劉 勇，羅忠源，陶 庸 ，王曉非 ，韓培偉

（1.中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙 410021；2.中國科學(xué)院過程工程研究所，北京 100190）

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)依據(jù)

本項(xiàng)目采用氫氧化物共沉淀工藝生產(chǎn)正極材料前驅(qū)體，其優(yōu)點(diǎn)是可以比較容易地控制前驅(qū)體的粒徑、比表面積、形貌和振實(shí)密度，而且實(shí)際生產(chǎn)中反應(yīng)釜操作也較容易。

前驅(qū)體的反應(yīng)是將一定濃度的鹽溶液和一定濃度的堿溶液按一定流速持續(xù)加入到反應(yīng)釜中，在合適的攪拌速率、溫度、pH值下，生成氫氧化物沉淀[1]。其反應(yīng)的方程式如下：

2 高鎳三元前驅(qū)體工藝流程的選擇

2.1 前驅(qū)體材料產(chǎn)品及規(guī)模

該項(xiàng)目主要產(chǎn)品為生產(chǎn)10 000 t/a的811前驅(qū)體材料以及10 000 t/a的NCA前驅(qū)體材料。

2.2 前驅(qū)體材料生產(chǎn)工藝

該項(xiàng)目主要生產(chǎn)鎳鈷錳前驅(qū)體材料以及鎳鈷鋁前驅(qū)體材料，產(chǎn)量各為10 000 t/a。其中，鎳鈷錳前驅(qū)體材料的主要原料為硫酸鎳、硫酸鈷和硫酸錳晶體等，鎳鈷鋁前驅(qū)體材料的主要原料為硫酸鎳、硫酸鈷和硝酸鋁晶體等。具體生產(chǎn)工藝如下：1）原料溶液配制。將采購的硫酸鎳晶體、硫酸鈷晶體、硫酸錳晶體按一定比例加入溶解槽中，經(jīng)精密過濾后得到的合格硫酸鹽溶液在合格液貯槽中暫存。將氨水、液堿加水配制成一定濃度的混合液，泵入儲槽備用。2）合成反應(yīng)。將合格的硫酸鹽溶液和液堿溶液通入反應(yīng)釜進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)過程中加入氨水控制生成物的形態(tài)，促使生成球形氫氧化物。3）陳化反應(yīng)。合成反應(yīng)完畢后，讓初生的沉淀與母液一起放置一段時(shí)間，使小晶粒消失，大晶粒不斷長大。根據(jù)生產(chǎn)需要，在陳化釜內(nèi)加入少量的稀液堿，以穩(wěn)定沉淀顆粒的外圍形貌。4）陳化后壓濾。陳化反應(yīng)后的物料通過壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾，使得固液分離。5）洗滌、壓濾。壓濾得到的濾餅采用冷凝水進(jìn)行四級逆流洗滌處理，洗滌完全后壓濾得到的濾餅進(jìn)入下一道工序。6）烘干、篩分。洗滌壓濾后的濾餅通過料車運(yùn)入立式雙螺旋碎料機(jī)粉碎，再均勻加入盤式干燥機(jī)干燥，在盤式干燥機(jī)中烘干后的物料送至振動篩進(jìn)行篩分。7）混料、除磁、包裝。經(jīng)篩分的物料由真空提升機(jī)送至立式雙螺旋混料機(jī)進(jìn)行混合，混合后的物料再通過電磁除鐵器除去磁性物質(zhì)，最后由自動打包機(jī)進(jìn)行打包，得到前驅(qū)體材料[2-3]。

3 高鎳三元前驅(qū)體物料平衡計(jì)算

3.1 計(jì)算說明

NCM811三元前軀體產(chǎn)品組成質(zhì)量比mNi∶mCo∶mMn為 8∶1∶1；NCA 三元前軀體產(chǎn)品組成質(zhì)量比 mNi∶mCo∶mAl=80∶15∶5，2 種產(chǎn)品的產(chǎn)量均為 10 000 t/a。

3.2 物料消耗

該項(xiàng)目中，NCM811前驅(qū)體主要原輔材料為硫酸鎳晶體、硫酸鈷晶體、硫酸錳晶體、氨水、氫氧化鈉等，其消耗情況匯總見表1。NCA前驅(qū)體主要原輔材料為硫酸鎳晶體、硫酸鈷晶體、硝酸鋁晶體、氨水、氫氧化鈉等，其消耗情況匯總見表2。

