蒸汽压缩机在硝酸锂蒸发浓缩过程中的节能减排应用研究

摘要：在硝酸法制备磷酸铁锂过程中，采用硝酸溶解的氢氧化锂/碳酸锂得到的硝酸锂溶液，达不到制备磷酸铁锂质量分数的要求，故需要一个蒸发浓缩工序。本文测试了硝酸锂溶液的沸点升数据。根据此沸点升数据，设计了单级压缩机的预浓缩MVR蒸发器和双压缩机串联的成品MVR蒸发浓缩工艺，并做了详尽的运行成本分析。

对于高浓度高沸点的硝酸锂溶液，本文采用双压缩机串联的蒸发工艺，很好地替代了传统双效蒸发浓缩工艺。双压缩机串联压缩可以使二次蒸汽的温度提升>34℃，从而克服硝酸锂溶液的沸点升，实现蒸发1t水的电耗≈110kWh，且无需蒸汽补充。相对于传统的MVR蒸发预浓缩+双效蒸发浓缩成品工艺，双效蒸发浓缩成品工艺蒸发1t水需要0.6t蒸汽。通过对比，该工艺实现了生产成本下降22%，取得了很好的经济效果。证实了蒸汽压缩机在高沸点物料中具有较好的节能减排效果，尤其是创新性的双压缩机串联的稳定运行给工业界提供了更多的选择。

随着新能源汽车近十年的迅猛发展，我国在此领域取得了丰硕成果，预计2025年，新能源汽车的渗透率有望达到50%。新能源汽车的迅猛发展离不开高性能电池的发展，尤其是安全性和能量密度较高的磷酸铁锂电池[1,2,3,4]。液相法生产磷酸铁锂产品质量优良，被广为采用，按阴离子来分，主要为硫酸法和硝酸法。硝酸法中，主要采用硝酸来获得反应的原始物质，如高质量分数的硝酸锂和硝酸铁溶液[5,6,7]。硝酸锂主要由硝酸和碳酸锂/氢氧化锂反应来获得，得到低质量分数的硝酸锂，仅为15%～25%，而后续反应的硝酸锂质量分数需要提高到60%，将多余的水分去除。由于硝酸锂的沸点比较高，通常采用的方式为以蒸汽为加热介质的多效蒸发器，如三效蒸发、二效蒸发、三效+二效的组合方式。此种方式能耗较高，需要消耗大量的蒸汽。在碳达峰-碳中和的大环境下，迫切需要新的节能技术。机械压缩式(MVR)蒸发器利用水蒸气压力上升而温度上升的特性，将低品位的二次蒸汽压缩，提高了水蒸气的温度和压力，变成高品位的蒸汽，重新利用，是一种先进的蒸发技术[8,9,10]。目前单台离心式机械压缩机，可以将蒸汽的温度最大提升20℃左右，对于沸点升低于15℃的物料，单级蒸汽压缩机就能实现二次蒸汽的重复利用；对于高沸点的料液，则需要两级串联使用。本文通过实验室小试，测试硝酸锂的沸点升，将所得的参数用于工艺设计，最后使用单级蒸汽压缩蒸发器+双级串联蒸汽压缩蒸发器方式，将硝酸锂溶液的质量分数从15%～25%浓缩到60%，实现了低成本的生产。

硝酸锂溶液的沸点升测试，采用如下方式：取质量分数为10%的硝酸锂溶液1000mL，pH为7.5，放于2L烧杯中，采用磁力搅拌加热器搅拌加热蒸发，控制加热功率，使其处于轻微沸腾状态，将温度计置于气液交界面下1cm位置，每隔一段时间，待蒸发一定水分，记录料液蒸发温度，计算对应的料液浓度。料液在整个蒸发过程中，由无色透明状变成略微黏稠状的液体。料液的沸点升由料液沸点减去纯水沸点得到，硝酸锂溶液沸点升和质量分数的实验结果如图1所示。

从实验结果看，硝酸锂溶液的沸点升在质量分数较低时，遵从稀溶液依数性，与溶质质量分数正比，当质量分数超过33%时，硝酸锂溶液的沸点升快速上升；当料液质量分数达到60%时，其沸点升高达30℃。

物料的沸点升是设计MVR蒸发器的根本依据，其原理是利用压缩机(此处为离心式压缩机)对分离器中的二次蒸汽做功，二次蒸汽温度和压力得到了提高，再回到加热器和料液换热，从而实现了蒸汽的重复利用。目前，单级离心式压缩机能做到的水蒸气温升在16～20℃，即使料液沸点升达到15℃，换热器仍然有5℃的换热温差，可以实现热量交换，例如质量分数为45%的硝酸锂溶液。如果采用两级串联离心式压缩机，可以实现34℃的温升，得到质量分数为60%的硝酸锂料液。按进料初始质量分数为20%，设计总工艺流程如图2所示。

