高壓酸浸車間主要設(shè)備和管道材料選擇

劉 紅，劉希泉，袁 科，唐紅輝

（1.湖南邦普循環(huán)科技有限公司，湖南 長沙 410600；2.廣東邦普循環(huán)科技有限公司，廣東 佛山 528137；3.廣東省電池循環(huán)利用企業(yè)重點實驗室，廣東 佛山 528137）

近年來，隨著新能源電動汽車和消費類電子產(chǎn)品的不斷推廣和普及，全球鋰離子二次電池需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，作為鋰離子二次電池的關(guān)鍵材料——鎳及鎳基化合物需求旺盛。全球鎳礦資源主要以硫化鎳礦和紅土鎳礦為主，而硫化鎳礦經(jīng)過去近百年的開采，資源已經(jīng)逐漸枯竭，目前市場上的鎳產(chǎn)品原料供應(yīng)量以紅土鎳礦為主，占比達到65%以

上［1-4］。

紅土鎳礦的冶煉方法可分為濕法和火法冶煉兩大類?；鸱ㄒ睙捯话銇碚f適用于鎳含量在1.8%以上的腐泥土型，產(chǎn)品主要為鎳鐵和高冰鎳；濕法冶煉主要是處理褐鐵礦型紅土鎳礦，其產(chǎn)品主要為氫氧化鎳鈷［5-7］。褐鐵礦型紅土鎳礦主要特點是鐵多、硅少、鎂少、鎳含量較低（1.8%及以下）。

濕法冶煉工藝主要有常壓酸浸和高壓酸浸。常壓酸浸工業(yè)簡單、投資少，但Fe3+和Al3+等被大量浸出，酸耗較高，根據(jù)實際應(yīng)用經(jīng)驗，鎳鈷總回收率在75%～80%［8］。而高壓酸浸的工藝適應(yīng)性強，鎂含量小于10%的礦石均可以采用，且具有浸出時間短、鎳鈷浸出率高（鎳與鈷的回收率都超過90%）、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，近年來絕大多數(shù)紅土鎳礦濕法冶煉建設(shè)項目都采用高壓酸浸工藝。

本文主要根據(jù)國外某紅土鎳礦鎳資源項目，介紹高壓酸浸工藝、主要設(shè)備及管道材質(zhì)選擇及配管方面的一些經(jīng)驗，為后續(xù)項目提供借鑒。

1 高壓酸浸工藝概述

原礦在選礦廠經(jīng)洗礦、破碎、篩分、磨礦和選礦工序后，成品礦漿固含約為10%，粒度要求為：-8 μm＞80%，-200μm為100%。經(jīng)選礦后成品礦漿中鉻含量大大降低，選礦前Cr含量為2.05%，選礦后Cr含量降低了55%。這也就降低了浸出渣中鉻的含量，有利于環(huán)境保護，同時也得到了一部分鉻精礦副產(chǎn)品。

成品礦漿再經(jīng)濃密機把固體含量提高到34%～40%，濃縮后礦漿先在給料槽內(nèi)貯存以備酸浸使用，礦漿濃縮產(chǎn)生的溢流送回洗礦系統(tǒng)循環(huán)使用。

在部分中和工序中加入石灰石中和殘酸，中和后的漿料利用濃密機進行六級逆流洗滌。一級濃密機溢流進除鐵鋁工序，末級濃密機底流進尾渣中和工序處理。除鐵鋁目的是通過調(diào)節(jié)pH值，使鐵鋁等水解沉淀，從而去除中和后液中的鐵、鋁、硅等雜質(zhì)元素，同時使二氧化硅沉淀除去。沉鎳鈷采用氧化鎂作為沉淀劑，使溶液中的鎳、鈷形成氫氧化物沉淀，得到鎳鈷中間產(chǎn)品。工藝流程如圖1所示。

圖1 高壓酸浸工藝流程圖

當然不同項目由于產(chǎn)品方案選擇不同，產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程也不一樣［9-11］。

2 設(shè) 備

高壓酸浸車間主設(shè)備有預熱器、高壓釜、閃蒸槽。主設(shè)備的選擇直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備使用壽命、物料消耗指標、操作要求等。合理的設(shè)備選擇應(yīng)能滿足投產(chǎn)后生產(chǎn)的要求、設(shè)備質(zhì)量可靠、性能成熟、經(jīng)濟合理。

2.1 預熱器

高壓酸浸浸出溫度控制在250～260℃，礦漿進入高壓釜前需要進行逐級預熱。預熱采用閃蒸系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸汽。由于紅土鎳礦普遍具有高黏度的特性，這導致采用間接換熱時熱傳導率極低且管道容易結(jié)垢效果不佳，因此一般采用直接換熱式換熱器。

