鋰輝石-硫酸法提鋰過程節(jié)能探討

周文龍 徐月和 冉建中

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

工藝節(jié)能

鋰輝石-硫酸法提鋰過程節(jié)能探討

周文龍 徐月和 冉建中

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

簡述了鋰輝石- 硫酸法生產(chǎn)工藝面臨的問題，針對我國礦石提鋰工藝的節(jié)能措施提出了工程技術(shù)解決方案，并對未來礦石提鋰節(jié)能發(fā)展動向提出了幾點建議。

鋰輝石； 硫酸法； 節(jié)能； 礦石提鋰

0 引言

鋰及其化合物產(chǎn)品作為一種重要新能源材料，對鋰電池、核電等能源行業(yè)發(fā)展具有極其重要的意義。當(dāng)前，世界主要鋰鹽生產(chǎn)國已由鋰輝石礦石提鋰轉(zhuǎn)向從鹽湖鹵水中提鋰。鹵水提鋰不僅工藝簡單，鋰產(chǎn)品成本低，并且資源可得到有效利用。受鹵水提鋰的沖擊，世界鋰工業(yè)生產(chǎn)格局發(fā)生了重大變化，同時亦對我國鋰工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了巨大影響。

目前，我國鹽湖鹵水提鋰處于起步發(fā)展階段，鋰鹽化合物主要產(chǎn)品碳酸鋰及氫氧化鋰生產(chǎn)主要采用進(jìn)口鋰輝石精礦提鋰。隨著國際、國內(nèi)兩個市場不斷融通，原料及產(chǎn)品價格都將與國際市場接軌，受原料價格上漲和產(chǎn)品價格降低的雙重影響，企業(yè)利潤微薄，我國鋰工業(yè)面臨非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何降低鋰輝石提鋰生產(chǎn)成本成為了鋰礦提鋰的重要課題。

1 鋰鹽生產(chǎn)現(xiàn)狀

近年來，我國礦石提鋰生產(chǎn)企業(yè)對鋰輝石提鋰工藝進(jìn)行了大量研究，以期降低成本，但效果欠佳，生產(chǎn)仍延用傳統(tǒng)硫酸法工藝和傳統(tǒng)裝備。硫酸法工藝主體路線如下：α-鋰輝石經(jīng)高溫焙燒晶型轉(zhuǎn)變成β-鋰輝石，與硫酸混合，經(jīng)酸化焙燒，生成可溶硫酸鋰，通過浸出得到硫酸鋰溶液，經(jīng)蒸發(fā)濃縮后作為生產(chǎn)不同鋰鹽產(chǎn)品的中間原料[1-2]。

上述硫酸法工藝基本定型，欲以工藝改進(jìn)降低成本已無明顯空間；另一方面，較低利潤空間也制約了企業(yè)的發(fā)展和行業(yè)的壯大。目前我國鋰鹽生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)及裝備水平參差不齊，多數(shù)企業(yè)裝備落后、生產(chǎn)成本高，因此有必要積極尋找其它途徑來改善鋰鹽生產(chǎn)所面臨的困境。

隨著全球經(jīng)濟發(fā)展和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，人類對能源的需求越來越大，導(dǎo)致能源(包括煤、蒸汽等)價格不斷上漲，如何高效利用能源、減少能源損失成了工業(yè)化發(fā)展勢在必行的趨勢。目前許多發(fā)展中國家已經(jīng)逐漸意識到了高能耗、高污染的發(fā)展模式給自身帶來的瓶頸和對可持續(xù)性發(fā)展的隱患，所以低能耗、低污染的產(chǎn)業(yè)模式越來越受到重視。國內(nèi)礦石提鋰企業(yè)具有較大的節(jié)能潛力，如何降低單位產(chǎn)品能耗并獲得較大經(jīng)濟效益成為當(dāng)前發(fā)展的關(guān)鍵。

