第36卷第10期 北京科技大学学报 Vol.36 No.10 2014年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2014 金属锂还原罐内化学反应与传热耦合特性 冯俊小12)，林佳”区，周敬之” 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)北京科技大学北京市高校节能与环保工程研究中心，北京100083 ☒通信作者，E-mail:jialin4268@126.com 摘要为了分析真空热还原制取金属锂的还原效率和还原率，综合考虑罐内球团传热和化学反应，建立了传热与反应动力 学耦合模型.利用该模型对单球团和还原罐内球团还原过程进行数值模拟，得到了球团温度及还原率的时间分布，并分析了 罐外换热系数对球团还原过程的影响.结果表明：球团低导热率和反应等效热汇是影响还原过程的主要因素，罐中心区域和 罐壁处的温度和反应速率存在较大差值：还原初期传热为还原过程的主要控制因素，而反应后期化学反应为主要控制因素： 罐外换热系数对还原过程影响不大，增强罐内传热是提高还原效率的有效途径 关键词锂：真空；铝热还原：传热：化学反应：耦合模型 分类号TF826.3 Coupled properties of heat transfer and chemical reactions in lithium production retorts FENG Jun-xiao,LIN Jia ZHOU Jing-zhi 1)School of Mechanical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Engineering Research Center for Energy Saving and Environmental Protection,University of Science and Technology Beijing,Being 100083, China Corresponding author,E-mail:jialin4268@126.com ABSTRACT A coupled heat transfer and reaction kinetics model was established to study the lithium production efficiency and re- duction rate of lithium production retorts.Numerical simulation of the pellet reduction process by this model was performed to obtain the time distributions of pellet temperature and reduction rate,and the effect of effective heat transfer coefficient outside the retorts on the pellet reduction process was analyzed.It is found that the low thermal conductivity of pellets and the chemical reaction equivalent heat sink are the main factors affecting the pellet reduction process.In the beginning of the reaction,heat transfer is the main controlling factor,but in the later,reaction kinetics is the controlling factor.The effective heat transfer coefficient outside the retorts has less influ- ence on the pellet reduction process.Enhancing the heat transfer coefficient inside the retorts is an effective way to improve the produc- tion efficiency. KEY WORDS lithium:vacuum:aluminothermic reduction;heat transfer:reduction reactions:coupled model 金属锂广泛应用于高能电池、核能发电、航天航 原料，产品中杂质钠含量较高，阳极产物氯气污染环 空、合成制药、电子技术等领域，被誉为“21世纪的 境，工艺流程长，能耗高.真空热还原法则具有产品 能源金属”四.金属锂的生产包括熔盐电解法和真 纯度高、无氯气污染、原料价格低等特点. 空热还原法-)，目前90%以上金属锂是采用电解 为研究真空热还原反应机理，克罗勒尔(Koll) LiCl-KCl熔盐制备的.熔盐电解法虽技术成熟，但 和什列赫坚(Schlechten)等用硅、铝、镁等还原氧化 存在明显的缺点：用价格昂贵的高纯度无水LiCl作 锂和锂辉石制得较纯金属锂4-1，但都存在回收率 收稿日期：20140102 基金项目：中央高校基础科研业务费专项资金资助项目(FRF-SD-12O07B) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.10.002;http://journals.ustb.edu.cn第 36 卷 第 10 期 2014 年 10 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 36 No． 10 Oct． 2014 金属锂还原罐内化学反应与传热耦合特性 冯俊小1，2) ，林 佳1) ，周敬之1) 1) 北京科技大学机械工程学院，北京 100083 2) 北京科技大学北京市高校节能与环保工程研究中心，北京 100083  通信作者，E-mail: jialin4268@ 126． com 摘 要 为了分析真空热还原制取金属锂的还原效率和还原率，综合考虑罐内球团传热和化学反应，建立了传热与反应动力 学耦合模型． 利用该模型对单球团和还原罐内球团还原过程进行数值模拟，得到了球团温度及还原率的时间分布，并分析了 罐外换热系数对球团还原过程的影响． 结果表明: 球团低导热率和反应等效热汇是影响还原过程的主要因素，罐中心区域和 罐壁处的温度和反应速率存在较大差值; 还原初期传热为还原过程的主要控制因素，而反应后期化学反应为主要控制因素; 罐外换热系数对还原过程影响不大，增强罐内传热是提高还原效率的有效途径． 关键词 锂; 真空; 铝热还原; 传热; 化学反应; 耦合模型 分类号 TF 826. 3 Coupled properties of heat transfer and chemical reactions in lithium production retorts FENG Jun-xiao1，2) ，LIN Jia1)  ，ZHOU Jing-zhi1) 1) School of Mechanical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Beijing Engineering Ｒesearch Center for Energy Saving and Environmental Protection，University of Science and Technology Beijing，Being 100083， China  Corresponding author，E-mail: jialin4268@ 126． com ABSTＲACT A coupled heat transfer and reaction kinetics model was established to study the lithium production efficiency and re￾duction rate of lithium production retorts． Numerical simulation of the pellet reduction process by this model was performed to obtain the time distributions of pellet temperature and reduction rate，and the effect of effective heat transfer coefficient outside the retorts on the pellet reduction process was analyzed． It is found that the low thermal conductivity of pellets and the chemical reaction equivalent heat sink are the main factors affecting the pellet reduction process． In the beginning of the reaction，heat transfer is the main controlling factor，but in the later，reaction kinetics is the controlling factor． The effective heat transfer coefficient outside the retorts has less influ￾ence on the pellet reduction process． Enhancing the heat transfer coefficient inside the retorts is an effective way to improve the produc￾tion efficiency． KEY WOＲDS lithium; vacuum; aluminothermic reduction; heat transfer; reduction reactions; coupled model 收稿日期: 2014--01--02 基金项目: 中央高校基础科研业务费专项资金资助项目( FＲF--SD--12--007B) DOI: 10． 13374 /j． issn1001--053x． 2014． 10． 002; http: / /journals． ustb． edu． cn 金属锂广泛应用于高能电池、核能发电、航天航 空、合成制药、电子技术等领域，被誉为“21 世纪的 能源金属”［1］． 金属锂的生产包括熔盐电解法和真 空热还原法［2 － 3］，目前 90% 以上金属锂是采用电解 LiCl--KCl 熔盐制备的． 熔盐电解法虽技术成熟，但 存在明显的缺点: 用价格昂贵的高纯度无水 LiCl 作 原料，产品中杂质钠含量较高，阳极产物氯气污染环 境，工艺流程长，能耗高． 真空热还原法则具有产品 纯度高、无氯气污染、原料价格低等特点． 为研究真空热还原反应机理，克罗勒尔( Kroll) 和什列赫坚( Schlechten) 等用硅、铝、镁等还原氧化 锂和锂辉石制得较纯金属锂［4 － 5］，但都存在回收率