Обеспыливание при производстве материалов для литиевых батарей

Когда говорят про обеспыливание в этой отрасли, многие сразу думают о стандартных рукавных фильтрах или электрофильтрах. Но с катодными материалами вроде NMC или LFP — это другая история. Пыль здесь не просто ?грязь?, это активный материал, часто дорогой, с частицами в субмикронном диапазоне, к тому же гигроскопичный и требовательный к чистоте атмосферы. Основная ошибка — пытаться решить вопрос ?постфактум?, ставя фильтры на выходе из сушилки или мельницы. На деле, процесс надо выстраивать как систему, начиная с подачи сырья и заканчивая упаковкой.

Где кроются реальные проблемы, а не ?бумажные? нормы

Возьмем, к примеру, участок разгрузки и транспортировки литий-кобальтового оксида после кальцинации. Материал хрупкий, абразивный. Стандартные решения с аспирацией в местах пересыпа создают мощный воздушный поток, который дробит агломераты и увеличивает фракцию мелкой, самой ?летучей? пыли. Получается, мы не столько решаем проблему, сколько создаем новую. Приходится балансировать между силой отсоса и сохранением гранулометрии. Здесь часто ошибаются, завышая производительность аспирационных систем.

Еще один нюанс — статическое электричество. Сухая, мелкодисперсная пыль катодных материалов сильно электризуется. Она липнет к стенкам воздуховодов, забивает фильтры не по принципу образования пылевого слоя, а образуя плотные, сложно стряхиваемые отложения. Многие поставщики оборудования этого не учитывают, предлагая типовые решения с синтетическими рукавами. В реальности нужна комплексная система заземления, а иногда и активная ионизация воздуха на входе в фильтр.

И конечно, влага. В цехе, где идет смешение, где стоит оборудование для нанесения покрытия, параметры влажности критичны. Система обеспыливания, которая затягивает влажный воздух из общего объема цеха, а потом подает осушенный обратно — это отдельная инженерная задача. Часто видят только фильтр, забывая про осушители и температурные режимы. В одном из проектов мы столкнулись с тем, что конденсат образовывался внутри самого рукавного фильтра после остановки линии, что приводило к комкованию пыли и выходу из строя целых секций.

Опыт и неудачи: почему не все материалы фильтров одинаковы

Раньше мы много экспериментировали с различными мембранными покрытиями для фильтровальных рукавов. Стандартный полиэстер с PTFE-мембраной хорошо работал на фосфатах железа, но оказался совершенно неэффективен при работе с пылью, содержащей остатки лития. Щелочная природа вызывала постепенную деградацию мембраны, падение прочности. Это был дорогой урок.

Тогда мы обратили внимание на решения, предлагаемые компанией ООО Чэнду Итай Технология. Их профиль — металлические мембранные материалы и технологии для агрессивных сред. Идея использовать спеченную металлическую мембрану для тонкой очистки высокотемпературных газов показалась радикальной, но логичной для нашей задачи. Мы тестировали их материалы на участке рекуперации пыли после распылительной сушки. Ключевым был момент термостойкости и химической инертности. Подробнее об их подходах можно узнать на их сайте: https://www.yitaicd.ru. Их технологии мембранного разделения и экологически чистые процессы очистки, как указано в описании компании, действительно являются пионерскими, и в нашем случае это подтвердилось устойчивостью к микро-абразивному воздействию.

Переход на металлические фильтрующие элементы — это не просто замена ?мешка?. Это изменение всей логистики обратной продувки (здесь нужен меньший объем, но более высокое давление) и системы рекуперации пыли. Зато мы получили возможность эффективно улавливать и возвращать в процесс наиболее ценную, тонкую фракцию (<1 мкм), которую раньше теряли или которая уходила в выброс. Экономический эффект перекрыл высокие первоначальные затраты лет за пять.

