鹽湖鹵水提鋰鋁鹽吸附劑的混料擠條設備及工藝設計

王靈德 嚴雄仲 田衛東

（1.天華化工機械及自動化研究設計院有限公司；2.青海鹽湖佛照藍科鋰業股份有限公司）

自然界中的鋰以化合物的形式存在，主要儲存于花崗偉晶巖型礦床、鹽湖鹵水、海水及地熱水等中［1］。據統計，我國的鋰資源有將近80%存在于鹽湖鹵水中，主要分布在西藏和青海的鹽湖地區。雖然礦石提鋰工藝成熟，但存在能耗高、污染重及成本高等缺點；鹵水提鋰具有鋰產品純度高、能耗低和成本低的優勢，已成為未來生產基礎鋰產品的發展方向。

目前，鹽湖鹵水提鋰工藝主要有沉淀法、溶劑萃取法、吸附法、煅燒浸取法、碳化法、泵吸法及電滲析法等［2］。其中吸附法工藝簡單、選擇性好、回收率高且綠色環保，對于從高鎂鋰比的鹽湖鹵水中提鋰有著獨特的優勢。吸附法是通過吸附劑選擇性地吸附鹽湖鹵水中的鋰離子，從而達到鋰離子與其他離子分離的目的。

吸附劑一般分為有機離子交換吸附劑和無機離子交換吸附劑。有機類吸附劑成本高，對鋰離子的選擇性較低，不適用于鹵水大規模提鋰；無機離子吸附法是利用無機離子吸附劑對鋰離子有較高的選擇性和特定的記憶效應這一特點，實現從稀鋰溶液中選擇性提鋰的方法［3］。這種方法比較適用于高鎂鋰比鹽湖鹵水提鋰，特別是從鋰離子濃度低的溶液中提鋰。

鋰的無機離子交換吸附劑可分為：無定型氫氧化物吸附劑、離子篩型氧化物吸附劑、層狀吸附劑、復合銻酸鹽吸附劑和鋁鹽吸附劑。鋁鹽吸附劑的化學式為Li X·2Al（OH）3·n H2O，具有欠缺型無序結構，用酸除去組分中的鋰離子后產生的空位對鋰離子具有吸附活性。它的制備方法是將氯化鋁溶液與鋰化合物（LiOH、Li2CO3、LiCl）充分混合形成反應前驅體，再向反應前驅體中加入NaOH溶液，反應生成Li X·2Al（OH）3·n H2O。該產物經固液分離、干燥和研磨粉碎形成固態產物，隨后再加入粘合劑（PVC、PVDF等）和二氯甲烷實現混合造粒，形成條狀吸附劑，最后經破碎和篩分制得均勻顆粒狀鋁鹽吸附劑。

傳統的生產設備生產出的成品鋁鹽吸附劑，主要存在水合化合物與粘合劑混料不均勻、成品率低等問題。筆者介紹的鋁鹽吸附劑混料擠條設備很好地解決了以上問題。

1 混料擠條設備結構及生產流程

鋁鹽吸附劑的混料擠條設備（圖1）主要包括失重式計量加料系統、液體計量加料系統、混料機、擠條機、出料機頭及筒體冷卻系統等，生產過程為：固體原料通過失重秤計量加入雙螺桿混料機內，在混料機內實現Li X·2Al（OH）3·n H2O與粘合劑的預混，隨后再向混料機中段加入二氯甲烷，實現3種物料的充分均勻混合，然后進入單螺桿擠條機建壓擠出，通過特殊設計的出料機頭成條，進入下游設備，其生產流程如圖2所示。

圖1 混料擠條設備現場照片

圖2 混料擠條設備生產流程

2 混料擠條設備設計

鋁鹽吸附劑混料擠條機的技術難點主要有以下幾方面：

a.Li X·2Al（OH）3·n H2O與粘合劑須按比例定量精確配料進入混料機。兩種物料必須嚴格按照比例加入，同時二氯甲烷也要按相應的比例準確加入，才能保證最終產品的質量。

b.兩種物料在二氯甲烷中的充分混合。首先兩種固體物料必須充分地混合，其分布混合與分散混合要求都較高，混合好后再與液體二氯甲烷繼續均化混合，其混合效果將對吸附劑的品質起決定性作用。

c.出料模板要保證料條不粘連，均勻地下落至傳送帶上。

d.設備運行過程中，要保證筒體和螺桿有足夠的冷卻能力，避免二氯甲烷的揮發，造成物料的固化堵塞。

2.1 配料系統

為了保證各種原料嚴格按相應比例加入，固體料采用失重式計量秤加料，液體的二氯甲烷通過隔膜式計量泵加入。

傳統工藝中，固態的Li X·2Al（OH）3·n H2O和粘合劑均采用體積式喂料機加料。體積式喂料機工作時，一定的喂料量對應恒定的螺桿轉速，由于料斗中儲存著大量物料，螺桿每轉一圈吃進的物料量大有不同，因而喂料量波動較大。而固體失重秤是通過靜態稱重的方式實現高精度連續定量給料的自動稱重給料設備，它將計量斗和整個設備整體作為一個秤體進行稱量，隨著物料從失重秤中流出，控制系統對秤體的重量信號進行高速高頻的采集，得出單位時間內物料減少的重量，再通過電腦芯片處理，得出物料的實際流速，同時控制系統會將實際值與設定值進行對比，并將比較結果反饋給失重秤進一步進行喂料量的修正，形成閉環控制，使實際值無限接近設定值，從而實現高精度連續定量的喂料要求，精度可達0.5%。

