

3.4严格检查接线随着工程程度的增加，基础工程的接线也不断的增加，其原因是工程中的所需要的新设备增加。所以说在工程开始的初级阶段一定要按照工程中所设定的规章制度进行谨慎的施工。然而在接线过程中二次回路最为重要，所以在基础施工中要更加注意二次回路的连接。需要对准图纸进行严格对照。在连线完成后需要再对准图纸进行对照。同时还需要对传输道路和线路进行保护。加强压板的管理。在现代的相关规定中还不够完善，所以需要进行补充和完善。

结束语：

随着我国的发展，继电保护系统装置在社会发展中更加重要，所以一定要做好继电保护装置压板装置的保护措施。同时在整个电网系统中最重要的就是继电系统的保护。只有做好继电保护装置的保护才能够对人们的生活，人民的生产产生意义。所以一定要注意继电系统的保护。相关的工作人员一定要恪尽职守做好自己应该做的。同时应该结合相关的实际情况定出实际的方案对问题进行改正。只有这样才能保证继电系统的安全性，并且继电保护装置也能得到保障。

参考文献：

[1]毛锦庆.电力系统继电保护实用回答[M].北京：中国电力出版社.2001.

[2]高艳萍.常风然.继电系统保护检验工作中的若干问题分析.继电器.2003.11

作者简介：

1.陆林（1986-），男，汉族，广西平南人，本科，助理工程师，主要从事电力系统继电保护工作。

2.郑熹（1986-），男，汉族，福建福州人，本科，工程师，主要从事电力系统继电保护工作。