物料质量分数从20%到60%，需要蒸发大量的水分，如果想要一步浓缩到目标质量分数，可以采用三效蒸发器，但是这是一个高耗能的过程。在物料沸点升不高的情况下，可以先采用单级蒸汽压缩机的MVR，进行预浓缩，把大量的水蒸发出去，再采用单效蒸发器、两效蒸发器或者本文中的双压缩机两级串联的MVR蒸发器。无论哪一种MVR蒸发器，在蒸发量较大的情况，都建议设计成两段式蒸发器，就是同一个蒸发器中，含有两个串联的加热器和分离器，物料依次经过第一段的加热器&分离器和第二段加热器&分离器，被蒸发两次；从分离器出来的二次蒸汽并联进入蒸汽压缩机，经过蒸汽压缩机后，并联进入第一段&第二段加热器中。

本文针对一个5万吨级硝酸法磷酸铁锂的硝酸锂溶液浓缩工艺做设计，为了达到这个产能，每天需要131.5t质量分数为60%的硝酸锂料液。按进料初始质量分数为20%，根据此总工艺，可以得到总物料关系，如表1所示。

设计时蒸发量留有一定余量，蒸发量按12t/h设计。料液先进入预浓缩MVR蒸发器，其运行设计参数如表2所示。此蒸发器采用单级压缩机MVR将料液浓缩至40%～45%，压缩机温升为18℃，预浓缩MVR蒸发量为10 t/h，分两段进行。第一段出料质量分数为35%左右，此时料液的沸点升在10℃，对应蒸发量约为7.9t；第二段出料在40%～45%左右，对应蒸发量为2.1t，此时料液的沸点升为15℃。成品MVR蒸发器采用两级蒸汽压缩机，压缩机温升为17℃+17℃，同样采用两段式MVR蒸发器，第一段出料质量分数为55%左右，对应蒸发量约为1.5t，此时料液的沸点升为25℃；第二段出料质量分数为60%左右，对应蒸发量为0.5t，此时料液的沸点升为30℃。

预浓缩MVR蒸发器的主要设备参数，如表3所示。

成品MVR蒸发器的主要设备参数，如表4所示。

该项目在云南曲靖某公司于2022年7月开始运行，首次运行就达到了设计产能，并且运行稳定，未发生压缩机喘振问题。由于在计算换热面积过程中，留有一定的余量，实际蒸发量略高于设计能力。随着蒸发的进行，由于硝酸锂中会残余碳酸锂，结晶碳酸锂会附在换热器管壁上，故需要定期采用1%～2%的稀硝酸清洗设备，经过清洗之后，蒸发量可以恢复到初始设计值。在负压条件下，硝酸锂的沸点升比常压测试的要低一些，故实际运行时压缩机功率低于设计功率。

经过6个月的稳定运行，实际蒸发量在12t条件下，预浓缩MVR蒸发器耗电约为570kWh，蒸汽耗量约为0.5t/h，成品MVR蒸发器耗电约为200kWh。对比传统三效+两效，MVR预浓缩+单效蒸发浓缩和MVR预浓缩+两效蒸发浓缩，本设计极大降低了企业的生产成本，其运行成本对比如表5所示。

从表5可以看出，三效+两效工艺运行能耗最高，主要是因为三效蒸发一吨水，虽然电耗较低，但是需要消耗0.4t蒸汽，此部分费用较高。现在绝大部分工厂采用天然气锅炉产生蒸汽，一个良好的天然气锅炉产生一吨蒸汽需要大约75m3天然气，天然气丰富的地区，天然气价格也在3.5元/m3，而沿海地区高达4～5元/m3，所以从运行费用上来看，三效+两效工艺运行成本是本设计的运行费用的2.2倍。MVR预浓缩+两效蒸发浓缩、MVR预浓缩+单效蒸发浓缩与本设计均含有MVR预浓缩，故都比三效+两效节能，本设计采用双级MVR蒸发浓缩替代了单效蒸发或者两效蒸发，大大节约了蒸汽用量，从而也有效地减少了运行费用，实现了良好的经济效益。同时，从管理的角度来说，较少蒸汽用量可以不上或者少上锅炉设备，减少了管理环节，提高效率。

此种设计和工艺，有利于实现碳达峰-碳中和，减少二氧化碳排量，尤其在云南、四川等水电资源丰富的地区，价值将得到更大的体现。

采用两级压缩机串联，可以实现高的温升，此种设计可以用于沸点升较高的物料浓缩与蒸发结晶。本文以硝酸锂为设计对象，采用预浓缩MVR蒸发+成品MVR蒸发模式，该项目在企业中运行良好，产能及经济指标均符合预期，为企业取得了可观的经济效益。本文中成品MVR蒸发工艺首次采用了两级串联蒸汽压缩机，使二次蒸汽实现了34℃的温升，从而克服了质量分数为60%硝酸锂的30℃的沸点升，使二次蒸汽得到了利用，从而实现了节能减排的目的。本文证实了高转速两级压缩机串联运行，提高了二次蒸汽温升，对物料适应性强，在实际运行过程中，并没有出现压缩机喘振等问题，运行稳定，为以后设计此类装置提供了理论和工程案例上的支持。此次两级压缩机串联MVR蒸发器蒸发能力不太大，未来可以在更大的装置引进此类设计方式，为节能减排做出相应的贡献。转自当代化工研究 作者：卢王奇 文鑫 但光局 杨松赵潘 宋剑 宋春林