具有余热回收功能的回转窑结构设计与优化

2022-09-06黄俊初

今日自动化 2022年8期

黄俊初

（佛山市天禄智能装备科技有限公司，广东佛山 528051）

在锂电池原材料行业，电池的原材料处理中存在一个高温处理的环节。高温处理采用的设备有多种，其中辊道窑和回转窑是适用性最广的两种窑炉。回转窑是指旋转煅烧窑，俗称旋窑，其在多种领域都有运用。按照处理物料的不同，有水泥窑、冶金化工窑、石灰窑、陶粒窑和锂电池窑。其中，根据物料的不同，工艺也千差万别，所需的环境也不同。

目前，用于烧制锂电池原料的旋转窑的加热方式有许多，例如通过电偶加热、天然气加热、燃煤加热等方式。近些年来，对于回转窑的加热方式从燃煤加热到天然气加热，再到热电偶加热，逐渐地降低了能源的消耗。但是，锂电池原料在烧制过程中，热量的回收再利用还处于空缺状态，因而有必要对其进行改进。

为了克服现有技术的不足，本文设计了回转窑和余热回收系统，能够降低余热的挥发率，且能够充分回收和利用余热，从而减少能耗。

1 回转窑的优化设计

1.1 回转筒

回转筒包括筒体和两个支承环形套。筒体的两端分别活动套接一个支承环形套。通常回转窑的筒体由四个滚轮进行支承，受支承环形套承托，筒体能够相对于支承环形套进行转动。筒体的外壁固定有从动齿轮，在外界的主动齿轮的驱动下，从动齿轮旋转，从而使得筒体被传动而持续旋转。

1.2 原料烧制腔

如图1所示，回转筒内设有相互独立的原料烧制腔和气体隔热腔。原料烧制腔包括顺次连通的进料输送腔、原料搅拌腔和出料输送腔。在原料烧制腔内，进料输送腔将原料送入原料搅拌腔进行充分搅拌，最后通过出料输送腔送出。出料输送腔内设有螺旋杆，螺旋送料叶片沿螺旋杆的轴向延伸。径向输气管的进口端固定于螺旋杆上，这样设计可强化径向输气管的强度和稳定性。

图1 回转窑的结构示意图

原料搅拌腔内设有多排搅拌排，均沿原料搅拌腔的轴向延伸，并以原料搅拌腔的轴线为中心线进行圆周阵列分布。搅拌排包括搅拌块，其固定于原料搅拌腔的腔壁，隶属于同一搅拌排的多个搅拌块沿原料搅拌腔的轴向间隔地设置，使得相邻的两个搅拌块之间形成用于供原料掉落的间隔槽。搅拌时，在筒体的旋转下，原料被搅拌排承托起后抵达最高点时再受自重掉落，从而使得原料混合更加均匀。此外，搅拌块上远离原料搅拌腔腔壁的一端设有击碎刀刃，用于将结团的原料击碎，从而提高原料的混合度。搅拌排还包括沿原料搅拌腔的轴向延伸的固定条，位于搅拌块两端之间，用于固定同一搅拌排的各搅拌块。受固定条的支承，即使当某一块搅拌块与筒体脱离后，依然可以起到搅拌作用。

1.3 气体隔热腔

如图2所示，气体隔热腔呈环形结构并围设在原料烧制腔的外围，沿筒体的轴向延伸。气体隔热腔两端设有进气口与出气口。其中进气口与气源连通，靠近出料端，出气口与原料烧制腔连通，靠近进料端，使得充入的气体在气体隔热腔的行程较长，保证原料烧制腔内充满氮气或氧气。并且，气体隔热腔阻隔了热量的挥发，降低了余热的挥发，节约了能耗。而挥发的大多热量则被氮气或者氧气所吸收，使得进入原料烧制腔后的氮气或氧气只需吸收少量的热量即可与原料的温度相近，从而进一步降低了能耗。对于烧制锂电池负极原料而言，该设计有利于保证氮气充满原料烧制腔以提高保护性能。对烧制锂电池正极原料而言，该设计有利于提高氧气浓度以降低杂质气体比重。

图2 图1的A处的局部放大图和B处的局部放大图

出气口连接有单向阀，可以避免原料堵塞出气口。进气口跟随筒体旋转作规律的圆周运动，使得进气口处于运动状态下与气源进行连接，即要求气管甩动。因此，筒体内固定有径向输气管，其出口端与进气口连通，进口端与筒体共轴，且进口端活动套接有静态送气管，静态送气管固定于其中一个支承环形套。如此，静态送气管不仅可以对运动的径向输气管进行送气，而且相对于支承环形套静止，从而避免甩动气管状况的发生。

