高镍三元前驱体洗涤过滤一体机搅拌装置设计

张德友，朱碧肖，陈崔龙，李传祥

（合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031）

0 引言

目前国内外锂电高镍三元材料的生产方法多为共沉淀-高温固相法，即先采用共沉淀法制备前驱体［1］，再加入锂源，经过混合、烧结，形成NCM高镍三元正极材料，如图1 所示。其中，洗涤过滤是制备高镍三元前驱体关键工序［2］。

图1 NCM 高镍三元正极材料生产工艺Fig.1 Production process of NCM high nickel ternary cathode material

国内技术人员多对工艺进行了试验研究，冉建军等［3］研究洗涤工艺中碱洗温度、洗碱浓度、洗碱量、洗水温度、洗水量对前驱体含硫量和含钠量的影响；蒋志军等［4］利用三因素四水平正交法研究温度、加碱比例和时间对碱浸的影响，业内缺乏对关键工序设备的相关研究。近年来，洗涤过滤一体机在前驱体生产工艺应用越来越广泛［5-6］，相比传统设备，其优势是浆化洗涤充分、物料损耗少、操作自动化、劳动强度低。经过应用发现，洗涤过滤一体机关键部件搅拌装置的结构型式、技术参数直接影响前驱体粒径、杂质含量等，也对三元正极材料的元素比例、粒度、密度等有传承性的影响［7］。常用斜桨、一字型桨叶容易造成搅拌死区，中心底部流速低，物料易堆积，桨叶重复刮擦，晶体形貌受到破损，严重影响三元材料性能。此外，桨叶型式还影响前驱体洗涤效果，造成洗涤水用量大且钠硫等杂质含量受控难度大。因此，有必要对其开展相关研究及改进设计，目的是消除搅拌死区、降低刮擦破损率以及改善搅拌流场，达到充分洗涤的效果。

1 结构与工作原理

洗涤过滤一体机主要由传动部件、搅拌装置、筒体部件、出料部件、滤盘部件等组成，如图2所示。

图2 洗涤过滤一体机结构Fig.2 Structure diagram of washing and filtering integrated machine

（1）传动部件由电机减速机、轴承座、升降机构、导向装置等组成。升降机构在液压缸驱动下，带动搅拌装置做上升、下降动作。

（2）搅拌装置由搅拌轴、主轴密封、搅拌桨等组成。搅拌装置在传动部件作用下，进行上升和下降，同时可正反旋转。

（3）筒体部件一般包括上筒体与下筒体。上筒体封头设有进料口、洗涤口、进气口、视镜视灯等各种管口及液位计等仪器仪表接口；下筒体设有母液收集腔，其容积一般大于有效容积的10%，既能快速排走母液，也能防止过滤前期细小物料穿透物料堆积，对滤网产生挤压。上、下筒体通过液压齿啮式结构连接［8］，可快速自动打开与闭合，开启时间小于60s。

（4）出料部件为液压柱塞式结构，轻量化设计的阀芯低位与过滤介质表面平齐，有利于排净滤饼。

（5）滤盘部件是设备核心，由过滤介质、支撑孔板、密封等组成。根据物料粒径分布、黏性等数据，选用合适材质及孔径的过滤介质，常用的金属滤网为多层不锈钢丝网烧结而成，具有使用寿命长及较高的可靠性［9］。

搅拌装置在前驱体洗涤过滤整个过程中，均发挥着关键作用。结合洗涤过滤一体机工作原理进行说明。（1）进料阶段：满足进料条件后，开始进料，进料量可由液位或流量计进行控制，进料过程中为防止物料沉积，可启动搅拌装置并进行升降运动；（2）压滤脱水阶段：进料结束后，通入气体对物料进行压滤，筒内压力达到设定值时停止进气，搅拌装置复位至最高位，期间搅拌桨通过正反转实现摊平滤饼，防止吹干气流短路；（3）浆化洗涤阶段：压滤结束后，进一定量的洗涤液，期间搅拌装置旋转并进行升降运动，将滤饼与洗涤液充分混合，在一定时间后，进行压滤脱水操作；（4）卸料阶段，达到工艺指标后的滤饼通过桨叶导向，被逐层刮起赶至筒壁，由出料部件的卸料口卸出，进入下一步干燥工序。

目前搅拌装置设计仍主要依靠经验或直接参照搅拌器，没有结合设备功能与高镍材料工艺要求进行系统性设计。另外，为达到每批次滤饼卸除干净，要求残留滤饼越薄［10］，即要求搅拌桨底面与滤网表面距离值较小。但距离越近，搅拌桨通过物料对滤网的作用力越大，滤网有被刮损的风险。该距离还对滤饼搅拌混合效果、物料局部沉积、搅拌死区产生较复杂的影响。因此，搅拌装置的设计及改进愈发重要。

