리튬인산철(LFP) 생산 공장은 인산철, 탄산리튬, 포도당을 주요 원료로 사용합니다. 인산과 이산화티타늄은 첨가제로 사용됩니다. 이 공장은 혼합 배합, 조분쇄 및 정분쇄, 분무 건조, 소결, 분쇄, 배치 혼합 및 체질, 자력 분리 및 포장을 포함한 일련의 공정을 통해 LFP 분말을 생산합니다.
자세한 생산 공정은 아래와 같습니다.
1. 배치 및 분산
이 단계에서는 인, 철, 리튬, 당, 인산, 폴리에틸렌 글리콜, 이산화티타늄 등 6가지 원료가 사용됩니다.
전동 호이스트가 톤백에 담긴 원료를 들어 올려 공급 스테이션에 연결합니다. 공급 스테이션에서 톤백을 개봉하고, 특정 비율에 따라 원료를 배합 탱크에 투입합니다. 동시에 계량된 양의 고순도 물을 탱크에 추가합니다. 원료와 물은 비례적으로 혼합됩니다. 분산기의 작용으로 원료는 탱크 내부에서 순환하며 분산되어 슬러리가 완전히 혼합될 때까지 진행됩니다.
- 환경 영향/오염 노드: 하역 과정에서 일정량의 분진 함유 배기가스(G1)가 발생합니다. 이 가스는 포집되어 백필터로 처리된 후 배출 기준을 충족하며, 32미터 높이의 굴뚝을 통해 배출됩니다. 백필터에 포집된 모든 분진은 다시 배합 단계로 되돌아갑니다. 또한, 이 과정에서 폐포장용 봉투가 발생합니다.
2. 거친 및 미세 분쇄
리튬인산철(LFP) 슬러리는 다이어프램 펌프를 통해 밀폐형 조분쇄 비드 밀(8세트)로 이송된다. 조분쇄를 통해 재료 입자 크기(D50)는 1~2μm 미만으로 감소된다.
거친 분쇄 후, 슬러리는 여과를 위해 필터 카트리지를 통과하고, 이어서 철 제거기를 거쳐 철 불순물을 제거합니다. 처리된 슬러리는 미세 분쇄를 위해 밀폐형 미세 분쇄 비드 밀(16세트)로 이송됩니다. 이 단계를 통해 입자 크기(D50)는 0.3~0.5μm 미만으로 더욱 감소합니다. 거친 슬러리 여과 후 남은 잔류물은 재분쇄를 위해 다시 거친 분쇄기로 되돌려집니다.
조분쇄 및 미분쇄 공정 모두 분쇄기의 온도를 낮게 유지하기 위해 냉각수가 필요합니다. 사용된 냉각수는 냉각수 풀로 되돌아가고, 재사용 전에 얼음물 냉각 시스템을 통해 다시 냉각됩니다. 조분쇄 및 미분쇄 공정은 완전히 밀폐되어 있고 재료를 습식으로 처리하기 때문에 분진이 발생하지 않습니다. 미분쇄된 슬러리는 최종적으로 LFP 슬러리 탱크로 들어갑니다.
- 환경 영향/오염 노드: 분쇄기 세척 과정에서 일정량의 폐수(W1)가 발생합니다. 이 폐수는 공장 내 폐수 처리장에서 기준치를 충족한 후 방류됩니다. 철 제거 공정(전자기 슬러리 철 제거기 8세트 사용)에서는 소량의 금속 스크랩(S1, S2)이 발생하며, 이는 외부로 판매됩니다.
3. 젖은 다리미 제거
분쇄된 슬러리는 전자기 건식 분말 철 제거기에 투입되어 제품에서 자성 불순물을 제거합니다. 철 제거기는 완전히 밀폐되어 있습니다. 체질 및 철 제거 과정을 거친 원료는 분무 건조기로 들어갑니다.