本文針對鋰輝石提鋰生產(chǎn)過程中如何節(jié)能減排和降低能耗等問題提出了工程技術(shù)方案。

2 鋰輝石提鋰節(jié)能技術(shù)方案

2.1 引入新型蒸發(fā)設(shè)備

硫酸法工藝主要使用的直接能源為煤氣、蒸汽、電力，折合標(biāo)準(zhǔn)煤后各能源在生產(chǎn)總能耗中所占比例見圖1。從圖1看出蒸汽是主要消耗能源，其主要用于蒸發(fā)、浸出、沉淀、干燥等工序，其中用于蒸發(fā)工序的蒸汽能耗約占蒸汽總能耗的65%～80%，可見選擇高效節(jié)能的蒸發(fā)設(shè)備是關(guān)鍵。

圖1 鋰輝石提鋰各能源能耗占總能耗的比例

國內(nèi)鋰鹽行業(yè)大多在使用傳統(tǒng)多效蒸發(fā)裝置(Multiple Effect Evaporator，MEE)，部分企業(yè)仍使用高耗能的夾套反應(yīng)槽，耗能巨大。以三效強制循環(huán)蒸發(fā)裝置為例，蒸發(fā)1 t水消耗蒸汽0.45 t，耗電10～15 kW·h，蒸汽按200元/t-蒸汽，電按0.5元/kW·h計，則蒸發(fā)1 t水約需100元。

目前蒸發(fā)設(shè)備中最為節(jié)能、效率最高的設(shè)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。

圖2 MVR蒸發(fā)工藝原理圖

從機械結(jié)構(gòu)上來說，MVR 是一種特殊形式的離心風(fēng)機。該設(shè)備將蒸發(fā)裝置出來的二次飽和蒸汽經(jīng)蒸汽再壓縮以提高蒸汽的熵焓值(蒸發(fā)顯熱)，并回用蒸發(fā)工序，以實現(xiàn)能源回收[3-4]，由于是電機驅(qū)動，因此該過程中唯一消耗的能源只有電能。其蒸發(fā)1 t水僅消耗電能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)，總計需30～40元。盡管MVR蒸發(fā)系統(tǒng)一次性投入成本較高，但其總體運行成本大大降低，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(shè)備投資成本。以蒸發(fā)量15 t/h為例，對MVR和多效蒸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行了初步分析比較，見表1。

表1 MVR與三效蒸發(fā)系統(tǒng)比較

2.2 利用窯尾廢氣余熱

鋰輝石轉(zhuǎn)型焙燒于1 050 ℃左右進(jìn)行，窯尾尾氣溫度約350 ℃，這部分尾氣含大量熱量，但目前大多企業(yè)仍放棄利用。依據(jù)國標(biāo)GB1028《工業(yè)余熱術(shù)語、分類、等級及余熱資源計算方法》中規(guī)定，各類余熱載體可利用的下限溫度如表2所示。

從表2可以看出，轉(zhuǎn)型窯尾尾氣的熱量完全可以利用。綜合考慮鋰鹽生產(chǎn)工藝，可將該尾氣用于熱水換熱或干燥等工序，該技術(shù)可充分利用尾氣溫度高的特點，進(jìn)行余熱再利用，技術(shù)成熟、節(jié)能效果顯著。以生產(chǎn)1t碳酸鋰計，考慮換熱效率，如果將這部分余熱用于干燥等工序，可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤約125～150 kg/t-碳酸鋰，效果顯著。

