王靈德 嚴(yán)雄仲 田衛(wèi)東

（1.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司；2.青海鹽湖佛照藍(lán)科鋰業(yè)股份有限公司）

自然界中的鋰以化合物的形式存在，主要儲(chǔ)存于花崗偉晶巖型礦床、鹽湖鹵水、海水及地?zé)崴戎校?］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的鋰資源有將近80%存在于鹽湖鹵水中，主要分布在西藏和青海的鹽湖地區(qū)。雖然礦石提鋰工藝成熟，但存在能耗高、污染重及成本高等缺點(diǎn)；鹵水提鋰具有鋰產(chǎn)品純度高、能耗低和成本低的優(yōu)勢，已成為未來生產(chǎn)基礎(chǔ)鋰產(chǎn)品的發(fā)展方向。

目前，鹽湖鹵水提鋰工藝主要有沉淀法、溶劑萃取法、吸附法、煅燒浸取法、碳化法、泵吸法及電滲析法等［2］。其中吸附法工藝簡單、選擇性好、回收率高且綠色環(huán)保，對于從高鎂鋰比的鹽湖鹵水中提鋰有著獨(dú)特的優(yōu)勢。吸附法是通過吸附劑選擇性地吸附鹽湖鹵水中的鋰離子，從而達(dá)到鋰離子與其他離子分離的目的。

吸附劑一般分為有機(jī)離子交換吸附劑和無機(jī)離子交換吸附劑。有機(jī)類吸附劑成本高，對鋰離子的選擇性較低，不適用于鹵水大規(guī)模提鋰；無機(jī)離子吸附法是利用無機(jī)離子吸附劑對鋰離子有較高的選擇性和特定的記憶效應(yīng)這一特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)從稀鋰溶液中選擇性提鋰的方法［3］。這種方法比較適用于高鎂鋰比鹽湖鹵水提鋰，特別是從鋰離子濃度低的溶液中提鋰。

鋰的無機(jī)離子交換吸附劑可分為：無定型氫氧化物吸附劑、離子篩型氧化物吸附劑、層狀吸附劑、復(fù)合銻酸鹽吸附劑和鋁鹽吸附劑。鋁鹽吸附劑的化學(xué)式為Li X·2Al（OH）3·n H2O，具有欠缺型無序結(jié)構(gòu)，用酸除去組分中的鋰離子后產(chǎn)生的空位對鋰離子具有吸附活性。它的制備方法是將氯化鋁溶液與鋰化合物（LiOH、Li2CO3、LiCl）充分混合形成反應(yīng)前驅(qū)體，再向反應(yīng)前驅(qū)體中加入NaOH溶液，反應(yīng)生成Li X·2Al（OH）3·n H2O。該產(chǎn)物經(jīng)固液分離、干燥和研磨粉碎形成固態(tài)產(chǎn)物，隨后再加入粘合劑（PVC、PVDF等）和二氯甲烷實(shí)現(xiàn)混合造粒，形成條狀吸附劑，最后經(jīng)破碎和篩分制得均勻顆粒狀鋁鹽吸附劑。

傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)出的成品鋁鹽吸附劑，主要存在水合化合物與粘合劑混料不均勻、成品率低等問題。筆者介紹的鋁鹽吸附劑混料擠條設(shè)備很好地解決了以上問題。

1 混料擠條設(shè)備結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)流程

鋁鹽吸附劑的混料擠條設(shè)備（圖1）主要包括失重式計(jì)量加料系統(tǒng)、液體計(jì)量加料系統(tǒng)、混料機(jī)、擠條機(jī)、出料機(jī)頭及筒體冷卻系統(tǒng)等，生產(chǎn)過程為：固體原料通過失重秤計(jì)量加入雙螺桿混料機(jī)內(nèi)，在混料機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)Li X·2Al（OH）3·n H2O與粘合劑的預(yù)混，隨后再向混料機(jī)中段加入二氯甲烷，實(shí)現(xiàn)3種物料的充分均勻混合，然后進(jìn)入單螺桿擠條機(jī)建壓擠出，通過特殊設(shè)計(jì)的出料機(jī)頭成條，進(jìn)入下游設(shè)備，其生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖1 混料擠條設(shè)備現(xiàn)場照片

圖2 混料擠條設(shè)備生產(chǎn)流程

2 混料擠條設(shè)備設(shè)計(jì)

