周文龍， 覃 波， 徐月和

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司 稀有金屬事業(yè)部，北京 100038)

新型蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備在鋰輝石提鋰過(guò)程中應(yīng)用

周文龍， 覃 波， 徐月和

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司 稀有金屬事業(yè)部，北京 100038)

本文簡(jiǎn)述了鋰輝石- 硫酸法生產(chǎn)中蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備所面臨的問(wèn)題，提出了工程技術(shù)優(yōu)化改進(jìn)方案，并對(duì)未來(lái)礦石提鋰設(shè)備發(fā)展動(dòng)向提出了幾點(diǎn)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(chēng)α-鋰輝石，為了從天然鋰輝石中提鋰，α-鋰輝石只有經(jīng)過(guò)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(yīng)。鋰輝石—硫酸法工藝主體路線(xiàn)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(guò)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(guò)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(biāo)煤后各能源在生產(chǎn)總能耗中所占比例見(jiàn)圖1?？煽闯稣羝侵饕哪茉矗渲饕糜诹蛩徜嚾芤赫舭l(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(shí)在過(guò)程中還消耗大量冷量，可見(jiàn)，如何改進(jìn)工藝及選擇適宜的設(shè)備進(jìn)行節(jié)能降耗是鋰鹽建設(shè)和生產(chǎn)需要考慮的課題，其中，采用何種蒸發(fā)、結(jié)晶設(shè)備，至關(guān)重要。

中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司近年來(lái)參與了國(guó)內(nèi)眾多鋰鹽項(xiàng)目的工程咨詢(xún)與設(shè)計(jì)，進(jìn)行了大量研究，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。本文針對(duì)鋰輝石硫酸法生產(chǎn)過(guò)程中各蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備改進(jìn)，裝備水平提高、節(jié)能降耗等問(wèn)題進(jìn)行了工程技術(shù)方案探討。

圖1 鋰輝石提鋰各能源與總能耗的關(guān)系

1 蒸發(fā)結(jié)晶設(shè)備

1.1 MVR蒸發(fā)器

目前國(guó)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(yīng)槽，熱效率低，能耗大，不適應(yīng)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(guān)系。以三效強(qiáng)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(jì)蒸發(fā)1 t水約需95～100元。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，在當(dāng)前世界能源危機(jī)面前，鋰鹽生產(chǎn)行業(yè)須重點(diǎn)關(guān)注新節(jié)能裝備技術(shù)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(shè)備中最為節(jié)能、效率最高的設(shè)備是機(jī)械蒸汽壓縮機(jī)，俗稱(chēng)“熱泵”(Mechanical Vapour Recompressor，MVR)，MVR簡(jiǎn)要工作原理見(jiàn)圖2。早在20世紀(jì)60年代，該技術(shù)已成功應(yīng)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(shù)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(lǐng)域[1]。

從機(jī)械角度看，MVR是一種離心風(fēng)機(jī)，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(shí)現(xiàn)熱量回收。該過(guò)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(kāi)車(chē)時(shí)需蒸汽外，正常運(yùn)行時(shí)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(yùn)行費(fèi)用和占地面積，同時(shí)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(jī)需要，另20 kW·h為強(qiáng)制循環(huán)泵所需)，總計(jì)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(yùn)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(huì)在2年左右回收額外設(shè)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(duì)MVR和三效蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)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(shì)，該技術(shù)在鋰鹽生產(chǎn)中的應(yīng)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(shù)是根據(jù)文丘里原理，在高壓生蒸汽通過(guò)蒸汽噴射泵時(shí)，利用高壓蒸汽的高速流動(dòng)以提高二次蒸汽熱焓，并作為熱源進(jìn)入蒸發(fā)器作為熱源再次進(jìn)行蒸發(fā)，可節(jié)省生蒸汽用量。同時(shí)，由于生蒸汽高速通過(guò)蒸汽噴射泵，可在蒸發(fā)系統(tǒng)內(nèi)形成一定負(fù)壓，有利于蒸發(fā)進(jìn)行。

