銅電解凈液系統(tǒng)除鎳部分的改造

武戰(zhàn)強(qiáng)

(北方銅業(yè)侯馬冶煉廠,山西侯馬 043000)

銅電解凈液系統(tǒng)除鎳部分的改造

武戰(zhàn)強(qiáng)

(北方銅業(yè)侯馬冶煉廠,山西侯馬 043000)

分析了北方銅業(yè)侯馬冶煉廠凈液系統(tǒng)除鎳部分存在的問(wèn)題,選擇確定了改造方案。改造后粗硫酸鎳質(zhì)量明顯提高,增加了經(jīng)濟(jì)效益,電解系統(tǒng)的電解液中鎳離子得到了有效控制,為電解系統(tǒng)高純陰極銅的穩(wěn)定生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。

電解液;除鎳;粗硫酸鎳;真空蒸發(fā)

1 前言

1.1 工藝概況

圖 1 原設(shè)計(jì)工藝流程圖

北方銅業(yè)侯馬冶煉廠電解精煉為中條山集團(tuán)公司設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì),采用中極板傳統(tǒng)電解工藝,設(shè)計(jì)能力為年產(chǎn)陰極銅 50kt。凈液系統(tǒng)工藝流程采用電解液→一段電積脫銅→二段誘導(dǎo)脫銅→真空蒸發(fā)→粗硫酸鎳,該系統(tǒng)于 2007年 1月投入試生產(chǎn),一段脫銅、二段誘導(dǎo)脫銅先后試車成功,但在真空蒸發(fā)生產(chǎn)粗硫酸鎳部分由于設(shè)計(jì)原因存在問(wèn)題,需要進(jìn)行改造。

凈液系統(tǒng)除鎳部分原設(shè)計(jì)工藝流程見(jiàn)圖 1[1]。

1.2 主要設(shè)備

蒸發(fā)釜 6臺(tái),真空泵 2臺(tái),霧沫分離器 3臺(tái),冷凝器 3臺(tái),結(jié)晶槽 3臺(tái)。配置為 2臺(tái)蒸發(fā)釜 1組對(duì)應(yīng) 1臺(tái)霧沫分離器、1臺(tái)冷凝器、1臺(tái)結(jié)晶槽。

2 試生產(chǎn)存在的問(wèn)題

凈液系統(tǒng)試生產(chǎn)初期工藝流程已經(jīng)打通,順利產(chǎn)出粗硫酸鎳,但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間,問(wèn)題逐步暴露出來(lái),主要為:

(1)冷凝器的冷卻水問(wèn)題。

原設(shè)計(jì)真空蒸發(fā)釜出來(lái)的氣體經(jīng)霧沫分離器后進(jìn)入冷凝器冷凝,冷凝器為噴淋水直接冷卻,而蒸發(fā)出來(lái)的氣體中為酸性氣體,經(jīng)過(guò)噴淋水冷卻后,造成循環(huán)冷卻水中含酸,且酸性隨循環(huán)逐漸富集增強(qiáng),而循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的管道、閥門、泵、循環(huán)水池、冷卻塔均未考慮防腐,且循環(huán)水為閉路循環(huán)。

(2)設(shè)備布置問(wèn)題。

原設(shè)計(jì)的霧沫分離器、冷凝器及真空管道均設(shè)置在車間廠房房頂,無(wú)專用安全通道,僅靠爬梯上下,日常生產(chǎn)巡檢不方便。設(shè)備出現(xiàn)故障后維修也不方便。

(3)真空蒸發(fā)釜材質(zhì)問(wèn)題。

原設(shè)計(jì)真空蒸發(fā)釜材質(zhì)為316L不銹鋼,試生產(chǎn)初期運(yùn)行正常,但由于電解液中含有氯離子,造成蒸發(fā)釜后期因腐蝕逐漸出現(xiàn)漏點(diǎn),壽命太短,維修頻繁,嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。

(4)結(jié)晶槽材質(zhì)問(wèn)題。

原設(shè)計(jì)結(jié)晶槽材質(zhì)為普通碳鋼進(jìn)行簡(jiǎn)單防腐,結(jié)晶后液為黑酸,含硫酸濃度約為 50～70%,同樣造成腐蝕嚴(yán)重。同時(shí),結(jié)晶槽為真空吸濾粗硫酸鎳,由于密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作存在問(wèn)題,加之腐蝕造成漏氣嚴(yán)重,產(chǎn)出的粗硫酸鎳含游離硫酸高,不利于裝袋、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和銷售。

由于以上問(wèn)題,凈液系統(tǒng)除鎳部分無(wú)法正常連續(xù)運(yùn)行,再加上實(shí)際生產(chǎn)所處理的原料復(fù)雜、雜質(zhì)含量高,造成電解液中鎳離子持續(xù)增高,最高時(shí)達(dá)到了30g/l,對(duì)電解系統(tǒng)高純陰極銅的質(zhì)量造成嚴(yán)重威脅。為適應(yīng)生產(chǎn)高純陰極銅需要,因此,必須對(duì)凈液系統(tǒng)除鎳部分進(jìn)行改造。

