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一、概述
磷酸铁锂具有橄榄石晶体结构，是近年来发展极为迅速的锂离子电池正极材料。其理论容量为 170mAh/g，在没有掺杂改性时其实际容量已高达110mAh/g。通过对 LiFePO4 进行表面修饰，其实际容量可高达 165mAh/g，已经非常接近理论容量。工作电压范围为 3.4V 左右。相较于其他正极材料：钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂，LiFePO4 具有高稳定性、更安全可靠、更环保并且价格低廉。
二、内容组成
建设年产磷酸铁锂正极材料 5 万吨，设置 4 条生产线
建设磷酸铁锂生产车间 4 栋（设置4 条生产线），配套建设变电站、纯水站、制氮站、冷冻水循环站、空压站、污水处理站、消防水池及泵房、综合楼、倒班宿舍等建筑物，总建筑面积 78256.72 平米，购置安装上料系统、研磨系统、喷雾干燥系统、烧结系统、粉碎包装系统等生产设备与相关辅助设备，形成年产 5 万吨磷酸铁锂正极材料生产能力。
三、产品规模
四、产品、技术指标
五、设备清单
六、原辅料消耗
七、原辅料指标
磷酸铁：又名磷酸高铁、正磷酸铁，分子式为 FePO4，是一种白色、灰白色单斜晶体粉末。是铁盐溶液和磷酸钠作用的盐，其中的铁为正三价。其主要用途在于制造磷酸铁锂电池材料、催化剂及陶瓷等。磷酸铁作为锂离子电池的嵌入电极，随着材料工程师克服了电导率问题，近年来其作为电极材料使用越来越普遍。由于 FePO4 对热稳定，普遍较易循环利用，它是电动汽车电池的理想电极材料。
碳酸锂：一种无机化合物，化学式为 Li2CO3，为无色单斜晶系结晶体或白色粉末。密度 2.11g/cm3，熔点 723℃（1.013×105Pa）溶于稀酸，微溶于水，在冷水中溶解度较热水下大。不溶于醇及丙酮。加热至沸点时开始部分分解成氧化锂和二氧化碳。用于制取各种锂的化合物、金属锂及其同位素；还用于制备化学反应的催化剂；半导体、陶瓷、电视、医药和原子能工业也有应用；分析化学中用作分析试剂；在锂离子电池中有应用；在水泥外加剂里作为促凝剂使用。CAS 号：554-13-2。加热至沸点时开始部分分解成氧化锂和二氧化碳。Li2CO3（加热）＝Li2O＋CO2；②溶于酸 Li2CO3＋2H+＝2Li+＋H2O＋CO2。
葡萄糖：有机化合物，分子式 C6H12O6。是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，它是一种多羟基醛。纯净的葡萄糖为无色晶体，有甜味但甜味不如蔗糖，易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。天然葡萄糖水溶液旋光向右，故属于“右旋糖”。葡萄糖在生物学领域具有重要地位，是活细胞的能量来源和新陈代谢中间产物，即生物的主要供能物质。植物可通过光合作用产生葡萄糖。在糖果制造业和医药领域有着广泛应用。葡萄糖（Glucose）无色结晶或白色结晶性或颗粒性粉末；无臭，味甜，有吸湿性，易溶于水。密度：1.544g/cm3；熔点：153-158ºC；沸点：410.797º，Cat760mmHg；闪点：202.243ºC；折射率：n20/D1.362；储存条件：2-8º
钛酸四丁酯：是一种有机化合物，分子式为 C16H36O4Ti，用于酯交换反应，应用涂料可提高抗热性能(可耐热至 500℃），改进涂料、橡胶及塑料对金属表面的粘附，也用作缩合催化剂、交联剂。为无色至淡黄色透明液体，能溶于除酮以外的大部分有机溶剂，置于空气中易固化为透明细片，遇水分解，易燃，低毒；相对密度 0.996；凝固点：-55℃；沸点：310~314℃；折射率：1.486~1.497；闪点：76.7℃。对水有非常高的化学活性，水解生产 Ti（OH）4和正丁醇（C4H9OH）。