2 设计条件

2.1 工艺条件

三元正极材料中镍含量越高，其能量密度越高，如LiNixMnyCo1-x-yO2（x ≥0.8）电池的克容量约为220 mAh/g［11］，在市场中很受欢迎［12］，其制备工艺也是各厂商保密的核心技术。某高镍三元前驱体洗涤过滤工艺条件见表1。

表1 某高镍三元前驱体工艺条件Tab.1 Process conditions of the high nickel ternary precursor

2.2 技术参数

根据上述工艺输入条件，经计算，初步确定洗涤过滤一体机的技术参数：筒体直径为1 800 mm，有效过滤面积为2.25 m2，筒体直段高度为1 200 mm，有效容积为3 m3，筒体壁厚为10 mm，筒体设计压力为0.4 MPa，筒体设计温度为60 ℃，过流材质选用不锈钢316 L。

3 搅拌装置设计

3.1 桨叶型式

搅拌桨不仅要保证筒体内部物料混合均匀，而且要不留死区，流场范围要广泛，所以桨叶型式非常重要。一体机上常用的桨叶型式有斜桨、S型、一字型等［13］。根据本项目中高镍三元前驱体的黏度、剪切性和桨叶加工经济性，选用斜桨，结构简单可靠、易维护，为增加轴向流动性能，桨叶角度采用45°倾角［14-15］。

3.2 叶片层数

高镍三元前驱体原料洗涤过程中，要求混合均匀，缩短洗涤时间，有一定的混合强度，防止固体物料沉积，对搅拌桨要求较高。本项目中为满足单批次处理能力，筒体直段较高，为了提高生产效率、提高搅拌混合效果，采用双层桨叶，上层桨叶直径小，下层桨叶直径大。

3.3 转速

搅拌是前驱体洗涤过滤中的关键因素，搅拌速度和搅拌强度直接影响晶体形貌［16］。初步确定一体机最高搅拌转速为60 r/min，可以通过变频器进行调速。本项目中搅拌装置初步设计参数见表2。

表2 搅拌桨技术参数Tab.2 Technical parameters of stirring impeller

3.4 电机功率

根据HG/T 20569-2013《机械搅拌设备表》，按桨端线速度估取单位容积搅拌功率值，桨端线速度计算式为：

式中，vi为第i 层桨叶桨端线速度，m/s；ω为搅拌轴角速度，1/s；ri为第i 层桨叶半径，m；n 为搅拌轴转速，r/min。

计算得到v1=5 m/s，v2=3.5 m/s；查HG/T 20569—2013 中的表D.0.2-1，得到第1 层桨叶单位容积搅拌功率为0.5～3.0 kW/m3，第2 层桨叶单位容积搅拌功率为0.1～1.0 kW/m3。则第1 层桨叶搅拌功率为1.5～9.0 kW，第2 层桨叶搅拌功率为0.3～3.0 kW，搅拌轴功率为1.8～12.0 kW。

根据搅拌轴功率选取电机功率为：

式中，P 为电机功率，kW；K 为搅拌轴功率裕量系数，根据HG/T 20569—2013 中的表6.5.1 选择搅拌轴功率裕量系数K=1.25；Ps为搅拌轴功率，kW，取Ps=12 kW。

计算得到电机功率为15 kW，考虑电机功率余量及搅拌桨兼顾滤饼卸除功能，本项目电机功率选用18.5 kW。

4 CFD 数值模拟分析

4.1 模型建立及网格划分

利用三维设计软件建立关键部件搅拌桨的简化模型如图3 所示。

图3 双层斜桨简化模型Fig.3 Simplified model of double-layer inclined impellers

对双层搅拌桨简化模型，选择一体机内部直径为1 800 mm，高度为1 200 mm 空间作为计算区域，选取多重参考系模型（MRF）简化计算过程，构建包络搅拌桨的旋转区域，其余区域为非旋转区域。考虑旋转区域结构较为复杂，网格划分时该区域网格尺寸相对较小，同时近壁面与搅拌桨区域网格适当加密，为减少网格划分工作量，采用四面体网格［18］，对模型计算域进行网格划分，网格数量见表3。

