碳素顆粒材料高溫連續(xù)氣體提純與石墨化電熱爐的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及碳素材料石墨化處理領域，尤其涉及一種碳素顆粒材料高溫連續(xù)氣體提純與石墨化電熱爐。
【背景技術】
[0002]鋰離子動力電池是20世紀開發(fā)成功的新型高能電池。這種電池因其具有能量密度高、電池放電平臺高、放電平穩(wěn)，耐高低溫性能優(yōu)良、自動放電很慢，貯存壽命長等優(yōu)點，已廣泛應用于軍事和民用電器當中。隨著科學技術的發(fā)展，生產(chǎn)出各種規(guī)格的電池，已得到廣泛地應用于各種電器、數(shù)碼電子等各個領域，特別是它將成為21世紀電動汽車、電動工具的主要動力電源之一，并將在大規(guī)模儲能、電網(wǎng)平峰方面得到應用，以及人造衛(wèi)星、航空航天等高科技及軍事領域廣泛應用。
[0003]負極材料是鋰離子電池的關鍵材料之一，而碳質材料是人們最早開始研究并應用于鋰離子電池負極的材料，至今仍受到廣泛關注。目前常用的碳負極材料主要有天然石墨和人造成石墨。
[0004]天然石墨中有無定形石墨與高度結晶有序石墨即鱗片石墨兩種。天然石墨由于其石墨化程度高，特別適合于鋰離子的脫/嵌，因天然石墨屬于原礦產(chǎn)品，相對成本較低，一直是負極材料研究開發(fā)的重點之一。另一方面天然石墨含有很多礦物雜質，雖然用化學方法提純可以達到相當高的純度，但也會產(chǎn)生很多問題，生產(chǎn)的效率也不高。通過2800度以上的超高溫提純方法簡單，生產(chǎn)效率也較高，卻因現(xiàn)有的工藝設備能源消耗大，生產(chǎn)成本高，同時也難以獲得均勻穩(wěn)定的超高溫環(huán)境，制約了天然石墨的精細化開發(fā)應用。
[0005]人造石墨是將易石墨化碳經(jīng)3000度以上超高溫石墨化處理制得，作為鋰離子電池負極材料的人造石墨類材料主要有中間相碳微球石墨、石墨纖維，及其他各種石墨化碳等。其中人們最為熟悉的是高度石墨化的中間相碳微球，簡稱MCMB。商品化的高度石墨化MCMB具有優(yōu)良的循環(huán)性，是目前長壽命小型鋰離子電池及動力電池所使用的主要負極材料之一。中間相瀝青炭微球作為鋰離子電池負極材料使用時，需要進行3000°C左右石墨化處理，這無疑大大提高了中間相瀝青炭微球的成本，極不利于廣泛的使用。因此，如何改進工藝、降低制造成本和提高性能，是當前中間相炭微球負極材料研究的主要課題。
[0006]無論是天然石墨的高溫純化，或是人造石墨粉的生產(chǎn)，都離不開3000度左右的超高溫生產(chǎn)條件。目前國內(nèi)工業(yè)化的生產(chǎn)，使用最為廣泛的是艾奇遜石墨化爐。這種爐型為敞開式長方形爐體結構，最早用于石墨電極生產(chǎn)，現(xiàn)在將其用于生產(chǎn)鋰電池的碳負極材料，是用碳坩禍盛裝密閉，進行縱向或橫向并列，并在盛有碳負極材料的坩禍周圍填充冶金焦電阻料，在爐體的縱向方向兩端通電，利用焦炭電阻料的電阻發(fā)熱，最終使被加熱坩禍本身也產(chǎn)生電阻發(fā)熱，達到獲取超高溫的條件，實現(xiàn)坩禍內(nèi)碳負極材料的石墨化。在爐芯的外圍再用焦粉、炭黑、硅砂/焦炭/碳化硅混合物等輔料進行熱屏蔽以隔熱保溫。艾奇遜爐的缺陷主要有:
[0007]1、艾奇遜爐為臥式、敞開式結構，熱能損耗嚴重，所耗電能按產(chǎn)量單耗為16000kwh/t，并且產(chǎn)品純度不高；
[0008]2、爐體冷卻時間長，石墨化過程在通電加熱時需2?7天，但要爐內(nèi)的物料自然冷卻到可出爐的操作溫度，需要2周左右的較長時間，生產(chǎn)效率低；進行噴水強制冷卻可以縮短冷卻時間，但大量水蒸汽的蒸發(fā)對環(huán)境污染影響大，也容易因為滲水造成爐內(nèi)的產(chǎn)品氧化；
[0009]3、產(chǎn)品受熱不均，中心溫度達到2600度(優(yōu)級石墨負極粉石墨化的溫度必須達到3000度左右)，而外圍和兩頭的溫度卻低很多，導致產(chǎn)品石墨化程度不均，質量不穩(wěn)定；
[0010]4、敞開式的爐型結構在升溫過程中排放的二氧化硫及其它雜質氣體無法收集治理，造成環(huán)境污染；
[0011]5、在冷卻過程中余熱無法回收利用，造成大量的能源浪費；
[0012]6、裝出爐人工操作，勞動強度大，工作環(huán)境惡劣；
[0013]7、產(chǎn)量低，一套中型爐年產(chǎn)量約4000噸。
【實用新型內(nèi)容】
[0014]本實用新型所要解決的技術問題是提供一種加工制造簡單、使用操作簡便、高效、節(jié)能環(huán)保、可實現(xiàn)物料的連續(xù)化加熱與進出料、可回收利用多余熱量的碳素顆粒材料高溫連續(xù)氣體提純與石墨化電熱爐。
