具有余熱回收功能的回轉窯結構設計與優化

黃俊初

（佛山市天祿智能裝備科技有限公司，廣東佛山 528051）

在鋰電池原材料行業，電池的原材料處理中存在一個高溫處理的環節。高溫處理采用的設備有多種，其中輥道窯和回轉窯是適用性最廣的兩種窯爐。回轉窯是指旋轉煅燒窯，俗稱旋窯，其在多種領域都有運用。按照處理物料的不同，有水泥窯、冶金化工窯、石灰窯、陶粒窯和鋰電池窯。其中，根據物料的不同，工藝也千差萬別，所需的環境也不同。

目前，用于燒制鋰電池原料的旋轉窯的加熱方式有許多，例如通過電偶加熱、天然氣加熱、燃煤加熱等方式。近些年來，對于回轉窯的加熱方式從燃煤加熱到天然氣加熱，再到熱電偶加熱，逐漸地降低了能源的消耗。但是，鋰電池原料在燒制過程中，熱量的回收再利用還處于空缺狀態，因而有必要對其進行改進。

為了克服現有技術的不足，本文設計了回轉窯和余熱回收系統，能夠降低余熱的揮發率，且能夠充分回收和利用余熱，從而減少能耗。

1 回轉窯的優化設計

1.1 回轉筒

回轉筒包括筒體和兩個支承環形套。筒體的兩端分別活動套接一個支承環形套。通常回轉窯的筒體由四個滾輪進行支承，受支承環形套承托，筒體能夠相對于支承環形套進行轉動。筒體的外壁固定有從動齒輪，在外界的主動齒輪的驅動下，從動齒輪旋轉，從而使得筒體被傳動而持續旋轉。

1.2 原料燒制腔

如圖1所示，回轉筒內設有相互獨立的原料燒制腔和氣體隔熱腔。原料燒制腔包括順次連通的進料輸送腔、原料攪拌腔和出料輸送腔。在原料燒制腔內，進料輸送腔將原料送入原料攪拌腔進行充分攪拌，最后通過出料輸送腔送出。出料輸送腔內設有螺旋桿，螺旋送料葉片沿螺旋桿的軸向延伸。徑向輸氣管的進口端固定于螺旋桿上，這樣設計可強化徑向輸氣管的強度和穩定性。

圖1 回轉窯的結構示意圖

原料攪拌腔內設有多排攪拌排，均沿原料攪拌腔的軸向延伸，并以原料攪拌腔的軸線為中心線進行圓周陣列分布。攪拌排包括攪拌塊，其固定于原料攪拌腔的腔壁，隸屬于同一攪拌排的多個攪拌塊沿原料攪拌腔的軸向間隔地設置，使得相鄰的兩個攪拌塊之間形成用于供原料掉落的間隔槽。攪拌時，在筒體的旋轉下，原料被攪拌排承托起后抵達最高點時再受自重掉落，從而使得原料混合更加均勻。此外，攪拌塊上遠離原料攪拌腔腔壁的一端設有擊碎刀刃，用于將結團的原料擊碎，從而提高原料的混合度。攪拌排還包括沿原料攪拌腔的軸向延伸的固定條，位于攪拌塊兩端之間，用于固定同一攪拌排的各攪拌塊。受固定條的支承，即使當某一塊攪拌塊與筒體脫離后，依然可以起到攪拌作用。

1.3 氣體隔熱腔

如圖2所示，氣體隔熱腔呈環形結構并圍設在原料燒制腔的外圍，沿筒體的軸向延伸。氣體隔熱腔兩端設有進氣口與出氣口。其中進氣口與氣源連通，靠近出料端，出氣口與原料燒制腔連通，靠近進料端，使得充入的氣體在氣體隔熱腔的行程較長，保證原料燒制腔內充滿氮氣或氧氣。并且，氣體隔熱腔阻隔了熱量的揮發，降低了余熱的揮發，節約了能耗。而揮發的大多熱量則被氮氣或者氧氣所吸收，使得進入原料燒制腔后的氮氣或氧氣只需吸收少量的熱量即可與原料的溫度相近，從而進一步降低了能耗。對于燒制鋰電池負極原料而言，該設計有利于保證氮氣充滿原料燒制腔以提高保護性能。對燒制鋰電池正極原料而言，該設計有利于提高氧氣濃度以降低雜質氣體比重。

圖2 圖1的A處的局部放大圖和B處的局部放大圖

出氣口連接有單向閥，可以避免原料堵塞出氣口。進氣口跟隨筒體旋轉作規律的圓周運動，使得進氣口處于運動狀態下與氣源進行連接，即要求氣管甩動。因此，筒體內固定有徑向輸氣管，其出口端與進氣口連通，進口端與筒體共軸，且進口端活動套接有靜態送氣管，靜態送氣管固定于其中一個支承環形套。如此，靜態送氣管不僅可以對運動的徑向輸氣管進行送氣，而且相對于支承環形套靜止，從而避免甩動氣管狀況的發生。

此外，氣體隔熱腔內設有承重體。承重體的相對兩側分別固定于氣體隔熱腔的內曲面壁和氣體隔熱的外曲面壁，用于增強筒體的強度和剛度，防止因開設氣體隔熱腔而使得筒體彎曲。承重體由多塊承重塊組成，承重塊沿氣體隔熱腔的周向和軸向間隔地陣列分布，從而在保證筒體強度和剛度的前提下，利于氮氣或氧氣在氣體隔熱腔內流動。

