石墨化炉及人造石墨负极材料石墨化生产方法与流程

本发明涉及锂离子电池碳负极材料技术领域，特别是涉及一种人造石墨负极材料的石墨化设备及方法。

背景技术：

锂离子电池具有比容量高、工作电压高、安全性好、无记忆效应等一系列的优点，广泛应用于笔记本电脑、移动电话和仪器仪表诸多便携式电子仪器设备中。近年来，随着电子产品及车载与储能设备对小型化、轻量化及多功能、长时间驱动化的要求不断提高，对锂离子电池高能量密度化、高倍率性能且长循环寿命的要求不断提升。人造石墨经超高温石墨化热处理后具有容量高、循环寿命长、性能稳定等显著优势，在锂离子电池负极材料中得到广泛应用。因此，高温石墨化是制备人造石墨负极材料必备的工艺之一。

目前，大多数传统方法采用的是艾奇逊石墨化炉(简称艾奇逊炉)来加工人造石墨负极材料。艾奇逊炉的原理是通过电流流经炉内电阻料而使电阻料产生大量热能，然后再将热能传递到产品，最终实现产品石墨化。使用艾奇逊炉加工负极材料需送电30～40个小时，每吨产品的电耗在15000～16000度，电单耗高，而且对环境污染比较大。为了克服艾奇逊炉的缺陷，现在很多企业采用内串石墨化炉。内串石墨化炉的原理则是通过将产品以一定方式在炉内串接在一起，通电时使电流流经产品本身而产生大量热能并达到一定温度(通常在3000～3100℃)而实现产品石墨化。内串石墨化炉加工负极材料需送电20～30个小时，每吨产品的电耗在13000～13500度，生产成本比艾奇逊炉节省大概20～30％，电单耗低，节省成本，不需电阻料，对环境污染小。

但是，现有的内串石墨化炉生产方法也有不如人意之处：一是负极材料需要用物料容器或物料舟皿盛装，由于物料容器或物料舟皿是随着负极物料一起升温和降温的辅助工具，在石墨化工艺中消耗大量的热量，导致石墨化成本显著提高。二是为了保温和防止炉内物料氧化，炉内四周用石油焦粉的保温料填装，出料时会造成保温料不易清理而引入杂质，导致产品纯度不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种石墨化炉和人造石墨负极材料石墨化生产方法，该方法的生产效率高、成本低，所制备的人造石墨负极材料产品纯度高。具体而言，石墨化过程中不使用物料容器或物料舟皿以及保温料，而是将人造石墨直接置于炉膛中实施石墨化处理，可以提高物料装炉量，产量提升至少25％；加热过程中热损小，电耗大幅度降低，比普通的炉用电单耗每吨至少节省1000kw/h；还可以节省大量的用于作电阻料的冶金焦和石墨化焦，从而大幅降低了能耗和生产成本，经济效益十分显著。并且，该石墨化炉采用空冷实现炉体的散热，炉体结构简单，节约水资源。

为实现上述目的，本发明提供一种石墨化炉，包括炉体和炉盖，其中，炉体为上端开口的箱体结构，炉体的开口端用炉盖密封，在相对的两个炉体侧墙上装有导电电极，在炉体内部从一侧炉体侧墙上的导电电极到另一侧炉体侧墙上的导电电极之间，分布有若干个石墨导电板。