表1 NCM811前驅(qū)體原輔料消耗情況

表2 NCA前驅(qū)體原輔料消耗情況

4 廠區(qū)布局和工藝平面布置

4.1 車間組成

高鎳三元正極材料前驅(qū)體廠房包括原材料倉庫、原材料溶解車間、前驅(qū)體合成車間、前驅(qū)體烘干包裝車間、成品倉庫、元明粉倉庫、廢水處理車間和氨水罐區(qū)。其中，前驅(qū)體合成車間使用氨水，氣味較重，宜單獨(dú)分離并布置在下風(fēng)向。

4.2 物流分析及工藝平面布置

根據(jù)物料平衡和化學(xué)平衡計(jì)算，各個(gè)車間的物流強(qiáng)度工藝流程，如圖1所示，各作業(yè)單元間物流與非物流相互關(guān)系如圖2~圖3所示。

圖1 物流強(qiáng)度工藝流程

圖2 各作業(yè)單元間物流相互關(guān)系

圖3 各作業(yè)單元間非物流相互關(guān)系

由圖1可知，原材料倉庫和原料溶解車間運(yùn)輸量較大，宜貼建，原料溶解車間和合成車間關(guān)系密切，宜貼建。由圖2～圖3可知，各作業(yè)單元間主要物流線路7條：屬于超高物流強(qiáng)度的1條，屬于高物流強(qiáng)度的0條，屬于較大物流強(qiáng)度的4條，屬于一般物流強(qiáng)度的2條。

5 設(shè)備選型與計(jì)算

5.1 主體設(shè)備的選擇

項(xiàng)目中各工段采用的高鎳三元正極材料主體設(shè)備，如表3所示。

表3 高鎳三元正極材料主體設(shè)備

5.2 廢水處理工藝選擇

該污水來源主要為三元前驅(qū)體工藝中產(chǎn)生的母液和清洗水。廢水為堿性，主要污染物為鎳、鈷、錳、鋅、氨氮磷及硫酸鹽等。廢水綜合治理主要為脫氨，重金屬去除和硫酸鹽濃縮。本方案設(shè)計(jì)采用脫氨回收氨水并回用生產(chǎn)—機(jī)械過濾去除重金屬并回收利用—MVR或多效蒸發(fā)回收硫酸鈉的處理工藝。重金屬采用機(jī)械過濾，過濾精度高，出水重金屬指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，過濾母液可直接回用生產(chǎn)或返回原料廠家。

6 智能制造設(shè)計(jì)

鋰電池三元材料前驅(qū)體生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生廢氣、酸堿和重金屬，工人生產(chǎn)環(huán)境惡劣。隨著國內(nèi)工廠勞動者數(shù)量的減少，鋰電池三元材料前驅(qū)體的人工成本將會大幅增高，甚至出現(xiàn)招工難的問題。再者，鋰電池三元材料對材料一致性有嚴(yán)格要求。在未來基于物聯(lián)網(wǎng)的正極材料前驅(qū)體生產(chǎn)線，大量的智能機(jī)械用在正極材料前驅(qū)體生產(chǎn)過程中，人的參與逐漸減少，最終將形成一個(gè)以智能機(jī)械生產(chǎn)為主的智能工廠。

6.1 智能制造框架設(shè)計(jì)

三元正極材料前驅(qū)體智能制造框架（見圖4）會在過程控制、生產(chǎn)管理、經(jīng)營管理這3個(gè)層次實(shí)現(xiàn)知識自動化和智能化，分別對應(yīng)過程控制系統(tǒng)（PCS）、生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）。

圖4 三元正極材料前驅(qū)體智能制造架構(gòu)

由圖4可知，三元正極材料前驅(qū)體智能制造，需要把硬件、軟件、咨詢系統(tǒng)整合起來，形成有“智慧制造”屬性的智能生產(chǎn)線。三元正極材料前驅(qū)體工廠L1單元控制層，將會有大量的控制器、傳感器通過有線和無線傳感網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行串聯(lián)，將現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至上層管理系統(tǒng)。

