周文龍， 覃 波， 徐月和

(中國恩菲工程技術有限公司 稀有金屬事業(yè)部，北京 100038)

新型蒸發(fā)結(jié)晶設備在鋰輝石提鋰過程中應用

周文龍， 覃 波， 徐月和

(中國恩菲工程技術有限公司 稀有金屬事業(yè)部，北京 100038)

本文簡述了鋰輝石- 硫酸法生產(chǎn)中蒸發(fā)結(jié)晶設備所面臨的問題，提出了工程技術優(yōu)化改進方案，并對未來礦石提鋰設備發(fā)展動向提出了幾點建議。

鋰輝石；硫酸法；蒸發(fā)結(jié)晶；礦石提鋰

0 前言

硫酸法是現(xiàn)今以鋰輝石為原料提鋰的唯一方法。天然鋰輝石稱α-鋰輝石，為了從天然鋰輝石中提鋰，α-鋰輝石只有經(jīng)過晶型轉(zhuǎn)化焙燒，轉(zhuǎn)變成四方晶系β-鋰輝石，才能與酸堿發(fā)生各種反應。鋰輝石—硫酸法工藝主體路線如下：α-鋰輝石經(jīng)高溫焙燒后，晶型轉(zhuǎn)變成β-鋰輝石，并與濃硫酸混合，經(jīng)酸化焙燒，生成可溶硫酸鋰，通過浸出得硫酸鋰溶液，經(jīng)蒸發(fā)濃縮作為生產(chǎn)碳酸鋰、氫氧化鋰及氯化鋰產(chǎn)品的中間原料—硫酸鋰溶液。硫酸鋰溶液通過燒堿溶液轉(zhuǎn)化、低溫冷凍結(jié)晶析出十水硫酸鈉晶體后，晶體分離所得轉(zhuǎn)化液經(jīng)蒸發(fā)、結(jié)晶等工序得單水氫氧化鋰產(chǎn)品(LiOH·H2O)。

鋰輝石硫酸法工藝主要使用能源為煤氣、蒸汽、電力，折標煤后各能源在生產(chǎn)總能耗中所占比例見圖1?？煽闯稣羝侵饕哪茉?，其主要用于硫酸鋰溶液蒸發(fā)、LiOH溶液蒸發(fā)濃縮結(jié)晶、粗產(chǎn)品精制及干燥等工序，其中：用于蒸發(fā)濃縮工序的蒸汽用量約占蒸汽總用量的65%～80%，同時在過程中還消耗大量冷量，可見，如何改進工藝及選擇適宜的設備進行節(jié)能降耗是鋰鹽建設和生產(chǎn)需要考慮的課題，其中，采用何種蒸發(fā)、結(jié)晶設備，至關重要。

中國恩菲工程技術有限公司近年來參與了國內(nèi)眾多鋰鹽項目的工程咨詢與設計，進行了大量研究，積累了豐富經(jīng)驗。本文針對鋰輝石硫酸法生產(chǎn)過程中各蒸發(fā)結(jié)晶設備改進，裝備水平提高、節(jié)能降耗等問題進行了工程技術方案探討。

圖1 鋰輝石提鋰各能源與總能耗的關系

1 蒸發(fā)結(jié)晶設備

1.1 MVR蒸發(fā)器

目前國內(nèi)鋰輝石硫酸法工藝中硫酸鋰凈化液蒸發(fā)濃縮生產(chǎn)基本采用傳統(tǒng)多效蒸發(fā)裝置(Multiple Effect Evaporator，MEE)，甚至部分企業(yè)仍使用高耗能夾套反應槽，熱效率低，能耗大，不適應工業(yè)發(fā)展要求。

在多效蒸發(fā)裝置中，效數(shù)與單位水量蒸發(fā)所需蒸汽量成反比，但效數(shù)越多，裝置投資越大。此外，效數(shù)還與物料性質(zhì)、生蒸汽溫度、末效出料溫度和真空度等有緊密關系。以三效強制循環(huán)為例，蒸發(fā)1 t水消耗蒸汽約0.45 t，約90元(200元/t蒸汽)，電10～15 kW·h，約5～7.5元(0.5元/kW·h)，總計蒸發(fā)1 t水約需95～100元。

從長遠考慮，在當前世界能源危機面前，鋰鹽生產(chǎn)行業(yè)須重點關注新節(jié)能裝備技術和節(jié)能降耗工藝，其中蒸發(fā)結(jié)晶工序是核心。

目前蒸發(fā)設備中最為節(jié)能、效率最高的設備是機械蒸汽壓縮機，俗稱“熱泵”(Mechanical Vapour Recompressor，MVR)，MVR簡要工作原理見圖2。早在20世紀60年代，該技術已成功應用于化工、制藥、造紙、污水處理、海水淡化等行業(yè)。MVR蒸發(fā)技術由于節(jié)能效果顯著，現(xiàn)已廣泛用于工業(yè)廢水處理、乳品、制糖、氧化鋁、鹽化工等很多生產(chǎn)領域[1]。