對(duì)鋰鹽生產(chǎn)以蒸發(fā)1 t水計(jì)，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(shù)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(biāo)準(zhǔn)煤約35 kg。

1.3 連續(xù)結(jié)晶設(shè)備

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

(1)在LiOH制備方面的應(yīng)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(pán)管冷卻結(jié)晶工藝。

夾套冷卻結(jié)晶工藝主要設(shè)備為夾套結(jié)晶器(間歇式結(jié)晶槽)，在攪拌的同時(shí)由夾套內(nèi)冷卻水對(duì)料液進(jìn)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(shí)考慮傳熱效率，設(shè)備體積受限制；大規(guī)模生產(chǎn)需采用多臺(tái)設(shè)備，占地較大、操作復(fù)雜、勞動(dòng)強(qiáng)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(guó)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(shí)為保證晶型，攪拌轉(zhuǎn)速較低，但仍然存在上述問(wèn)題[2]。

盤(pán)管冷卻結(jié)晶器，顧名思義，靠盤(pán)管換熱器來(lái)?yè)Q熱，盤(pán)管換熱器置于結(jié)晶器溶液中。盤(pán)管內(nèi)通冷卻水對(duì)料液進(jìn)行冷卻。和夾套冷卻結(jié)晶相比較，盤(pán)管換熱器由于設(shè)備內(nèi)部增加了傳熱面積，設(shè)備容積可大幅度提高；從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，在設(shè)備容積一定條件下，傳熱面積可顯著提高，但盤(pán)管結(jié)晶器還是難以避免結(jié)垢問(wèn)題，傳熱效果會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而變差。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，在今后單水氫氧化鋰生產(chǎn)中，可采用MVR技術(shù)或蒸汽噴射泵技術(shù)+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(yīng)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(diǎn)降低，進(jìn)而在低壓下蒸發(fā)水份，最終達(dá)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(guò)程中產(chǎn)生的未飽和氫氧化鋰溶液返回蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)過(guò)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(pán)管冷卻結(jié)晶工藝相比，該工藝主要優(yōu)點(diǎn)：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(wèn)題。二是占地面積少，傳熱效果好，能耗低，勞動(dòng)成本降低、生產(chǎn)效率大幅提高、能實(shí)現(xiàn)LiOH冷卻結(jié)晶工藝規(guī)?；⑦B續(xù)化操作。綜上所述，它具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)今后LiOH冷卻結(jié)晶工藝應(yīng)用方向。

(2)在十水硫酸鈉制備的應(yīng)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(duì)Na2SO4·10H2O成核與成長(zhǎng)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(duì)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(pán)管冷卻結(jié)晶等工藝屬相對(duì)落后工藝，從根本上制約了我國(guó)鋰鹽工業(yè)發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)一步加劇，這些落后工藝必將逐步被市場(chǎng)淘汰。

2 建議

目前，我國(guó)鋰輝石—硫酸法工藝生產(chǎn)鋰鹽相關(guān)產(chǎn)品，自動(dòng)化水平較低，在工藝改進(jìn)、提高裝備及控制水平，具有一定發(fā)展空間；同時(shí)，受上游原料普遍漲價(jià)和產(chǎn)品價(jià)格回歸的雙重夾擊，利潤(rùn)空間微薄，我國(guó)鋰工業(yè)面臨非常嚴(yán)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(dòng)我國(guó)鋰鹽行業(yè)發(fā)展，建議應(yīng)不斷吸收新技術(shù)，新裝備，提高生產(chǎn)裝備水平、自動(dòng)化水平，這樣才能使企業(yè)在未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)中體現(xiàn)自身優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造更多價(jià)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(dòng)特性耦合分析[J].節(jié)能技術(shù)，2011，(6)：510-511.

[2] 李新元，毛江運(yùn).硫酸鋰?yán)鋬龇ㄉa(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(ài)群.十水硫酸鈉冷卻結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的研究[J].無(wú)機(jī)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(yáng)人，工程師，碩士研究生，主要從事稀有金屬咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)工作。

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