隔膜式計量泵的計量精度可達2%，通過固體失重秤與計量泵的配合工作，按照特定的比例加入物料，保證了3種原料的比例，原料進入混料機中實現充分混合。

2.2 混料機

混料機實現Li X·2Al（OH）3·n H2O、粘合劑和二氯甲烷3種物料的均勻混合，它是一臺SHJ-95型同向平行雙螺桿擠出機（圖3）。該混料機的主要參數為：主電機功率90kW；螺桿直徑90mm；螺桿長徑比28∶1；螺桿轉速（最大）330r/min。

圖3 混料機設備結構示意圖

混料機的筒體共有7節，第1節為固體料加入筒體，第4節為二氯甲烷液體加入筒體，其余筒體為閉合筒體，筒體設有冷卻流道（通冷卻水）通過冷卻水循環將擠出機運轉時產生的摩擦熱量帶走，保證筒體處于低溫狀態，避免二氯甲烷因過熱而揮發。

2.3 擠條機

原料經過混料機的充分混合后進入擠條機，通過擠條機的輸送建壓，送至機頭模板擠出成條。擠條機為一臺DJ-200型單螺桿擠出機（圖4）。該擠條機的主要參數為：主電機功率45kW；螺桿直徑200mm；螺桿長徑比28∶1；螺桿轉速（最大）330r/min。單螺桿筒體上設置有混合銷釘，螺桿上相應位置處開豁槽，增強了單螺桿擠條機的混合功能，使得物料可以進一步混合。

圖4 擠條機設備結構示意圖

擠條機的筒體設有冷卻夾套（通冷卻水）同時螺桿芯部也設有冷卻水通道，通過冷卻水循環將擠條機運轉時產生的摩擦熱量帶走，防止二氯甲烷因過熱而揮發。

2.4 出料機頭

傳統的出料機頭為圓盤形，與水平夾角20°出料，大量的料條從模板擠出后，無法散開，成股粘連地落在傳送帶上，料條大量的粘連造成最終制品成粒困難，粉末較多，成品率低。針對這一問題，本次的出料機頭設計為長方形模板（圖5），垂直向下出料，共設計有244個φ3mm的模孔，呈矩陣排列布置，合理的機頭流道設計，使得物料在整個模板上能夠均勻地出料。出料機頭（圖6）上設有冷卻夾套（通冷卻水），使之始終保持低溫狀態，保證生產需求。

圖5 模板結構示意圖

圖6 出料機頭結構示意圖

為了保證機頭出料均勻穩定，在設計機頭流道時，借助ANSYS對模板的出料速度和機頭的流場進行模擬分析（圖7），并對流道進行了優化設計，最終的模板和機頭出料均勻穩定，可滿足生產需求，提高了成品率。

圖7 模板出料和機頭流道流場分析圖

3 混料擠條工藝

3.1 工藝溫度

由于二氯甲烷的沸點較低，為39.8℃，且極易揮發，與兩種固體物料混合后，如果二氯甲烷從混合物中揮發出來，則會造成物料凝固，生產中斷，嚴重時還有可能損壞設備。因此，必須保證設備的操作溫度都處于二氯甲烷的沸點以下，才能保證順利生產。混料機是一臺雙螺桿擠出機，工作時會產生大量的剪切熱，筒體溫度需要設置得比二氯甲烷的沸點低很多，將螺桿轉動時與物料的摩擦熱和物料內部的摩擦熱及時帶走，避免二氯甲烷因過熱而揮發。

混料擠條機各溫控段的溫度值見表1，其中混料機第1節筒體為固體加料筒體，經過預混后，第4節筒體為二氯甲烷液體加入筒體，從表1所列數據中可以看出，前4節筒體內由于固體預混會產生摩擦熱，因而溫度設置得更低一些，二氯甲烷液體加入后繼續進行充分混合，經擠條機和出料機頭擠出成條，整個設備中保持低溫，完全避免了二氯甲烷的揮發損失。

表1 混料擠條機各溫控段溫度值 ℃

3.2 混料機的螺桿組合

雙螺桿混料機實現固體料的預混和液體加入后的充分混合功能。固體料中粘合劑PVC或PVDF是一種塑料，傳統的塑料都是通過加熱使之熔融，而后在雙螺桿擠出機完成加工。然而本物料在生產中，無法進行加熱，因此螺桿組合合理與否，直接決定了主機運轉時的電流、發熱量和混合效果。如果螺桿組合太強，則主機電流會過大，發熱量過多，嚴重時會造成卡機；螺桿組合太弱則會直接影響物料的混合效果。經過實驗對比，最終確定如圖8所示的SHJ-95雙螺桿混料機螺桿組合。

圖8 SHJ-95雙螺桿混料機螺桿組合

在第3節筒體中間設置了捏合塊30°/7/112，它的輸送能力強于45°和90°的捏合塊，混合能力又強于輸送元件，既保證了物料的預混效果，又避免了主電機電流過高。經過預混的固體物料在第4節筒體與二氯甲烷液體開始混合，并充分溶解，在第6節筒體中間設置了捏合塊45°/5/80，此處3種物料經過螺桿的輸送和混合作用，已經初步形成了較均一的混合物，經過此捏合塊的剪切與混合作用，使得混合物的分布混合與分散混合更加均勻。其他位置的輸送元件保證了螺桿的輸送能力，將混合均勻的物料送進擠條機。

4 結束語

筆者介紹的混料擠條設備首次將傳統塑料加工設備中的雙螺桿和單螺桿擠出機應用于鹽湖鹵水提鋰鋁鹽吸附劑粉體造粒，很好地解決了傳統吸附劑生產設備存在的配料不均、混料不勻和成品率低的問題，同時實現全程低溫操作，避免了二氯甲烷的揮發，節省了物料成本，為企業創造了巨大的經濟效益。