2.3 利用冷凝水

鋰鹽生產(chǎn)蒸發(fā)、沉淀等工序蒸汽潛熱利用后，轉(zhuǎn)變成含較高顯熱的高溫冷凝水。大多數(shù)用汽設(shè)備是利用蒸汽的潛熱，排出的是飽和蒸汽冷凝水。蒸汽冷凝水的價值體現(xiàn)在水值和熱值兩個方面。冷凝水的潔凈程度很高，可供產(chǎn)品精制、原液預(yù)熱及渣洗滌等工序使用或返回鍋爐房。經(jīng)過換熱后的冷凝水溫度為30～40 ℃，如果采用冷卻塔降溫，不僅這部分能源白白浪費，而且還要額外消耗冷卻塔所需的電能。如將這部分低溫?zé)崴臒崃坎捎玫蜏責(zé)岜玫男问交厥眨敲赐耆梢曰赜蒙a(chǎn)工藝并獲得可觀的經(jīng)濟效益。

表2 各類余熱載體可利用的下限溫度 單位：℃

2.4 選擇節(jié)能型干燥設(shè)備

國內(nèi)鋰鹽行業(yè)采用的產(chǎn)品干燥設(shè)備有回轉(zhuǎn)圓筒干燥機、盤式干燥機、鏈層式干燥機和旋轉(zhuǎn)列管干燥機(管束式)。本文對這幾種設(shè)備進(jìn)行了對比分析，見表3。

表3 鋰鹽行業(yè)幾種干燥機綜合比較

從表3可知，鋰鹽行業(yè)產(chǎn)品干燥設(shè)備應(yīng)具備能耗低、運行費用低、維修量低、熱效率高、干燥產(chǎn)品質(zhì)量高和設(shè)備適應(yīng)性高的“三低三高”要求。結(jié)合目前干燥設(shè)備技術(shù)水平，根據(jù)鋰鹽產(chǎn)品干燥特點，選用盤式干燥機能夠很好地起到節(jié)能作用。

2.5 反應(yīng)器中應(yīng)用熱管

在鋰鹽生產(chǎn)中通常采用各種反應(yīng)器，出于可持續(xù)發(fā)展的需要，要求傳統(tǒng)粗放式的生產(chǎn)方式向集約式的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，以避免大量消耗資源。這要求在鋰鹽生產(chǎn)過程中采用性能優(yōu)越的傳熱元件。在反應(yīng)器中采用高效傳熱元件—熱管，可以改善傳熱過程、強化傳熱，既能在反應(yīng)過程中有效解決“放大效應(yīng)”，又能在生產(chǎn)的其它傳熱環(huán)節(jié)有效節(jié)約能源，必將對產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重大作用。

2.6 引入新型焙料細(xì)磨設(shè)備

鋰輝石轉(zhuǎn)型后的焙料，粒度大部分符合后序要求，而一部分粒徑較大的焙料應(yīng)根據(jù)熱管特點及效果，細(xì)磨至一定粒度后才可用于酸化焙燒工序并有利于浸出。但目前國內(nèi)所有企業(yè)均采用傳統(tǒng)球磨設(shè)備，所有焙料均經(jīng)球磨細(xì)碎后才能進(jìn)入下一工序，不但消耗能源，而且容易在細(xì)磨過程中引入雜質(zhì)鐵。如能將合格的焙料先篩選后細(xì)磨，將會減少進(jìn)入細(xì)磨工序的焙料量，并降低該工序的能耗。

2.7 其它

(1)熱電聯(lián)產(chǎn)。按現(xiàn)有鋰鹽生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)狀，生產(chǎn)過程需大量蒸汽，如能引入熱電聯(lián)產(chǎn)，則可在為全廠生產(chǎn)低壓蒸汽的同時兼顧發(fā)電效益，充分利用蒸汽熱焓。

(2)開發(fā)連續(xù)化工藝。目前國內(nèi)硫酸法多采用間斷操作的工藝設(shè)備，較連續(xù)化生產(chǎn)不但占據(jù)更大的廠房面積，增加更多的土建投資，還需要投入大量的人工成本。因為任何生產(chǎn)環(huán)節(jié)上的波動、故障、停車、開車都會造成能源的浪費，生產(chǎn)的滿負(fù)荷連續(xù)運行本身就是節(jié)能。因此要使浸出、苛化、沉淀等單元盡可能實現(xiàn)連續(xù)操作，提高配套自動控制技術(shù)，加強工人的技術(shù)培訓(xùn)等。

