碳酸鋰氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計與驗證試驗

朱先強

(宜豐國軒鋰業(yè)有限公司，江西 宜豐 336303)

0 引 言

我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，越來越多的新能源汽車進入到日常生活中，碳酸鋰電池新能源汽車的使用量逐漸增高，而鋰電池的可靠性會直接影響到車輛的續(xù)航及其綜合性能[1]。隨著對電池級碳酸鋰研究的深入，國內(nèi)逐步形成了成熟的電池級碳酸鋰制備工藝，然而，當(dāng)前一些工藝仍難以達(dá)到下游產(chǎn)業(yè)對于高純碳酸鋰的品質(zhì)要求[2]。鋰離子電池正負(fù)極材料實際上屬于一種典型的粉體材料，必須采用合適的方式輸送此類材料，常用的方式有氣力輸送和機械輸送兩大類；其中，氣力輸送應(yīng)用更廣，進一步可劃分為濃相氣力輸送、稀相氣力輸送等，且不同氣力輸送方式的優(yōu)缺點及其適用性是不同的。濃相氣力輸送方式的優(yōu)勢在于效率較高、穩(wěn)定性良好、成本相對較低，降低了對輸送管道的磨損，主要用于化學(xué)品以及食品等材料的輸送；稀相氣力輸送方式的氣流速度較高，主要用于輸送粒度及質(zhì)量較小的物料，不足之處在于對機械系統(tǒng)會產(chǎn)生顯著的磨損，且不宜應(yīng)用到長距離輸送中[3]。總體來看，對于粉體材料，當(dāng)前使用最多的仍然是濃相氣力輸送系統(tǒng)。很多學(xué)者與專業(yè)人士在此領(lǐng)域進行了研究，仝玉超[4]介紹了氣力輸送系統(tǒng)在鋰離子電池正負(fù)極材料輸送中的優(yōu)勢，強調(diào)了氣力輸送系統(tǒng)的控制方式才是未來研究的重點。付海峰[5]針對磷酸鐵鋰顆粒，設(shè)計了一種閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)，能夠更好地控制碳酸鋰顆粒的水分含量低于500×10-6，無論是從成本角度還是技術(shù)安全角度，均具有很大的優(yōu)勢。隨著國內(nèi)電池級碳酸鋰電池需求量越來越大，碳酸鋰的生產(chǎn)輸送仍需持續(xù)研究。

1 閉式氣力輸送系統(tǒng)簡介

閉式氣力輸送系統(tǒng)工藝流程簡圖見圖1。閉式氣力輸送系統(tǒng)工作過程中，首先需將原料倉中的原料添加到氣流粉碎室中，在此過程中要從制氮系統(tǒng)輸送高純氮氣，確保原料在氣流粉碎室內(nèi)保持流動以具有較高的均勻性，便于粉碎；原料添加后，對原料進行粉碎、干燥處理之后，通過濾筒除塵器的處理獲得碳酸鋰粉體，而部分經(jīng)過濾筒除塵器后的未收集到的碳酸鋰粉體和氮氣通過加料器，在羅茨鼓風(fēng)機的作用下再次進入到濾筒除塵器中進行二次收集。

閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)在新能源電池材料生產(chǎn)輸送應(yīng)用中備受關(guān)注[3]。在碳酸鋰的整個生產(chǎn)工藝流程中，閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)屬于關(guān)鍵單元，按功能可劃分為控制系統(tǒng)、輸送管道以及循環(huán)系統(tǒng)等。閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)中，各部分實現(xiàn)不同的功能，需基于統(tǒng)一配合要求實現(xiàn)其整體功能。閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)工藝流程框圖見圖2。

在初始運行階段，需要先制備壓縮空氣，該過程使用空壓機實現(xiàn)，在得到壓縮空氣之后，通過制氮系統(tǒng)分離得到所需的壓縮氮氣。根據(jù)制備的高純壓縮氮氣在系統(tǒng)中的用途，具體分為兩部分，第一部分是對碳酸鋰粉體進行加速，接著進行粉碎分級，在處理結(jié)束之后繼續(xù)對粉體進行干燥；第二部分則傳輸?shù)椒蛛x系統(tǒng)(即濾筒除塵器)中，在此過程中同樣傳輸?shù)倪€包括碳酸鋰粉體，即將二者的混合物傳輸?shù)椒蛛x系統(tǒng)(即濾筒除塵器)中進行分離，經(jīng)分離后，碳酸鋰粉體保留在濾筒除塵器中，壓縮氮氣通過羅茨鼓風(fēng)機等之后繼續(xù)應(yīng)用到后續(xù)循環(huán)中，實現(xiàn)循環(huán)利用。另外，一般需要對濾筒除塵器的出口氮氣進行除濕、加壓等，并將氮氣溫度控制在合適的范圍內(nèi)，在溫度控制上使用表冷器達(dá)到快速降溫的目的。閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)，基于高可靠的PLC進行控制，配合氣流粉碎系統(tǒng)等運行，便于對投料量進行合理控制，同時具有自動監(jiān)控以及報警等人性化的功能，適于實際應(yīng)用。

