Evaporador MVR para la eliminación de impurezas de electrolitos de aluminio y extracción de litio de 3 t/h

I. Antecedentes del proyecto 

Con la próxima retirada de los vehículos de nueva energía, la extracción de litio de los electrolitos de aluminio (bloques de carbono catódicos + electrolito) se ha convertido en un paso crucial en la regeneración de los recursos de las baterías de litio. El electrolito contiene sales solubles como Li₂CO₃ 5-7 g/L, NaF/KF 180 g/L y Al³⁺ 15 g/L, junto con trazas de metales pesados (Ni, Co, Mn). Los procesos tradicionales emplean "evaporación multiefecto + precipitación de sales de refrigeración", lo que resulta en un alto consumo de vapor, pérdidas significativas por arrastre de litio y corrosión severa del equipo. El propietario planea construir un evaporador MVR de extracción de litio con electrolito de aluminio de 3 t/h en 2024, con los siguientes requisitos: Concentrado primario Li₂CO₃ ≥ 60 g/L, relación de enriquecimiento ≥ 10; Condensado F⁻ ≤ 10 mg/L, tasa de reutilización ≥ 95 %; Sin descarga de licor madre; Consumo de energía por tonelada de agua ≤ 45kWh; Material del equipo resistente al 20% de HF y funcionamiento a largo plazo a 80℃.

II. Ruta del proceso

1. Pretratamiento para la eliminación de impurezas

• Utilizando “Eliminación de aluminio con CO₂ + eliminación de metales pesados con resina”:

• El burbujeo de CO₂ a pH 8,5 genera Al³⁺ para formar un coloide Al(OH)₃ que, después de filtrarse a través de una membrana cerámica, produce Al ≤ 5 mg/L;

• La resina quelante adsorbe selectivamente Ni/Co/Mn, con un contenido total de metales pesados ≤ 0,1 mg/L, evitando la posterior formación de espuma por evaporación y el envenenamiento del catalizador.

2. Concentración de evaporación por circulación forzada MVR: 

Se utiliza una combinación de precalentamiento de placas, evaporación tubular con circulación forzada y compresor de vapor centrífugo. Temperatura de evaporación: 75 °C (vacío -0,082 MPa), aumento de temperatura del compresor: 18 °C, relación de compresión: 1,7. Todo el vapor secundario se reutiliza; solo se añaden 0,4 t de vapor vivo durante el arranque. Caudal de la bomba de circulación: 1200 m³/h, velocidad de la tubería: 3,5 m/s, lo que inhibe la formación de incrustaciones de fluoruro.

3. Separación de sales fundidas por congelación-calor: Soluciones concentradas de Li₂CO₃ (60 g/L) y NaF (190 g/L) ingresan a un cristalizador por congelación a 0 °C. La sal mixta de NaF·KF precipita, se centrifuga y se devuelve al extremo frontal. Las aguas madres se calientan a 95 °C; la pureza de los cristales de Li₂CO₃ es ≥98,5 %, y el rendimiento de la primera pasada es del 88 %.

4. Secado de licor madre: el licor madre rico en litio se alimenta a un secador raspador, con un contenido de sólidos secos de ≤3% de agua y 0,15 t/d de sales mixtas, y luego se envía al coprocesamiento de residuos peligrosos, logrando una descarga cero de licor madre.

III. Equipos y materiales clave

IV. Datos operativos (promedio de 180 días, abril de 2024 - octubre de 2024)

• Capacidad de procesamiento: 3,2 t/h (tasa de carga 107%)

• Consumo de electricidad por tonelada de agua: 42 kWh (incluyendo compresor, bomba de circulación y secado)

• Reposición de vapor: 0,03 t/t de agua (solo en servicio)

• Relación de enriquecimiento de litio: 12 veces, concentración de Li₂CO₃: 62 g/L Tasa de recuperación de litio: 90,5 %, tasa de recuperación de sal mixta de NaF: 93 %

• Condensado F⁻: 6 mg/L, tasa de reutilización: 96 %

• Tiempo de actividad del sistema: 98,2 %, apagado no planificado una vez cada seis meses

• Ciclo de limpieza: 90 días (circulación en línea de ácido cítrico al 5% durante 4 horas)

V. Innovaciones técnicas

1. Sistema de material resistente a la corrosión por flúor: la aleación de titanio TA10 en el lado del tubo tiene una tasa de resistencia a la corrosión por HF ≤0,01 mm/a, lo que aumenta la vida útil 6 veces en comparación con 316L.

2. MVR de baja temperatura + alto vacío: Temperatura de evaporación de 75 ℃, evitando la redisolución a alta temperatura de Li₂CO₃, reduciendo la pérdida de litio en un 70%.

3. Impulsor de titanio del compresor centrífugo: en condiciones de aumento de temperatura de 18 ℃ y relación de presión de 1,7, la eficiencia isentrópica alcanza el 84 %, ahorrando un 15 % más de energía que el tipo Roots.

4. Algoritmo antical con IA: El monitoreo en tiempo real de la diferencia de temperatura, conductividad y vibración predice las tendencias de incrustaciones de fluoruro, brindando una advertencia con 72 horas de anticipación, lo que reduce la frecuencia de limpieza anual de 12 a 4 veces. 5. Separación de sales por congelación y fusión: Aprovechando la diferencia de solubilidad entre NaF y Li₂CO₃, se obtiene Li₂CO₃ de grado batería (99.2% de pureza) en un solo proceso, lo que reduce las impurezas en un 80%.

VI. Beneficios ambientales y económicos

Medio ambiente: reducción anual de 26.000 toneladas de aguas residuales de alta salinidad, 4,2 toneladas de emisiones de F⁻ y reducción del 85% de residuos peligrosos e impurezas, superando con éxito las pruebas de vertido cero.

Economía: Ahorro anual de 25.000 toneladas de agua primaria y 3.200 toneladas de vapor vivo, con un subproducto de 1.650 toneladas de Li₂CO₃. Con un coste de 150.000 yuanes/tonelada, los ingresos anuales por ventas ascienden a 248 millones de yuanes; el coste operativo por tonelada de agua es de 46 yuanes.

Social: El proyecto ha atraído intercambios técnicos de más de 40 empresas nacionales e internacionales.

VII. Conclusión 

El evaporador MVR de extracción de litio con electrolito de aluminio de 3 t/h resolvió con éxito los tres principales desafíos: alto contenido de fluoruro, alto contenido de sal y alta pérdida de litio. Con un material de titanio resistente a la corrosión, un MVR de baja temperatura y una separación criogénica como base, logra un alto enriquecimiento de recursos de litio y cero vertidos de aguas residuales. Este caso proporciona a la industria del reciclaje de baterías de litio un módulo estandarizado eficiente, de bajo consumo y con un ciclo de vida prolongado, lo que marca un nuevo hito en la aplicación a gran escala de la tecnología MVR en el campo de la extracción de recursos estratégicos de nuevas energías.