鋁鹽吸附劑混料擠條機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)主要有以下幾方面：

a.Li X·2Al（OH）3·n H2O與粘合劑須按比例定量精確配料進(jìn)入混料機(jī)。兩種物料必須嚴(yán)格按照比例加入，同時(shí)二氯甲烷也要按相應(yīng)的比例準(zhǔn)確加入，才能保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

b.兩種物料在二氯甲烷中的充分混合。首先兩種固體物料必須充分地混合，其分布混合與分散混合要求都較高，混合好后再與液體二氯甲烷繼續(xù)均化混合，其混合效果將對吸附劑的品質(zhì)起決定性作用。

c.出料模板要保證料條不粘連，均勻地下落至傳送帶上。

d.設(shè)備運(yùn)行過程中，要保證筒體和螺桿有足夠的冷卻能力，避免二氯甲烷的揮發(fā)，造成物料的固化堵塞。

2.1 配料系統(tǒng)

為了保證各種原料嚴(yán)格按相應(yīng)比例加入，固體料采用失重式計(jì)量秤加料，液體的二氯甲烷通過隔膜式計(jì)量泵加入。

傳統(tǒng)工藝中，固態(tài)的Li X·2Al（OH）3·n H2O和粘合劑均采用體積式喂料機(jī)加料。體積式喂料機(jī)工作時(shí)，一定的喂料量對應(yīng)恒定的螺桿轉(zhuǎn)速，由于料斗中儲(chǔ)存著大量物料，螺桿每轉(zhuǎn)一圈吃進(jìn)的物料量大有不同，因而喂料量波動(dòng)較大。而固體失重秤是通過靜態(tài)稱重的方式實(shí)現(xiàn)高精度連續(xù)定量給料的自動(dòng)稱重給料設(shè)備，它將計(jì)量斗和整個(gè)設(shè)備整體作為一個(gè)秤體進(jìn)行稱量，隨著物料從失重秤中流出，控制系統(tǒng)對秤體的重量信號進(jìn)行高速高頻的采集，得出單位時(shí)間內(nèi)物料減少的重量，再通過電腦芯片處理，得出物料的實(shí)際流速，同時(shí)控制系統(tǒng)會(huì)將實(shí)際值與設(shè)定值進(jìn)行對比，并將比較結(jié)果反饋給失重秤進(jìn)一步進(jìn)行喂料量的修正，形成閉環(huán)控制，使實(shí)際值無限接近設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)高精度連續(xù)定量的喂料要求，精度可達(dá)0.5%。

隔膜式計(jì)量泵的計(jì)量精度可達(dá)2%，通過固體失重秤與計(jì)量泵的配合工作，按照特定的比例加入物料，保證了3種原料的比例，原料進(jìn)入混料機(jī)中實(shí)現(xiàn)充分混合。

2.2 混料機(jī)

混料機(jī)實(shí)現(xiàn)Li X·2Al（OH）3·n H2O、粘合劑和二氯甲烷3種物料的均勻混合，它是一臺(tái)SHJ-95型同向平行雙螺桿擠出機(jī)（圖3）。該混料機(jī)的主要參數(shù)為：主電機(jī)功率90kW；螺桿直徑90mm；螺桿長徑比28∶1；螺桿轉(zhuǎn)速（最大）330r/min。

圖3 混料機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

混料機(jī)的筒體共有7節(jié)，第1節(jié)為固體料加入筒體，第4節(jié)為二氯甲烷液體加入筒體，其余筒體為閉合筒體，筒體設(shè)有冷卻流道（通冷卻水）通過冷卻水循環(huán)將擠出機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱量帶走，保證筒體處于低溫狀態(tài)，避免二氯甲烷因過熱而揮發(fā)。

2.3 擠條機(jī)

原料經(jīng)過混料機(jī)的充分混合后進(jìn)入擠條機(jī)，通過擠條機(jī)的輸送建壓，送至機(jī)頭模板擠出成條。擠條機(jī)為一臺(tái)DJ-200型單螺桿擠出機(jī)（圖4）。該擠條機(jī)的主要參數(shù)為：主電機(jī)功率45kW；螺桿直徑200mm；螺桿長徑比28∶1；螺桿轉(zhuǎn)速（最大）330r/min。單螺桿筒體上設(shè)置有混合銷釘，螺桿上相應(yīng)位置處開豁槽，增強(qiáng)了單螺桿擠條機(jī)的混合功能，使得物料可以進(jìn)一步混合。

圖4 擠條機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

擠條機(jī)的筒體設(shè)有冷卻夾套（通冷卻水）同時(shí)螺桿芯部也設(shè)有冷卻水通道，通過冷卻水循環(huán)將擠條機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱量帶走，防止二氯甲烷因過熱而揮發(fā)。

2.4 出料機(jī)頭

傳統(tǒng)的出料機(jī)頭為圓盤形，與水平夾角20°出料，大量的料條從模板擠出后，無法散開，成股粘連地落在傳送帶上，料條大量的粘連造成最終制品成粒困難，粉末較多，成品率低。針對這一問題，本次的出料機(jī)頭設(shè)計(jì)為長方形模板（圖5），垂直向下出料，共設(shè)計(jì)有244個(gè)φ3mm的?？?，呈矩陣排列布置，合理的機(jī)頭流道設(shè)計(jì)，使得物料在整個(gè)模板上能夠均勻地出料。出料機(jī)頭（圖6）上設(shè)有冷卻夾套（通冷卻水），使之始終保持低溫狀態(tài)，保證生產(chǎn)需求。