表3 双层斜桨网格划分明细Tab.3 Grid division details of double-layer inclined impellers

根据模型坐标方向设置重力加速度。液体在一体机筒体内流动为湍流状态，采用标准k-ε湍流模型［19］，以纯水为物料进行流场模拟。旋转域和非旋转域的交界面为Interface。压力-速度的耦合求解采用SIMPLE 算法，动量离散方式选择二阶迎风格式［20］，收敛残差定为1×10-6，以计算2 500 步后的云图为计算结果。

4.2 流场分析

截取过中心的纵截面速度矢量和纵截面湍流强度如图4 所示，可以看出流场呈对称分布，流体沿径向流动，碰到筒壁后分为两股分别向上、向下流动，再回到桨叶端部，形成循环流动；轴心处出现“柱状回转区”，该区域流动速度低，混合效果差，固体物料极易沉降堆积，对滤网产生刮损隐患。

图4 双层斜桨模拟Fig.4 Simulation diagram of double-layer inclined impellers

因此，对下层桨叶型式进行单独研究，选用MIG 型、INTERMIG 型、开启涡轮型、S 型等型式，通过模拟对比分析，最终选定大小S 型桨叶。改进后的搅拌装置上层桨叶依旧采用斜桨，下层桨叶采用大小S 桨叶的组合型式，上、下层桨叶均与轴直接焊接。按上述相同方法建立简化模型及划分网格，如图5 和表4 所示。

表4 组合式桨叶网格划分明细Tab.4 Grid division details of combined impellers

图5 组合式桨叶简化模型Fig.5 Simplified model of combined impellers

同样，截取过中心的纵截面速度矢量和纵截面湍流强度如图6 所示，可以看出下层大小S 桨在筒体下部形成了更为明显的循环流场，尤其是靠近桨叶端部更加突出，且循环流场呈对称分布；中心区域混合强度组合式桨叶优于双层斜桨；对比湍流强度后发现，组合式桨叶形成的湍流区域、强度明显大于双层斜桨，混合强度大，对洗涤效果起促进作用。

图6 组合式桨叶模拟Fig. 6 Simulation diagram of combined impellers

为防止滤网表面滤饼堆积与下层桨叶之间发生摩擦，通过增加下层桨叶与滤网之间距离，分析该距离改变与搅拌混合效果、流速死区等之间的相关性。下层桨叶与滤网距离为30 mm 时的纵截面速度矢量和纵截面湍流强度如图7 所示。

图7 下层桨叶与滤网距离为30 mm 时模拟Fig.7 Simulation diagram when the distance between the lower impeller and the filter screen is 30 mm

对比图6（a）和图7（a）可以看出，下层桨叶与滤网的距离提高后，桨叶底部速度矢量变化不是很明显，说明对物料的循环流场影响不大，但主轴正下方区域的“柱状回转区”范围增大，存在混合不到的地方，应该引起关注。对比图6（b）和图7（b）可以看出，下层桨叶与滤网的距离提高后，湍流区域、强度明显降低，对洗涤不利。

改进后的搅拌桨在实际应用中，效果明显。高镍三元前驱体过滤洗涤工序从悬浮液进料到干粉出料，每批料处理周期由改进前的4.5～6.5 h 降低到约为3 h，极大地提高了生产效率；前驱体材料的钠含量由改进前的0.023%降低到0.015%，硫含量由改进前的0.19%降低到0.14%，满足了优质产品指标要求，说明起到了良好的混合效果；同时洗涤效率的提高，减少了洗涤液的耗用量及废水排放；降低了物料撞击造成的微观形貌破损，产品中磁性Fe，Cr，Zn 含量低至1.4×10-8。

5 结论

（1）下层大小S 桨叶在筒体下部形成了更为明显的循环流场，湍流区域、强度有明显优势，混合强度大，有利于固体颗粒与洗涤液的混合，促进浆化洗涤效果。

（2）下层桨叶与滤网距离越大，主轴正下方处存有“流动死区”，固体物料容易堆积，存在将滤网挤压、刮损的隐患；且湍流区域、强度明显降低，不利于物料洗涤。综合滤网焊接变形后表面实际平整度范围以及残留滤饼对过滤阻力的影响，应用中该距离范围控制在12～20 mm（过滤筒体直径越大，滤网面积越大，焊接变形量也越大，实际应用中搅拌桨与滤网距离选取较大值）。

本文对前驱体洗涤过滤设备设计提供了方法思路，对设备选型、改进设计、增效节能也有实际意义。生产应用中，高镍三元材料工艺、原材料、生产规模等均有较大差别，洗涤过滤一体机搅拌装置设计要结合生产实际以及制造难度、经济性、功能集成等予以综合考虑。