新型蒸发结晶设备在锂辉石提锂过程中应用

周文龙， 覃 波， 徐月和

(中国恩菲工程技术有限公司 稀有金属事业部，北京 100038)

新型蒸发结晶设备在锂辉石提锂过程中应用

周文龙， 覃 波， 徐月和

(中国恩菲工程技术有限公司 稀有金属事业部，北京 100038)

本文简述了锂辉石- 硫酸法生产中蒸发结晶设备所面临的问题，提出了工程技术优化改进方案，并对未来矿石提锂设备发展动向提出了几点建议。

锂辉石；硫酸法；蒸发结晶；矿石提锂

0 前言

硫酸法是现今以锂辉石为原料提锂的唯一方法。天然锂辉石称α-锂辉石，为了从天然锂辉石中提锂，α-锂辉石只有经过晶型转化焙烧，转变成四方晶系β-锂辉石，才能与酸碱发生各种反应。锂辉石—硫酸法工艺主体路线如下：α-锂辉石经高温焙烧后，晶型转变成β-锂辉石，并与浓硫酸混合，经酸化焙烧，生成可溶硫酸锂，通过浸出得硫酸锂溶液，经蒸发浓缩作为生产碳酸锂、氢氧化锂及氯化锂产品的中间原料—硫酸锂溶液。硫酸锂溶液通过烧碱溶液转化、低温冷冻结晶析出十水硫酸钠晶体后，晶体分离所得转化液经蒸发、结晶等工序得单水氢氧化锂产品(LiOH·H2O)。

锂辉石硫酸法工艺主要使用能源为煤气、蒸汽、电力，折标煤后各能源在生产总能耗中所占比例见图1。可看出蒸汽是主要消耗能源，其主要用于硫酸锂溶液蒸发、LiOH溶液蒸发浓缩结晶、粗产品精制及干燥等工序，其中：用于蒸发浓缩工序的蒸汽用量约占蒸汽总用量的65%～80%，同时在过程中还消耗大量冷量，可见，如何改进工艺及选择适宜的设备进行节能降耗是锂盐建设和生产需要考虑的课题，其中，采用何种蒸发、结晶设备，至关重要。

中国恩菲工程技术有限公司近年来参与了国内众多锂盐项目的工程咨询与设计，进行了大量研究，积累了丰富经验。本文针对锂辉石硫酸法生产过程中各蒸发结晶设备改进，装备水平提高、节能降耗等问题进行了工程技术方案探讨。

图1 锂辉石提锂各能源与总能耗的关系

1 蒸发结晶设备

1.1 MVR蒸发器

目前国内锂辉石硫酸法工艺中硫酸锂净化液蒸发浓缩生产基本采用传统多效蒸发装置(Multiple Effect Evaporator，MEE)，甚至部分企业仍使用高耗能夹套反应槽，热效率低，能耗大，不适应工业发展要求。

在多效蒸发装置中，效数与单位水量蒸发所需蒸汽量成反比，但效数越多，装置投资越大。此外，效数还与物料性质、生蒸汽温度、末效出料温度和真空度等有紧密关系。以三效强制循环为例，蒸发1 t水消耗蒸汽约0.45 t，约90元(200元/t蒸汽)，电10～15 kW·h，约5～7.5元(0.5元/kW·h)，总计蒸发1 t水约需95～100元。

从长远考虑，在当前世界能源危机面前，锂盐生产行业须重点关注新节能装备技术和节能降耗工艺，其中蒸发结晶工序是核心。

目前蒸发设备中最为节能、效率最高的设备是机械蒸汽压缩机，俗称“热泵”(Mechanical Vapour Recompressor，MVR)，MVR简要工作原理见图2。早在20世纪60年代，该技术已成功应用于化工、制药、造纸、污水处理、海水淡化等行业。MVR蒸发技术由于节能效果显著，现已广泛用于工业废水处理、乳品、制糖、氧化铝、盐化工等很多生产领域[1]。

从机械角度看，MVR是一种离心风机，可将二次蒸汽压缩以提高蒸汽焓值(蒸发显热)，并回用蒸发工艺，以实现热量回收。该过程中唯一消耗的能源只有电能，并且电能最终转化为蒸汽热能。除开车时需蒸汽外，正常运行时不再需蒸汽。因此极大地节省了锅炉房、循环水系统的运行费用和占地面积，同时也节省了大量循环冷却水，减少了三废排放量。其蒸发1 t水仅消耗电60～80 kW·h(其中40～60 kW·h为MVR压缩机需要，另20 kW·h为强制循环泵所需)，总计约30～40元。尽管MVR蒸发系统一次性投入成本较多，但MVR系统总体的运行成本大大降低。综合考虑，大多数情况下使用MVR系统会在2年左右回收额外设备投资成本。

图2 MVR蒸发工艺原理图

以蒸发量15 t/h为例，表1对MVR和三效蒸发系统进行了初步分析比较，可以看出，MVR蒸发器具有明显节能优势，该技术在锂盐生产中的应用有利于降低锂盐产品生产成本。

表1 MVR与三效蒸发系统比较

注：电(0.5元/kWh),蒸汽(200元/t蒸汽)