- 환경 영향/오염 노드: 자석 제거 공정에서는 주로 철 금속인 소량의 자성 물질(S2)이 생성됩니다. 이러한 물질은 외부에서 판매됩니다.
4. 분무 건조
고온 송풍로에서 발생한 고온의 연소가스는 분무건조탑 상단의 공기분배기(4세트)로 유입됩니다. 고온의 공기는 나선형 패턴으로 건조실 내부로 균일하게 유입되어 약 300°C의 온도에 도달합니다.
LFP 슬러리는 스크류 펌프를 통해 건조탑 상단의 고속 원심 분무기로 이송됩니다. 슬러리는 매우 미세한 안개 입자로 분무됩니다. 이 입자들은 뜨거운 공기와 직접 접촉하며 혼합된 후 나선형으로 침전됩니다. 슬러리 내의 수분은 즉시 증발합니다. 매우 짧은 시간 내에 사전 코팅된 인산철과 탄산리튬으로 구성된 건조 분말이 생성됩니다. 이 반제품 분말은 분무 건조탑 하단의 백필터에 포집됩니다. 백필터로 유입되는 배기가스의 온도는 수증기의 이슬점보다 높게 유지됩니다.
- 환경 영향/오염 노드: 분무건조탑을 지지하는 열풍로는 천연가스를 연료로 사용합니다. 천연가스 연소로 발생하는 고온의 연소가스는 가열을 위해 재료와 직접 접촉합니다. 열풍로에서 배출되는 연소가스(G2-1)와 건조 배기가스(G-2)는 합쳐져 백필터(4세트)를 거쳐 처리된 후 굴뚝을 통해 배출됩니다. 필터에 포집된 재료는 밀폐된 파이프를 통해 다음 공정으로 이동합니다.
5. 소결
건조된 분말 재료는 소결 전에 저장 탱크로 이송됩니다. 자동 적재 장치를 통해 소결로로 보내진 후, 질소 가스로 보호되는 환경에서 600~700°C 이상의 고온으로 가열됩니다. 리튬 인산철(LFP)은 22시간의 단일 배치 소성 시간을 거쳐 항온 소성 방식으로 생산됩니다.
이 공정 동안 소결로는 보호 분위기 조성을 위해 질소 가스로 채워집니다. 이는 환원된 2가 철(Fe²⁺)이 3가 철(Fe³⁺)로 산화되는 것을 방지합니다. 소결로는 외부 공기의 유입을 차단하기 위해 완전히 밀폐된 구조를 갖추고 있습니다.
소결 과정에서 발생하는 주요 화학 반응은 다음과 같습니다.
- 탄산리튬은 분해되어 이산화탄소를 방출하고 산화리튬을 생성합니다: Li2CO3→Li2O+CO2
- 포도당은 불활성 기체 분위기 하에서 탄소와 물로 분해됩니다: C6H12O6→6C+6H2O
- 인산철과 산화리튬은 탄소 환원 반응을 통해 LFP를 합성합니다. 전체 반응식은 다음과 같습니다: 2FePO4+Li2CO3+C6H12O6→2LiFePO4+5C+CO2↑+CO↑+6H2O
- 소결 과정에서 포도당 분해의 부반응도 발생합니다: C6H12O6→6C+6H2O, C+CO2→2CO
- CO의 연소 반응식은 다음과 같습니다: 2CO + O2 → 2CO2
소결 과정에서는 포도당 분해로 인해 다량의 수증기, CO, CO2, 탄소 및 저분자 휘발성 유기화합물(VOC)이 생성됩니다. 가열 속도와 소성 온도(600~700°C 이상)를 제어함으로써 포도당의 불완전 분해 생성물을 휘발성 가스로 전환할 수 있습니다. 이러한 가스는 배출 전에 소각됩니다.
소결이 완료되면 재료는 용광로 끝부분에서 배출됩니다. 배출구에는 제품의 온도를 낮추기 위해 순환수 냉각 장치가 설치되어 있습니다. 고온 소성 과정에서 각 원료의 분자 구조가 재조정됩니다.