二氧化钛：是一种无机物，化学式为 TiO2，白色固体或粉末状的两性氧化物，分子量 79.9，具有无毒、最佳的不透明性、最佳白度和光亮度，被认为是现今世界上性能最好的一种白色颜料。钛白的粘附力强，不易起化学变化，永远是雪白的。广泛应用于涂料、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、化妆品等工业。它的熔点很高，也被用来制造耐火玻璃，釉料，珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等。
柠檬酸：柠檬酸（CA），又名枸橼酸，分子式为 C6H8O7，是一种重要的有机酸，为无色晶体，无臭，有很强的酸味，易溶于水。
聚乙二醇：一种高分子聚合物，化学式是 HO(CH2CH2O)nH，无刺激性，味微苦，具有良好的水溶性，并与许多有机物组份有良好的相溶性。具有优良的润滑性、保湿性、分散性、粘接性，可作为抗静电剂及柔软剂等使用，在化妆品、制药、化纤、橡胶、塑料、造纸、油漆、电镀、农药、金属加工及食品加工等行业中均有着极为广泛的应用。根据建设单位提供资料分析，项目使用的聚乙二醇分子量高，在低温条件下不发生反应。
分散剂：是一种在分子内同时具有亲油性和亲水性两种相反性质的界面活性剂。可均分散那些难于溶解于液体的无机，有机颜料的固体及液体颗粒，同时也能防止颗粒的沉降和凝聚，形成安定悬浮液所需的两亲性试剂。根据建设单位提供的资料分析，使用的分散剂在 20℃下呈液体，含固体量约为 50.3%，丁醇含量约为 0.04%，pH 约为6.0。
八、生产技术方案的确定和技术来源
目前磷酸铁锂的常规制备方法有固相反应法和液相合成法，固相法是目前最为成熟也最常用的一种方法。固相反应法包括高温固相反应法、碳热还原法、喷雾热解法、微波合成法等。
①高温固相反应法。高温固相反应法制备磷酸铁锂是目前发展最为成熟也是使用最广泛的方法。将铁源、锂源、磷源按化学计量比均匀混合干燥后，在惰性气氛下，首先在 较 低 温 度 （ 300~350℃ ）下烧结 5~10h ，使原材 料 初 步 分 解 ， 然 后 再 在 高 温（600~800℃）下烧结 10~20h 得到橄榄石型磷酸铁锂。高温固相法合成磷酸铁锂工艺简单，制备条件容易控制，缺点是晶体尺寸较大，粒径不易控制、分布不均匀，形貌也不规则，产品倍率特性差。
②碳热还原法。碳热还原法是在原材料混合中加入碳源（淀粉、葡萄糖等）做还原剂，通常和高温固相法一起使用，碳源在高温煅烧中可以将 Fe3+还原为 Fe2+，避免了反应过程中 Fe2+变成 Fe3+，使合成过程更加合理，但是反应时间相对较长，对条件的控制更为严苛。
③喷雾热解法。喷雾热解法是一种得到均匀粒径和规则形状的磷酸铁锂粉体的有效手段。前驱体随载气喷入 450~650℃的反应器中，高温反应后得到磷酸铁锂。喷雾热解法制备的前驱体雾滴球形度较高、粒度分布均匀，经过高温反应后会得到类球形的磷酸铁锂。磷酸铁锂球形化有利于增加材料的比表面积，提高材料的体积比能量。
④微波合成法。合成时间短，能耗低，仅适合实验室的研究。
⑤水热合成液相法。水热法属于液相合成法，尚未规模化。是指在密封的压力容器中以水为溶剂，通过原料在高温高压的条件下进行化学反应，经过滤洗涤、烘干后得到纳米前驱体，最后经高温煅烧后即可得到磷酸铁锂。水热法制备磷酸铁锂具有容易控制晶型和粒径，物相均一，粉体粒径小，过程简单等优点，但需要高温高压设备，成本高，工艺比较复杂。
结合公司目前实际的生产及现有技术力量和自主研发成果，从环保效益、经济效益和技术可行性的最佳选择出发，比对各种磷酸铁锂合成工艺的优缺点合理确定本技术方案。
