三元正极材料喷雾热解制备系统

1. 动力电池高镍（Ni≥60%）三元正极前驱体批量制备
2. 消费类中小颗粒 5 V 尖晶石、富锂锰基前驱体小试验证
3. 掺杂/包覆一体化改性（Al、Zr、Ti、B、W 等）一步完成
4. 可拓展至磷酸铁锂、钠电层状氧化物等其它粉体材料的小试-中试-万吨级生产

1. 溶液配制：按目标化学式 NiₓCoᵧMn₁₋ₓ₋ᵧ(OH)₂ 或 NiₓCoᵧAl₁₋ₓ₋ᵧOOH 配制 150–220 g L⁻¹ 氯化物/硝酸盐混合液，添加 0.2–2% 掺杂剂
2. 二流体雾化：0.3 MPa 压缩空气（或 N₂）在喷嘴混合腔将溶液破碎成 5–30 µm 液滴；Sauter 平均粒径 D32 可调，RSD ≤ 12%
3. 高温热解：液滴随载气进入 700–1000 ℃ 立式/卧式炉管，1–3 s 内完成：
   • 溶剂蒸发 → 盐类熔融 → 热分解 & 氧化 → 形核长大 → 致密球形氧化物
     主要反应：
     NiCl₂ + ½O₂ → NiO + Cl₂↑
     CoCl₂ + ½O₂ → CoO + Cl₂↑
     MnCl₂ + ½O₂ → Mn₂O₃ + Cl₂↑
     总 Cl₂ 经水吸收生成 31% 副产盐酸，循环用于浸出工序
4. 气固分离：采用“旋风 + 高温烧结金属滤筒 + 水冷刮板”三级收集，收率 ≥ 98%
5. 在线调控：激光粒度、红外测温、氧探头信号接入 DCS，实现温度闭环 ±3 ℃、氧分压 ±0.5% 控制

1. 产能：实验室 0.5 kg h⁻¹，中试 20 kg h⁻¹，工业单线 200 kg h⁻¹（5000 t y⁻¹）
2. 炉温：700–1000 ℃，程序升温速率 5 ℃ min⁻¹，恒温区温差 ≤ ±5 ℃
3. 热解停留时间：1–3 s 可调
4. 雾化气液比：0.8–1.5 m³ (STP) kg⁻¹
5. 粉体指标：
   • D50：0.5–5 µm 可调
   • 振实密度：≥1.4 g cm⁻³
   • 比表面积：3–8 m² g⁻¹
   • Cl⁻ 残留：≤ 300 ppm
6. 系统压降：≤ 4 kPa
7. 能耗：≤ 1.1 kg 标煤 kg⁻¹ 粉体（含尾气处理）
8. 尾气：Cl₂ ≤ 5 mg m³，粉尘 ≤ 10 mg m³，符合 GB 31573-2015 特别排放限值

1. 炉管：
   • 材质：内层 310S+渗铝（Al 1.5 mm 扩散层）双层复合，外层 Q345R 承压壳体；耐 Cl₂ + O₂ + HCl 高温腐蚀速率 ≤ 0.08 mm a⁻¹
   • 结构：立式上喷下出，5 m 恒温区，多点柔性加热模块，可整体抽出维护
   • 内衬可更换：卡箍式 3 段插接，检修时 30 min 完成拆卸
2. 加热元件：Fe-Cr-Al 波纹带，表面喷涂 YSZ 热障涂层，寿命提升 30%；分区可控硅调功，单区故障可独立更换
3. 喷嘴：哈氏合金 C-276 二流体结构，中心液体孔 φ0.8–1.2 mm 可拆套筒式，30 s 完成规格切换
4. 保温：1260 型多晶莫来石纤维，热面 1200 ℃ 收缩率 <1%，冷面温度 ≤ 55 ℃（室温 20 ℃）
5. 密封：炉头双层石墨环 + 不锈钢波纹管组合，保证 0.2 MPa 正压无泄漏
6. 控制系统：
   • PLC + 15″ 触摸屏，支持 OPC-UA 远程诊断

   • 关键参数双探头冗余（温度、氧分压、差压）

使用注意事项(含加热元件)

升温阶段 ≤5 ℃ min?1,禁止直接从室温跳升至 800 ℃ 以上,防止 Fe-Cr-Al 带因热冲击脆化

炉内严禁混入 K2CO3、Na2CO3 等碱金属盐,避免与炉管渗铝层生成低熔点共晶,导致点蚀穿孔

停机时先停止供液,继续通载气 15 min 冷却喷嘴,防止盐析堵塞

加热元件更换必须断电后等待炉温 <60 ℃,并佩戴防静电手套,防止波纹带折弯产生微裂纹

每月检查炉管内壁腐蚀层,若局部减薄 >1 mm 需及时转动或更换内衬,避免应力集中

尾气洗涤塔循环泵不得断水运行,否则 HCl/Cl2 倒灌将瞬间腐蚀加热接线端子

长时间停用(>7 天)需对炉膛充 N? 保护,并在加热元件表面喷涂酒精脱水,防止 Al-Fe 渗层吸湿鼓包

严禁带压拆卸炉管快开卡箍,必须确认炉压归零并冷却至 <60 ℃ 方可作业

1. 腐蚀机理
   硅碳棒表面在 900 ℃ 以上、O₂ 与微量 H₂O 存在时会生成 SiO₂ 保护膜：
   SiC + 2 O₂ → SiO₂ + CO₂
   但三元热解尾气中含 0.5–2% Cl₂/HCl，SiO₂ 膜会立即被氯化：
   SiO₂ + 4 HCl → SiCl₄↑ + 2 H₂O
   SiCl₄ 沸点仅 57 ℃，瞬间挥发，膜层不断被剥离，SiC 基体暴露后进一步氯化：
   SiC + 2 Cl₂ → SiCl₄↑ + C
   导致棒体“粉化”掉皮，电阻呈指数上升，平均寿命 <500 h（现场实测）。
2. 强度与几何限制
   硅碳棒为实心或空心管状，脆性大，喷雾炉需立式 5 m 恒温区，棒体必须水平横插；跨度 >1.5 m 时，自重+高温蠕变极易断裂。Fe-Cr-Al 波纹带厚度 0.4 mm，柔性悬挂，无跨度限制，热震 20 次不开裂。
3. 表面负荷与功率密度
   硅碳棒允许表面负荷 ≤15 W cm⁻²，若想达到 20 kW m⁻¹ 功率需多根并联，炉壁开孔增多，密封困难且热短路点增多。Fe-Cr-Al 带可承受 ≤25 W cm⁻²，单带功率密度高，布线简洁，炉膛开孔减少 60%，降低 Cl₂ 泄漏风险。
4. 成本与维护
   硅碳棒进口棒单价 ≈￥1200/支，每 500 h 全炉更换一次，吨粉体耗材成本增加 ￥180。Fe-Cr-Al 带单价 ￥260 kg，一次性安装运行 8000 h，吨粉体耗材成本仅 ￥25，且 30 min 可现场抽换单区，无需停炉降温到室温。
5. 涂层可拓展性
   Fe-Cr-Al 表面可电弧喷涂 YSZ、Al₂O₃ 或渗铝层，进一步把腐蚀速率降到 <0.05 mm a⁻¹；硅碳棒无法做金属涂层，表面一旦氯化剥落，无修复手段。