透锂长石压制成砖隧道窑高温焙烧提锂可行性研究

张国强，吴进方，苏 捷，王家前，易 磊

（宜春天卓新材料有限公司，江西 宜春 336000）

锂是用途非常广泛的金属材料，也是非常重要的战略资源。无论是在冶金、医药、化工等传统工业领域，还是在航空、新能源、军工等领域，都具有重要的应用。随着国内电动汽车消费市场不断扩大，锂离子电池市场需求也在不断上升，在产业链的上游，关于提锂的锂矿石资源会慢慢枯竭，为了实现国家在锂电方面大战略方面长足发展，我们需要开辟国际市场引进锂矿石。然而由于近年来国际贸易战和一些其他原因，我们从澳大利亚进口锂辉石受到一定的影响和限制，为了突破此困局，非洲一些高品位透锂长石锂原矿石是我们关注的亮点。

我国是锂资源较丰富的大国，锂资源(以金属锂计)量达667万吨，主要以矿石和卤水的形式分布，其中卤水锂资源约占总量的80%。虽然占比较多，但是我国盐湖卤水中的伴生元素较多，特别是镁元素，明显比国外卤水中的镁含量高，使得从卤水中提取锂的难度更大、成本更高，因此，在我国进行矿石提锂有着更为广泛的应用前景。

1 提锂技术背景分析

含锂矿石主要包括锂辉石、锂磷铝石、锂云母、铁锂云母、透锂长石等，其中又以从透锂长石中提取锂较为常见。现有的从透锂长石中提取锂的工艺方法包括：硫酸法、石灰石法、硫酸盐法及纯碱法等。其中，硫酸法虽然适用范围广，但是能耗也较高，需要消耗大量的价格相对较高的硫酸和碳酸钠，且副产品的价值较低，导致该工艺成本较高；石灰石法需要将透锂长石矿物与石灰石按照约1∶3的质量比进行配比，通过高温煅烧使矿物中的锂转变为可溶状态，该工艺需要投入的含钙物料量较大、煅烧条件要求很高，也属于反应能耗很高的工艺、成本较高；纯碱法在提取锂的同时会产生价值较低的含钠滤渣，使滤渣的回收可利用性较差，从而导致整个工艺在提取锂的同时也产生了大量回收利用价值低、难以处理的固废，使得该工艺对环境不友好。

采用透锂长石硫酸压煮法提取锂盐的工艺，将透锂长石在高温焙烧后加入浓硫酸压煮，得到可溶性的硫酸锂。该工艺需要进行多次焙烧，还需要使用大量浓硫酸，故工艺条件较苛刻，对设备要求较高，原料成本也较昂贵。

采用纯碱压浸法从透锂长石提取锂盐的方法，将焙烧后的透锂长石与纯碱进行压浸，通过钠与锂的置换，将碳酸锂压浸出来。该工艺在提取锂时需要在压浸之后进一步进行压滤、酸化等一系列操作才能将碳酸锂转化为可溶性锂盐，工艺复杂，且最终形成的滤渣中含钠量较高，导致滤渣价值较低，处理较困难。但是对于工业化生产的透锂长石提锂技术而言，数以吨计的滤渣如不能充分回收、高价值利用，则只能变成数量庞大的固废，污染环境。在此背景下，透锂长石压制成砖隧道窑高温焙烧提锂方式出现规避了其它生产工艺的一些弊端。

2 隧道窑介绍

隧道窑广泛用于耐火砖产品、陶瓷焙烧生产，焙烧温度可达1050℃～1500℃。本文主要对隧道窑生产工艺流程设计、生产设备选型等进行阐述，为今后新建项目透锂长石压砖成型隧道窑高温焙烧提锂提供技术参考和依据。隧道窑是由耐火材料、保温材料和建筑材料堆砌而成的在内装有窑车等运载工具和隧道相似的窑炉，是现代化连续式烧成的热工设备。按生产过程隧道窑炉可分为：一段烘干区、二段预热干燥区、高温焙烧区、冷却区、配套的燃烧器、液压推料装置及尾气处理系统。

