盐湖卤水提锂铝盐吸附剂的混料挤条设备及工艺设计

2021-08-05王灵德严雄仲田卫东

化工机械 2021年3期

王灵德严雄仲田卫东

（1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2.青海盐湖佛照蓝科锂业股份有限公司）

自然界中的锂以化合物的形式存在，主要储存于花岗伟晶岩型矿床、盐湖卤水、海水及地热水等中［1］。据统计，我国的锂资源有将近80%存在于盐湖卤水中，主要分布在西藏和青海的盐湖地区。虽然矿石提锂工艺成熟，但存在能耗高、污染重及成本高等缺点；卤水提锂具有锂产品纯度高、能耗低和成本低的优势，已成为未来生产基础锂产品的发展方向。

目前，盐湖卤水提锂工艺主要有沉淀法、溶剂萃取法、吸附法、煅烧浸取法、碳化法、泵吸法及电渗析法等［2］。其中吸附法工艺简单、选择性好、回收率高且绿色环保，对于从高镁锂比的盐湖卤水中提锂有着独特的优势。吸附法是通过吸附剂选择性地吸附盐湖卤水中的锂离子，从而达到锂离子与其他离子分离的目的。

吸附剂一般分为有机离子交换吸附剂和无机离子交换吸附剂。有机类吸附剂成本高，对锂离子的选择性较低，不适用于卤水大规模提锂；无机离子吸附法是利用无机离子吸附剂对锂离子有较高的选择性和特定的记忆效应这一特点，实现从稀锂溶液中选择性提锂的方法［3］。这种方法比较适用于高镁锂比盐湖卤水提锂，特别是从锂离子浓度低的溶液中提锂。

锂的无机离子交换吸附剂可分为：无定型氢氧化物吸附剂、离子筛型氧化物吸附剂、层状吸附剂、复合锑酸盐吸附剂和铝盐吸附剂。铝盐吸附剂的化学式为Li X·2Al（OH）3·n H2O，具有欠缺型无序结构，用酸除去组分中的锂离子后产生的空位对锂离子具有吸附活性。它的制备方法是将氯化铝溶液与锂化合物（LiOH、Li2CO3、LiCl）充分混合形成反应前驱体，再向反应前驱体中加入NaOH溶液，反应生成Li X·2Al（OH）3·n H2O。该产物经固液分离、干燥和研磨粉碎形成固态产物，随后再加入粘合剂（PVC、PVDF等）和二氯甲烷实现混合造粒，形成条状吸附剂，最后经破碎和筛分制得均匀颗粒状铝盐吸附剂。

传统的生产设备生产出的成品铝盐吸附剂，主要存在水合化合物与粘合剂混料不均匀、成品率低等问题。笔者介绍的铝盐吸附剂混料挤条设备很好地解决了以上问题。

1 混料挤条设备结构及生产流程

铝盐吸附剂的混料挤条设备（图1）主要包括失重式计量加料系统、液体计量加料系统、混料机、挤条机、出料机头及筒体冷却系统等，生产过程为：固体原料通过失重秤计量加入双螺杆混料机内，在混料机内实现Li X·2Al（OH）3·n H2O与粘合剂的预混，随后再向混料机中段加入二氯甲烷，实现3种物料的充分均匀混合，然后进入单螺杆挤条机建压挤出，通过特殊设计的出料机头成条，进入下游设备，其生产流程如图2所示。

图1 混料挤条设备现场照片

图2 混料挤条设备生产流程

2 混料挤条设备设计

铝盐吸附剂混料挤条机的技术难点主要有以下几方面：

a.Li X·2Al（OH）3·n H2O与粘合剂须按比例定量精确配料进入混料机。两种物料必须严格按照比例加入，同时二氯甲烷也要按相应的比例准确加入，才能保证最终产品的质量。

b.两种物料在二氯甲烷中的充分混合。首先两种固体物料必须充分地混合，其分布混合与分散混合要求都较高，混合好后再与液体二氯甲烷继续均化混合，其混合效果将对吸附剂的品质起决定性作用。

c.出料模板要保证料条不粘连，均匀地下落至传送带上。

d.设备运行过程中，要保证筒体和螺杆有足够的冷却能力，避免二氯甲烷的挥发，造成物料的固化堵塞。

2.1 配料系统

为了保证各种原料严格按相应比例加入，固体料采用失重式计量秤加料，液体的二氯甲烷通过隔膜式计量泵加入。

传统工艺中，固态的Li X·2Al（OH）3·n H2O和粘合剂均采用体积式喂料机加料。体积式喂料机工作时，一定的喂料量对应恒定的螺杆转速，由于料斗中储存着大量物料，螺杆每转一圈吃进的物料量大有不同，因而喂料量波动较大。而固体失重秤是通过静态称重的方式实现高精度连续定量给料的自动称重给料设备，它将计量斗和整个设备整体作为一个秤体进行称量，随着物料从失重秤中流出，控制系统对秤体的重量信号进行高速高频的采集，得出单位时间内物料减少的重量，再通过电脑芯片处理，得出物料的实际流速，同时控制系统会将实际值与设定值进行对比，并将比较结果反馈给失重秤进一步进行喂料量的修正，形成闭环控制，使实际值无限接近设定值，从而实现高精度连续定量的喂料要求，精度可达0.5%。

