碳酸锂气力输送系统的设计与验证试验
朱先强
(宜丰国轩锂业有限公司，江西 宜丰 336303)
我国新能源汽车产业持续发展，越来越多的新能源汽车进入到日常生活中，碳酸锂电池新能源汽车的使用量逐渐增高，而锂电池的可靠性会直接影响到车辆的续航及其综合性能[1]。随着对电池级碳酸锂研究的深入，国内逐步形成了成熟的电池级碳酸锂制备工艺，然而，当前一些工艺仍难以达到下游产业对于高纯碳酸锂的品质要求[2]。锂离子电池正负极材料实际上属于一种典型的粉体材料，必须采用合适的方式输送此类材料，常用的方式有气力输送和机械输送两大类；
其中，气力输送应用更广，进一步可划分为浓相气力输送、稀相气力输送等，且不同气力输送方式的优缺点及其适用性是不同的。浓相气力输送方式的优势在于效率较高、稳定性良好、成本相对较低，降低了对输送管道的磨损，主要用于化学品以及食品等材料的输送；
稀相气力输送方式的气流速度较高，主要用于输送粒度及质量较小的物料，不足之处在于对机械系统会产生显著的磨损，且不宜应用到长距离输送中[3]。总体来看，对于粉体材料，当前使用最多的仍然是浓相气力输送系统。很多学者与专业人士在此领域进行了研究，仝玉超[4]介绍了气力输送系统在锂离子电池正负极材料输送中的优势，强调了气力输送系统的控制方式才是未来研究的重点。付海峰[5]针对磷酸铁锂颗粒，设计了一种闭式氮气气力输送系统，能够更好地控制碳酸锂颗粒的水分含量低于500×10-6，无论是从成本角度还是技术安全角度，均具有很大的优势。随着国内电池级碳酸锂电池需求量越来越大，碳酸锂的生产输送仍需持续研究。
闭式气力输送系统工艺流程简图见图1。闭式气力输送系统工作过程中，首先需将原料仓中的原料添加到气流粉碎室中，在此过程中要从制氮系统输送高纯氮气，确保原料在气流粉碎室内保持流动以具有较高的均匀性，便于粉碎；
原料添加后，对原料进行粉碎、干燥处理之后，通过滤筒除尘器的处理获得碳酸锂粉体，而部分经过滤筒除尘器后的未收集到的碳酸锂粉体和氮气通过加料器，在罗茨鼓风机的作用下再次进入到滤筒除尘器中进行二次收集。
闭式氮气气力输送系统在新能源电池材料生产输送应用中备受关注[3]。在碳酸锂的整个生产工艺流程中，闭式氮气气力输送系统属于关键单元，按功能可划分为控制系统、输送管道以及循环系统等。闭式氮气气力输送系统中，各部分实现不同的功能，需基于统一配合要求实现其整体功能。闭式氮气气力输送系统工艺流程框图见图2。
在初始运行阶段，需要先制备压缩空气，该过程使用空压机实现，在得到压缩空气之后，通过制氮系统分离得到所需的压缩氮气。根据制备的高纯压缩氮气在系统中的用途，具体分为两部分，第一部分是对碳酸锂粉体进行加速，接着进行粉碎分级，在处理结束之后继续对粉体进行干燥；
第二部分则传输到分离系统(即滤筒除尘器)中，在此过程中同样传输的还包括碳酸锂粉体，即将二者的混合物传输到分离系统(即滤筒除尘器)中进行分离，经分离后，碳酸锂粉体保留在滤筒除尘器中，压缩氮气通过罗茨鼓风机等之后继续应用到后续循环中，实现循环利用。另外，一般需要对滤筒除尘器的出口氮气进行除湿、加压等，并将氮气温度控制在合适的范围内，在温度控制上使用表冷器达到快速降温的目的。闭式氮气气力输送系统，基于高可靠的PLC进行控制，配合气流粉碎系统等运行，便于对投料量进行合理控制，同时具有自动监控以及报警等人性化的功能，适于实际应用。
碳酸锂气力输送系统，主要用于输送电池级碳酸锂粉末物料，另外还可以输送存在爆炸性或者对卫生条件要求较高的粉体物料。通过对碳酸锂气力输送系统的工艺分析，进行碳酸锂闭式氮气气力输送系统的设计——包括输送管道、空压机以及物料分离器等，为确保满足系统总体运行要求，需要有针对性地进行设备选型。
2.1 空压机
目前针对空压机的研究较多，市场中已经出现了多种类型的产品，常用的有离心式空压机、螺杆式空压机等。螺杆式空压机的优势在于具备较高的适用性，适合于应用到不同的场景中，并且维护便利、可靠性较高，运行成本较低。本碳酸锂闭式氮气气力输送系统的设计中，选用螺杆式无油空压机，其主要性能参数为：出口尺寸DN80，排气流量15～20 m3/min、排气压力0.5～0.8 MPa、排气温度40～45 ℃，电机功率110 kW，噪音78 dB，风扇功率2.2 kW。
2.2 滤筒除尘器