2 碳酸鋰氣力輸送系統(tǒng)設(shè)計與設(shè)備選型

碳酸鋰氣力輸送系統(tǒng)，主要用于輸送電池級碳酸鋰粉末物料，另外還可以輸送存在爆炸性或者對衛(wèi)生條件要求較高的粉體物料。通過對碳酸鋰氣力輸送系統(tǒng)的工藝分析，進行碳酸鋰閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計——包括輸送管道、空壓機以及物料分離器等，為確保滿足系統(tǒng)總體運行要求，需要有針對性地進行設(shè)備選型。

2.1 空壓機

目前針對空壓機的研究較多，市場中已經(jīng)出現(xiàn)了多種類型的產(chǎn)品，常用的有離心式空壓機、螺桿式空壓機等。螺桿式空壓機的優(yōu)勢在于具備較高的適用性，適合于應(yīng)用到不同的場景中，并且維護便利、可靠性較高，運行成本較低。本碳酸鋰閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計中，選用螺桿式無油空壓機，其主要性能參數(shù)為：出口尺寸DN80，排氣流量15～20 m3/min、排氣壓力0.5～0.8 MPa、排氣溫度40～45 ℃，電機功率110 kW，噪音78 dB，風(fēng)扇功率2.2 kW。

2.2 濾筒除塵器

對濾筒除塵器進行選型分析，本設(shè)計中選擇LNBG-12濾筒收集器。LNBG-12濾筒收集器使用PTFE覆膜，覆膜長度為1 m，過濾面面積較大，達(dá)到0.5 m2，因而可以達(dá)到較高的粉塵收集效率——超過99.99%[5]；LNBG-12濾筒收集器除了上述特性以外，其基于壓差的監(jiān)控方式可確保濾筒除塵器的壓力處于適宜的范圍內(nèi)，從而確保其正常運行。

2.3 羅茨鼓風(fēng)機

羅茨鼓風(fēng)機是碳酸鋰氣力輸送系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是為系統(tǒng)提供運行所需的動力。經(jīng)選型分析，本設(shè)計采用FSR-150V型羅茨鼓風(fēng)機，其主要性能參數(shù)為：流量19.5 m3/min，壓力-34.3 kPa，主軸轉(zhuǎn)速1 300 r/min，電機功率18.5 kW。

2.4 循環(huán)干燥系統(tǒng)

碳酸鋰閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)中，氮氣循環(huán)過程中需對過濾之后的氮氣進行多次處理，包括冷卻、干燥以及加熱等。循環(huán)氮氣壓力要處于適宜范圍，一般在0.5～0.6 MPa[5]。氮氣完成增壓后，開始運行時開啟排氣閥、關(guān)閉進氣閥，對氮氣壓力進行監(jiān)控，并據(jù)氮氣壓力的變化進行控制操作——當(dāng)?shù)獨鈮毫Φ陀?.5 MPa時打開進氣閥并運行空壓機，當(dāng)?shù)獨鈮毫_(dá)到0.6 MPa則關(guān)閉進氣閥并保持氮氣壓力處于適宜范圍。為實現(xiàn)對氮氣溫度的有效控制(氮氣溫度波動幅度過大，易導(dǎo)致粉體物料“回潮”)，循環(huán)干燥系統(tǒng)中采用了預(yù)冷設(shè)備——表冷器，經(jīng)濾筒除塵器過濾后的氮氣溫度在90～100 ℃，溫度相對較高，表冷器置于濾筒除塵器與空壓機之間，氮氣進入系統(tǒng)之前先通過表冷器進行降溫處理，使其溫度保持在20～25 ℃，氮氣繼續(xù)在后續(xù)的處理中循環(huán)利用。

