摘要：随着新能源汽车的快速发展，磷酸铁锂成为新能源车电池的主要原料，其供需矛盾日益加剧。文章以磷酸铁锂吸附剂项目为背景，采用闪蒸干燥与回转窑炉组合的干燥生产工艺，通过物料衡算和热量衡算计算出所需的空气用量，再根据空气速度范围确定设备的直径和高度。结果显示，闪蒸干燥机进风总热量为700×104 kJ，当闪蒸空塔风速取3～5 m/s时，干燥塔直径取2.2～2.8 m。回转窑燃烧器功率为450×104 kJ，窑体采用φ3 m×30 m，筒体壁厚18 mm。该干燥系统实现了全天候不间断的自动化生产工艺，干燥速率高，节能降耗，在磷酸铁锂生产过程中起着极其重要的作用。
关键词：二水磷酸铁锂,闪蒸干燥,回转窑炉,节能降耗
0引言
随着化石能源的迅速消耗和温室效应的日益加剧，推动新型能源的发展已成为缓解能源危机、实现“碳中和、碳达峰”目标的主要措施。新能源汽车作为新能源行业发展的重点，近年来取得了显著进步。中国锂资源丰富，锂资源量达510万吨(以金属锂计)，在全球锂资源量中排名第六。我国约80%的锂资源蕴藏于盐湖卤水中，然而，碳酸盐型盐湖卤水因高碱性、高碳酸根含量而难以高效经济地开发利用。锂作为一种新兴的战略资源，在电池材料、化工、冶金、陶瓷等多个领域得到广泛应用，是新能源锂电池的主要原材料。磷酸铁锂(LiFePO4，简称LFP)的制备工艺包括前驱体磷酸铁锂的制备和二次加工两部分，如图1所示[1]。
1干燥设备简介
1.1闪蒸干燥技术
闪蒸干燥主要是通过热量的扩散交换来实现。加热后的空气从底架的环形进风口由鼓风机高速吹入搅拌粉碎腔室。在腔室内，团状和大颗粒的湿物料被八字刀粉碎，并在热风和八字刀的共同作用下受到离心、摩擦、碰撞等力，使物料进一步微粉化，降低湿含量，增加蒸发面积。湿含量较低、颗粒度较小的物料在闪蒸干燥机底部的蜗壳旋转流作用下螺旋上升，与热风进行热交换进一步干燥。由于热空气和固体物料相互作用并旋转流动，且固体物料的惯性大于热空气，两者之间的相对速度较大，从而强化了传热传质过程，使旋转闪蒸干燥机的干燥强度高[2]。
闪蒸干燥机是我司在消化和吸收国外先进技术的基础上，改进研制的新型干燥设备，适用于干燥膏黏状、滤饼状以及粉料状等物料。其特点包括：(1)物料受到鼓风机的离心力后，与闪蒸八字刀发生碰撞，把物料进行剪切、摩擦，最终被微粒化后物料呈现出高度分散的状态，且热风气体和固体物料之间的相对速度较大，形成了相互之间的高效热传导，使该设备干燥换热效率高；(2)鼓风机和空气加热器产生的热风气体进入闪蒸干燥机底部的蜗壳内，形成的旋转气流风速很快，对闪蒸干燥机粘结在内壁上的干燥后物料形成强烈的气流冲刷，杜绝了粘壁现象的产生；(3)在闪蒸干燥机底部由于高温气体的存在，热敏性物料与设备底部的热表面不直接接触，很好地杜绝了热敏性物料常见的焦化和变色的产生；(4)由于闪蒸干燥腔内的风速高，导致物料的停留时间很短，能达到高效、快速干燥的效果；(5)闪蒸干燥机腔室内设置了多个旋流片，可以将物料水分干燥到极低的水平；(6)闪蒸干燥机上部的分散器出口，通过高度调节能控制物料的粒径和湿度。闪蒸干燥机工艺流程图，如图2所示。
1.2回转窑干燥技术
