防堵塞气力输送系统在锂电池混料中的应用

王秦越，陈礼群，贺关丽，蔡志端，许宇翔

（1.湖州职业技术学院 机电与汽车工程学院，浙江 湖州 313000；2.浙江管工智能机械设备有限公司，浙江 湖州 313000；3.湖州师范学院 工学院，浙江 湖州 313000)

1 绪论

锂电池的生产工艺中，第一步是混料。混料是指将正负极活性材料、导电剂、粘结剂、溶剂等浆料或粉体通过气力输送系统，传输到搅拌罐中混合均匀制得浆料，浆料成型后才能作为电池的正负极材料。

气力输送系统是根据固气两相流的原理，以普通空气或惰性气体为载体，利用压缩气体的静压或动压，使干燥粉末和颗粒物料按照指定的路径在管道中进行连续运送的一种现代物流系统。由于该传输方式传输时是全封闭状态，即采用密封式输送管道代替传统的敞开式机械输送，这样不仅能保证物料在运送过程中仍然能保持原有特性，大大提高了物料回收或传输的效率，而且能达到良好的环境保护效果，同时具有成本低、经济效益高等优点。锂离子电池材料属微米级粉体材料，其生产加工过程与其他粉体材料类似，且具有流动性好、堆积密度小等特点，满足气力输送的基本要求条件。

混料是电池生产的第一步，也是保证后续生产工艺的重要基础，因此混料过程在锂电池的质量控制中具有十分重要的意义。而管道堵塞乃至爆裂等情况的发生，则是制约气力输送系统在锂电池混料过程中提升生产安全性和效率的关键之一。

目前国内外对气力输送系统堵塞问题的研究相对较少。有的学者使用CFD-DEM方法，建立了管道中带电颗粒流的仿真模型并进行了分析，提出了通过加大入口处气流速率来提升颗粒流动状态的方法，以减少堵塞的出现。但加大输送气流速度，会影响气力输送系统在进行动态称重时的称量精度，从而影响产品质量。有的学者分析了管道堵塞发生的原因，并提出了通过优化输送管道中的压差，选择适宜固气比来避免输送堵塞的方法。但是这一方法选择的固气比仅适用于粉煤灰输送，没有考虑不同物料间各自颗粒特性的不一，不具有泛用性。文献提出了一种刮板输送机，并将其应用于气力输送系统。该输送机在管道堵塞时能够及时运行，去除并输送走堵塞积压的粉料，使设备恢复正常运行。但该输送机仅能在堵塞发生后才运行，系统缺乏预警机制与功能。文献研究了管道旋转对堵塞坍塌的影响，使用CFD-DEM方法，建立了管道中流体特性与旋转速度的仿真模型，并通过实验结果证明了管道旋转能够加速气力输送过程中管道堵塞的消除。但在实际生产过程中，管道的旋转无疑会进一步增加能耗。有的研究介绍了一种精密增压系统和方法，以产生更合理的增压流场，并配反向气力输送，从而消除管道堵塞。但该方法在处理管道堵塞等故障后，缺乏反馈机制，仍需人工检查判断系统是否可恢复正常运行。

可以发现，传统的气力输送系统在面对管道堵塞等问题时，虽然已考虑需要实时监控气力输送过程中的固气比、压力及流量等参数的变化，但由于上述参数之间相互耦合，常见的气力输送系统中的监控与报警单元仅能单纯地记录上述参数，缺少智能化在线监控与诊断。

针对上述问题，文章提出了一种新型的防堵塞气力输送系统，用于锂电池正负极的混料生产过程。该系统主要针对锂电池正负极材料在输送过程中可能出现的物料堵塞、管道爆裂等故障，一方面基于多源传感技术，实现气压、流量等参数的在线状态数据采集、监测，采用智能故障诊断方法，通过气力双向输送方式去堵塞；另一方面通过在管道中安装清理装置，自动、持续去除管道内的积料，消除堵塞，以提高系统的安全性和输送效率。

2 防堵塞气力输送系统

该防堵塞气力输送系统主要由供料与集料装置、输送管路及控制阀、防堵塞装置、气体动力源、传感检测装置等多个基本部分组成，气力输送系统的输送过程简图如图1所示。

图1 气力输送系统流程简图

2.1 参数检测与系统在线监控

系统运行过程中，管道堵塞或爆裂等故障在发生时或发生前，必然会导致系统的气压、流量等各项参数发生变化，因此需要对系统运行状态进行实时监控。系统通过气压传感器、流量传感器等装置，自动监测气压、流量等实时参数，并根据参数变化发出相应报警或预警信号，与系统的其他相关部件共同实现故障的闭环控制。

参数检测与系统在线监控实现框图如图2所示。

图2 系统在线监控与故障预警框图

2.2 双向注吹去堵塞方法

系统发出故障或故障预警信号时，一方面通过控制各类气泵供给气流压力大小，结合工艺需求参数，使气压和流量等参数维持在安全阈值内，同时在该段堵塞管道两端正、逆双向反复注吹气流，将物料流化后进行疏导。若超过一定时间或一定次数仍然无法消除故障或预警，则快速停机，并将报警信号升级。程序处理流程如图3所示。

图3 程序流程图

2.3 积料清理装置

该装置结构如图2～4所示。图中1为支撑环，外缘呈环形阵列设计了4个支撑臂，固定在管道上。支撑环内固定安装有伺服电机，伺服电机的电机轴另一端安装有固定轴套，轴套的外缘面上呈环形阵列构造有4个抵接于管壁的弧形刮尘臂，弧形刮尘臂远离于轴套侧设计有4个矩形刮尘臂，矩形刮尘臂抵接于管道臂。该装置工作时，通过启动伺服电机带动联接有刮尘臂的固定轴套转动，通过4个弧形刮尘臂和矩形刮尘臂完成对于管道轴向和径向积料的处理。

图4 清理装置结构示意图

此外，为便于维护，该装置的安装座朝向支撑环的一侧对称开设有两个供螺栓活动设置的通孔，且两个螺栓穿过通孔的一端螺纹连接于管道壁内，通过拆卸螺栓即可将该清理装置取出。如图5所示。

图5 清理装置立体结构拆分示意图

3 实验研究与分析

对4台同型号气力输送仿真实验设备进行对比性研究实验，其中2台未经过任何技术性改造，2台加入了文章所设计的防堵塞系统。仿真设备装置结构与实际生产用设备一致，体积等比例缩小，计量罐承载上限为30 kg。

实验物料采用的是石墨碳粉，石墨碳粉是锂电池生产中的重要原料之一，因此实验具有实际意义。

将4台设备在同样的工况环境下共运行1个工作日。实验结果表明，加装防堵塞系统后，气力输送设备大大减少了堵塞次数和停机维护次数，且设备运行总时长、输送物料质量也得到了相应提升。

4 结论

通过实验证明了防堵塞气力输送系统在解决气力输送过程中管道堵塞问题方面的有效性。不仅提高了气力输送的效率，且无需人工进行频繁维护，提高了企业的自动化生产水平。