摘要:电池级硫酸镍是三元锂离子电池正极材料的关键原料，其纯度直接影响电池性能。本文基于国外某电池级硫酸镍生产项目，对蒸发、结晶、产品制备、母液处理的工艺设计与设备选型进行了分析比较。基于项目所在地能源供应、自动化要求等条件，选用能耗低、自动化程度更高的MVR强制循环蒸发工艺；综合考虑投资、产能和操作需求，选用连续结晶工艺，结晶器采用DTB型结晶器；为适应连续生产、高度自动化、应对流量频繁波动的情况，选用真空带滤机实现固液分离，利用二次凝水溶解配制电池级硫酸镍产品溶液；结合前端湿法工艺方案，设计母液处理系统，保证蒸发结晶系统高效生产同时，实现水闭路循环、废水零排放的目标。

动力电池是新能源汽车的核心。三元电池因其能量密度高、循环寿命长和安全性高，是目前新能源汽车领域最常用的一种动力电池。三元电池的核心是NCM三元材料，而电池级硫酸镍（NiSO₄·6H₂O）与硫酸钴（CoSO₄·7H₂O）是三元正极材料电池的关键原料，其纯度和杂质含量要求严格[1]。在镍钴湿法冶金工艺中，矿物浸出液常见的杂质有Ca、Mg、Cu、Fe、Zn、Si、Cr、Al等。除杂方法主要有CCD洗涤、化学沉淀及溶剂萃取工艺除杂等。其中，溶剂萃取技术因其优异的分离选择性和处理效率，用于深度净化除杂、制备高纯度镍钴产品溶液。溶剂萃取除杂工艺虽然能实现金属杂质的高效去除，但在萃取有机相循环使用的过程中，少量有机成分会通过夹带、乳化、溶解及降解等方式进入硫酸镍溶液，其含量随操作温度及萃取工艺条件的变化而产生波动。即使经过工业上常用的气浮-超声波-吸附等深度除油技术处理后，硫酸镍溶液中的COD和油分含量依旧难以达到电池用硫酸镍标准（HG/T 5919—2021）中的油分含量≤100 mg/L要求。蒸发结晶是一种常用的物质深度净化技术，利用目标组分与杂质在同一溶剂体系中的溶解度不同，通过蒸发将溶液浓缩，使目标物质达到过饱和，再通过控制温度、压力、搅拌强度、结晶时间等反应条件使目标物质发生结晶，将目标物质与溶液中的小分子有机物、杂质离子分离。蒸发结晶是电池级硫酸镍、硫酸钴深度净化的常用手段。电池级硫酸镍分为固体和溶液两种，根据项目需求，可将蒸发结晶与干燥或者溶解工艺结合，用于生产电池级的晶体产品或溶液产品。

本文以某高冰镍生产电池级硫酸镍项目为例，介绍了硫酸镍连续蒸发结晶车间的工艺设计思路、关键设备选型、自控设计思路，以期为行业相关项目提供参考。

某厂以外购高冰镍为原料，采用“常压浸出-加压浸出-萃取-蒸发结晶”的湿法工艺生产电池级硫酸镍产品，年产量约27 000 t。蒸发结晶车间使用的硫酸镍料液物性参数见表1。

硫酸镍蒸发原液先在萃取车间除油，然后泵送到蒸发结晶车间。先通过蒸发系统进行蒸发浓缩，当溶液浓度达到要求后，送入结晶系统降温结晶。结晶系统产出的晶体通过真空带滤机过滤后，得到湿硫酸镍晶体和硫酸镍母液。硫酸镍晶体送入溶解工序，使用镍蒸发二次冷凝水溶解，再精确稀释到目标浓度产出电池级硫酸镍产品液。

蒸发结晶产生的硫酸镍母液分成两路：一部分按萃取工序的镍需求量稀释过滤后送到萃取车间供萃取剂镍皂化用；另一部分母液打回蒸发原液槽。送萃取的母液用水稀释，再使用压滤机过滤去除溶液稀释过程中析出的微量不溶性杂质。过滤后的硫酸镍母液用泵送回萃取工序使用，压滤机滤渣运至固废处理工序集中无害化处置。工艺流程如图1所示。