不同項目預熱及閃蒸系統(tǒng)的級數(shù)有所不同，以往項目中有的采用2級預熱，有的采用3級或4級預熱及閃蒸。此項目采用3級預熱與3級閃蒸。根據(jù)工藝計算及給料泵的性能參數(shù)，低溫預熱后礦漿溫度為105℃、固體濃度35%；中溫預熱后礦漿為160℃、固體濃度32%；高溫預熱后礦漿溫度為208℃、固體濃度29%。根據(jù)介質(zhì)工況條件選擇低溫預熱器材質(zhì)為S22053雙相不銹鋼、中溫及高溫預熱器材質(zhì)為鋼鈦爆炸復合板。

2.2 高壓釜

高壓釜是高壓酸浸工藝的核心設(shè)備，礦漿在密閉的高溫、高壓環(huán)境內(nèi)進行液固兩相或液、固、氣三相的浸出反應(yīng)，可以獲得遠大于常壓的反應(yīng)推動力。

第一代高壓酸浸技術(shù)典型特征采用立式無機械攪拌高壓浸出釜，古巴MOA廠高壓釜尺寸為Φ3.05 m×15.8 m；第二代及第三代技術(shù)采用臥式多隔室機械攪拌釜，同時采用鋼鈦復合板材料，以澳大利亞Bulong廠為例，高壓釜尺寸Φ4.6 m×31 m，6個隔室，每隔室均有單獨的攪拌器，攪拌裝置垂直安裝在釜體上方［12-13］。

目前在紅土鎳礦項目上多采用鋼制外殼+鈦襯里即鋼鈦復合板形式［14-15］。此項目高壓釜材料選擇鋼鈦爆炸復合板，尺寸Φ4.8 m×33 m，浸出溫度在260℃，工作壓力控制在5.5 MPa。高壓釜進出料管口均采用插入式方案，礦漿、濃硫酸及蒸汽等通過插入管直接進入攪拌強度較大的區(qū)域，實現(xiàn)物料的快速混合。為防止稀硫酸對酸槍的腐蝕，酸槍采用鉭管。礦漿及蒸汽采用鈦管。由于浸出過程中容易在釜內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢，另外原料中會有時夾帶大顆粒物料，高壓釜內(nèi)流體流動選擇部分底流流動方案。

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2.3 閃蒸槽

閃蒸過程是使高溫高壓物料進入控制壓力的擴容環(huán)境下，由于壓力低于飽和蒸氣壓，出現(xiàn)汽化現(xiàn)象，從而實現(xiàn)瞬間降溫，并且釋放出二次蒸汽。

高壓酸浸中的閃蒸是采用閃蒸閥及閃蒸管系統(tǒng)以受控的方式將礦漿高速汽化。礦漿在進入閃蒸閥時流速從1～2 m／s急速升高到100～300 m／s，這對閃蒸流道的設(shè)計及設(shè)備的磨損均提出了很高的要求。閃蒸閥及閃蒸管為耐磨陶瓷材料。閃蒸槽操作環(huán)境惡劣，內(nèi)襯磚及隔離層長期處于高溫、高壓、高酸性、高磨損的環(huán)境中，對內(nèi)襯磚和隔離層的要求非常高。高壓閃蒸槽采用3層耐酸耐高溫耐高壓陶磚做內(nèi)襯，隔離層采用搪鉛材料。中壓及低壓閃蒸槽采用兩層耐酸耐高溫耐高壓陶磚做內(nèi)襯。

為防止閃蒸礦漿對閃蒸槽沖擊過大進而損壞設(shè)備，閃蒸槽設(shè)計采用兩種方式來進行處理：第一，閃蒸槽采用溢流出料，利用從溢流口至槽底這段礦漿來吸收閃蒸礦漿的沖擊；第二，在槽底設(shè)置防沖刷裝置。

3 管道設(shè)計

高壓酸浸中因礦漿介質(zhì)具有高溫、高壓、高腐蝕及高磨蝕特點，大量用到304L、316L、2205、2507以及鈦材等材質(zhì)，以往項目中對這些材料的適用性也進行了驗證［16］。

某項目高壓酸浸車間用到的材料類型及長度見表1。

表1 高壓酸浸車間材料表

碳鋼主要用在蒸汽、工藝用水、壓縮空氣等公輔類管道上。蒸汽系統(tǒng)主要為系統(tǒng)冷啟動時對設(shè)備、管道進行預熱及生產(chǎn)過程中向高壓釜補充蒸汽滿足工藝要求，包括蒸汽罐、相應(yīng)的蒸汽管道及閥門等。蒸汽罐前的管道采用碳鋼，罐后蒸汽管道選用2205雙相不銹鋼材料，目的是為防止高壓釜中礦漿在極端情況下倒灌進蒸汽罐。