Системный взгляд: интеграция с технологическим процессом

Самое важное, что я усвоил — обеспыливание нельзя проектировать отдельно от технологов. Например, скорость подачи материала на вибросито напрямую влияет на количество аэродинамической пыли. Небольшая корректировка режима (скажем, установка делителя потока) может снизить пылеобразование на 20%, сделав ненужным наращивание мощности аспирации. Это простая, но часто упускаемая из виду взаимосвязь.

Еще один аспект — безопасность. Литиевые пыли — это не только вред для здоровья оператора, но и, в определенной концентрации, риск возгорания. Система обеспыливания должна быть спроектирована с учетом взрывозащиты: искробезопасные вентиляторы, взрывные клапаны, система подавления пламени. Это не та статья расходов, на которой можно экономить. Мы однажды наблюдали инцидент с возгоранием в бункере-накопителе пыли из-за статического разряда. После этого все проекты проходят обязательную проверку на соответствие ATEX-директивам.

Также стоит помнить про утилизацию. Не вся уловленная пыль пригодна для возврата в основной процесс. Например, пыль, собранная с пола или с внешних поверхностей оборудования, часто загрязнена. Для нее нужна отдельная система сбора и процедура утилизации как отходов, содержащих тяжелые металлы. Это тоже часть общей системы обеспыливания при производстве материалов для литиевых батарей.

Экономика процесса: считать не только капитальные затраты

При выборе системы часто смотрят только на ценник оборудования. Но основные расходы — эксплуатационные. Энергопотребление вентиляторов высокого давления, замена фильтровальных элементов, обслуживание. Металлические мембраны, о которых я говорил, имеют срок службы в разы больше, чем тканевые, но требуют более качественной предварительной очистки газа от крупных частиц. Пришлось дорабатывать систему циклонов-предочистителей. Вложения окупились за счет сокращения простоев на замену рукавов и снижения потерь давления.

Рекуперация материала — это прямая экономия. Посчитайте стоимость одного килограмма, скажем, NMC 811. Потеря даже 0.1% от общего выхода в виде неучтенной пыли — это огромные суммы в масштабе года. Современные системы с импульсной продувкой и точным управлением позволяют возвращать в процесс до 95% уловленной технологической пыли. Это превращает систему из статьи расходов в инструмент экономии сырья.

Есть и ?мягкие? факторы. Улучшение условий труда снижает текучесть кадров на ?пыльных? участках. Соблюдение экологических норм избавляет от штрафов и проблем при расширении производства. Эти моменты сложно выразить в цифрах в ТЭО, но они критически важны для устойчивой работы завода.

Взгляд в будущее: что еще можно улучшить

Сейчас мы смотрим в сторону интеллектуальных систем. Датчики перепада давления — это уже стандарт. Интереснее датчики, анализирующие состав пыли в реальном времени на выходе из фильтра, или системы, которые по изменению характеристик импульсной продувки прогнозируют необходимость обслуживания. Пока это дорого, но тренд очевиден.

Еще одна точка роста — интеграция систем обеспыливания с общим контуром климат-контроля цеха. Чтобы не бороться с последствиями, можно управлять причиной: поддерживать оптимальную влажность и температуру в зонах наибольшего пылеобразования, минимизируя саму возможность перехода материала в аэрозольное состояние. Это требует слаженной работы технологов, экологов и инженеров КИПиА.

В итоге, возвращаясь к началу. Обеспыливание — это не ?коробка с фильтрами?, которую можно купить по каталогу. Это инженерная система, глубоко встроенная в технологическую цепочку, требующая понимания физико-химии материалов, аэродинамики, вопросов безопасности и экономики. Каждый проект — это поиск компромисса и уникальное решение. И, как показывает практика, в том числе и опыт работы с материалами от ООО Чэнду Итай Технология, ключ к успеху часто лежит в применении специализированных, а не универсальных решений, особенно когда речь идет о таких высокотехнологичных и требовательных продуктах, как материалы для литиевых батарей.