优选的是，所述炉体的箱体结构是采用耐火保温砖砌成。

优选的是，导电电极由多块石墨块拼成，石墨块与炉体侧墙之间严密接触。

优选的是，炉体侧墙上嵌入多根导电电极。

优选的是，石墨导电板等间距平行分布在两侧炉体侧墙的导电电极之间。

优选的是，炉盖与炉体可拆卸连接。

进一步地，该炉盖上还设有导气孔。本发明中，所述导气孔与废气处理设备连接，例如与除尘塔、除硫塔和排浆池依次用管道连接。

进一步地，在炉底设有循环风冷系统。例如在炉体下面设有通风管道，风机设置在通风管道一端，通过风机的送风，带动空气在通风管道流动来散热。

进一步地，该石墨化炉还包括吸料系统，该吸料系统由吸料板和机械手组成。进一步的，所述机械手为程控机械手。

本发明还提供了使用上述石墨化炉的人造石墨负极材料石墨化生产方法，包括下述步骤：

a.将待石墨化的人造石墨原料直接装入石墨化炉炉膛内，不额外使用物料容器或物料舟皿；

b.将石墨导电板插入原料中，用炉盖密封石墨化炉炉体的开口端；

c.向炉内送电进行石墨化；

d.停止向炉内送电，冷却；

e.出料。

优选地，步骤a中，待石墨化的人造石墨原料为石墨焦、沥青焦、针状焦和中间相碳微球的一种或几种。

优选地，步骤b中，石墨化加热过程中挥发的废气通过炉盖上的导气孔排出进行集中处理。更优选，首先通入除尘塔取出废气中的颗粒粉尘，然后经过除硫塔去除废气中的硫，最后通过排浆池对废气进行中和，并将收集到的废渣集中，用于后续处理。

优选地，步骤c中，向炉内送电的模式为：送电初期电流密度20～25A/cm²，送电时间为18～24小时，送电后期将电流密度提升至28A/cm²以使炉内的产品温度提升至2800～3200℃，保温10～12小时。

优选地，步骤d中，冷却方式为风冷。例如，在石墨化炉炉体下方设有通风管道，风机设置在通风管道一端。通过风机的送风，带动空气在通风管道流动来散热，实现冷却。

优选地，步骤d中，冷却时间为24～48小时。

上述方法中，不填装保温料。优选地，在步骤e中，采用吸料系统出料。启动吸料系统出料之前首先打开炉盖。吸料时，首先将靠近石墨化炉顶部和炉壁周围氧化的物料吸入尾料仓，然后再将剩余的物料吸入成品仓。

本发明还提供了适用于上述方法的石墨化系统，包括本发明的石墨化炉、除尘塔、除硫塔和排浆池，其中，石墨化炉的炉盖上设有导气孔，所述导气孔与除尘塔、除硫塔和排浆池依次用管道连接。除尘塔、除硫塔和排浆池用于处理从石墨化炉排出的废气。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.经砌入炉体侧墙内的石墨导电电极送电，在炉体侧墙内可装入多根电极，冷却好，送电快，易于更换，从而可以节省建炉费用。

2.石墨化炉利用人造石墨物料本身做发热体，电流及温度分布比较均匀，升温速度快，从开始通电至达到石墨化高温只需6-10小时，大大缩短了通电加热时间。

3.石墨化炉内不用电阻料和物料容器，可以提高物料装炉量，产量提升至少25％；加热过程中热损小，电耗大幅度降低，比普通的炉用电单耗每吨至少节省1000kw/h；还可以节省大量的用于作电阻料的冶金焦和石墨化焦，经济效益十分显著。

4.利用风冷冷却系统，炉体结构简单，节约水资源。

5.炉内四周不用保温料填装，出料时避免引入杂质，产品纯度高。

6.采用程控机械手吸料系统，可以准确地吸出靠近石墨化炉顶部和石墨化炉壁周围氧化的物料，保证产品的纯度。

7.集中引导治理烟气，尾渣回收利用，实现清洁能源生产，环境保护提高95％以上。

附图说明

图1为石墨化炉的立体结构示意图。

图2为石墨化系统。

附图标记说明：

1、炉体侧墙；2、炉体侧墙；3、炉体侧墙；4、炉体侧墙；5、石墨块；6、石墨导电板；7、机械手；8、吸料板；9、通风管道；10、炉盖；11、导气孔；12、除尘塔；13、除硫塔；14、排浆池；

