Sistema de cristalização por evaporação MVR para extração de lítio com eletrólito de alumínio de 6 t/h

I. Contexto do Projeto

Sob a meta de "carbono duplo", a reciclagem de baterias de íon-lítio descartadas tornou-se uma área fundamental para garantir o fornecimento de recursos estratégicos como lítio, níquel e cobalto. O eletrólito de alumínio (bloco de carbono do cátodo + eletrólito), um subproduto da reciclagem de baterias de lítio, contém 6–8 g/L de Li₂CO₃ solúvel, 200 g/L de NaF/KF, 20 g/L de Al³⁺ e traços de metais pesados, apresentando quatro características marcantes: alto teor de fluoreto, alto teor de sal, alto teor de lítio e forte corrosividade. Os evaporadores de triplo efeito tradicionais sofrem com alto consumo de vapor, grande arraste de lítio e vida útil curta do equipamento, o que dificulta o atendimento aos requisitos para o enriquecimento inicial de sais de lítio de grau de bateria.

Os requisitos de aquisição do cliente são os seguintes: Concentrado primário de Li₂CO₃ ≥ 80 g/L, taxa de enriquecimento ≥ 12; Pureza de Li₂CO₃ de grau de bateria ≥ 99,2%, rendimento primário ≥ 90%; Sem descarga de solução-mãe do sistema; consumo de energia por tonelada de água ≤ 42 kWh; Material do equipamento resistente a 30% de HF e operação de longo prazo a 85°C.

II. Rota do Processo

1. Pré-tratamento para remoção de impurezas

"Remoção de alumínio por CO₂ + captura de metais pesados + remoção profunda de impurezas por resina": borbulhamento de CO₂ em pH 8,0, Al³⁺ para Al(OH)₃, Al ≤ 3 mg/L após filtração por membrana cerâmica; resina quelante de tiol inovadora adsorve seletivamente Ni/Co/Mn, metal pesado total ≤ 0,05 mg/L, evitando a formação de espuma por evaporação e o envenenamento do catalisador.

2. Cristalização por Evaporação com Circulação Forçada MVR: Utilizando um módulo integrado de "pré-aquecimento em dois estágios + evaporação por circulação forçada de efeito simples + compressor de vapor centrífugo + cristalizador Oslo DTB": Temperatura de evaporação de 78 °C (vácuo de -0,080 MPa), aumento de temperatura do compressor de 20 °C, taxa de compressão de 1,75; reutilização de 100% do vapor secundário, exigindo apenas 0,5 t de vapor vivo para o reabastecimento inicial; vazão da bomba de circulação de 2000 m³/h, velocidade na tubulação de 3,8 m/s, inibindo a incrustação por fluoreto; o cristalizador DTB controla o teor de sólidos da suspensão em 30%, tamanho médio de partícula de 0,55 mm e teor de água ≤2% após a centrifugação.

3. Separação e Purificação de Sais por Congelamento-Aquecimento e Fusão: Li₂CO₃ concentrado (80 g/L) e NaF (220 g/L) entram em um cristalizador de congelamento a -5 °C, precipitando sais mistos de NaF·KF, que são retornados à entrada após centrifugação; a solução-mãe congelada é aquecida a 95 °C, atingindo uma pureza cristalina de Li₂CO₃ ≥ 99,2%, com um rendimento de primeira passagem de 90%. 4. Secagem da Solução-Mãe e Recuperação de Fluoreto: Um secador de película fina para a solução-mãe rica em lítio atinge um teor de sólidos secos ≤ 3% e um teor de sais mistos de 0,25 t/d, que é então enviado ao parque industrial para coprocessamento de resíduos perigosos, atingindo o descarte zero da solução-mãe.

III. Equipamentos e Materiais Essenciais

IV. Dados Operacionais (Média Contínua de 200 Dias, 2024.05-2024.11)

• Capacidade de processamento: 6,3 t/h (Taxa de carga de 105%)

• Consumo de eletricidade por tonelada de água: 39 kWh (incluindo compressor, bomba de circulação e secagem)

• Maquiagem a vapor: 0,02 t/t de água (somente em serviço)

• Taxa de enriquecimento de lítio: 13 vezes, Concentração de Li₂CO₃: 82 g/L, Taxa de recuperação de lítio: 91%, Taxa de recuperação do sal misto de NaF: 94%

• Condensado F⁻: 4 mg/L, taxa de reutilização: 97%

• Tempo de atividade do sistema: 98,7%, desligamento não planejado uma vez por ano.

• Ciclo de limpeza: 100 dias (3 horas de circulação de ácido online)

V. Inovações Técnicas

1. Sistema de material resistente ao flúor: A taxa de corrosão da liga de titânio TA10 no lado do tubo é ≤0,008 mm/ano sob condições de 30% de HF e 80 °C, aumentando a vida útil em 8 vezes em comparação com o 316L.

2. MVR centrífugo de alta temperatura: Elevação de temperatura em estágio único de 20℃, taxa de compressão de 1,75, consumo de energia de 28 kWh por tonelada de compressão de água, economia de energia de 18% em comparação com o sistema Roots de dois estágios.

3. Tamanho de partícula controlável do DTB de Oslo: Taxa de circulação de 3 a 4, tamanho médio de partícula de 0,55 mm, consumo de energia da desidratação centrífuga reduzido em 20%, rendimento da primeira passagem de sal de lítio de grau de bateria aumentado em 15%.

4. Separação de sais por fusão a quente e congelamento: Utilizando a diferença de solubilidade entre NaF e Li₂CO₃, a nitrificação a baixa temperatura e a fusão a quente são realizadas na etapa inicial, atingindo uma taxa de remoção de sulfato de 92% e uma redução de 85% nas impurezas.

VI. Benefícios Ambientais e Econômicos

1. Ambiental: Redução anual de 52.000 toneladas de águas residuais com alta salinidade, 8,5 toneladas de emissões de F⁻ e redução de 88% em resíduos perigosos e impurezas.

2. Econômico: Economia anual de 50.000 toneladas de água primária e 6.500 toneladas de vapor vivo, com um subproduto de 3.300 toneladas de Li₂CO₃ de grau de bateria. A 150.000 yuans/tonelada, isso se traduz em uma receita de vendas anual de 495 milhões de yuans.

VII. Conclusão

O sistema de cristalização por evaporação MVR para extração de lítio com eletrólito de alumínio, com capacidade de 6 t/h, resolve com sucesso os três principais desafios: "alto teor de fluoreto, alto teor de sal e alta perda de lítio". Com base em "materiais de titânio resistentes à corrosão + MVR de alta temperatura + tamanho de partícula DTB controlável + separação por congelamento", o sistema alcança um alto nível de enriquecimento de recursos de lítio e zero descarte de efluentes. Este estudo de caso fornece à indústria de reciclagem de baterias de lítio um módulo padronizado, eficiente, de baixo consumo e com longo ciclo de vida, marcando uma nova etapa na aplicação em larga escala da tecnologia MVR no campo da extração de recursos estratégicos para novas energias.