此外，气体隔热腔内设有承重体。承重体的相对两侧分别固定于气体隔热腔的内曲面壁和气体隔热的外曲面壁，用于增强筒体的强度和刚度，防止因开设气体隔热腔而使得筒体弯曲。承重体由多块承重块组成，承重块沿气体隔热腔的周向和轴向间隔地阵列分布，从而在保证筒体强度和刚度的前提下，利于氮气或氧气在气体隔热腔内流动。

2 余热回收系统的优化设计

为了实现回转窑的余热回收功能，还设计了余热回收系统，如图3所示。包括换热输送筒、换热液体箱和气体输送管。由于传统烧制负极厚料时，氮气的真正热源全部来自于加热装置，因而更应当通过余热对氮气进行加热。

图3 余热回收系统结构示意图

2.1 换热输送筒

换热输送筒有送料腔，回转窑的出料口与送料腔接通。换热输送筒内设有其轴向延伸的旋转轴，旋转轴连接驱动电机，旋转轴具有用于输送锂电池原料的螺旋送料叶片。通过驱动电机对旋转轴进行驱动，使得螺旋送料叶片对高热的锂电池原料进行翻滚和输送，这样有利于高热的锂电池原料充分地与送料腔的腔壁直接接触，进行热传递，大幅提高了换热效率。

送料腔外围设有环形液体换热腔，环形液体换热腔两端连接低温管和高温管，且低温管更靠近回转窑的出料口。利用温差越大，热传递效率越高的原理，从低温管进入环形液体换热腔的液体优先与较高温的锂电池原料充分进行热交换，从而提高换热效率。液体在环形液体换热腔内流动一定距离后，从高温管送出即可。此外，换热输送筒相对于水平面倾斜设置，使得进料端的水平高度比出料端的水平高度高，利于提高锂电池原料的输送效率，同时也利于液体在环形液体换热腔有倾向地流动，防止部分液体处于静止状态。

2.2 换热液体箱

换热液体箱含有储液换热腔。低温管和高温管均与储液换热腔连通，且低温管或高温管连接有泵。因此，高温的液体在换热液体箱降温后，被低温管抽吸而进入环形液体换热腔内重新受热。高温管连接在换热液体箱的底部，低温管连接在换热液体箱的顶部，这样更利于换热液体箱内液体的热交换，也利于提高换热液体箱内液体的紊乱度。

2.3 气体输送管

气体输送管包括顺次连接的输入段、受热段和输出段。输入段用于连接气源，受热段容置在换热液体箱内，通过换热液体箱内的高温液体对受热段内的气体进行加热，输出段与回转窑的气体充入口连接。氮气输送管的受热段包括多根首尾顺次相连的U 型段，以使受热段呈现为蜿蜒的长条状结构。这样的设置是为了尽可能地提高受热段的表面积，以提高其与液体的接触面积，从而在有限的空间内提高其换热效率。

如图3所示，回转窑的气体充入口设置在回转窑上靠近进料口的一端，同时，也可以设置在出料端，如图2所示。烧制负极材料时，通过气体充入口充入保护气体氮气，使得整条烧制线充满氮气。工作时，先向旋转窑内充入足够的氮气，通过加热装置对回转窑进行加热，然后通过回转窑不停地旋转以对锂电池原料进行烧制。当第一批烧制好的锂电池原料从回转窑的出料口送入换热输送筒的送料腔内时，在螺旋送料叶片的驱动下，高温的锂电池原料反复地接触送料腔的腔壁，从而将热量充分传递给环形液体换热腔内的液体。同时，在泵的循环作用下，换热液体箱内的液体温度逐渐升高，从而能够使得受热段的氮气温度逐渐升高，利用余热对氮气进行加热，实现余热回收。如此，氮气在进入回转窑前已经具备较高的温度，因而不会消耗回转窑内的热量，从而节约了能源。同时，从送料腔内排出的锂电池原料温度得到大幅度降低，省去了冷却锂电池原料的工序，提高了生产效益。

由于高温管连接在换热液体箱的底部，低温管连接在换热液体箱的顶部。因此，氮气输送管的输入段连接在换热液体箱的底部，输出段连接在换热液体箱的顶部。氮气从输入段进入受热段时，遇到较高温的液体进行高效的热交换，从而提高氮气的热吸收率，充分地利用余热。