3 改造方案的選擇與確定

3.1 改造方案

方案一:

保留冷凝器,循環(huán)冷卻水系統(tǒng)全部進(jìn)行防腐處理。將原循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的循環(huán)水管道、泵、冷卻塔由普通碳鋼改為耐酸材質(zhì),原地埋混凝土循環(huán)水池進(jìn)行防腐處理,使冷凝器冷卻水系統(tǒng)單獨(dú)閉路循環(huán),含酸冷卻水通過(guò)不斷循環(huán)積累,在酸性升高后,依據(jù)含酸情況定期送污酸污水處理站處理,同時(shí)補(bǔ)充新水進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)。

方案二:

導(dǎo)致循環(huán)水呈酸性的根本原因?yàn)槔淠鞯膰娏芾鋮s造成循環(huán)水與冷卻介質(zhì)直接接觸,需要把真空蒸發(fā)后的含酸氣體與循環(huán)水分開,變直接接觸熱交換為間接熱交換。將原來(lái)的冷凝器和霧沫分離器拆除,改為鈦管換熱器或鈦板換熱器,就近布置在蒸發(fā)釜的二層平臺(tái),循環(huán)水系統(tǒng)不動(dòng),新增一臺(tái)15m3的冷凝液貯存罐和泵,不定期將含酸冷凝液返回電解系統(tǒng)。

3.2 方案分析比較

方案一:

由于原有的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的管道、閥門、泵、循環(huán)水池、冷卻塔主體支架管路均需更換或防腐處理,且循環(huán)水管路均在水泥地面以下,管道、閥門、霧沫分離器、冷凝器還在房頂,還需爬梯,檢修時(shí)材料備件、工具需起吊設(shè)備配合,日常操作巡檢存在安全隱患,需增加臺(tái)階式樓梯,工程改造施工難度大,土建工程量大,工程費(fèi)用高。該方案的缺點(diǎn)是含酸冷卻水閉路循環(huán),通過(guò)不斷循環(huán)積累,冷卻水的酸性會(huì)逐漸升高,需依據(jù)含酸情況不定期外排。含酸廢水輸送需增設(shè)輸送泵和專用管道至污酸污水處理站,距離遠(yuǎn),且含酸廢水的處理及補(bǔ)充新水增加運(yùn)行成本。因此不合理。

方案二:

(1)原設(shè)計(jì)除鎳凈液量 15m3/d,酸霧量 11m3/h (折每小時(shí) 458Kg),是根據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)的原料成分所決定的。由于生產(chǎn)實(shí)際中原料成分復(fù)雜,雜質(zhì)含量高,為保證電解系統(tǒng)生產(chǎn)高純陰極銅,根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際,除鎳凈液量已達(dá)到 30m3/d。

按蒸發(fā)前液含硫酸 269g/l,蒸發(fā)終液含硫酸1000g/l計(jì)算:

溶液蒸發(fā)量為 30×(1-269/1000)×1000÷24 =913.75 Kg/h

(2)采用鈦管換熱器換熱面積計(jì)算:(按逆流式傳熱計(jì)算)

設(shè)氣體入口溫度 110℃,出口溫度 50℃

水進(jìn)口溫度 35℃(按夏季最差工況)出口溫度45℃

鈦管換熱系數(shù) K取 690w/m2℃

計(jì)算平均溫度差Δtm=[(110-45)-(50-35)]÷Ln[(110-45)-(50-35)]=34.1℃

氣體蒸發(fā)熱 Q=913.75×22358.42×2= 4310012.55KJ/h

換熱面積 F=Q/3.6K·Δt m=4310012.55÷ (3.6×690×34.1)=50.88 m2

考慮到富裕能力選 2臺(tái) 30 m2鈦管式換熱器與6臺(tái)蒸發(fā)釜 3臺(tái)一組連接。

采用的鈦列管換熱器阻力小,現(xiàn)有真空泵吸氣能力可以滿足要求;同時(shí)含酸冷凝液可返回電解系統(tǒng),運(yùn)行費(fèi)用低,改造工程量小,且日常操作和維護(hù)維修方便。

(3)采用鈦板換熱器換熱面積計(jì)算:(按逆流式傳熱計(jì)算)

鈦板換熱系數(shù) K取 1890w/m2℃

換熱面積 F=Q/3.6K·Δtm=4310012.55÷ (3.6×1890×34.1)=18.58m2

考慮到富裕能力選 2臺(tái) 15 m2鈦管式換熱器與6臺(tái)蒸發(fā)釜 3臺(tái)一組連接。

采用鈦板式換熱器雖然換熱效果好,易于維護(hù)清理,但阻力較大,真空泵吸氣能力不足,需更換真空泵。

3.3 方案確定

綜上所述,兩種方案主要是針對(duì)冷凝器的冷卻水問(wèn)題與設(shè)備布置問(wèn)題進(jìn)行的,在方案的論證過(guò)程中,又出現(xiàn)了真空蒸發(fā)釜材質(zhì)問(wèn)題與結(jié)晶槽材質(zhì)問(wèn)題,于是一并納入考慮。