2.1 蒸发系统

硫酸镍溶液在蒸发浓缩过程中，浓度不断升高，其黏度会逐渐显著增加，进而导致浓缩溶液的流动性下降，影响传热和循环。当浓度达到过饱和状态时，极易结晶析出六水硫酸镍晶体。因此，蒸发设备选型时必须考虑结垢和结晶堵管的问题。硫酸镍溶液的蒸发浓缩，目前常用的工艺为多效蒸发和机械蒸汽再压缩蒸发（MVR)。

多效蒸发工艺设备投入较低，热源为生蒸汽，通过串联的多个蒸发器实现蒸汽潜热的梯次利用。对于硫酸镍蒸发工况，通常采用三效逆流蒸发。多效蒸发需持续供应蒸汽，因此，适用于蒸汽成本低、供应稳定，电气成本高或电力供应有限的工况。机械蒸汽再压缩（MVR）是利用压缩机对蒸发产生的二次蒸汽进行压缩，提升蒸汽温度、压力，再送回蒸发器加热料液，循环利用蒸汽潜热的方法。MVR通常仅在启动阶段需要加入生蒸汽补热，连续稳定生产时不需要外部蒸汽作为热源，其热能效率更高，综合能耗显著低于多效蒸发，设备更紧凑，适用于电力供应稳定、电价合理或蒸汽供应有限的项目。

某厂位于海外，有稳定电力供应和75℃热能回收循环热水，蒸汽依赖外购。根据项目系统节能降耗和高自动化水平的要求，对比两种蒸发工艺，选择集成化更高、运行生蒸汽耗几乎为零的MVR蒸发工艺。运行消耗对比见表2。

常温时，纯水的黏度为0.890 mPa·s，而相同温度下镍含量约100 g/L的硫酸镍溶液黏度约为2.80 mPa·s。蒸发镍浓度为90～100 g/L的硫酸镍溶液时，其黏度高于纯水，易导致传热系数降低、局部滞流和结垢风险。为了提高蒸发效率，防止硫酸镍在蒸发器内结垢、堵塞，MVR蒸发系统选用强制循环蒸发器，分离器内汽速约为1.0 m/s，压缩机温升控制在约18℃。考虑到原料液可能含F-、Cl-，并且为了避免磁性异物进入硫酸镍溶液，蒸发温度控制在80～85℃，蒸发系统的过流部件（包括泵、蒸发器、换热器、管道等）材质使用钛材。

硫酸镍溶液蒸发产生的二次冷凝水通过洗汽塔收集，送到二次凝水槽回用。蒸发器内设置捕沫装置，防止镍溶液夹带导致硫酸镍损失，使冷凝水中镍离子浓度应小于10 mg/L。为提高能量使用效率，充分利用热能，设置换热器，利用厂区热回收循环热水、二次凝水、蒸发器不凝汽分级预热硫酸镍蒸发原液。通过回收蒸发器和结晶器的高温冷凝水及不凝性气体显热，预热原料液，降低了压缩机负荷，满足加热需求，大幅减少新鲜蒸汽和冷却水消耗，实现综合能耗最小化。

2.2 结晶系统

间断结晶和连续结晶是工业上常用的两种硫酸镍结晶工艺。两种工艺的选用主要考虑产品粒度分布与一致性、投资运行成本、操作稳定性和自动化水平要求等因素。

间断结晶工艺是分批次处理料液，使用的是带夹套和搅拌器的结晶釜。蒸发浓缩后的热硫酸镍液分批加入结晶釜，结晶釜夹套通入冷却水控制结晶母液温度，形成过饱和度，在搅拌器作用下形成晶核并促进晶体长大，保持温度反应一定时间后，一次性排出粒度满足要求的晶桨。间断结晶适用于小批量、多品种或对晶体粒度有特殊定制化需求的生产，产能越大，设备数量越多，占地越大，相应的操作劳动强度越大。

连续结晶则是使用连续结晶器，连续接收来自蒸发系统的浓度、流量稳定的硫酸镍溶液，连续产出晶浆。连续结晶器规格与进料流量匹配，以保证停留时间。内设挡板、导流板、搅拌等结构，以控制过饱和度、晶体浓度、粒度分布，维持良好的结晶条件。粒度满足要求的晶桨聚集在结晶器底部，连续排出送到下游工序。连续结晶工艺需要上游蒸发系统能连续稳定生产，可与MVR蒸发结合，在大规模生产工况下优势明显，具有生产效率高、综合能耗低、自动化程度高的优势。

