朱先强
（宜丰国轩锂业有限公司，江西 宜丰336303）
［摘 要］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，其中气力输送应用更广。简介闭式气力输送系统及新能源电池材料生产输送应用中备受关注的闭式氮气气力输送系统，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及主要设备选型，并通过试验验证本气力输送系统的应用效果。验证试验结果表明：本碳酸锂闭式氮气气力输送系统，对碳酸锂颗粒直径几乎没有影响；输送后的碳酸锂磁性物含量略有增加，但增加比例小于1%；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；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。
［关键词］碳酸锂；粉体物料；闭式氮气气力输送系统；系统设计与设备选型；验证试验；颗粒直径；磁性物含量；回风风速
［中图分类号］TQ051.23 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2022）05-0058-04
0 引 言
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。
1 闭式气力输送系统简介
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。
2 碳酸锂气力输送系统设计与设备选型
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。
更多内容详见《中氮肥》2022年第5期