結(jié)合本廠的實(shí)際,通過(guò)比較、分析,最終確定選用方案二,采用鈦列管換熱器。同時(shí)將316L材質(zhì)的真空蒸發(fā)釜改為價(jià)格便宜的搪瓷真空蒸發(fā)釜[2],將結(jié)晶槽重新設(shè)計(jì)制作,由普通碳鋼改為耐腐蝕的316L不銹鋼材質(zhì),密封結(jié)構(gòu)改為密封墊與密封膠混合密封。

4 改造后的效果

凈液系統(tǒng)除鎳部分改造后的工藝流程見(jiàn)圖 2。

圖 2 改造后工藝流程圖

經(jīng)前期準(zhǔn)備后改造于 2007年 7月實(shí)施完成, 2007年 8投入生產(chǎn),投產(chǎn)至今已運(yùn)行兩年多,生產(chǎn)實(shí)踐證明:改造后工藝穩(wěn)定,設(shè)備運(yùn)行正常,效果明顯。

改造后粗硫酸鎳質(zhì)量明顯提高,含鎳由改造前的 15%左右提高到 21%左右,含游離硫酸由改造前的 20%降到 4%以下,有效地提高了有價(jià)金屬鎳的回收率,增加了經(jīng)濟(jì)效益,粗硫酸鎳產(chǎn)品受到采購(gòu)商的好評(píng)。

凈液系統(tǒng)除鎳部分改造投產(chǎn)后,電解系統(tǒng)的電解液中鎳離子得到了有效控制,一直保持在 15g/l以下的內(nèi)控范圍內(nèi),同時(shí)除去了電解液中大量的鈣鎂離子[3],降低了電解液的粘度和密度,為電解系統(tǒng)高純陰極銅的穩(wěn)定生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)凈液系統(tǒng)除鎳部分的改造,有效解決了原設(shè)計(jì)遺留問(wèn)題,保證了凈液系統(tǒng)除鎳部分的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,提高了凈液系統(tǒng)的脫雜除鎳能力,提高了處理雜料時(shí)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

(2)采用列管式冷凝器,避免了循環(huán)冷水系統(tǒng)繁瑣昂貴的防腐改造和含酸廢水的處理成本,同時(shí)列管式冷凝器設(shè)備阻力小,能耗低,運(yùn)行平穩(wěn),無(wú)廢水、廢氣產(chǎn)生,重復(fù)利用,環(huán)保條件好。改造后使用至今未見(jiàn)故障和維修。

(3)結(jié)晶槽密封改造后,效果明顯,使用至今未見(jiàn)腐蝕與漏氣現(xiàn)象,達(dá)到了真空吸濾的要求,有效解決了粗硫酸鎳含游離硫酸高的問(wèn)題,同時(shí)提高了質(zhì)量。

(4)使用搪瓷真空反應(yīng)釜后,使用壽命大大提高,供貨廠家僅保證 6個(gè)月內(nèi)免費(fèi)維修更換,但在實(shí)際使用中已運(yùn)行至今未見(jiàn)異常,價(jià)格低廉,成本低,且出現(xiàn)釉面損壞重新返搪后可繼續(xù)使用,維修費(fèi)用低。

REFERENCES

[1] 中條山有色金屬公司設(shè)計(jì)研究院.侯馬冶煉廠 50kt/a銅精煉技改工程初步設(shè)計(jì)說(shuō)明書[M].2004:57-68.

[2] 北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院等編.重有色金屬冶煉設(shè)計(jì)手冊(cè):銅鎳卷[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1996:317-337.

[3] 李榮庭.粗硫酸鎳生產(chǎn)系統(tǒng)的改造[J].中國(guó)有色冶金,2008 (2):17-19.

[4] 朱祖澤,賀家齊主編.現(xiàn)代銅冶金學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社, 2003:558-575.

I mprovement on Removing Nickel in Electrolyte Purification System

WU Zhan-qiang
(Northern Copper Industry Houma Smelter,Houma,Shanxi,043000,China)

Some existing problems of removing nickel in electrolyte purification system are analysed and the improvement scheme is selected and determined in this article.After the improvement,the quality of coarse nickel sulphate becomes better.The concentration of nickel ion in copper electrolyte is under controlwhich creates good conditions for the stable production and the higher quality of coarse nickel sulphate achieve a good economic benefit.

electrolyte;removing nickel;coarse nickel sulphate;vacuum evaporation

book=43,ebook=188

TF307

B

1009-3842(2010)03-0043-03

2010-05-12

武戰(zhàn)強(qiáng)(1972-),男,山西臨猗縣人,本科,工程師,主要從事有色冶煉生產(chǎn)技術(shù)管理工作,E-mail:hywuzhanqiang@163.com