隔膜式计量泵的计量精度可达2%，通过固体失重秤与计量泵的配合工作，按照特定的比例加入物料，保证了3种原料的比例，原料进入混料机中实现充分混合。

2.2 混料机

混料机实现Li X·2Al（OH）3·n H2O、粘合剂和二氯甲烷3种物料的均匀混合，它是一台SHJ-95型同向平行双螺杆挤出机（图3）。该混料机的主要参数为：主电机功率90kW；螺杆直径90mm；螺杆长径比28∶1；螺杆转速（最大）330r/min。

图3 混料机设备结构示意图

混料机的筒体共有7节，第1节为固体料加入筒体，第4节为二氯甲烷液体加入筒体，其余筒体为闭合筒体，筒体设有冷却流道（通冷却水）通过冷却水循环将挤出机运转时产生的摩擦热量带走，保证筒体处于低温状态，避免二氯甲烷因过热而挥发。

2.3 挤条机

原料经过混料机的充分混合后进入挤条机，通过挤条机的输送建压，送至机头模板挤出成条。挤条机为一台DJ-200型单螺杆挤出机（图4）。该挤条机的主要参数为：主电机功率45kW；螺杆直径200mm；螺杆长径比28∶1；螺杆转速（最大）330r/min。单螺杆筒体上设置有混合销钉，螺杆上相应位置处开豁槽，增强了单螺杆挤条机的混合功能，使得物料可以进一步混合。

图4 挤条机设备结构示意图

挤条机的筒体设有冷却夹套（通冷却水）同时螺杆芯部也设有冷却水通道，通过冷却水循环将挤条机运转时产生的摩擦热量带走，防止二氯甲烷因过热而挥发。

2.4 出料机头

传统的出料机头为圆盘形，与水平夹角20°出料，大量的料条从模板挤出后，无法散开，成股粘连地落在传送带上，料条大量的粘连造成最终制品成粒困难，粉末较多，成品率低。针对这一问题，本次的出料机头设计为长方形模板（图5），垂直向下出料，共设计有244个φ3mm的模孔，呈矩阵排列布置，合理的机头流道设计，使得物料在整个模板上能够均匀地出料。出料机头（图6）上设有冷却夹套（通冷却水），使之始终保持低温状态，保证生产需求。

图5 模板结构示意图

图6 出料机头结构示意图

为了保证机头出料均匀稳定，在设计机头流道时，借助ANSYS对模板的出料速度和机头的流场进行模拟分析（图7），并对流道进行了优化设计，最终的模板和机头出料均匀稳定，可满足生产需求，提高了成品率。

图7 模板出料和机头流道流场分析图

3 混料挤条工艺

3.1 工艺温度

由于二氯甲烷的沸点较低，为39.8℃，且极易挥发，与两种固体物料混合后，如果二氯甲烷从混合物中挥发出来，则会造成物料凝固，生产中断，严重时还有可能损坏设备。因此，必须保证设备的操作温度都处于二氯甲烷的沸点以下，才能保证顺利生产。混料机是一台双螺杆挤出机，工作时会产生大量的剪切热，筒体温度需要设置得比二氯甲烷的沸点低很多，将螺杆转动时与物料的摩擦热和物料内部的摩擦热及时带走，避免二氯甲烷因过热而挥发。

混料挤条机各温控段的温度值见表1，其中混料机第1节筒体为固体加料筒体，经过预混后，第4节筒体为二氯甲烷液体加入筒体，从表1所列数据中可以看出，前4节筒体内由于固体预混会产生摩擦热，因而温度设置得更低一些，二氯甲烷液体加入后继续进行充分混合，经挤条机和出料机头挤出成条，整个设备中保持低温，完全避免了二氯甲烷的挥发损失。

表1 混料挤条机各温控段温度值 ℃

3.2 混料机的螺杆组合

双螺杆混料机实现固体料的预混和液体加入后的充分混合功能。固体料中粘合剂PVC或PVDF是一种塑料，传统的塑料都是通过加热使之熔融，而后在双螺杆挤出机完成加工。然而本物料在生产中，无法进行加热，因此螺杆组合合理与否，直接决定了主机运转时的电流、发热量和混合效果。如果螺杆组合太强，则主机电流会过大，发热量过多，严重时会造成卡机；螺杆组合太弱则会直接影响物料的混合效果。经过实验对比，最终确定如图8所示的SHJ-95双螺杆混料机螺杆组合。

图8 SHJ-95双螺杆混料机螺杆组合

在第3节筒体中间设置了捏合块30°/7/112，它的输送能力强于45°和90°的捏合块，混合能力又强于输送元件，既保证了物料的预混效果，又避免了主电机电流过高。经过预混的固体物料在第4节筒体与二氯甲烷液体开始混合，并充分溶解，在第6节筒体中间设置了捏合块45°/5/80，此处3种物料经过螺杆的输送和混合作用，已经初步形成了较均一的混合物，经过此捏合块的剪切与混合作用，使得混合物的分布混合与分散混合更加均匀。其他位置的输送元件保证了螺杆的输送能力，将混合均匀的物料送进挤条机。