磷酸铁锂合成采用的液相喷雾新工艺保证了反应各组分材料达到分子级别的混合，在较低的合成温度和较短的反应时间合成材料，具有能耗低、晶粒尺寸，球形度以及分散性可控的优点；本项目拓展了磷酸铁锂正极材料合成的原料选择性，固相烧结法多使用磷酸二氢锂作为生产原料，而使用化工锂盐作原料，降低了原料成本；同时，采用有机碳包覆和复合高价阳离子掺杂改性，提高了材料的电化学性能。
九、生产工艺
1）磷酸铁锂生产工艺
对外采购磷酸铁、碳酸锂、葡萄糖、柠檬酸、聚乙二醇、钛酸四丁酯（或二氧化钛）、分散剂等原材料，原材料经配比研磨后，使用喷雾干燥法获得磷酸铁锂前驱体，经烧结工艺获得产品磷酸铁锂，最后经气流粉碎、过筛除铁、包装检验后存于成品库。
磷酸铁锂生产工艺流程及产污环节如图所示。
工艺简述：
原料配料：外购原料采用行吊吊至投料站拆包设备内，自动化拆包后通过振动或气缸推袋式下料，物料下料后通过密闭真空给料机输送至原料仓暂存。拆包设备为封闭箱体，投料过程产生的粉尘经设备内密闭收集。物料经原料仓暂存后，按工艺配方比例进行自动称重计量配料。计量方式采用减重计量形式，通过真空给料机将物料输送至预分散罐混合。此工序产生少量的粉尘（G1）和废弃包装袋（G1），产生的粉尘经过设备密闭收集后经滤筒除尘器处理，处理后的废气在车间无组织排放。
混合研磨：采用湿法工艺研磨物料。把磷酸铁、碳酸锂、葡萄糖、柠檬酸、聚乙二醇、钛酸四丁酯、分散剂、去离子纯水等按一定比例通过自动输料管道加入到分散罐内。进行分散均质混合，使物料粒径小于 50 目，转入砂磨机进行粗砂磨，使物料粒度小于 100 目，然后转到细砂磨，使物料粒度小于 150 目。研磨过程中需要使用冷却水对研磨设备进行冷却，使物料保持低温状态，冷却水经过循环冷却水池和冷却塔冷却后循环使用。由于研磨工序密闭且物料湿润，故该工序无粉尘产生。其中需要对研磨设备进行清洗，故该过程产生研磨设备清洗废水（W1）及噪声（N1）。同时生产中加入的钛酸四丁酯遇水反应生产 Ti（OH）4和正丁醇（C4H9OH）。同时项目的冷却循环水定期排水。
喷雾干燥：根据资料分析，项目的喷雾干燥设计为开式对流干燥系统，齿轮传动离心雾化、微负压运行。干燥介质（空气）经初效过滤器、中效过滤器两级过滤，由鼓风机吸入送给天然气热风炉加热至 280±20℃，进入热风蜗壳，在热风分配器控制下螺旋进入干燥室。料液由螺杆泵输送给离心雾化器，雾化器将料液分散成小的雾滴，雾滴与热空气充分接触混合螺旋沉降，在螺旋沉降过程中实现干燥，料液中的固体物形成粉料，料液中的水溶剂生成水蒸汽。干燥后的半成品的含水量低于 4%，同时制备产生半成品D50 为 15～30um。半成品连续地由干燥塔底部输出。此工序产生粉尘、有机废气（G3）及噪声（N2）。
原料中的分散剂、钛酸四丁酯中的正丁醇（C4H9OH）、丁醇在 280±20℃之间发生挥发（挥发量约为 1%左右，挥发温度为 117.1℃），挥发产生的非甲烷总烃，经设置的排气筒有组织排放。
干燥热源由直燃式热风炉提供，设计温度在 280±20℃，设计天然气耗气量为480m3/h，产品出口温度为 70℃。热风炉燃烧产生的烟气经干燥塔后，经脉冲袋滤器除尘处理后，经设置的排气筒有组织排放。喷雾干燥具体工艺见图 所示。
产污环节：含尘尾气经脉冲袋滤器（除尘效率 99%）收尘排入排气通道，汇集后有组织排气筒排空。脉冲袋滤器收集到的物料和喷雾干燥机物料一同进入生产的下一工序。排气筒排放的废气主要为蒸发的水蒸汽、其携带的物料干燥粉尘、天然气燃烧废气、非甲烷总烃。
烧结：真空上料，采用密封辊道窑炉烧结产品，首先按照烧结工艺要求设置好各温区烧结温度在 700-800℃（本项目辊道窑采用电加热），然后采用石墨匣钵装料放置于辊道上，随辊道滚动带动匣钵前进从而同时完成烧结。在高温条件下，原料中的聚乙二醇发生分解，形成挥发性有机物（以非甲烷总烃计），同时葡萄糖裂解生成 C2-C5 等短链有机物（以非甲烷总烃计）及 CO、CO2、H2O 和 H2。根据分析，项目烧结工序中的物料振实及匣体清扫过程中会产生粉尘（G3），产生的粉尘经布袋除尘器处理后，车间无组织排放。