(3)采用電動機變頻調(diào)速技術(shù)?；谀壳皣鴥?nèi)多數(shù)鋰鹽企業(yè)裝置負(fù)荷率較低的現(xiàn)狀，采用變頻調(diào)速技術(shù)無疑是節(jié)能的有效途徑，有較好的經(jīng)濟效益。

(4)降低水資源消耗。我國水資源短缺，冶金化工企業(yè)又是耗水大戶，應(yīng)重視水資源管理，杜絕跑、冒、滴、漏和常流水現(xiàn)象，積極推廣污水回用技術(shù)，降低水消耗。

(5)采用新的節(jié)能工藝和設(shè)備。改進(jìn)工藝過程是冶金化工企業(yè)節(jié)能降耗的重要手段。通過改進(jìn)工藝可降低工藝總用能和過程損耗，從源頭實現(xiàn)節(jié)能降耗。工藝改進(jìn)主要包括開發(fā)新工藝，提高裝置操作彈性從而降低能耗。

3 結(jié)論

我國鋰輝石- 硫酸法工藝仍然處于較為落后的階段，設(shè)備陳舊，自動化水平較低，為了推動我國鋰鹽行業(yè)的發(fā)展，建議從以下幾個方面進(jìn)一步加強工作：

(1)按質(zhì)用能。能源利用上要注意能級匹配、梯級用能，堅持從數(shù)量和質(zhì)量兩方面對節(jié)能潛力作出正確判斷，盡可能利用燃料的化學(xué)能，并避免能源的高質(zhì)低用，減少傳熱過程的熱阻和不可逆損失；

(2)系統(tǒng)節(jié)能。傳統(tǒng)的節(jié)能較多地著眼于生產(chǎn)過程中某一單元工序的節(jié)能，而對過程控制、產(chǎn)品的質(zhì)量，產(chǎn)品的綜合利用，設(shè)備的使用壽命和維護(hù)等對能耗有間接影響的因素注意不夠，缺乏全局系統(tǒng)節(jié)能觀點。

(3)勇于探索新工藝、新設(shè)備。鋰鹽生產(chǎn)過程中的能耗始終是變動的和可見的，節(jié)能工作是一件十分活躍、充滿生機的工作，應(yīng)不斷吸收新技術(shù)，不斷研究客觀條件的變動，對生產(chǎn)過程的能耗規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)分析，尋求投入、產(chǎn)出兩部分之間的最佳組合。

[1] 田千秋，陳白珍，陳亞，等. 鋰輝石硫酸焙燒及浸出工藝研究[J]. 稀有金屬，2011, 1.

[2] 祝增虎，朱朝梁，溫現(xiàn)明，等. 碳酸鋰生產(chǎn)工藝的研究進(jìn)展鹽湖研究[J]. 2008，16(3).

[3] 趙毅，元明粉清潔生產(chǎn)與節(jié)能降耗[J]. 無機鹽工業(yè)，2008,10.

[4] 姚君磊，韓東，葉莉，等. 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(shù)，2011,6.

Discussion on Energy Saving in Lithium Extraction with Spodumene-Sulfuric Acid Process

ZHOU Wen-long, XU Yue-he, RAN Jian-zhong

This paper briefly describes the existing problems in spodumene-sulfuric acid process, and proposes some energy saving measures in view of lithium extraction from ores in our country, and puts forward some suggestions for the future development trend of energy saving in lithium ore extraction.

spodumene； sulfuric acid process； energy saving； lithium ore extraction

2014-01-05

周文龍(1982—)，男，山西汾陽市人，碩士，工程師，主要從事稀有金屬咨詢設(shè)計工作。

TF826.3

A

1008-5122(2014)03-0005-03