2 余熱回收系統的優化設計

為了實現回轉窯的余熱回收功能，還設計了余熱回收系統，如圖3所示。包括換熱輸送筒、換熱液體箱和氣體輸送管。由于傳統燒制負極厚料時，氮氣的真正熱源全部來自于加熱裝置，因而更應當通過余熱對氮氣進行加熱。

圖3 余熱回收系統結構示意圖

2.1 換熱輸送筒

換熱輸送筒有送料腔，回轉窯的出料口與送料腔接通。換熱輸送筒內設有其軸向延伸的旋轉軸，旋轉軸連接驅動電機，旋轉軸具有用于輸送鋰電池原料的螺旋送料葉片。通過驅動電機對旋轉軸進行驅動，使得螺旋送料葉片對高熱的鋰電池原料進行翻滾和輸送，這樣有利于高熱的鋰電池原料充分地與送料腔的腔壁直接接觸，進行熱傳遞，大幅提高了換熱效率。

送料腔外圍設有環形液體換熱腔，環形液體換熱腔兩端連接低溫管和高溫管，且低溫管更靠近回轉窯的出料口。利用溫差越大，熱傳遞效率越高的原理，從低溫管進入環形液體換熱腔的液體優先與較高溫的鋰電池原料充分進行熱交換，從而提高換熱效率。液體在環形液體換熱腔內流動一定距離后，從高溫管送出即可。此外，換熱輸送筒相對于水平面傾斜設置，使得進料端的水平高度比出料端的水平高度高，利于提高鋰電池原料的輸送效率，同時也利于液體在環形液體換熱腔有傾向地流動，防止部分液體處于靜止狀態。

2.2 換熱液體箱

換熱液體箱含有儲液換熱腔。低溫管和高溫管均與儲液換熱腔連通，且低溫管或高溫管連接有泵。因此，高溫的液體在換熱液體箱降溫后，被低溫管抽吸而進入環形液體換熱腔內重新受熱。高溫管連接在換熱液體箱的底部，低溫管連接在換熱液體箱的頂部，這樣更利于換熱液體箱內液體的熱交換，也利于提高換熱液體箱內液體的紊亂度。

2.3 氣體輸送管

氣體輸送管包括順次連接的輸入段、受熱段和輸出段。輸入段用于連接氣源，受熱段容置在換熱液體箱內，通過換熱液體箱內的高溫液體對受熱段內的氣體進行加熱，輸出段與回轉窯的氣體充入口連接。氮氣輸送管的受熱段包括多根首尾順次相連的U 型段，以使受熱段呈現為蜿蜒的長條狀結構。這樣的設置是為了盡可能地提高受熱段的表面積，以提高其與液體的接觸面積，從而在有限的空間內提高其換熱效率。

如圖3所示，回轉窯的氣體充入口設置在回轉窯上靠近進料口的一端，同時，也可以設置在出料端，如圖2所示。燒制負極材料時，通過氣體充入口充入保護氣體氮氣，使得整條燒制線充滿氮氣。工作時，先向旋轉窯內充入足夠的氮氣，通過加熱裝置對回轉窯進行加熱，然后通過回轉窯不停地旋轉以對鋰電池原料進行燒制。當第一批燒制好的鋰電池原料從回轉窯的出料口送入換熱輸送筒的送料腔內時，在螺旋送料葉片的驅動下，高溫的鋰電池原料反復地接觸送料腔的腔壁，從而將熱量充分傳遞給環形液體換熱腔內的液體。同時，在泵的循環作用下，換熱液體箱內的液體溫度逐漸升高，從而能夠使得受熱段的氮氣溫度逐漸升高，利用余熱對氮氣進行加熱，實現余熱回收。如此，氮氣在進入回轉窯前已經具備較高的溫度，因而不會消耗回轉窯內的熱量，從而節約了能源。同時，從送料腔內排出的鋰電池原料溫度得到大幅度降低，省去了冷卻鋰電池原料的工序，提高了生產效益。

由于高溫管連接在換熱液體箱的底部，低溫管連接在換熱液體箱的頂部。因此，氮氣輸送管的輸入段連接在換熱液體箱的底部，輸出段連接在換熱液體箱的頂部。氮氣從輸入段進入受熱段時，遇到較高溫的液體進行高效的熱交換，從而提高氮氣的熱吸收率，充分地利用余熱。

3 結束語

文章所設計的回轉窯以及余熱回收系統具有以下有益效果：

（1）充入原料燒制腔內的氮氣或者氧氣必然先經過氣體隔熱腔，如此，氣體隔熱腔阻隔了熱量的揮發，從而降低了余熱的揮發率而節約了能耗。而揮發的大多熱量則被氮氣或者氧氣所吸收，因而進入原料燒制腔后的氮氣或氧氣只需吸收少量的熱量即可與原料的溫度相近，從而進一步降低了能耗。

（2）通過將回轉窯的出料口與換熱輸送筒的送料腔接通，能夠將高溫的鋰電池原料的熱量傳遞給換熱輸送筒的環形液體換熱腔內的液體，對余熱進行回收。同時，也是對高溫的鋰電池原料進行冷卻，省去鋰電池原料的冷卻工序以提高生產效益。

（3）通過泵將環形液體換熱腔內的液體與換熱液體箱的液體進行循環，能夠逐漸提高換熱液體箱的液體溫度，以將熱量傳遞給氮氣輸送管內的氮氣，實現余熱的再利用而節約資源。

（4）通過環形液體換熱腔內的液體與送料腔內的高熱鋰電池原料進行熱傳遞，大幅度提高了換熱效率；而且，利用旋轉軸的螺旋送料葉片對高熱的鋰電池原料進行翻滾和輸送，利于高熱的鋰電池原料充分地與送料腔的腔壁直接接觸，以進一步提高換熱效率。