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但本领域技术人员了解下文旨在阐述本发明而非限制本发明。任何在本发明基础上做出的改进和变化都在本发明的保护范围之内。

如图1和图2所示，石墨化炉炉体为采用耐火保温砖砌成上端开口的长方体箱体结构，炉体侧墙1、2、3、4处于同一高度，炉体尺寸为4×4×10m。所述的石墨化炉炉体侧墙1和2的一定高度处对称地固定着分别由八块石墨块5拼成的两个导电电极，石墨块与炉体墙之间严密接触。生产时电源正负极接于其上，使电流导入炉内。采用多功能天车将待石墨化的人造石墨粉料填充到石墨化炉炉体内，所述的人造石墨粉料为石油焦、沥青焦和煤焦的任一种。石墨导电板6主要是用于增加物料石墨化过程中的导电性能，多个石墨导电板6等间距平行分布在两个导电电极之间，导电板数量取决于炉子的尺寸。

炉盖10与石墨化炉体可拆卸连接，封炉时，利用炉盖10密封住石墨化炉炉体的开口端。炉盖10上设有导气孔11，导气孔11、除尘塔12、除硫塔13和排浆池14依次用管道连接，石墨化加热过程中挥发的废气通过导气孔11首先通入到除尘塔12内去除废气中的颗粒粉尘，然后经过除硫塔13去除废气中的硫，最后通过排浆池14对一些有毒有害的废气进行中和，同时将收集到的废渣集中，方便后续处理。利用除尘塔和除硫塔对废气进行集中处理，先净化再排放，既能够满足保护环境的需求，又能够避免石墨化过程中产生的废气危害工作人员的身体健康。

向炉内送电进行石墨化时，送电初期电流密度20～25A/cm²，送电时间为18～24小时，送电后期将电流密度提升至28A/cm²以使炉内的产品温度提升至2800～3200℃，保温10～12小时。

当石墨化加热阶段完成后，石墨化炉进入冷却阶段，利用自然降温使得炉体的温度冷却速度很慢，为了提高炉体的降温速度，在石墨化炉体下面砌有8～10个长方体通风管道9。所述的通风管道采用耐火砖砌成，等间距平行布置，间距10～15厘米。风机设置在通风管道一端，通过风机的送风，带动空气在通风管道流动来散热，提高炉体冷却速度，使炉体内的人造石墨快速冷却，比传统的内串石墨化炉节省1～2天，进而加快整个石墨化生产流程，提高了生产效率。

冷却后，启动吸料系统出料。首先打开炉盖10，所述的吸料系统为程控吸料系统，由吸料板8和机械手7(例如为程控机械手)组成。吸料板带动机械手进行吸料，首先将靠近石墨化炉顶部80～100mm和石墨化炉壁周围100～120mm氧化的物料吸入尾料仓，然后再将剩余的物料吸入成品仓。

实施例1：

取1000KG粒度直径D50为18μm的煅后石油焦装入图1中石墨化炉内高温处理，送电初期电流密度20A/cm²，送电时间为24小时，送电后期将电流密度提升至28A/cm²以使炉内的产品温度提升至2800℃，保温12小时，停止向炉内送电，冷却28小时左右，启动吸料系统出料，得到合格产品。

实施例2：

取1000KG粒度直径D50为22μm的沥青焦装入图1中石墨化炉内高温处理，送电初期电流密度25A/cm²，送电时间为16小时，送电后期将电流密度提升至28A/cm²以使炉内的产品温度提升至3000℃，保温10小时，停止向炉内送电，冷却30小时左右，启动吸料系统出料，得到合格产品。

实施例3：

取1000KG粒度直径D50为11μm的煤焦装入图1中石墨化炉内高温处理，送电初期电流密度20A/cm²，送电时间为25小时，送电后期将电流密度提升至28A/cm²以使炉内的产品温度提升至3200℃，保温10小时，停止向炉内送电，冷却30小时左右，启动吸料系统出料，得到合格产品。