1.2 蒸汽喷射泵

蒸汽喷射泵技术是根据文丘里原理，在高压生蒸汽通过蒸汽喷射泵时，利用高压蒸汽的高速流动以提高二次蒸汽热焓，并作为热源进入蒸发器作为热源再次进行蒸发，可节省生蒸汽用量。同时，由于生蒸汽高速通过蒸汽喷射泵，可在蒸发系统内形成一定负压，有利于蒸发进行。

对锂盐生产以蒸发1 t水计，常规间歇槽或单效蒸发器耗能太大，单效蒸发耗用蒸汽1.2 t，采用该技术后，仅需蒸汽0.75 t，可节省蒸汽0.45 t，节电6 kW·h，换算后可节省标准煤约35 kg。

1.3 连续结晶设备

锂盐生产过程可总结为蒸发结晶提纯过程，溶液的冷却结晶，尤其是LiOH溶液的冷却结晶，是一个非常重要的操作单元，也是关键工艺，因此，选择先进的、节能的结晶工艺非常重要。

(1)在LiOH制备方面的应用

目前锂盐行业单水氢氧化锂(LiOH·H2O)结晶大多采用夹套冷却结晶工艺或盘管冷却结晶工艺。

夹套冷却结晶工艺主要设备为夹套结晶器(间歇式结晶槽)，在搅拌的同时由夹套内冷却水对料液进行冷却。但夹套冷却结晶器存在以下不足：一是传热面积小；同时考虑传热效率，设备体积受限制；大规模生产需采用多台设备，占地较大、操作复杂、劳动强度大；二是容易结垢，影响传热效果；三是间断操作，产品结晶质量不好控制。目前我国有较多锂盐生产企业都采用夹套冷却结晶工艺，冷却水与LiOH溶液传热系数一般为80～l20 W/m2·℃，同时为保证晶型，搅拌转速较低，但仍然存在上述问题[2]。

盘管冷却结晶器，顾名思义，靠盘管换热器来换热，盘管换热器置于结晶器溶液中。盘管内通冷却水对料液进行冷却。和夹套冷却结晶相比较，盘管换热器由于设备内部增加了传热面积，设备容积可大幅度提高；从另一个角度来说，在设备容积一定条件下，传热面积可显著提高，但盘管结晶器还是难以避免结垢问题，传热效果会随着时间的延长而变差。

从长远考虑，在今后单水氢氧化锂生产中，可采用MVR技术或蒸汽喷射泵技术+真空连续冷却结晶工艺，在蒸发器溶液出口配置相应真空连续冷却结晶装置。在真空条件下，LiOH溶液表面压力降低，溶液沸点降低，进而在低压下蒸发水份，最终达到冷却结晶温度并析出单水氢氧化锂产品。而结晶过程中产生的未饱和氢氧化锂溶液返回蒸发器，实现过程连续化操作，提高结晶析出率。与夹套冷却结晶工艺或盘管冷却结晶工艺相比，该工艺主要优点：一是LiOH溶液始终在循环，可在很大程度上消除换热器表面结垢问题。二是占地面积少，传热效果好，能耗低，劳动成本降低、生产效率大幅提高、能实现LiOH冷却结晶工艺规模化、连续化操作。综上所述，它具有较强的技术优势与市场竞争优势，是我国今后LiOH冷却结晶工艺应用方向。

(2)在十水硫酸钠制备的应用

如采用连续结晶工艺，不但使该工序实现连续，辅以对Na2SO4·10H2O成核与成长速率的有效控制，可明显控制晶核大小，避免大量Na2SO4·10H2O微晶穿滤和溶解对产品品质的影响[3]。

综上所述，现有夹套冷却结晶(间歇式结晶槽)、盘管冷却结晶等工艺属相对落后工艺，从根本上制约了我国锂盐工业发展。随着科学技术水平不断发展，市场竞争进一步加剧，这些落后工艺必将逐步被市场淘汰。

2 建议

目前，我国锂辉石—硫酸法工艺生产锂盐相关产品，自动化水平较低，在工艺改进、提高装备及控制水平，具有一定发展空间；同时，受上游原料普遍涨价和产品价格回归的双重夹击，利润空间微薄，我国锂工业面临非常严峻的挑战。如何提升锂盐行业的装备水平，大幅降低锂辉石提锂生产成本成为了重要课题。为了推动我国锂盐行业发展，建议应不断吸收新技术，新装备，提高生产装备水平、自动化水平，这样才能使企业在未来竞争中体现自身优势，创造更多价值。

[1] 姚君磊，韩东，叶莉，顾昂.MVR硫酸钠结晶系统中宽通道板式换热器的堵塞特性与传热流动特性耦合分析[J].节能技术，2011，(6)：510-511.

[2] 李新元，毛江运.硫酸锂冷冻法生产单水氢氧化锂母液循环的工艺研究[J].新疆有色金属，2005，(4)：24-25.

[3] 杨立斌，杜娟，沙作良，袁建军，张爱群.十水硫酸钠冷却结晶动力学的研究[J].无机盐工业，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

周文龙(1982-)，男，山西汾阳人，工程师，硕士研究生，主要从事稀有金属咨询设计工作。

覃波(1969-)，男，广西岑溪人，高级工程师，大学本科，主要从事项目管理工作，现任中国恩菲工程技术有限公司稀有金属事业部副总经理。

TQ028.6

B

1003-8884(2014)03-0051-03

徐月和(1962-)，男，江苏金坛人，教授级高级工程师，大学本科，主要从事项目管理工作，现任中国恩菲工程技术有限公司稀有金属事业部副总经理。