[0015]本實用新型解決上述技術問題的技術方案如下:
[0016]一種碳素顆粒材料高溫連續(xù)氣體提純與石墨化電熱爐，它包括上端電極以及位于所述上端電極下方的下端電極，所述上端電極的內(nèi)部設有與所述上端電極相匹配的用于填充冷卻液的上端電極內(nèi)冷卻室，所述上端電極內(nèi)冷卻室設有與外界連通的冷卻液入口，所述上端電極由相互連接的上端電極母線接入端和上端電極傳電插入端組成，所述上端電極傳電插入端位于所述上端電極母線接入端的底部，所述上端電極傳電插入端的橫截面積從上至下逐漸減小；
[0017]所述下端電極上設有將物料從其頂端輸送到底端的通孔，所述通孔包括互相連通的下端電極上通孔和石墨化物料出口，所述石墨化物料出口位于所述下端電極上通孔的下方，所述下端電極上通孔的橫截面積從上至下逐漸減小，且與所述上端電極傳電插入端相互匹配，所述石墨化物料出口的橫截面積等于或小于所述下端電極上通孔底部的橫截面積，所述下端電極的內(nèi)部設有用于填充冷卻液的下端電極冷卻室，所述下端電極冷卻室設有連通外界的冷卻液出口，所述上端電極內(nèi)冷卻室與所述下端電極冷卻室相連通；
[0018]所述下端電極的頂部設有與其相匹配的絕緣板，所述絕緣板與所述下端電極的頂部緊密貼合，所述絕緣板的上方設有與所述上端電極相匹配的物料分布環(huán)，所述物料分布環(huán)的底部與所述絕緣板的頂部緊密貼合，所述物料分布環(huán)的內(nèi)部設有環(huán)狀的物料分布腔，所述物料分布環(huán)的外側圓周面上設有與所述物料分布腔相連通的物料進料口，所述物料分布環(huán)的內(nèi)側圓周面上均勻設置有多個與所述物料分布腔相連通的物料分布出料口；
[0019]所述物料分布環(huán)套裝在所述上端電極母線接入端的下部，其內(nèi)側圓周面與所述上端電極的外壁之間形成環(huán)形縫隙狀的物料下料區(qū)，所述上端電極母線接入端的下部四周設有能夠使其放置在所述物料分布環(huán)上方的支撐部，所述支撐部與所述上端電極母線接入端固定連接，其底部與所述物料分布環(huán)的頂部緊密貼合，所述上端電極傳電插入端插入所述下端電極上通孔中，其外壁與所述下端電極上通孔的內(nèi)壁之間形成環(huán)形縫隙狀的物料電阻加熱室，所述物料電阻加熱室與所述物料下料區(qū)相連通；
[0020]所述上端電極的頂部、所述下端電極的底部均設有法蘭，兩個所述法蘭之間設有與它們相匹配的連接桿，所述上端電極、所述物料分布環(huán)、所述絕緣板和所述下端電極通過所述法蘭與所述連接桿固定連接在一起形成一個組合整體。
[0021]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果是:
[0022]本實用新型產(chǎn)品加工制造簡單、維護成本低、維修方便，通過物料進料口向物料電阻加熱室輸入待石墨化的碳素細顆粒、惰性氣體以及能夠與碳素細顆粒中的金屬雜質化合物在高溫條件下進行反應的提純用氣體，再在惰性氣氛保護環(huán)境下給上端電極、下端電極通電，電流就可以通過碳素細顆粒自身的電阻發(fā)熱，并隨著時間和電流的增加，使碳素細顆粒的溫度達到3000度左右，從而完成石墨化和提純，然后從石墨化物料出口流出物料電阻加熱室，后面的物料再繼續(xù)充入物料電阻加熱室，使整個過程連續(xù)化進行，并且在加熱過程中，不需要任何外加電阻料和石墨坩禍消耗電能進行加熱，避免電能浪費，生產(chǎn)過程中冷卻液循環(huán)系統(tǒng)在對電熱爐的上端電極和下端電極進行降溫冷卻，防止電極過熱，排出的石墨化物料在冷卻過程中，還可以讓電極的冷卻液繼續(xù)吸收石墨化后的物料在冷卻過程中釋放的熱量，成為其他設備生產(chǎn)所需要的熱源，進行回收利用，高效節(jié)能，使用操作簡便。
[0023]在上述技術方案的基礎上，本實用新型還可以做如下改進。
[0024]作為本實用新型的一種優(yōu)選實施方式，所述上端電極上安裝有與其電連接的上端電極母線接板，所述下端電極上安裝有與其電連接的下端電極母線接板。
[0025]采用上述優(yōu)選方案的有益效果是:更加方便對上端電極和下端電極進行通電。
[0026]作為本實用新型的另一種優(yōu)選實施方式，所述上端電極母線接板的內(nèi)部設有上端電極母線冷卻室，所述下端電極母線接板的內(nèi)部設有下端電極母線冷卻室，所述上端電極內(nèi)冷卻室與所述上端電極母線冷卻室相連通，所述上端電極母線冷卻室與所述下端電極母線冷卻室相連通，所述下端電極母線冷卻室與所述下端電極冷卻室相連通。
[0027]采用上述優(yōu)選方案的有益效果是:既能夠對上、下端電極母線接板及連接在其上的上、下端電極母線進行降溫，避免它們因溫度過高而受損，而且使得冷卻液能夠吸收更多的多余熱量，使冷卻液被加熱后，成為其他設