回转窑主要由热源、加料装置、转筒、传动装置、出料部分以及尾气除尘装置等组成。如图2所示，需要干燥的湿物料通过螺旋输送机送到回转窑的进料罩内，通过导料板进入筒体内，筒体为一稍倾斜的圆筒。物料与载热体在筒内通过抄板的作用充分接触，该接触方式根据物料的特性有逆流接触和并流接触。随着筒体的转动，湿物料在重力和抄板的双重作用下移动到出料端，在此过程中湿物料与筒体进行热交换，将水分蒸发，最后经出料罩将干燥后的物料出料。载热体吸收水分后作为尾气排出筒体。尾气排入大气前，可经除尘装置除尘后排出。根据对尾气含尘量的要求不同，可选择对除尘设备的配置组合。(如要求较低含尘量，可将尾气先经旋风除尘器处理，再经脉冲袋式除尘器或水幕除尘器进一步处理后排空)。适用于电池材料、化工、冶金、陶瓷等行业和粉状、颗粒状、块状以及掺入干料的膏糊状物料[3]。回转窑工艺流程图，如图3所示。
1.3沸腾干燥技术
常温空气经过中、高效三级过滤器过滤后，先利用蒸汽冷凝水预热器预热至40℃,再经过蒸汽换热器加热至85℃左右(温度可调)。热风由沸腾床主机进风风箱均匀布风后穿透流化床孔板与物料接触并交换热量，物料中的水分快速脱离干燥介质。干燥的物料渗入沸腾床主机内与热风换热，完成干燥过程。物料通过一定的流化速度向冷却床流动，冷却后的物料进入后续设备。脉冲除尘器除尘后设置引风机，沸腾床内尾气经过滤后进入喷淋塔，喷淋塔过滤掉大颗粒后，最终得到环保达标的气体排入空气中。整个沸腾干燥过程在微负压下进行，有效防止粉尘泄漏。沸腾干燥热效率高且可靠，设备安装区域环境良好，适宜生产工作。沸腾干燥机工艺流程图如图4所示。
1.4干燥方案组合
磷酸铁锂的两种主要干燥方式为闪蒸+回转窑和闪蒸+沸腾床。闪蒸+回转窑干燥生产线具有自动控制系统，可根据用户要求或外部条件的变化快速调节。主要表现为进风温度自动调节控制、出风温度与进料量连续控制(保证产品品质一致)、系统压力调节(自动或手动)以保证系统稳定。闪蒸干燥将滤饼状物料粉碎并进行预干燥处理，由陶析环阻挡过大颗粒物料的通过，得到均匀粒径的粉料[4]，再将物料50%～55%的初水分降低到10%～20%，由闪蒸干燥得到的低含水量的物料进入回转窑进行二次干燥，从而得到合格的物料。闪与闪蒸+沸腾床相比，闪蒸+回转窑的焙烧温度不同，且能耗更低。因此，最终选择闪蒸+回转窑的组合干燥方式。
2工程概况
2.1工艺流程
整个系统的工艺流程是将需干燥的滤饼状物料直接干燥成固体粉粒的开始干燥系统，系统包含闪蒸干燥机、回转窑、冷却螺旋输送机等，三维布置图如图5所示。主要过程是将含水率≤55%的物料通过板框压滤机生产出为大小≤200mm块状物料，采用带式输送机将滤饼输送到闪蒸干燥强制喂料机中，此设备具有一定的储存功能和强制喂料功能，可将大块状的黏性滤饼状物料强制加入螺旋加料器中，推送至闪蒸干燥机内。在最初的干燥过程中，物料被强制破碎并与热风快速混合进行热量交换和干燥，热风是由过滤后的自然空气通过蒸汽换热器加热得到，经过干燥的物料96%以上由布袋除尘器分离后送进回转窑中，回转窑将物料继续干燥，得到合格物料含水率在0.3%以下，通过冷却窑和冷却输送螺旋，将物料收集在料仓中，最后按照颗粒大小进行分级包装。
2.2系统设计优势
(1)滤饼状物料在闪蒸干燥机中进行粉碎和预先干燥，得到匀质的细粉物料并降低物料中的含水率。
(2)干燥过程是采用自动化控制，工艺流程中的参数都可按需设定，设计联锁控制。
(3)全部生产工序是封闭、连续、自动化的(物流过程采用密闭输送)，可大量减少现场操作人员，优化现场生产环境，减少现场粉尘，设定生产过程中的各参数，自动化程度较高，能够避免人工误操作。生产过程中的数据可记录并追溯。
(4)回转窑的进风与闪蒸干燥的高温尾气经换热器换热，可降低尾气排放温度，节约能耗。
3设备参数选择
3.1物料特性和参数
物料特性和参数如表1所示。
3.2设计计算