常用的结晶器有导流筒折流板式结晶器（DTB）、奥斯陆（Oslo）结晶器。DTB结晶器的蒸发室通过顶部排气管与表冷器和真空泵连接，使结晶器内形成负压闪蒸，从而使溶液达到过饱和。结晶器的循环泵设置在底部，内设带钟形罩的导流筒。结晶生长区位于导流筒内，维持最高过饱和度，晶体在此与溶液充分接触实现表面生长；澄清区在挡板外侧环形区域，流速极低，细晶沉降回流、清液溢流排出，实现细晶消除；淘洗区在底部锥体，通过循环泵流态化分级使粗晶作为产品排出、细晶返回结晶器上层继续生长；循环区由导流筒驱动发生强制循环，使过饱和度、浓度、温度均匀化，并维持晶体悬浮。四个区域协同作用实现晶体分级，粗晶在底部排出。奥斯陆Oslo结晶器的循环泵设置在外部，溶液先在外部换热器中蒸发产生过饱和度，在设备蒸发室分离蒸汽后，由中央下行管送到结晶生长段底部，向上流过悬浮的晶体床层，使晶体在低过饱和度下缓慢生长，大颗粒晶体在底部富集并排出。

针对该厂所在地条件，为达到节能、占地小、自动化程度高、生产效率高的要求，选用连续结晶工艺。综合考虑硫酸镍黏度高、过饱和时易结晶的性质，应避免结晶器内部存在滞留晶体的“死区”。因此，选用不需要使用蒸汽加热的真空结晶器（DTB结晶器）。综合考虑杂质影响，结晶器与NiSO4接触的部件采用2205不锈钢，结晶器内部抛光等级为Ra 0.8μm。

结晶温度控制在50℃，结晶器底搅拌应具备在极端条件（高黏度、高固体浓度硫酸镍晶浆堆积）下运转的可能性。结晶器内部结构要具备合理的结晶粒度选择性，能够产出尽可能大粒度的结晶盐。结晶盐粒径要求D50>0.88 mm。

硫酸镍结晶工艺流程如图2所示，硫酸镍结晶工序的运行消耗见表3。

为实现蒸发-结晶-过滤的全过程自动化控制，可在关键物流节点设置控制仪表，通过DCS系统实现实时的自动控制。关键措施包括在蒸发器设在线温度表、压力表、密度监测，实现压缩机频率、料液预热的自动调节；在蒸发出液管设在线比重流量计监测溶液浓度和流量，实现连续结晶系统的即时调节，以应对物料波动。

为进一步保持连续结晶系统稳定生产，需采取排除结晶上清液积累的杂质、调节底搅拌等措施。因此，可在结晶器设压力表、温度表、比重流量计、固含量监测等一次仪表，实时监控母液、晶桨状态。通过自动阀实现结晶器上部母液开路，通过变频连锁、流量连锁实现稳定结晶环境。采用以上措施，蒸发结晶系统实现全流程自动化连续蒸发结晶，大幅降低人为操作失误率，确保产品粒度分布一致性和纯度。

2.3 产品制备

电池级硫酸镍产品通常为晶体或溶液，具体形式取决于下游需求。本项目产品要求为溶液，因此采用的工艺路线是先固液分离晶浆，分离的结晶母液送回蒸发系统和前工序回用，湿晶体先用热水反溶，然后精确定容配制成溶液产品。产品制备的流程如图3所示。

对于硫酸镍晶浆的固液分离，常用的设备有离心机、压滤机、真空带滤机。离心机利用高速旋转产生的强大离心力实现固液分离，物料在转鼓内快速旋转，密度较大的固体在离心力作用下被甩向鼓壁被拦截并积聚，而液体则通过转筒的筛孔被排出。该设备占地小，能实现大流量物料的快速分离。压滤机和带滤机则通过滤布实现固液分离。对于压滤机，浆料被泵入滤室后，在压力作用下液体穿过滤布成为滤液，固体则被截留形成滤饼，经过机械挤压，滤饼进一步脱水。而真空带滤机则是在重力作用下，增加真空室，用滤布将固体拦截在带滤机滤布表面，滤液穿过滤布被收集。压滤机能获得含水量低于10%的滤饼，为间歇操作；带滤机则是连续作业，自动化程度最高，进料波动对过滤的影响最小，其滤饼干燥程度低于离心机和压滤机。