3 混料压砖成型

透锂长石化学式LiAlSiO4O10，其主要成分为Li2O·Al2O3·8SiO2，其主要含量Li大约1.5%～3.0%、Al2O3大约14.0%～16.6%、SiO2大约65%～78.5%，属于伟晶岩锂矿石性质，是架状硅酸盐矿物，比重2.39g/cm3～2.46g/cm3，莫氏硬度6.0-6.5，主要是白色或者黄色，单斜晶系，通常呈块状，有玻璃光泽，透锂长石的熔点较高为1350℃。它不溶于水，也不溶于其他化学性强的无机酸，但溶于氢氟酸。根据其物理化学特性，透锂长石在高温下没有晶型转化的体积变化。根据以上的物料特性，它和相关的辅料混匀压砖成型，码砖城垛，直接放置平板窑车上。掌握好垛垛之间的距离和空间。留下火焰加热通道，使热量在整个空间均匀流动，让工段区域整体的温度更加均衡。根据隧道窑厂家经验，在1150℃～1500℃条件下，选择碳化硅（SiC）作为窑车平板材料，正常可耐受2000℃上下不变形、不开裂，并且价格相对便宜。

按照目前回转窑烧制熟料焙砂40T/小时产能计算，为了保证熟料可溶锂的转化率达到90%以上，结合生产建筑用砖的厂家经验，透锂长石物料来时水分约18%～25%，水分很大，辅料钠盐和钙盐水分大概是1.5%～2.0%之间。原料和辅料按照一定的比例均匀混料后的水分在15%～18%之间，给予下段工序压机压制砖块的造成很大的困难。经过长时间的试验摸底，混料经过初步烘干、陈化的生料水分控制在6.0%～8.0%之间最适宜。根据成功隧道窑的案例，压机普通建筑用砖模具长宽高是20.7cm×4.7cm×8.5cm。压制成型砖块重量约2.5Kg。由于需要24小时连续作业。根据现实的情况预计投入120辆窑车，一车烘干后砖垛约7.3T。

配料混料方式：根据物料特性，透锂长石的锂含量2.0%～2.8%之间，保证熟料全锂含量在0.9%以上。按质量比，透锂长石：钠盐：钙盐=1∶0.7∶0.5。钠盐和钙盐品级均为工业级。其物料颗粒粒度为≤60目，使其物料在混料器中混料更加均匀，物料之间间隙更加细微，不同物料之间接触度更加紧密，利于在高温下焙烧转型更加充分。用皮带输送混合好的物料到高位料仓里面。配料混料系统由上料皮带、高位料仓、计量磅、钢构支架等设备组成。

压机码机选型：从压机的效率和压力方面考虑。结合有经验的厂家，选择压机压力是1200T。采用双面压力模式的压机。码机是和压机相配套的设施设备。双面压机效率是2车/小时，单面压机是1车/小时。从价格和效率方面选型选择双面压力的压机，数量预估为4台。根据产能需求来计算，窑车台面设计尺寸为4.45m×3.75m（长×宽），窑车平台高度约1.38m。

砖胚烘干塑形方式：混料后的生料经过压机压制成型砖块，成排放置于推送板上，传送制码胚机上，码制成垛于窑车上。进入烘干洞中烘干塑形，来提高砖块的强度和硬度。作用一来提高码垛的高度，提高产能。二来防止砖块在高温焙烧时砖块内部的水分在短时间内不能充分释放出来造成开裂、炸裂。会造成砖块排列不规则发生塌窑现象。压制成型砖块的水分约8%～10%，必须降至5%以下才能进入隧道窑，初步确定干燥时间4小时，砖块内部的结晶水缓慢蒸发完成。烘干洞的热量来源是用引风机把隧道窑尾部热量引风输送至烘干洞中，既实现了隧道窑尾部熟料砖块风冷降温的效果，又使烘干洞中砖块达到烘干塑形效果，整体方面实现成本降低和经济效应相统一。

