引言随着我国2030年前实现碳达峰与2060年前实现碳中和目标的宣布，节能减排工作越来越受到各行各业的重视。“十四五”和2035年远景目标纲要提出单位国内生产总值能耗降低13.5%的约束性要求，降低单位国内生产总值能耗，也是推进能源清洁低碳转型、倒逼产业结构调整的现实需要[1]。《新能源汽车产业发展规划（2021~2035年）》提出，2025年新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右；截至2035年，纯电动汽车成为新销售车辆的主流[2]。新能源汽车产业承载着实现“双碳”目标的重要使命[3]。但产业链条上制造各种零部件的能耗与碳排放问题成为实现绿色制造与低碳发展的障碍。绿色制造与低碳发展在现实中的实现鲜有实证性的证据。如何在确保生产制造正常运行的基础上，合理、有效地降低工厂能耗，是每个企业重点研究与探索的方向[3]。动力电池产业链受整车企业电动化转型和“双碳”目标加速落实的影响，绿色低碳转型迫在眉睫[4]。目前，国内电池生产的平均碳排放为60~120 kg CO2/kWh[5]。其中，生产阶段的碳排放是电池全生命周期碳排放的主要来源[6]。以某新能源锂电池实际生产能耗数据为例，对多款电池碳足迹进行研究发现，电芯产品正极材料排放的占比最高，达到59.75%，生产能耗排放占生命周期（不含使用阶段）总碳排放的比例高达20.71%。其中，涂布烘干工艺能耗在能耗排放中的贡献率高达42.36%。占总排放的8.77%。以新能源汽车核心部件动力电池的生产制造为研究对象，以动力电池负极材料的生产工艺条件为切入点，以负极生产废气处理和余热回收装置节能改进进行案例研究，并评估方案的经济效益与环境效益。1负极涂布烘箱余热回收的必要性锂离子动力电池电芯产品的主要生产流程为合浆→涂布→辊压→模切→分条→卷绕→装配→干燥→注液→密封焊接→贴蓝膜。其中，负极涂布工艺是将负极浆料以一定的涂布方式、均匀涂覆于集流体表面，且涂覆层的面密度、涂覆区的宽度及留白区（未涂覆区）尺寸需满足图纸要求；涂覆区的表面质量须得到有效管控，确保无不可接受缺陷（特别是金属）。极片表面单位面积涂层物质的质量表征正负极浆料或活性物质的涂覆量，直接关系电池重量及电池容量发挥。因此，涂布工艺对于电池生产至关重要。负极涂布工艺的主流烘干方法主要有两种形式：一种是采用电加热形式，使电能被转化为热能；另一种是天然气锅炉燃烧形式给导热油加热，向烘箱传递热辐射。二者均是加热空气，以达到去除负极涂布中水分的目的。电加热利用电能转化为热能的方式，通过电阻加热元件产生热量，将热量传递给烘烤室或传热介质，实现对涂布材料的加热和干燥。电加热在涂布烘烤中具有精确的温度控制和快速响应的优点。由于加热元件直接安装在烘烤室或热风循环系统中，可以实现局部加热，适用于对温度控制要求较高的工艺。但是电加热的能源消耗较高，长期运行会增加能源成本。此外，电加热元件容易受腐蚀和老化的影响，需要定期维护和更换。因此，电加热适用于小型涂布机或对温度控制要求较高的场景。导热油加热利用导热油作为传热介质，在烘烤室或热风循环系统中传递热量。导热油在循环过程中吸收热量，通过循环泵将热量传递给烘烤室，实现对涂布材料的均匀加热。导热油加热具有高效的热传导和稳定的温度控制能力，能够满足对温度要求严格的工艺。与电加热相比，导热油加热能够保持均匀加热，适用于大面积的涂布烘烤过程。但是导热油加热的设备建设和维护成本较高，需要注意安全性要求。因此，导热油加热适用于对温度要求非常严格的工艺。选择加热方式时，需综合考虑涂布工艺的要求、生产规模、能源成本和预算限制等因素。电加热适用于对温度控制要求较高、设备规模较小的场景。导热油加热适用于对温度要求非常严格、涂布面积较大的工艺。此外，导热油加热在长时间稳定运行和大面积均匀加热方面具有优势，但需要投入更多的设备建设和维护成本。合理选择加热方式能够满足涂布工艺的温度控制和干燥需求。在实际应用中，应综合考虑经济性、能源消耗和设备建设成本等因素，选择最适合的加热方式。此外，在锂电池负极涂布烘烤过程中还应注意以下几点：（1）温度控制和均匀性：无论是电加热还是导热油加热，确保温度控制的精确性和稳定性至关重要。温度过高或过低都可能对涂布材料的性能产生不良影响。此外，均匀加热也是确保涂布品质的关键，避免温度梯度过大导致涂层厚度和性能的不一致。（2）能源消耗和效率：电加热比导热油加热的能源消耗高。在选择加热方式时，要综合考虑能源成本和效率，寻找平衡点，尽可能降低生产成本。