圖5 模板結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 出料機(jī)頭結(jié)構(gòu)示意圖

為了保證機(jī)頭出料均勻穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)機(jī)頭流道時(shí)，借助ANSYS對模板的出料速度和機(jī)頭的流場進(jìn)行模擬分析（圖7），并對流道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終的模板和機(jī)頭出料均勻穩(wěn)定，可滿足生產(chǎn)需求，提高了成品率。

圖7 模板出料和機(jī)頭流道流場分析圖

3 混料擠條工藝

3.1 工藝溫度

由于二氯甲烷的沸點(diǎn)較低，為39.8℃，且極易揮發(fā)，與兩種固體物料混合后，如果二氯甲烷從混合物中揮發(fā)出來，則會(huì)造成物料凝固，生產(chǎn)中斷，嚴(yán)重時(shí)還有可能損壞設(shè)備。因此，必須保證設(shè)備的操作溫度都處于二氯甲烷的沸點(diǎn)以下，才能保證順利生產(chǎn)?；炝蠙C(jī)是一臺(tái)雙螺桿擠出機(jī)，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的剪切熱，筒體溫度需要設(shè)置得比二氯甲烷的沸點(diǎn)低很多，將螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與物料的摩擦熱和物料內(nèi)部的摩擦熱及時(shí)帶走，避免二氯甲烷因過熱而揮發(fā)。

混料擠條機(jī)各溫控段的溫度值見表1，其中混料機(jī)第1節(jié)筒體為固體加料筒體，經(jīng)過預(yù)混后，第4節(jié)筒體為二氯甲烷液體加入筒體，從表1所列數(shù)據(jù)中可以看出，前4節(jié)筒體內(nèi)由于固體預(yù)混會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，因而溫度設(shè)置得更低一些，二氯甲烷液體加入后繼續(xù)進(jìn)行充分混合，經(jīng)擠條機(jī)和出料機(jī)頭擠出成條，整個(gè)設(shè)備中保持低溫，完全避免了二氯甲烷的揮發(fā)損失。

表1 混料擠條機(jī)各溫控段溫度值 ℃

3.2 混料機(jī)的螺桿組合

雙螺桿混料機(jī)實(shí)現(xiàn)固體料的預(yù)混和液體加入后的充分混合功能。固體料中粘合劑PVC或PVDF是一種塑料，傳統(tǒng)的塑料都是通過加熱使之熔融，而后在雙螺桿擠出機(jī)完成加工。然而本物料在生產(chǎn)中，無法進(jìn)行加熱，因此螺桿組合合理與否，直接決定了主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電流、發(fā)熱量和混合效果。如果螺桿組合太強(qiáng)，則主機(jī)電流會(huì)過大，發(fā)熱量過多，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成卡機(jī)；螺桿組合太弱則會(huì)直接影響物料的混合效果。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比，最終確定如圖8所示的SHJ-95雙螺桿混料機(jī)螺桿組合。

圖8 SHJ-95雙螺桿混料機(jī)螺桿組合

在第3節(jié)筒體中間設(shè)置了捏合塊30°/7/112，它的輸送能力強(qiáng)于45°和90°的捏合塊，混合能力又強(qiáng)于輸送元件，既保證了物料的預(yù)混效果，又避免了主電機(jī)電流過高。經(jīng)過預(yù)混的固體物料在第4節(jié)筒體與二氯甲烷液體開始混合，并充分溶解，在第6節(jié)筒體中間設(shè)置了捏合塊45°/5/80，此處3種物料經(jīng)過螺桿的輸送和混合作用，已經(jīng)初步形成了較均一的混合物，經(jīng)過此捏合塊的剪切與混合作用，使得混合物的分布混合與分散混合更加均勻。其他位置的輸送元件保證了螺桿的輸送能力，將混合均勻的物料送進(jìn)擠條機(jī)。

4 結(jié)束語

筆者介紹的混料擠條設(shè)備首次將傳統(tǒng)塑料加工設(shè)備中的雙螺桿和單螺桿擠出機(jī)應(yīng)用于鹽湖鹵水提鋰鋁鹽吸附劑粉體造粒，很好地解決了傳統(tǒng)吸附劑生產(chǎn)設(shè)備存在的配料不均、混料不勻和成品率低的問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)全程低溫操作，避免了二氯甲烷的揮發(fā)，節(jié)省了物料成本，為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。