從機械角度看，MVR是一種離心風機，可將二次蒸汽壓縮以提高蒸汽焓值(蒸發(fā)顯熱)，并回用蒸發(fā)工藝，以實現(xiàn)熱量回收。該過程中唯一消耗的能源只有電能，并且電能最終轉(zhuǎn)化為蒸汽熱能。除開車時需蒸汽外，正常運行時不再需蒸汽。因此極大地節(jié)省了鍋爐房、循環(huán)水系統(tǒng)的運行費用和占地面積，同時也節(jié)省了大量循環(huán)冷卻水，減少了三廢排放量。其蒸發(fā)1 t水僅消耗電60～80 kW·h(其中40～60 kW·h為MVR壓縮機需要，另20 kW·h為強制循環(huán)泵所需)，總計約30～40元。盡管MVR蒸發(fā)系統(tǒng)一次性投入成本較多，但MVR系統(tǒng)總體的運行成本大大降低。綜合考慮，大多數(shù)情況下使用MVR系統(tǒng)會在2年左右回收額外設備投資成本。

圖2 MVR蒸發(fā)工藝原理圖

以蒸發(fā)量15 t/h為例，表1對MVR和三效蒸發(fā)系統(tǒng)進行了初步分析比較，可以看出，MVR蒸發(fā)器具有明顯節(jié)能優(yōu)勢，該技術在鋰鹽生產(chǎn)中的應用有利于降低鋰鹽產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

表1 MVR與三效蒸發(fā)系統(tǒng)比較

注：電(0.5元/kWh),蒸汽(200元/t蒸汽)

1.2 蒸汽噴射泵

蒸汽噴射泵技術是根據(jù)文丘里原理，在高壓生蒸汽通過蒸汽噴射泵時，利用高壓蒸汽的高速流動以提高二次蒸汽熱焓，并作為熱源進入蒸發(fā)器作為熱源再次進行蒸發(fā)，可節(jié)省生蒸汽用量。同時，由于生蒸汽高速通過蒸汽噴射泵，可在蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)形成一定負壓，有利于蒸發(fā)進行。

對鋰鹽生產(chǎn)以蒸發(fā)1 t水計，常規(guī)間歇槽或單效蒸發(fā)器耗能太大，單效蒸發(fā)耗用蒸汽1.2 t，采用該技術后，僅需蒸汽0.75 t，可節(jié)省蒸汽0.45 t，節(jié)電6 kW·h，換算后可節(jié)省標準煤約35 kg。

1.3 連續(xù)結(jié)晶設備

鋰鹽生產(chǎn)過程可總結(jié)為蒸發(fā)結(jié)晶提純過程，溶液的冷卻結(jié)晶，尤其是LiOH溶液的冷卻結(jié)晶，是一個非常重要的操作單元，也是關鍵工藝，因此，選擇先進的、節(jié)能的結(jié)晶工藝非常重要。

(1)在LiOH制備方面的應用

目前鋰鹽行業(yè)單水氫氧化鋰(LiOH·H2O)結(jié)晶大多采用夾套冷卻結(jié)晶工藝或盤管冷卻結(jié)晶工藝。

夾套冷卻結(jié)晶工藝主要設備為夾套結(jié)晶器(間歇式結(jié)晶槽)，在攪拌的同時由夾套內(nèi)冷卻水對料液進行冷卻。但夾套冷卻結(jié)晶器存在以下不足：一是傳熱面積?。煌瑫r考慮傳熱效率，設備體積受限制；大規(guī)模生產(chǎn)需采用多臺設備，占地較大、操作復雜、勞動強度大；二是容易結(jié)垢，影響傳熱效果；三是間斷操作，產(chǎn)品結(jié)晶質(zhì)量不好控制。目前我國有較多鋰鹽生產(chǎn)企業(yè)都采用夾套冷卻結(jié)晶工藝，冷卻水與LiOH溶液傳熱系數(shù)一般為80～l20 W/m2·℃，同時為保證晶型，攪拌轉(zhuǎn)速較低，但仍然存在上述問題[2]。

盤管冷卻結(jié)晶器，顧名思義，靠盤管換熱器來換熱，盤管換熱器置于結(jié)晶器溶液中。盤管內(nèi)通冷卻水對料液進行冷卻。和夾套冷卻結(jié)晶相比較，盤管換熱器由于設備內(nèi)部增加了傳熱面積，設備容積可大幅度提高；從另一個角度來說，在設備容積一定條件下，傳熱面積可顯著提高，但盤管結(jié)晶器還是難以避免結(jié)垢問題，傳熱效果會隨著時間的延長而變差。