4 一段烘干区

透锂长石和辅料压制成砖块烘干塑形后，砖块内部的水分约5%以下，需要降至2.5%以下，才能进入隧道窑二段预热烘干段工序，按照12分钟/车，烘干干燥区域计划14辆窑车，共计4.45×14=62.4m。温度控制曲线区间300℃ ～500℃。

5 二段预热干燥区

二段预热干燥区是一个承前启后的温度过渡区间，如果砖块直接从一段烘干区直接进入高温段，砖块内部中的结晶水没有及时释放出来，就会在砖块内部和表面形成炸裂，城垛的砖块出现坍塌现象，造成坍塌、塌窑安全生产事故。没有遵循循序渐进的客观规律。二段预热干燥区计划10辆窑车，共计4.45×10=44.5m，温度控制曲线区在600℃～1000℃，物料含水分为≤0.2%。

6 高温焙烧区

高温焙烧段是关乎物料转化转型是否合格的关键工序工段区域，物料在此高温下才能“固固传质，矿相重构”，透锂长石中的锂和辅料发生复合分解置换反应，形成可溶性的硫酸锂。物料在1050℃～1200℃之间晶相转换焙烧完全完成。该区域计划18辆窑车，共计4.45×18=90.1m。温度控制曲线区间为1100±50℃。

7 冷却区

砖块产品开始冷却，由1100℃降至600℃，经过急冷、缓冷阶段，通过“风冷降温”，运用引风机抽走热量至烘干洞。产品出窑的温度控制≤300℃。按照12分钟/车，冷却区计划6辆窑车，共计4.45＊6=26.7m。冷却区长度短更利于产品降温冷却。

8 隧道窑总长度确定

隧道窑总长度确定为：62.4+44.5+90.1+26.7=223.7m，共计为隧道窑的总长度。窑内部设计有限宽度是4.10m，窑内高度为2.8m。

窑车总计24×60/12=120辆窑车，窑内存车为：14+10+18+6=48辆，其余窑车在烘干洞和窑外。一备一用很充裕。

9 装卸系统

直接用转载机运转至装车工位，进入破碎、球磨、浸出工段，整个流程简洁方便，机械化程度效率高。

隧道窑工艺技术目前比较成熟，是未来发展一种趋势，更是亮点和焦点。既解决了回转窑结圈问题，又提高生产运转率。

10 透锂长石压砖成型隧道窑高温焙烧试验性报告

10.1 试验目的

试验的目的是验证隧道窑在透锂长石压制成砖块焙烧提锂方面的可行性。

10.2 试验原理

透锂长石和锂辉石是同源异构体，都属于伟晶岩锂矿石，都是单斜晶体，结构致密，化学键稳定，惰性大。传统的工艺技术需要从α型转化至β型，进一步酸化焙烧提锂，流程繁琐，工艺复杂。本试验采用硫酸盐法，在高温条件下透锂长石由固态变成熔融状，能与硫酸盐发生离子交换反应，其反应机理如下：

10.3 试验步骤

将来自非洲的透锂长石分成两部分A和B，和辅料混料后，分别压制砖块各5块，分布于2辆窑车上。将隧道窑高温区焙烧反应温度分别设置为1050℃以及1150℃，物料经过烘干塑形、预热、干燥蒸发、高温焙烧、冷却、出料，整个周期10多个小时。取样分析熟料可溶锂转化率和回收率（渣计）。

10.4 试验结论

A和B焙烧成熟料观察外表发现，A在1050℃焙烧温度下，砖块熟料颜色微白带灰，砖块硬度小，物料结构松散，轻敲即散。B在1150℃焙烧温度下，砖块熟料颜色灰白色，砖块硬度大，结构致密成微熔融状，难以破碎。两份样品取样分析结果见表1。

表1 透锂长石砖块在隧道窑中不同焙烧条件下熟料的结果

从以上分析数据来看，非洲透锂长石压制成砖块在1050℃和1150℃下，焙烧熟料中可溶锂转化率基本都在90%以上，其回收率（渣计）也都≥90%，效果明显，符合目前生产需求。但是在1150℃下，砖块熟料结构致密，不利于后续破碎。把高温区焙烧温度控制在1050℃附近，工艺条件最佳。