通过物料衡算和热量衡算公式，对闪蒸和回转窑干燥水分和热量进行计算，计算公式如下。
3.2.1物料衡算
(1)脱水量W水=G原×(ω1-ω2)/(1-ω2)；
(2)原料中的含水量W1=G原×ω1；
(3)绝干物料量G干=G原-W1；
(4)产量G产=G原-W水；
(5)产品中的含水量W2=W1-W水。
3.2.2热量衡算
(1)蒸发水分所消耗的热量Q1=W水×(iv2-il1) (1)
式(1)中：iv2为排风温度时的过热蒸汽热焓；il1为物料初始温度时的液体热焓。
(2)物料升温热量Q2=G产×C2×(θ2-θ1) (2)
式(2)中：C2为物料比热；θ2为物料干燥后温度；θ1为物料初始温度。
(3)干燥设备外围的热量损失，根据经验：Q3=0.15×(Q1+Q2)
(4)排风废气带走的热量Q4=L×(i2,-i0) (3)
式(3)中：L为干燥所需的干空气质量流量；i2,为温度在t2和初始含湿量在d1时的气体焓；i为所在环境空气的热焓。
(5)热风介质所消耗的总量L计算：
L=(Q1+Q2+Q3+Q4)/(i 1-i0) (4)
式(4)中：i1为热风介质温度为t1时的热焓。
3.3选型计算
根据物料衡算和热量衡算的计算，确定了闪蒸干燥机和回转窑蒸发水分和消耗的热量；对闪蒸干燥机和回转窑进行选型设计，最终分别得出两个设备规格型号：
(1)蒸发水分总体积V=64 963 m3/h；
(2)蒸发水分所消耗的热量L=1 150×104 kJ；
(3)闪蒸干燥机直径D1=2.2 m；
(4)回转窑直径D2=3 m，长度L=30 m。
4结语
干燥是磷酸铁锂生产流程中至关重要的一个环节。基于浆料和滤饼状湿物料的干燥方法、工作原理及结构特点，采用板框压滤机处理后的滤饼状湿物料，需根据其物理化学特性及现场工艺条件来选择适宜的干燥方式。经过对比分析，决定采用闪蒸与回转窑相结合的干燥工艺。具体而言，首先通过闪蒸干燥机利用八字刀对滤饼状湿物料进行粉碎，并以热空气进行预干燥，将物料含水率降至大约2%；随后，物料进入回转窑，通过高温焙烧的方式，进一步将含水率降低至0.3%以下，以满足工艺要求。
通过对磷酸铁锂物料的特性进行物料衡算和热量衡算，最终确定了闪蒸干燥机和回转窑的具体型号。其中，闪蒸干燥机的进风总热量为700×104 kJ，当闪蒸空塔风速设定为3～5m/s时，干燥塔直径选定为2.2 m。回转窑的燃烧器功率为450×104 kJ，窑体直径设计为3 m，长度30 m，筒体壁厚为18 mm。
整个生产工艺流程从湿物料经板框压滤机处理后的投料开始，直至最终干燥完成并包装，全程一次完成，自动化程度高，设备布局紧凑且工作点集中，流程简短，便于管理和操作。此外，闪蒸干燥机预干燥后的物料可直接进入回转窑进行焙烧，有效减少了物流过程中的能量损耗，体现了节能环保的理念。这一干燥和制备工艺对于磷酸铁锂等类似浆料和滤饼状湿物料的处理具有较高的参考价值和借鉴意义。
参考文献：
[1]王兵，邹野，黄琳荔，等.磷酸铁锂系列产品工艺研究进展[J].山东化工，2024，53(1)：137-139.
[2]卢英林.XSG系列旋转闪蒸干燥机[J].农村实用工程技术，1999(7)：37.
[3]黄志影，罗晓明，郑鹏.回转窑结构分析[J].一重技术，2021(5)：30-35，19.
[4]毛慧欧，任立义，邓永胜.旋转闪蒸干燥机分级器半径对干燥产品粒度的影响研究[J].辽宁化工，1998(3)：53-55.
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