從長遠考慮，在今后單水氫氧化鋰生產(chǎn)中，可采用MVR技術或蒸汽噴射泵技術+真空連續(xù)冷卻結(jié)晶工藝，在蒸發(fā)器溶液出口配置相應真空連續(xù)冷卻結(jié)晶裝置。在真空條件下，LiOH溶液表面壓力降低，溶液沸點降低，進而在低壓下蒸發(fā)水份，最終達到冷卻結(jié)晶溫度并析出單水氫氧化鋰產(chǎn)品。而結(jié)晶過程中產(chǎn)生的未飽和氫氧化鋰溶液返回蒸發(fā)器，實現(xiàn)過程連續(xù)化操作，提高結(jié)晶析出率。與夾套冷卻結(jié)晶工藝或盤管冷卻結(jié)晶工藝相比，該工藝主要優(yōu)點：一是LiOH溶液始終在循環(huán)，可在很大程度上消除換熱器表面結(jié)垢問題。二是占地面積少，傳熱效果好，能耗低，勞動成本降低、生產(chǎn)效率大幅提高、能實現(xiàn)LiOH冷卻結(jié)晶工藝規(guī)模化、連續(xù)化操作。綜上所述，它具有較強的技術優(yōu)勢與市場競爭優(yōu)勢，是我國今后LiOH冷卻結(jié)晶工藝應用方向。

(2)在十水硫酸鈉制備的應用

如采用連續(xù)結(jié)晶工藝，不但使該工序?qū)崿F(xiàn)連續(xù)，輔以對Na2SO4·10H2O成核與成長速率的有效控制，可明顯控制晶核大小，避免大量Na2SO4·10H2O微晶穿濾和溶解對產(chǎn)品品質(zhì)的影響[3]。

綜上所述，現(xiàn)有夾套冷卻結(jié)晶(間歇式結(jié)晶槽)、盤管冷卻結(jié)晶等工藝屬相對落后工藝，從根本上制約了我國鋰鹽工業(yè)發(fā)展。隨著科學技術水平不斷發(fā)展，市場競爭進一步加劇，這些落后工藝必將逐步被市場淘汰。

2 建議

目前，我國鋰輝石—硫酸法工藝生產(chǎn)鋰鹽相關產(chǎn)品，自動化水平較低，在工藝改進、提高裝備及控制水平，具有一定發(fā)展空間；同時，受上游原料普遍漲價和產(chǎn)品價格回歸的雙重夾擊，利潤空間微薄，我國鋰工業(yè)面臨非常嚴峻的挑戰(zhàn)。如何提升鋰鹽行業(yè)的裝備水平，大幅降低鋰輝石提鋰生產(chǎn)成本成為了重要課題。為了推動我國鋰鹽行業(yè)發(fā)展，建議應不斷吸收新技術，新裝備，提高生產(chǎn)裝備水平、自動化水平，這樣才能使企業(yè)在未來競爭中體現(xiàn)自身優(yōu)勢，創(chuàng)造更多價值。

[1] 姚君磊，韓東，葉莉，顧昂.MVR硫酸鈉結(jié)晶系統(tǒng)中寬通道板式換熱器的堵塞特性與傳熱流動特性耦合分析[J].節(jié)能技術，2011，(6)：510-511.

[2] 李新元，毛江運.硫酸鋰冷凍法生產(chǎn)單水氫氧化鋰母液循環(huán)的工藝研究[J].新疆有色金屬，2005，(4)：24-25.

[3] 楊立斌，杜娟，沙作良，袁建軍，張愛群.十水硫酸鈉冷卻結(jié)晶動力學的研究[J].無機鹽工業(yè)，2009，(4)：18-19.

New-type Evaporation and Crystallization Equipment Application in Extraction Process of Lithium in Spodumene

ZHOU Wen-long，QIN Bo，XU Yue-he

(Rare Metals Department, China ENFI Engineering Corporation, Beijing 100038, China)

This paper briefly describes the evaporation crystallization equipments of spodumene sulfuric acid method, proposes engineering optimization solutions, and puts forward some suggestions for the future equipments development trend of lithium ore extraction.

spodumene；sulfuric acid process；evaporation crystallization； lithium extraction in ore

2014-01-26

周文龍(1982-)，男，山西汾陽人，工程師，碩士研究生，主要從事稀有金屬咨詢設計工作。

覃波(1969-)，男，廣西岑溪人，高級工程師，大學本科，主要從事項目管理工作，現(xiàn)任中國恩菲工程技術有限公司稀有金屬事業(yè)部副總經(jīng)理。

TQ028.6

B

1003-8884(2014)03-0051-03

徐月和(1962-)，男，江蘇金壇人，教授級高級工程師，大學本科，主要從事項目管理工作，現(xiàn)任中國恩菲工程技術有限公司稀有金屬事業(yè)部副總經(jīng)理。