（3）安全性：导热油加热需要注意安全性要求，包括导热油的选择和储存、设备的密封性和安全保护措施等，以防止意外事故的发生。（4）设备维护和管理：不论是电加热还是导热油加热，都需要定期维护和管理，确保设备的正常运行和性能稳定。针对导热油锅炉烘箱进行节能余热回收研究。负极涂布烘箱余热回收装置的热损失主要有两方面：一是乏气系统热交换中的热损失，从热力循环角度分析，对热交换器机组而言，这项热损失无法避免；二是热交换之后含水的热空气无法再利用，直接排到室外，存在能源浪费，这部分热损失可以考虑进一步回收利用。2涂布烘箱余热回收现状及改进2.1涂布烘箱余热回收现状改造前负极涂布烘箱余热回收装置如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.019.F001图1改造前负极涂布烘箱余热回收装置装置主要由两部分组成：一部分是在导热油锅炉中燃烧天然气，获得热能，通过烘箱内部换热器与烘箱进行热对流，从而达到烘干烘箱内负极卷的目的，由排风机进行负压回风，带走烘箱内部蒸发水蒸气与石墨等粉尘物，经热交换器换热后的废气通过废气回收装置处理后排入大气；另一部分是由全新风管道通过热交换器进行加热，由送风机传入烘箱内部的换热器，从而达到烘箱预热的效果。2.2涂布烘箱余热回收节能改进改造后负极涂布烘箱余热回收装置如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.019.F002图2改造后负极涂布烘箱余热回收装置增加表冷器对负极烘箱中排出管道空气中所含水分进行冷凝，分离水分与空气中石墨，余下空气温度约为50℃，再通过热交换器二次加热后，通过送风系统对烘箱内部的换热系统进行预加热。增加冷凝水回收装置，与场内污水站进行连接，通过污水站水处理后，应用于冷却塔或其用途。3模型构建3.1热量计算模型为了科学计算回收热量，根据热力学定律，构建空气热量计算模型。Q=c×ρ×Δt (1)式中：c——空气的比热容，取1 010 J/(kg·℃)；ρ——空气密度，取1.29 kg/m3；Δt——温度的变化，℃。3.2碳排放测算模型CCO2=E×NCV×CEF×COF×4412 (2)式中：CCO2——测算的导热油锅炉天然气燃烧碳排放量；E——天然气的消耗量；NCV——天然气的平均低位发热量；CEF——天然气的碳排放系数；COF——天然气的碳氧化系数；44/12——CO2与C的分子量比率。天然气平均低位发热量与碳氧化率系数参考《中国能源统计年鉴》附录。天然气相关系数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.12.019.T001表1天然气相关系数项目数值天然气平均低位发热量/(kJ/m3)38 931IPCC原始CO2排放系数/(kg/TJ)56 100碳氧化系数/%994结果与分析本案例负极烘箱余热回收装置中的排风机与送风机风量为520 m3/min (31 200 m3/h)，以每年设备装置运行320 d估算，计算节约成本效益与环境效益。4.1改造前在方案改造之前，负极涂布烘箱的余热回收温度的变化为45-22=23 ℃，计算如下：热量1 010×1.29×31 200×23÷1 000=934 961.04 kJ/h；折算天然气934 961.04÷38 931=24.16 m3/h；年节约天然气24.16×24×320÷10 000=18.56万m3；年减少成本18.56×5.1=94.66万元；年减少碳排放18.56×21.6=400.90 t。4.2改造后在方案改造之后，负极涂布烘箱的余热回收温度在原有基础上增加，温度的变化为65-45=20 ℃，计算如下：热量1 010×1.29×31 200×20÷1 000=813 009.6 kJ/h；折算天然气813 009.6÷38 931=20.88 m3/h；年节约天然气20.88×24×320 ÷1000 =16.04万m3；年减少成本：16.04×5.1=81.80万元；年减少碳排放：16.04×21.6=346.46 t。5结语负极涂布烘箱是锂离子动力电池生产过程中重要的工艺流程设备，而乏气装置是负极重要的生产辅助和动力设备，通过改进余热回收装置，送风机送风温度由45 ℃升至 65 ℃，在原有基础上，节约天然气16.04万m3/a，降低成本81.80万元/a，减少碳排放 346.46 t/a。在“双碳”目标以及新能源产业动力电池产能快速扩张的发展背景下，该项目的成功运用，可为同类装置的改造提供参考。