对滤筒除尘器进行选型分析，本设计中选择LNBG-12滤筒收集器。LNBG-12滤筒收集器使用PTFE覆膜，覆膜长度为1 m，过滤面面积较大，达到0.5 m2，因而可以达到较高的粉尘收集效率——超过99.99%[5]；
LNBG-12滤筒收集器除了上述特性以外，其基于压差的监控方式可确保滤筒除尘器的压力处于适宜的范围内，从而确保其正常运行。
2.3 罗茨鼓风机
罗茨鼓风机是碳酸锂气力输送系统中的关键设备，其作用是为系统提供运行所需的动力。经选型分析，本设计采用FSR-150V型罗茨鼓风机，其主要性能参数为：流量19.5 m3/min，压力-34.3 kPa，主轴转速1 300 r/min，电机功率18.5 kW。
2.4 循环干燥系统
碳酸锂闭式氮气气力输送系统中，氮气循环过程中需对过滤之后的氮气进行多次处理，包括冷却、干燥以及加热等。循环氮气压力要处于适宜范围，一般在0.5～0.6 MPa[5]。氮气完成增压后，开始运行时开启排气阀、关闭进气阀，对氮气压力进行监控，并据氮气压力的变化进行控制操作——当氮气压力低于0.5 MPa时打开进气阀并运行空压机，当氮气压力达到0.6 MPa则关闭进气阀并保持氮气压力处于适宜范围。为实现对氮气温度的有效控制(氮气温度波动幅度过大，易导致粉体物料“回潮”)，循环干燥系统中采用了预冷设备——表冷器，经滤筒除尘器过滤后的氮气温度在90～100 ℃，温度相对较高，表冷器置于滤筒除尘器与空压机之间，氮气进入系统之前先通过表冷器进行降温处理，使其温度保持在20～25 ℃，氮气继续在后续的处理中循环利用。
2.5 加料器
为确保碳酸锂粉体中的水分保持在适宜范围，碳酸锂闭式氮气气力输送系统工作过程中须保持封闭的状态，考虑到振动易导致系统出现泄漏，因此尽可能不采用振动部件。设计过程中，通过对加料器进行选型分析，选用星型加料器，星型加料器能够有效地将碳酸锂传输到管道内并达到较好的均匀性；
此外，星型加料器下方设置有补气阀和排气阀，以使加料器入口压力始终保持微正压(3～5 kPa)。由于碳酸锂闭式氮气气力输送系统回风管道采用正压输送方式，可能会存在两方面的问题：一是会影响到加料的通畅性，使得系统难以保持较高的输送效率；
二是可能会导致压缩空气泄漏。为此，进行了有针对性的设计，在回风管道中使用渐缩文丘里加料器，以增大回风管气流速度，确保加料顺畅，以免影响系统的工作效率。
2.6 成品包装房
成品包装房需满足温度、湿度等相关要求。通常情况下，包装过程中物料的水分应在600×10-6以下，为达到这一要求，成品包装房须保证空气露点达到-26 ℃。碳酸锂粉体传输到包装房上部的滤筒收集器之后，要依次完成除铁、包装等多个过程，若成品包装房的温度、湿度无法达到要求，则必然会影响碳酸锂成品的包装及储存效果。
为验证本碳酸锂闭式氮气气力输送系统的应用效果，进行了颗粒直径变化、磁性物质含量变化、回风风速变化等对碳酸锂输送量影响的试验,具体如下。
3.1 颗粒直径的变化
研究表明，在气力输送过程中，物料颗粒存在着显著的接触作用力，还会受到气流产生的影响，同时物料还与粉碎室内壁发生冲击、摩擦、剪切作用[6]；
气力输送的碳酸锂粉体因碰撞及黏连等，颗粒直径会发生变化，变化较大的话会导致电极材料性能降低，难以满足下游工业领域应用的要求。
为测试经过本闭式氮气气力输送系统后碳酸锂颗粒直径的变化，进行验证试验，试验结果为：第一组试验，输送前直径分别为23.5 μm、23.0 μm、22.0 μm的碳酸锂颗粒，输送后颗粒直径分别为23.0 μm、22.8 μm、21.5 μm；
第二组试验，输送前直径分别为7.2 μm、6.8 μm、6.6 μm的碳酸锂颗粒，输送后颗粒直径分别为7.1 μm、6.8 μm、6.5 μm。可以看出，输送前后碳酸锂颗粒直径变化不大，表明本闭式氮气气力输送系统对碳酸锂颗粒直径几乎没有影响。
3.2 磁性物含量的变化
锂离子电池中的微量金属杂质[铁(Fe)、铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、锌(Zn)、银(Ag)等]会影响其安全性与使用寿命，动力电池制造全过程须对金属磁性异物进行严格管控[7]。碳酸锂生产过程中，由于物料冲刷和设备磨损，部分具有磁性的颗粒物会混入物料中而导致产品磁性物含量升高。为保证电池材料的安全性及可靠性等，2013年4月25日中华人民共和国工业和信息化部发布(2013年9月1日实施)的有色金属行业标准《电池级碳酸锂》(YS/T 582—2013)规定，电池级碳酸锂磁性物不得超过3 000×10-9；
