防堵塞氣力輸送系統在鋰電池混料中的應用

王秦越，陳禮群，賀關麗，蔡志端，許宇翔

（1.湖州職業技術學院 機電與汽車工程學院，浙江 湖州 313000；2.浙江管工智能機械設備有限公司，浙江 湖州 313000；3.湖州師范學院 工學院，浙江 湖州 313000)

1 緒論

鋰電池的生產工藝中，第一步是混料。混料是指將正負極活性材料、導電劑、粘結劑、溶劑等漿料或粉體通過氣力輸送系統，傳輸到攪拌罐中混合均勻制得漿料，漿料成型后才能作為電池的正負極材料。

氣力輸送系統是根據固氣兩相流的原理，以普通空氣或惰性氣體為載體，利用壓縮氣體的靜壓或動壓，使干燥粉末和顆粒物料按照指定的路徑在管道中進行連續運送的一種現代物流系統。由于該傳輸方式傳輸時是全封閉狀態，即采用密封式輸送管道代替傳統的敞開式機械輸送，這樣不僅能保證物料在運送過程中仍然能保持原有特性，大大提高了物料回收或傳輸的效率，而且能達到良好的環境保護效果，同時具有成本低、經濟效益高等優點。鋰離子電池材料屬微米級粉體材料，其生產加工過程與其他粉體材料類似，且具有流動性好、堆積密度小等特點，滿足氣力輸送的基本要求條件。

混料是電池生產的第一步，也是保證后續生產工藝的重要基礎，因此混料過程在鋰電池的質量控制中具有十分重要的意義。而管道堵塞乃至爆裂等情況的發生，則是制約氣力輸送系統在鋰電池混料過程中提升生產安全性和效率的關鍵之一。

目前國內外對氣力輸送系統堵塞問題的研究相對較少。有的學者使用CFD-DEM方法，建立了管道中帶電顆粒流的仿真模型并進行了分析，提出了通過加大入口處氣流速率來提升顆粒流動狀態的方法，以減少堵塞的出現。但加大輸送氣流速度，會影響氣力輸送系統在進行動態稱重時的稱量精度，從而影響產品質量。有的學者分析了管道堵塞發生的原因，并提出了通過優化輸送管道中的壓差，選擇適宜固氣比來避免輸送堵塞的方法。但是這一方法選擇的固氣比僅適用于粉煤灰輸送，沒有考慮不同物料間各自顆粒特性的不一，不具有泛用性。文獻提出了一種刮板輸送機，并將其應用于氣力輸送系統。該輸送機在管道堵塞時能夠及時運行，去除并輸送走堵塞積壓的粉料，使設備恢復正常運行。但該輸送機僅能在堵塞發生后才運行，系統缺乏預警機制與功能。文獻研究了管道旋轉對堵塞坍塌的影響，使用CFD-DEM方法，建立了管道中流體特性與旋轉速度的仿真模型，并通過實驗結果證明了管道旋轉能夠加速氣力輸送過程中管道堵塞的消除。但在實際生產過程中，管道的旋轉無疑會進一步增加能耗。有的研究介紹了一種精密增壓系統和方法，以產生更合理的增壓流場，并配反向氣力輸送，從而消除管道堵塞。但該方法在處理管道堵塞等故障后，缺乏反饋機制，仍需人工檢查判斷系統是否可恢復正常運行。

可以發現，傳統的氣力輸送系統在面對管道堵塞等問題時，雖然已考慮需要實時監控氣力輸送過程中的固氣比、壓力及流量等參數的變化，但由于上述參數之間相互耦合，常見的氣力輸送系統中的監控與報警單元僅能單純地記錄上述參數，缺少智能化在線監控與診斷。

針對上述問題，文章提出了一種新型的防堵塞氣力輸送系統，用于鋰電池正負極的混料生產過程。該系統主要針對鋰電池正負極材料在輸送過程中可能出現的物料堵塞、管道爆裂等故障，一方面基于多源傳感技術，實現氣壓、流量等參數的在線狀態數據采集、監測，采用智能故障診斷方法，通過氣力雙向輸送方式去堵塞；另一方面通過在管道中安裝清理裝置，自動、持續去除管道內的積料，消除堵塞，以提高系統的安全性和輸送效率。

2 防堵塞氣力輸送系統

該防堵塞氣力輸送系統主要由供料與集料裝置、輸送管路及控制閥、防堵塞裝置、氣體動力源、傳感檢測裝置等多個基本部分組成，氣力輸送系統的輸送過程簡圖如圖1所示。

圖1 氣力輸送系統流程簡圖

2.1 參數檢測與系統在線監控

系統運行過程中，管道堵塞或爆裂等故障在發生時或發生前，必然會導致系統的氣壓、流量等各項參數發生變化，因此需要對系統運行狀態進行實時監控。系統通過氣壓傳感器、流量傳感器等裝置，自動監測氣壓、流量等實時參數，并根據參數變化發出相應報警或預警信號，與系統的其他相關部件共同實現故障的閉環控制。

參數檢測與系統在線監控實現框圖如圖2所示。

圖2 系統在線監控與故障預警框圖

2.2 雙向注吹去堵塞方法

系統發出故障或故障預警信號時，一方面通過控制各類氣泵供給氣流壓力大小，結合工藝需求參數，使氣壓和流量等參數維持在安全閾值內，同時在該段堵塞管道兩端正、逆雙向反復注吹氣流，將物料流化后進行疏導。若超過一定時間或一定次數仍然無法消除故障或預警，則快速停機，并將報警信號升級。程序處理流程如圖3所示。

圖3 程序流程圖

2.3 積料清理裝置

該裝置結構如圖2～4所示。圖中1為支撐環，外緣呈環形陣列設計了4個支撐臂，固定在管道上。支撐環內固定安裝有伺服電機，伺服電機的電機軸另一端安裝有固定軸套，軸套的外緣面上呈環形陣列構造有4個抵接于管壁的弧形刮塵臂，弧形刮塵臂遠離于軸套側設計有4個矩形刮塵臂，矩形刮塵臂抵接于管道臂。該裝置工作時，通過啟動伺服電機帶動聯接有刮塵臂的固定軸套轉動，通過4個弧形刮塵臂和矩形刮塵臂完成對于管道軸向和徑向積料的處理。

圖4 清理裝置結構示意圖

此外，為便于維護，該裝置的安裝座朝向支撐環的一側對稱開設有兩個供螺栓活動設置的通孔，且兩個螺栓穿過通孔的一端螺紋連接于管道壁內，通過拆卸螺栓即可將該清理裝置取出。如圖5所示。

圖5 清理裝置立體結構拆分示意圖

3 實驗研究與分析

對4臺同型號氣力輸送仿真實驗設備進行對比性研究實驗，其中2臺未經過任何技術性改造，2臺加入了文章所設計的防堵塞系統。仿真設備裝置結構與實際生產用設備一致，體積等比例縮小，計量罐承載上限為30 kg。

實驗物料采用的是石墨碳粉，石墨碳粉是鋰電池生產中的重要原料之一，因此實驗具有實際意義。

將4臺設備在同樣的工況環境下共運行1個工作日。實驗結果表明，加裝防堵塞系統后，氣力輸送設備大大減少了堵塞次數和停機維護次數，且設備運行總時長、輸送物料質量也得到了相應提升。

4 結論

通過實驗證明了防堵塞氣力輸送系統在解決氣力輸送過程中管道堵塞問題方面的有效性。不僅提高了氣力輸送的效率，且無需人工進行頻繁維護，提高了企業的自動化生產水平。