2.5 加料器

為確保碳酸鋰粉體中的水分保持在適宜范圍，碳酸鋰閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)工作過程中須保持封閉的狀態(tài)，考慮到振動易導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏，因此盡可能不采用振動部件。設(shè)計過程中，通過對加料器進行選型分析，選用星型加料器，星型加料器能夠有效地將碳酸鋰傳輸?shù)焦艿纼?nèi)并達(dá)到較好的均勻性；此外，星型加料器下方設(shè)置有補氣閥和排氣閥，以使加料器入口壓力始終保持微正壓(3～5 kPa)。由于碳酸鋰閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)回風(fēng)管道采用正壓輸送方式，可能會存在兩方面的問題：一是會影響到加料的通暢性，使得系統(tǒng)難以保持較高的輸送效率；二是可能會導(dǎo)致壓縮空氣泄漏。為此，進行了有針對性的設(shè)計，在回風(fēng)管道中使用漸縮文丘里加料器，以增大回風(fēng)管氣流速度，確保加料順暢，以免影響系統(tǒng)的工作效率。

2.6 成品包裝房

成品包裝房需滿足溫度、濕度等相關(guān)要求。通常情況下，包裝過程中物料的水分應(yīng)在600×10-6以下，為達(dá)到這一要求，成品包裝房須保證空氣露點達(dá)到-26 ℃。碳酸鋰粉體傳輸?shù)桨b房上部的濾筒收集器之后，要依次完成除鐵、包裝等多個過程，若成品包裝房的溫度、濕度無法達(dá)到要求，則必然會影響碳酸鋰成品的包裝及儲存效果。

3 閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)應(yīng)用效果驗證試驗

為驗證本碳酸鋰閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)的應(yīng)用效果，進行了顆粒直徑變化、磁性物質(zhì)含量變化、回風(fēng)風(fēng)速變化等對碳酸鋰輸送量影響的試驗,具體如下。

3.1 顆粒直徑的變化

研究表明，在氣力輸送過程中，物料顆粒存在著顯著的接觸作用力，還會受到氣流產(chǎn)生的影響，同時物料還與粉碎室內(nèi)壁發(fā)生沖擊、摩擦、剪切作用[6]；氣力輸送的碳酸鋰粉體因碰撞及黏連等，顆粒直徑會發(fā)生變化，變化較大的話會導(dǎo)致電極材料性能降低，難以滿足下游工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的要求。

為測試經(jīng)過本閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)后碳酸鋰顆粒直徑的變化，進行驗證試驗，試驗結(jié)果為：第一組試驗，輸送前直徑分別為23.5 μm、23.0 μm、22.0 μm的碳酸鋰顆粒，輸送后顆粒直徑分別為23.0 μm、22.8 μm、21.5 μm；第二組試驗，輸送前直徑分別為7.2 μm、6.8 μm、6.6 μm的碳酸鋰顆粒，輸送后顆粒直徑分別為7.1 μm、6.8 μm、6.5 μm?？梢钥闯?，輸送前后碳酸鋰顆粒直徑變化不大，表明本閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)對碳酸鋰顆粒直徑幾乎沒有影響。

3.2 磁性物含量的變化

鋰離子電池中的微量金屬雜質(zhì)[鐵(Fe)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鋅(Zn)、銀(Ag)等]會影響其安全性與使用壽命，動力電池制造全過程須對金屬磁性異物進行嚴(yán)格管控[7]。碳酸鋰生產(chǎn)過程中，由于物料沖刷和設(shè)備磨損，部分具有磁性的顆粒物會混入物料中而導(dǎo)致產(chǎn)品磁性物含量升高。為保證電池材料的安全性及可靠性等，2013年4月25日中華人民共和國工業(yè)和信息化部發(fā)布(2013年9月1日實施)的有色金屬行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電池級碳酸鋰》(YS/T 582—2013)規(guī)定，電池級碳酸鋰磁性物不得超過3 000×10-9；但隨著行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，眾多電池材料廠商認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于電池級碳酸鋰磁性物含量的指標(biāo)不再適應(yīng)市場需求，提出了碳酸鋰磁性物含量需控制在200×10-9以下的要求，甚至有的電池材料廠家要求碳酸鋰磁性物含量低于100×10-9[7]。

為測試經(jīng)過本閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)后碳酸鋰中磁性物含量的變化，進行驗證試驗，試驗結(jié)果為：第一組試驗，輸送前磁性物含量分別為49.0×10-9、48.0×10-9、46.0×10-9的碳酸鋰，輸送后磁性物含量分別為49.2×10-9、48.4×10-9、46.1×10-9，磁性物含量增幅分別為0.4%、0.8%、0.2%；第二組試驗，輸送前磁性物含量分別為96.0×10-9、95.0×10-9、92.0×10-9的碳酸鋰，輸送后磁性物含量分別為96.5×10-9、95.7×10-9、92.6×10-9，磁性物含量增幅分別為0.5%、0.7%、0.7%?？梢钥闯?，經(jīng)本閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)輸送后，碳酸鋰中磁性物含量略有增加，但增幅小于1%。