6.2 工廠重要工藝參數(shù)的檢測與自動化

三元正極材料前驅(qū)體生產(chǎn)是鹽與堿在一定pH值及溫度下的共沉淀反應(yīng)。其中，pH值是該反應(yīng)最重要的參數(shù)，各階段pH控制在±0.05波動范圍內(nèi)。在實(shí)際生產(chǎn)中pH值、溫度、流量等都是動態(tài)的，會有一定程度的波動。因此，需要引入自動控制工藝，主要在pH值控制、溫度控制、攪拌控制、數(shù)據(jù)采集等方面進(jìn)行控制。其中，在pH值控制系統(tǒng)中，選用具有PID調(diào)節(jié)的儀表或者帶PID控制的可編程程序控制器來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，保證系統(tǒng)中的流量恒定，來滿足系統(tǒng)穩(wěn)定pH值要求。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，配料完畢后的物料，通過工藝反應(yīng)，在氮?dú)鉅顟B(tài)下進(jìn)行充分物料攪拌，在這一過程中，所有的溫度控制、pH值，包括各種鹽、堿均系自動化控制，反應(yīng)完成后，設(shè)備自動進(jìn)入陳化。全封閉環(huán)境下完成陳化的物料，經(jīng)歷洗滌和中和后，將在全自動離心機(jī)的作用下進(jìn)行離心，并在隨后中和完畢后，洗滌堿性物質(zhì)，后續(xù)的物料傳送、干燥、批量混合、除鐵包裝也將全部由計(jì)算機(jī)控制，以實(shí)現(xiàn)全自動化生產(chǎn)。

6.3 物料智能倉儲輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能物料倉儲和運(yùn)輸是工業(yè)4.0的核心組成部分，在工業(yè)4.0智能工廠的框架中，智能物料倉儲和運(yùn)輸是連接制造端和客戶端的核心環(huán)節(jié)。智能物流倉儲系統(tǒng)具有減少勞動力成本、節(jié)省租金成本、提升管理效率等優(yōu)勢。

1）智能倉儲設(shè)計(jì)。立體化倉庫一般由貨架、堆垛機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)組成的，是集信息自動化技術(shù)、自動堆垛技術(shù)、自動倉儲技術(shù)于一體的集成化系統(tǒng)。立體倉庫的設(shè)計(jì)步驟，一般分為以下幾步：（1）收集、研究用戶的原始資料，明確用戶所要達(dá)到的目標(biāo)；（2）確定自動化立體倉庫的主要形式及相關(guān)參數(shù)；（3）合理布置自動化立休倉庫的總體布局及物流圖；（4）選擇機(jī)械設(shè)備類型及相關(guān)參數(shù)；（5）初步設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)及倉庫管理系統(tǒng)（WMS）的各功能模塊；（6）仿真模擬整套系統(tǒng)；（7）進(jìn)行設(shè)備及控制管理系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。在出入庫總量、外形尺寸和重量等相關(guān)問題了解清楚后，接下來主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容大致包括托盤選擇、貨架尺寸設(shè)計(jì)、堆垛機(jī)數(shù)量計(jì)算、地面強(qiáng)度計(jì)算等相關(guān)問題。

2）智能物料輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)。三元材料前驅(qū)體智能物料輸送系統(tǒng)可以采用氣力輸送系統(tǒng)、AGV輸送系統(tǒng)等。氣力輸送系統(tǒng)具有設(shè)備輸送效率高，設(shè)備構(gòu)造簡單，維護(hù)管理方便，改善衛(wèi)生環(huán)境和易于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)。在工廠內(nèi)部輸送過程中，可以實(shí)現(xiàn)多種工藝操作，有利于簡化工藝過程和設(shè)備，可以提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。AGV即自動引導(dǎo)運(yùn)輸車，廣泛用于自動化工廠和倉庫的點(diǎn)到點(diǎn)送貨，適用于高鎳三元正極材料前驅(qū)體職業(yè)衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn)較大的環(huán)境，可以提高物料運(yùn)輸效率和降低運(yùn)輸成本。

7 綠色制造設(shè)計(jì)

7.1 總圖規(guī)劃與用地

工藝總圖按照產(chǎn)品的特性來設(shè)置生產(chǎn)工藝區(qū)布局，按生產(chǎn)工藝流程布置各類廠房，廠房間設(shè)置機(jī)械化運(yùn)輸通道，盡可能地提高運(yùn)行效率、縮短物流路線、降低運(yùn)行能耗。公用動力設(shè)施靠近負(fù)荷中心，避免管線的迂回，節(jié)省管線材料和減少運(yùn)行中的能量損耗[4]。結(jié)合三元正極材料前驅(qū)體的生產(chǎn)工藝需求，三元正極材料前驅(qū)體在選址過程中，盡可能選擇有蒸汽供給和廢水處理的園區(qū)。