但随着行业技术的发展，众多电池材料厂商认为该标准关于电池级碳酸锂磁性物含量的指标不再适应市场需求，提出了碳酸锂磁性物含量需控制在200×10-9以下的要求，甚至有的电池材料厂家要求碳酸锂磁性物含量低于100×10-9[7]。
为测试经过本闭式氮气气力输送系统后碳酸锂中磁性物含量的变化，进行验证试验，试验结果为：第一组试验，输送前磁性物含量分别为49.0×10-9、48.0×10-9、46.0×10-9的碳酸锂，输送后磁性物含量分别为49.2×10-9、48.4×10-9、46.1×10-9，磁性物含量增幅分别为0.4%、0.8%、0.2%；
第二组试验，输送前磁性物含量分别为96.0×10-9、95.0×10-9、92.0×10-9的碳酸锂，输送后磁性物含量分别为96.5×10-9、95.7×10-9、92.6×10-9，磁性物含量增幅分别为0.5%、0.7%、0.7%。可以看出，经本闭式氮气气力输送系统输送后，碳酸锂中磁性物含量略有增加，但增幅小于1%。
3.3 回风风速对碳酸锂输送量的影响
在具体的工艺流程中，碳酸锂粉体需通过多个单元设备，包括中转仓、星型加料器等，然后在料仓内进行气固分离处理，之后进行筛分、除铁以及包装。为探究在本碳酸锂闭式氮气气力输送系统中回风风速对碳酸锂输送量的影响，进行验证试验。具体试验过程为：开启出口阀、引风机，空压机压力保持在合理范围——一般为-7～-10 kPa、带料的话在-15 kPa以上[5]，对回风风速进行有效控制，确保其处于10～60 m/s。整个回风风速试验过程中，在回风文丘里加料器出口设置风速仪，在垂直于文丘里加料器出口的对称轴中选择5个测点，取5个测点回风风速的平均值，并对各组试验中包装前碳酸锂粉体水分以及碳酸锂平均产量进行记录，以探寻最优输送参数。
不同回风风速下碳酸锂输送量试验结果为：回风风速分别为24 m/s、32 m/s、40 m/s、48 m/s时，包装前碳酸锂水分分别为487×10-6、480×10-6、489×10-6、506×10-6，碳酸锂平均产量分别为214 kg/h、166 kg/h、98 kg/h、65 kg/h。可以看出：本碳酸锂闭式氮气气力输送系统输送到包装房内的物料水分达到了工业标准要求(保持在600×10-6以下)，即本输送系统能够将碳酸锂产品水分控制在要求范围以内，验证了本设计工艺方面的有效性；
在回风风速持续增大的过程中，碳酸锂产量呈下降趋势，即两者之间呈负相关关系；
保持24 m/s的回风风速时碳酸锂平均产量最高，可达214 kg/h。
同时，试验中观察到，回风风速过小或过大都会对碳酸锂输送产生不利影响：回风风速设置为10 m/s，输送管道中的物料难以有效输送，甚至会出现堵料问题；
回风风速保持在60 m/s，加料阀出口风量过高，会对物料形成一定的外排作用，加料机出口发生“冒粉”现象，导致气力输送系统运行受到影响。
综上，碳酸锂闭式氮气气力输送系统输送粉体产量与回风文丘里加料器进风速度存在密切的关联，回风风速过大或过小均会对系统运行产生不利影响，一般的试验方法还难以准确地予以解释，有待在此方面继续开展相关的研究。
碳酸锂是生产新能源动力电池的粉体材料，不论是粉碎、分级还是包装，都离不开粉体的输送。本碳酸锂闭式氮气气力输送系统的设计及主要设备选型，经试验验证其应用效果，可得出如下结论：① 经本碳酸锂闭式氮气气力输送系统输送后，碳酸锂颗粒直径变化不大，其对碳酸锂颗粒直径几乎没有影响；
② 经本碳酸锂闭式氮气气力输送系统输送后，碳酸锂磁性物含量略有增加，但增幅小于1%；
③ 保持24 m/s的回风风速时，碳酸锂平均产量最高可达214 kg/h，实际应用中可将回风风速设置在24 m/s左右；
④ 本碳酸锂闭式氮气气力输送系统，回风文丘里加料器进风速度会显著影响碳酸锂的产量，两者呈负相关关系，回风风速过大或过小均会对系统运行产生不利影响，后续研究中可引入CFD仿真模拟方法等探讨内部流场特征与回风风速之间的关系，为碳酸锂闭式氮气气力输送系统的优化设计提供可靠的依据。