소결 후, 재료는 새거 언로더를 통해 소결 후 저장 사일로로 이송됩니다. 그런 다음 직선형 체를 통해 선별되고 양압을 통해 제트 밀링 공정으로 보내집니다. 직선형 체의 유일한 목적은 큰 덩어리가 장비를 손상시키는 것을 방지하는 것이므로, 선별 과정에서 발생하는 폐기물은 없습니다.
환경 영향/오염 노드:
소결 과정에서 발생하는 배기가스(G3-1)는 소각로(천연가스를 연료로 사용하며, 이때 배기가스 G3-2가 발생함)와 백필터를 통과한 후 굴뚝(DA006)을 통해 배출됩니다. 각 분위기식 롤러 노에는 소각로가 1대씩 설치되어 총 8세트의 소각로가 사용됩니다. 적재 구역과 하역 구역에서 발생하는 배기가스는 밀폐 시스템에 집진되어 백필터(각 구역당 4세트)로 처리된 후 굴뚝(DA006)을 통해 배출됩니다.
6. 제트 밀링 (공기 분쇄)
소결된 재료는 기계적 분쇄 단계로 들어가 예비 분쇄 사일로에 일시적으로 저장됩니다. 사일로 출구의 분말 재료는 회전 밸브를 통해 제트 밀로 균일하게 공급됩니다.
분쇄 후, 재료는 상승 기류에 의해 분류 구역으로 이송됩니다. 분류 휠은 고속으로 회전합니다. 규격에 맞는 미세 분말은 기류와 함께 백필터로 보내져 집진됩니다. 규격에 미달하는 조분말은 추가 분쇄를 위해 분쇄 구역으로 되돌아갑니다. 집진기를 통과한 가스는 재순환을 위해 분쇄용 공기 압축기로 되돌아가며 외부로 배출되지 않습니다. 백필터를 사용하여 포집된 제품은 배치 혼합 탱크로 보내집니다.
- 환경 영향/오염 노드: 제트 밀링 배기가스(G4)는 백필터(제트 밀 8세트당 집진 시스템 1개 장착)를 통해 처리된 후 굴뚝(DA007)을 통해 배출됩니다. 백필터에 포집된 물질은 밀폐된 파이프를 통해 다음 공정으로 이동합니다.
7. 배치 혼합, 체질 및 철분 제거
제트 밀링 백 필터로 집진된 재료는 공압 이송 시스템을 통해 리튬 인산철(LFP) 완제품 사일로로 직접 이송됩니다. 균일하게 혼합된 후, 초음파 진동 체(32세트)를 통과합니다. 체질된 LFP는 전자기 건식 분말 철 제거기(32세트)로 이동하여 자성 불순물을 제거합니다. 철 제거기는 완전히 밀폐되어 있습니다.
- 환경 영향/오염 노드: 초음파 진동체는 고효율의 밀폐형 선별 장치입니다. 체질 과정에서 분진 배출가스는 백필터(백필터 1세트 설치됨)를 통해 처리된 후 굴뚝(DA007)을 통해 배출됩니다. 체질 후 발생하는 과대 입자(S3)는 주로 철금속으로 구성되며 외부로 판매됩니다.
8. 포장
체질 및 철분 제거 과정을 거친 완제품은 진공 포장기의 버퍼 사일로(8세트)로 이동합니다. 이후 진공 포장기(8세트)를 이용하여 포장이 진행됩니다.
- 환경 영향/오염 노드: 포장 공정 중에 발생하는 먼지가 포함된 배기가스(G6)는 백필터(8세트의 집진 장치)로 처리됩니다. 그런 다음 8개의 집진 시스템 모두를 위한 하나의 공용 굴뚝(DA007)을 통해 배출됩니다.
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— 게시자 에밀리 첸