7.2 節(jié)能與能源利用

高鎳三元正極材料前驅(qū)體廠房設(shè)計(jì)中可在屋頂設(shè)置光伏發(fā)電，采用太陽能發(fā)電技術(shù)。在各車間內(nèi)的變配電房，需充分考慮光伏系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備安裝位置及在配電系統(tǒng)預(yù)留并網(wǎng)接口。高鎳三元正極材料前驅(qū)體工藝及公用設(shè)備選擇過程中選用變頻水泵，根據(jù)負(fù)荷變化和工藝循環(huán)水的需要，進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。采用變頻控制器控制風(fēng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)變頻控制，選用低能耗、高效率的軸流風(fēng)機(jī)，來降低風(fēng)機(jī)能耗。

7.3 環(huán)境保護(hù)

在三元正極材料前驅(qū)體工藝生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生含重金屬的生產(chǎn)廢水，包括高鹽高氨氮廢水和低濃度廢水，擬處理后全部回用，可實(shí)現(xiàn)廠區(qū)含重金屬生產(chǎn)廢水“零排放”。含重金屬的生產(chǎn)廢水經(jīng)處理后，可全部回用于原料溶液配制工序、洗滌工序、射流除塵、實(shí)驗(yàn)室用水、合成氨氣水噴淋吸收、廢水站汽提脫氨水噴淋吸收等。該廠的工程廢水處理措施滿足“污污分流、分類處理”的要求，經(jīng)處理后可實(shí)現(xiàn)含重金屬生產(chǎn)廢水“零排放”，并能回收大部分氨水以及制得無水硫酸鈉。其中，氨水可回用于生產(chǎn)，無水硫酸鈉則作為副產(chǎn)品外售，可增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

8 土建和公用配套

8.1 土建

由于前驅(qū)體生產(chǎn)過程中含有大量酸堿的特殊性，建設(shè)廠房時(shí)需要選擇防腐構(gòu)件材料。為了避免腐蝕性介質(zhì)在構(gòu)件表面的積聚或者能夠快速地排除掉，便于防護(hù)層的設(shè)置和維護(hù)，需選擇體型簡單、抗腐蝕、堅(jiān)固耐久、構(gòu)件斷面規(guī)整簡潔（盡量減少構(gòu)件的外表面積、棱角、縫隙）的結(jié)構(gòu)形式和減少構(gòu)件的拼裝節(jié)點(diǎn)。高鎳三元正極材料前驅(qū)體廠房的生產(chǎn)環(huán)境腐蝕程度屬于中、強(qiáng)腐蝕，不宜采用鋼結(jié)構(gòu)，宜選用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式具有整體性好、便于防護(hù)和耐久性較好的特點(diǎn)。

8.2 公用配套

由于前驅(qū)體車間地面經(jīng)常會受到水和腐蝕性液態(tài)介質(zhì)作用，前驅(qū)體車間地面應(yīng)具有良好的排水條件，以便迅速和有效地將水排除，防止地面積水，減輕水和腐蝕性液態(tài)介質(zhì)對地面的腐蝕。前驅(qū)體車間生產(chǎn)過程中，合成車間散發(fā)出氨氣等有害氣體，烘干包裝車間產(chǎn)生大量重金屬粉塵。這些有害物質(zhì)，不但危害操作人員身體健康，而且還會對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重污染，必須進(jìn)行排除凈化治理。通風(fēng)設(shè)計(jì)應(yīng)從生產(chǎn)工藝、設(shè)備和生產(chǎn)操作等多方面采取綜合技術(shù)措施，防止和減少有害物的產(chǎn)生。對于生產(chǎn)高品質(zhì)的前驅(qū)體還需考慮潔凈要求，出入口設(shè)置風(fēng)淋室，通風(fēng)設(shè)施設(shè)置濾網(wǎng)。銅、鋅、鐵等金屬單質(zhì)對鋰離子正極材料的性能影響較大，所有與物料接觸的工藝設(shè)備采用非金屬陶瓷部件或內(nèi)襯和涂覆陶瓷或特氟龍涂層，生產(chǎn)車間內(nèi)設(shè)備外殼、管道及支架嚴(yán)禁使用含銅、鋅、鐵等金屬單質(zhì)的設(shè)備外殼、管材及其附件。

9 結(jié)論

高鎳三元正極材料前驅(qū)體生產(chǎn)車間環(huán)境惡劣、重金屬污染嚴(yán)重。根據(jù)物流分析可以看出，原材料倉庫和原料溶解車間運(yùn)輸量較大，宜貼建，原料溶解車間和合成車間關(guān)系密切，宜貼建。高鎳三元正極材料前驅(qū)體廠房的生產(chǎn)環(huán)境腐蝕程度屬于中、強(qiáng)腐蝕，不宜采用鋼結(jié)構(gòu)，宜選用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。