Evaporador MVR para remoção de impurezas de eletrólito de alumínio e extração de lítio de 3 t/h

I. Contexto do Projeto 

Com a aposentadoria iminente dos veículos de novas energias, a extração de lítio de eletrólitos de alumínio (blocos de carbono do cátodo + eletrólito) tornou-se uma etapa crucial na regeneração de recursos de baterias de lítio. O eletrólito contém sais solúveis como Li₂CO₃ (5–7 g/L), NaF/KF (180 g/L) e Al³⁺ (15 g/L), juntamente com traços de metais pesados (Ni, Co, Mn). Os processos tradicionais empregam "evaporação de múltiplos efeitos + precipitação de sal por resfriamento", resultando em alto consumo de vapor, perdas significativas por arraste de lítio e corrosão severa dos equipamentos. O proprietário planeja construir um evaporador MVR para extração de lítio de eletrólito de alumínio com capacidade de 3 t/h em 2024, com os seguintes requisitos: Concentração primária de Li₂CO₃ ≥ 60 g/L, taxa de enriquecimento ≥ 10; Condensado de F⁻ ≤ 10 mg/L, taxa de reutilização ≥ 95%; Sem descarte da solução-mãe; Consumo de energia por tonelada de água ≤ 45 kWh; Material do equipamento resistente a 20% de HF e operação de longo prazo a 80 °C.

II. Rota do Processo

1. Pré-tratamento para remoção de impurezas

• Utilizando “remoção de alumínio com CO₂ + remoção de metais pesados com resina”:

• A borbulhação de CO₂ em pH 8,5 gera Al³⁺ para formar o coloide Al(OH)₃, que, após filtração através de uma membrana cerâmica, produz Al ≤ 5mg/L;

• A resina quelante adsorve seletivamente Ni/Co/Mn, com teor total de metais pesados ≤ 0,1 mg/L, prevenindo a formação de espuma por evaporação subsequente e o envenenamento do catalisador.

2. Concentração de evaporação por circulação forçada MVR: 

Utiliza-se uma combinação de pré-aquecimento por placa + evaporação tubular por circulação forçada + compressor de vapor centrífugo. Temperatura de evaporação: 75 °C (vácuo -0,082 MPa), aumento de temperatura do compressor: 18 °C, taxa de compressão: 1,7. Todo o vapor secundário é reutilizado; apenas 0,4 t de vapor vivo são adicionados durante a inicialização. Vazão da bomba de circulação: 1200 m³/h, velocidade na tubulação: 3,5 m/s, inibindo a incrustação por fluoreto.

3. Separação de sais por fusão e congelamento-aquecimento: Soluções concentradas de Li₂CO₃ (60 g/L) e NaF (190 g/L) entram em um cristalizador de congelamento a 0 °C. O sal misto NaF·KF precipita, é centrifugado e retorna à entrada. A solução-mãe é aquecida a 95 °C; pureza do cristal de Li₂CO₃ ≥ 98,5%, rendimento da primeira passagem: 88%.

4. Secagem da solução-mãe: A solução-mãe rica em lítio é alimentada em um secador raspador, com um teor de sólidos secos de ≤3% de água e 0,15 t/d de sais mistos, e então enviada para o coprocessamento de resíduos perigosos, atingindo o descarte zero de solução-mãe.

III. Equipamentos e Materiais Essenciais

IV. Dados operacionais (média de 180 dias, abril de 2024 a outubro de 2024)

• Capacidade de processamento: 3,2 t/h (Taxa de carga de 107%)

• Consumo de eletricidade por tonelada de água: 42 kWh (incluindo compressor, bomba de circulação e secagem)

• Maquiagem a vapor: 0,03 t/t de água (somente em serviço)

• Taxa de enriquecimento de lítio: 12 vezes, Concentração de Li₂CO₃: 62 g/L, Taxa de recuperação de lítio: 90,5%, Taxa de recuperação do sal misto de NaF: 93%

• Condensado F⁻: 6 mg/L, taxa de reutilização: 96%

• Tempo de atividade do sistema: 98,2%, desligamento não planejado uma vez a cada seis meses.

• Ciclo de limpeza: 90 dias (circulação online de ácido cítrico a 5% durante 4 horas)

V. Inovações Técnicas

1. Sistema de material resistente à corrosão por flúor: a liga de titânio TA10 no lado do tubo apresenta uma taxa de resistência à corrosão por HF ≤0,01 mm/ano, aumentando a vida útil em 6 vezes em comparação com o 316L.

2. MVR de baixa temperatura + alto vácuo: Temperatura de evaporação de 75℃, evitando a redissolução de Li₂CO₃ em alta temperatura, reduzindo a perda de lítio em 70%.

3. Rotor de titânio para compressor centrífugo: Em condições de aumento de temperatura de 18°C e taxa de compressão de 1,7, a eficiência isentrópica atinge 84%, economizando 15% mais energia do que o tipo Roots.

4. Algoritmo anti-incrustação com IA: O monitoramento em tempo real da diferença de temperatura, condutividade e vibração prevê tendências de incrustação de fluoreto, fornecendo um aviso prévio de 72 horas e reduzindo a frequência anual de limpeza de 12 para 4 vezes. 5. Separação de sais por congelamento e descongelamento: Utilizando a diferença de solubilidade entre NaF e Li₂CO₃, obtém-se Li₂CO₃ com grau de pureza de 99,2% para baterias em um único processo, reduzindo as impurezas em 80%.

VI. Benefícios Ambientais e Econômicos

Impacto ambiental: Redução anual de 26.000 toneladas de águas residuais com alta salinidade, 4,2 toneladas de emissões de F⁻ e redução de 85% de resíduos perigosos e impurezas, com aprovação nos testes de descarga zero.

Econômico: Economia anual de 25.000 toneladas de água primária e 3.200 toneladas de vapor vivo, com um subproduto de 1.650 toneladas de Li₂CO₃. Com base em um custo de 150.000 yuans/tonelada, a receita anual de vendas é de 248 milhões de yuans; o custo operacional por tonelada de água é de 46 yuans.

Social: O projeto atraiu intercâmbios técnicos de mais de 40 empresas nacionais e internacionais.

VII. Conclusão 

O evaporador MVR para extração de lítio com eletrólito de alumínio de 3 t/h resolveu com sucesso os três principais desafios: "alto teor de fluoreto, alto teor de sal e alta perda de lítio". Com base em "material de titânio resistente à corrosão + MVR de baixa temperatura + separação criogênica", ele alcança um alto nível de enriquecimento de recursos de lítio e descarte zero de efluentes. Este 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.