烧结过程涉及的化学反应如下：在无氧条件下，葡萄糖先受热分解生产碳单质和H2O，生成的碳单质一部分作为还原剂将磷酸铁中的三价铁还原成磷酸铁锂中的亚铁，一部分碳单质吸附在磷酸铁锂产品表面，增加产品的导电能力。整个反应原理是以碳源作为还原剂，在炉窑中进行简单的高温还原反应，将三价铁还原成亚铁。高温烧结过程涉及的具体化学方程式如下：
C6H12O6→6C+6H2O
2FePO4+Li2CO3+C→2LiFePO4+CO2+CO
因为要把三价铁还原成亚铁，所以将制氮机制备高纯氮气通入轨道窑炉，制造惰性的氮气气氛来进行保护，在高温下合成 LiFePO4 产品，烧结成的物料冷却后送至粉碎分级工段。
烧结工序采用动态连续式气氛辊道烧结窑，实现从低温到高温反应的运行控制、气氛控制和动态压力平衡点的准确控制，排气连续通畅。烧结物料放置于石墨匣钵内，采用电能连续加热烧结，石墨匣在辊道窑炉中以 1.5~2.0m/h 的速度通过窑体。其中烧结物料位于升温阶段约为 6h 左右，700℃~800℃恒温阶段约为 11h，降温阶段约为6h。烧结反应过程中没有烟尘、SO2 等大气污染物的产生，排放废气中主要成分为CO2、CO、水蒸气、非甲烷总烃（G5）。
根据设计资料分析，整个窑炉四大部分，即窑体、气氛控制系统、温度控制系统和传动系统，其气氛轨道结构示意图见图 所示。
①直插式钢板闸；②进口置换室；③碳化硅辊棒；④排胶管道；⑤保温烟囱；⑥陶瓷纤维保温板；⑦加热管；⑧水冷翅片；⑨出口置换室
轨道窑炉产生的废气 CO2、CO、H2、C2-C5 的烃类、非甲烷总烃等、磷酸铁锂粉尘的挥发，磷酸铁锂装置的轨道窑炉尾气等均通过轨道窑排气口排出，进入轨道窑炉配套的尾气焚烧炉处置，处置后经排气筒排放。主要用于处理废气中的 CO、H2、C2-C5 的烃类或非甲烷总烃，焚烧炉前设置一座缓冲罐，废气中比重较大的油类物质如 C4 及 C5 烃类等物质大部分在缓冲罐内沉降，形成焦油，属于危险废物，委托有资质的单位处理。
废气进入焚烧炉，采用天然气助燃，废气中的 CO、H2、C2-C5 的烃类或非甲烷总烃通过焚烧分解为二氧化碳和水，焚烧炉炉温为 620-730℃，废气停留时间＞1s，保证废气中的 CO、H2、C2-C5 烃类或非甲烷总烃充分焚烧分解，焚烧后的废气经补风降温至120℃通过高温引风机达标外排。具体单套尾气处理工艺见图所示。
气流粉碎：为了便于粉碎粒径的控制，本项目烧结之后的物料需要进行气流粉碎，烧结之后的物料通过气流输送至气流粉碎工序进行气碎。气流粉碎采用流化床式气流粉碎机，压缩空气经粉碎室周围的四只拉法尔喷嘴加速形成超音速气流，在粉碎区内，物料在超音速气流中被加速的物料颗粒在喷出气流的交汇点相互对撞粉碎。粉碎后的物料被上升气流送至分级区，分级轮高速旋转，合格细粉随气流送入旋风分离器、滤筒除尘器收集，未达到细度的粗粉返回粉碎区继续粉碎。经除尘过滤后的气体返回风机涡轮内再次通过风机涡轮输送至粉碎机，气体内部循环，不外排。该工序会产生噪声。
过筛除铁：从上工序气碎好的物料通过气流输送，将气碎好的产品分级与捕集料按一定比例混合后，进行过筛除铁。真空上料，将粉碎后的产品依次经过筛分机，除铁器，以去除产品中的磁性杂质。除铁容器密闭，过筛除铁之后的成品通过密闭管道输送至真空包装机。工作过程中无粉尘产生，产生少量除磁铁屑（S4），经收集后外售处理。
包装：产品包装工序在密闭的包装车间中进行，粉体产品经给料机送入自动真空包装机中进行真空包装。该工段会产生包装粉尘、噪声、废旧包装。
检验入库：产品取样送检，检测产品电容量及充、放电次数，为物理实验，产生的不合格品集中收集后处理，合格品入库。
十、物料平衡
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