3.3 回風(fēng)風(fēng)速對碳酸鋰輸送量的影響

在具體的工藝流程中，碳酸鋰粉體需通過多個單元設(shè)備，包括中轉(zhuǎn)倉、星型加料器等，然后在料倉內(nèi)進行氣固分離處理，之后進行篩分、除鐵以及包裝。為探究在本碳酸鋰閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)中回風(fēng)風(fēng)速對碳酸鋰輸送量的影響，進行驗證試驗。具體試驗過程為：開啟出口閥、引風(fēng)機，空壓機壓力保持在合理范圍——一般為-7～-10 kPa、帶料的話在-15 kPa以上[5]，對回風(fēng)風(fēng)速進行有效控制，確保其處于10～60 m/s。整個回風(fēng)風(fēng)速試驗過程中，在回風(fēng)文丘里加料器出口設(shè)置風(fēng)速儀，在垂直于文丘里加料器出口的對稱軸中選擇5個測點，取5個測點回風(fēng)風(fēng)速的平均值，并對各組試驗中包裝前碳酸鋰粉體水分以及碳酸鋰平均產(chǎn)量進行記錄，以探尋最優(yōu)輸送參數(shù)。

不同回風(fēng)風(fēng)速下碳酸鋰輸送量試驗結(jié)果為：回風(fēng)風(fēng)速分別為24 m/s、32 m/s、40 m/s、48 m/s時，包裝前碳酸鋰水分分別為487×10-6、480×10-6、489×10-6、506×10-6，碳酸鋰平均產(chǎn)量分別為214 kg/h、166 kg/h、98 kg/h、65 kg/h。可以看出：本碳酸鋰閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)輸送到包裝房內(nèi)的物料水分達(dá)到了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求(保持在600×10-6以下)，即本輸送系統(tǒng)能夠?qū)⑻妓徜嚠a(chǎn)品水分控制在要求范圍以內(nèi)，驗證了本設(shè)計工藝方面的有效性；在回風(fēng)風(fēng)速持續(xù)增大的過程中，碳酸鋰產(chǎn)量呈下降趨勢，即兩者之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；保持24 m/s的回風(fēng)風(fēng)速時碳酸鋰平均產(chǎn)量最高，可達(dá)214 kg/h。

同時，試驗中觀察到，回風(fēng)風(fēng)速過小或過大都會對碳酸鋰輸送產(chǎn)生不利影響：回風(fēng)風(fēng)速設(shè)置為10 m/s，輸送管道中的物料難以有效輸送，甚至?xí)霈F(xiàn)堵料問題；回風(fēng)風(fēng)速保持在60 m/s，加料閥出口風(fēng)量過高，會對物料形成一定的外排作用，加料機出口發(fā)生“冒粉”現(xiàn)象，導(dǎo)致氣力輸送系統(tǒng)運行受到影響。

綜上，碳酸鋰閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)輸送粉體產(chǎn)量與回風(fēng)文丘里加料器進風(fēng)速度存在密切的關(guān)聯(lián)，回風(fēng)風(fēng)速過大或過小均會對系統(tǒng)運行產(chǎn)生不利影響，一般的試驗方法還難以準(zhǔn)確地予以解釋，有待在此方面繼續(xù)開展相關(guān)的研究。

4 結(jié) 論

碳酸鋰是生產(chǎn)新能源動力電池的粉體材料，不論是粉碎、分級還是包裝，都離不開粉體的輸送。本碳酸鋰閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)的設(shè)計及主要設(shè)備選型，經(jīng)試驗驗證其應(yīng)用效果，可得出如下結(jié)論：① 經(jīng)本碳酸鋰閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)輸送后，碳酸鋰顆粒直徑變化不大，其對碳酸鋰顆粒直徑幾乎沒有影響；② 經(jīng)本碳酸鋰閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)輸送后，碳酸鋰磁性物含量略有增加，但增幅小于1%；③ 保持24 m/s的回風(fēng)風(fēng)速時，碳酸鋰平均產(chǎn)量最高可達(dá)214 kg/h，實際應(yīng)用中可將回風(fēng)風(fēng)速設(shè)置在24 m/s左右；④ 本碳酸鋰閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)，回風(fēng)文丘里加料器進風(fēng)速度會顯著影響碳酸鋰的產(chǎn)量，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，回風(fēng)風(fēng)速過大或過小均會對系統(tǒng)運行產(chǎn)生不利影響，后續(xù)研究中可引入CFD仿真模擬方法等探討內(nèi)部流場特征與回風(fēng)風(fēng)速之間的關(guān)系，為碳酸鋰閉式氮氣氣力輸送系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供可靠的依據(jù)。