304L、316L奧氏體不銹鋼主要用于濃硫酸、各漿料放凈管、污水管、高壓空氣、洗滌水等管道上。同一介質(zhì)根據(jù)其不同位置可能采用不同材料，例如濃硫酸管道從界區(qū)外到濃硫酸儲槽及高位槽用304L，從高位槽到濃硫酸給料泵的管道及閥門為316L材料，濃硫酸給料泵出口管道仍采用316L，但進入高壓釜前采用ALLOY 20管道。

雙相不銹鋼2205、2507及鈦材主要用在預熱段和閃蒸段。預熱后的低溫礦漿管道采用2205，中溫及高溫礦漿采用2507。從高壓釜給料隔膜泵出來的高溫礦漿用鈦材。高閃礦漿、高閃蒸汽、中閃礦漿、中閃蒸汽、低閃礦漿管道均為鈦材，低閃蒸汽用2205。

到尾氣處理系統(tǒng)的各管道材質(zhì)如下，低溫預熱器尾氣用2205，中溫及高溫預熱器尾氣用鈦材。

鑒于礦漿的高腐蝕及高磨蝕，管道設(shè)計時對易沖刷腐蝕部位材料進行了加厚。例如從中溫預熱器一級給料泵到中溫預熱器二級給料泵之間的短管，由于礦漿流速高，沖蝕速率大大加快，設(shè)計時采用DN200厚度為8 mm的2205管道，而對于其它沖刷腐蝕性稍弱的同規(guī)格管道壁厚僅取5 mm。另外，對彎頭的壁厚也進行了加厚處理。

在高壓酸浸的整個過程中，浸出溶液中的鐵、鋁、硅、鎂等容易水解，在高壓釜內(nèi)和管道內(nèi)結(jié)垢，堵塞管道。這需要第一時間開展清理，對生產(chǎn)效率產(chǎn)生直接影響。設(shè)計時從兩個方面進行改進，首先漿料管道設(shè)置3%的坡度，避免堵料，且彎頭采用3D彎頭；其次從預熱礦漿到閃蒸的主要管道均采用法蘭連接，設(shè)計為6 m一段，便于拆卸檢修，盡量縮短檢修時間。例如從高壓釜排料管出口到高壓閃蒸槽的管道采用加厚鈦材管，彎頭采用3D彎頭，彎頭兩端均采用法蘭連接，直管段超過6 m的中間設(shè)置法蘭連接，水平管段設(shè)置3%的坡度。且鈦材管道采用在制造廠預制和檢驗，現(xiàn)場組裝的方法，減少了現(xiàn)場焊口，保證了焊接質(zhì)量。

從礦漿預熱到礦漿閃蒸，高壓酸浸工序工程中礦漿具有高溫、高壓、高腐蝕、高磨損，管路上閥門類型一般選擇金屬硬密封球閥。另外，此項目開創(chuàng)性的將氧化鋁行業(yè)中廣泛運用的平底出料閥運用到高壓酸浸工藝中。平底出料閥具有抗固體顆粒磨蝕、可破結(jié)晶塊結(jié)疤、密封嚴等結(jié)構(gòu)特點。高壓酸浸中因閃蒸密封槽出料管道易結(jié)晶，在出料口位置采用平底出料閥（上展式）替代以往類似項目中使用的進口刀閘閥，性價比大幅提高。

管道布置主要是在保證管道安全的前提下，長度盡可能短以節(jié)省投資及降低運行成本，管道支架的選擇主要根據(jù)管道應(yīng)力計算結(jié)果和管道布置特點來設(shè)置。某項目三維模型如圖2所示。

圖2 高壓酸浸車間三維模型

4 結(jié) 語

高壓酸浸工藝經(jīng)過近70多年的發(fā)展，工藝日趨成熟。從已建和正在建設(shè)中的項目來看，對于含鎂較低、含鐵較高的低品位紅土鎳礦采用高壓酸浸工藝是一個比較好的選擇。近年來，很多企業(yè)在印度尼西亞投資建設(shè)的紅土鎳礦濕法冶煉項目，也均采用高壓酸浸工藝。

本文主要根據(jù)國外某紅土鎳礦高壓酸浸項目，對其工藝、主要設(shè)備及管道材料等方面進行了介紹、總結(jié)歸納。設(shè)計時，結(jié)合了以往實際工程應(yīng)用經(jīng)驗，對流程、材質(zhì)等進行了更合理的優(yōu)化，在保證項目順利實施的同時，又有利于生產(chǎn)穩(wěn)定運行，有效控制生產(chǎn)運營成本。