压滤机因为间断操作的特点，过滤量越大，压滤作业工作量越大，需要的过滤面积和设备台数越多，不适合本项目工况。离心机具有占地小、连续作业、过滤效率高的优势，但对进料的流量、固含量、比重等有严格要求，当进料参数发生波动时，如不及时调节进料阀，分离效果会显著恶化，很容易发生跑混现象，离心机振动加剧，会对机械部件产生损伤。由于每批次原料成分存在波动，前端湿法冶金工序产量也会有波动，离心机操作需频繁应对进料波动的状况。目前的自动控制手段尚不能实现离心机进料的瞬时调整，更依赖操作经验丰富的人员现场调整，无法达到高度自动化的要求。真空带滤机同样适合连续大流量作业，有更宽的作业区间，自动化程度高，固液分离效率高，同样能满足本项目的湿晶体生产需求。因此，综合考虑到产能、占地投资、自动化要求和产品形式，选用真空带滤机作为固液分离设备。

晶体反溶和定容是使用纯净的水溶解硫酸镍晶体，并稀释配制到目标浓度获得溶液产品。为提高溶解效率，通常要在搅拌的基础上加热溶液。由于蒸发结晶系统会稳定产出温度约70℃的纯净二次冷凝水，因此，选用二次冷凝水来溶解配制硫酸镍溶液产品。此外，通过设置比重流量计和调节阀，大幅减少湿晶体产量波动对产品制备的影响，实现反溶、定容作业的全自动控制。二次凝水的使用使得蒸发结晶车间实现了水的内部循环。

为了避免磁性异物进入产品，分别在定容槽出液口、产品输出管道设置两级管道除磁器。硫酸镍溶液产品参数见表4。

2.4 硫酸镍母液处理系统

硫酸镍母液是蒸发结晶工艺的副产物。由于原料使用高冰镍，前端采用全湿法浸出+萃取工艺，硫酸镍料液中含有微量F-、Cl-、Ca、Mg、Si、溶剂油、大分子有机物等杂质，这些杂质不仅影响产品纯度，还会影响蒸发效率、结晶产能、设备安全。F-、Cl-的累积会腐蚀设备、管道，影响设备寿命和安全性。Ca、Mg、Si、溶剂油以及大分子有机物的积累，一方面会导致产品不达标，另一方面溶剂油、大分子有机物会在蒸发器中发生碳化或耦合，发生结垢导致蒸发效率降低，杂质成分在结晶器上部积累，表面发生起泡现象，会导致凝水夹带硫酸镍。更严重的是，杂质会导致结晶母液张力变化，妨碍晶体生长，导致细晶、爆晶现象，不仅会降低结晶产量，过细的晶体还会迅速堵住滤布孔隙，导致固液分离设备失效。

硫酸镍母液的开路管理是蒸发结晶车间的重要内容。综合考虑全厂工艺，母液采取主动开路的方式执行。大部分母液来自结晶浆液过滤，另一部分母液来自结晶器，通过在结晶器设置母液抽吸管道，定时抽出结晶器上层的低浓度高杂质含量的母液。大部分母液在系统内回流，直接返回蒸发原液。开路母液先稀释，使浓度低于过饱和度，此时杂质的盐析效应消失，络合物发生解离，进而溶解的Ca、Mg、Si等杂质会析出。母液经过压滤机过滤后，开路母液送回浸出和萃取工序除杂回收有价成分。由于萃取工序需连续使用硫酸镍溶液用于镍皂化[9][10]，因此，根据萃取所需要的硫酸镍量开路母液，即可将蒸发结晶系统内的杂质含量稳定在安全范围内。母液的循环和回用使得本车间废水产量为零。工艺流程如图4所示。

根据工程项目实际情况，采用国际先进的清洁生产和节能环保设计理念，对比常规的蒸发、结晶、过滤工艺后，最终指定了以MVR强制循环蒸发为核心，连续真空结晶（DTB），真空带滤过滤，连续反溶，连续定容的工艺路线。该工艺满足大规模生产电池级硫酸镍溶液需求，充分利用厂区的热回收水替代生蒸汽作为热源，二次凝水热能的梯级综合利用，满足能源高效使用的需求。高度集成化、连续化的设备选择使得蒸发结晶车间的自动化生产成为可能。该工艺具有运行稳定、全流程自动化、废水零排放、高效节能等优点，可为电池级硫酸镍的大规模生产提供一条可靠、经济的技术路径。

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