銅電解凈液系統除鎳部分的改造

武戰強

(北方銅業侯馬冶煉廠,山西侯馬 043000)

銅電解凈液系統除鎳部分的改造

武戰強

(北方銅業侯馬冶煉廠,山西侯馬 043000)

分析了北方銅業侯馬冶煉廠凈液系統除鎳部分存在的問題,選擇確定了改造方案。改造后粗硫酸鎳質量明顯提高,增加了經濟效益,電解系統的電解液中鎳離子得到了有效控制,為電解系統高純陰極銅的穩定生產創造了有利條件。

電解液;除鎳;粗硫酸鎳;真空蒸發

1 前言

1.1 工藝概況

圖 1 原設計工藝流程圖

北方銅業侯馬冶煉廠電解精煉為中條山集團公司設計院設計,采用中極板傳統電解工藝,設計能力為年產陰極銅 50kt。凈液系統工藝流程采用電解液→一段電積脫銅→二段誘導脫銅→真空蒸發→粗硫酸鎳,該系統于 2007年 1月投入試生產,一段脫銅、二段誘導脫銅先后試車成功,但在真空蒸發生產粗硫酸鎳部分由于設計原因存在問題,需要進行改造。

凈液系統除鎳部分原設計工藝流程見圖 1[1]。

1.2 主要設備

蒸發釜 6臺,真空泵 2臺,霧沫分離器 3臺,冷凝器 3臺,結晶槽 3臺。配置為 2臺蒸發釜 1組對應 1臺霧沫分離器、1臺冷凝器、1臺結晶槽。

2 試生產存在的問題

凈液系統試生產初期工藝流程已經打通,順利產出粗硫酸鎳,但經過一段時間,問題逐步暴露出來,主要為:

(1)冷凝器的冷卻水問題。

原設計真空蒸發釜出來的氣體經霧沫分離器后進入冷凝器冷凝,冷凝器為噴淋水直接冷卻,而蒸發出來的氣體中為酸性氣體,經過噴淋水冷卻后,造成循環冷卻水中含酸,且酸性隨循環逐漸富集增強,而循環冷卻水系統的管道、閥門、泵、循環水池、冷卻塔均未考慮防腐,且循環水為閉路循環。

(2)設備布置問題。

原設計的霧沫分離器、冷凝器及真空管道均設置在車間廠房房頂,無專用安全通道,僅靠爬梯上下,日常生產巡檢不方便。設備出現故障后維修也不方便。

(3)真空蒸發釜材質問題。

原設計真空蒸發釜材質為316L不銹鋼,試生產初期運行正常,但由于電解液中含有氯離子,造成蒸發釜后期因腐蝕逐漸出現漏點,壽命太短,維修頻繁,嚴重影響正常生產。

(4)結晶槽材質問題。

原設計結晶槽材質為普通碳鋼進行簡單防腐,結晶后液為黑酸,含硫酸濃度約為 50～70%,同樣造成腐蝕嚴重。同時,結晶槽為真空吸濾粗硫酸鎳,由于密封結構設計制作存在問題,加之腐蝕造成漏氣嚴重,產出的粗硫酸鎳含游離硫酸高,不利于裝袋、儲存、運輸和銷售。

由于以上問題,凈液系統除鎳部分無法正常連續運行,再加上實際生產所處理的原料復雜、雜質含量高,造成電解液中鎳離子持續增高,最高時達到了30g/l,對電解系統高純陰極銅的質量造成嚴重威脅。為適應生產高純陰極銅需要,因此,必須對凈液系統除鎳部分進行改造。

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,循環冷卻水系統全部進行防腐處理。將原循環冷卻水系統的循環水管道、泵、冷卻塔由普通碳鋼改為耐酸材質,原地埋混凝土循環水池進行防腐處理,使冷凝器冷卻水系統單獨閉路循環,含酸冷卻水通過不斷循環積累,在酸性升高后,依據含酸情況定期送污酸污水處理站處理,同時補充新水進入循環系統。

方案二:

導致循環水呈酸性的根本原因為冷凝器的噴淋冷卻造成循環水與冷卻介質直接接觸,需要把真空蒸發后的含酸氣體與循環水分開,變直接接觸熱交換為間接熱交換。將原來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,就近布置在蒸發釜的二層平臺,循環水系統不動,新增一臺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。

3.2 方案分析比較

方案一:

由于原有的循環冷卻水系統的管道、閥門、泵、循環水池、冷卻塔主體支架管路均需更換或防腐處理,且循環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,檢修時材料備件、工具需起吊設備配合,日常操作巡檢存在安全隱患,需增加臺階式樓梯,工程改造施工難度大,土建工程量大,工程費用高。該方案的缺點是含酸冷卻水閉路循環,通過不斷循環積累,冷卻水的酸性會逐漸升高,需依據含酸情況不定期外排。含酸廢水輸送需增設輸送泵和專用管道至污酸污水處理站,距離遠,且含酸廢水的處理及補充新水增加運行成本。因此不合理。

方案二:

(1)原設計除鎳凈液量 15m3/d,酸霧量 11m3/h (折每小時 458Kg),是根據設計時的原料成分所決定的。由于生產實際中原料成分復雜,雜質含量高,為保證電解系統生產高純陰極銅,根據生產實際,除鎳凈液量已達到 30m3/d。

按蒸發前液含硫酸 269g/l,蒸發終液含硫酸1000g/l計算:

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

(2)采用鈦管換熱器換熱面積計算:(按逆流式傳熱計算)

設氣體入口溫度 110℃,出口溫度 50℃

水進口溫度 35℃(按夏季最差工況)出口溫度45℃

鈦管換熱系數 K取 690w/m2℃

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

氣體蒸發熱 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 30 m2鈦管式換熱器與6臺蒸發釜 3臺一組連接。

采用的鈦列管換熱器阻力小,現有真空泵吸氣能力可以滿足要求;同時含酸冷凝液可返回電解系統,運行費用低,改造工程量小,且日常操作和維護維修方便。

(3)采用鈦板換熱器換熱面積計算:(按逆流式傳熱計算)

鈦板換熱系數 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 15 m2鈦管式換熱器與6臺蒸發釜 3臺一組連接。

采用鈦板式換熱器雖然換熱效果好,易于維護清理,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冷凝器的冷卻水問題與設備布置問題進行的,在方案的論證過程中,又出現了真空蒸發釜材質問題與結晶槽材質問題,于是一并納入考慮。

結合本廠的實際,通過比較、分析,最終確定選用方案二,采用鈦列管換熱器。同時將316L材質的真空蒸發釜改為價格便宜的搪瓷真空蒸發釜[2],將結晶槽重新設計制作,由普通碳鋼改為耐腐蝕的316L不銹鋼材質,密封結構改為密封墊與密封膠混合密封。

4 改造后的效果

凈液系統除鎳部分改造后的工藝流程見圖 2。

圖 2 改造后工藝流程圖

經前期準備后改造于 2007年 7月實施完成, 2007年 8投入生產,投產至今已運行兩年多,生產實踐證明:改造后工藝穩定,設備運行正常,效果明顯。

改造后粗硫酸鎳質量明顯提高,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,有效地提高了有價金屬鎳的回收率,增加了經濟效益,粗硫酸鎳產品受到采購商的好評。

凈液系統除鎳部分改造投產后,電解系統的電解液中鎳離子得到了有效控制,一直保持在 15g/l以下的內控范圍內,同時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,為電解系統高純陰極銅的穩定生產創造了有利條件[4]。

5 結語

(1)通過對凈液系統除鎳部分的改造,有效解決了原設計遺留問題,保證了凈液系統除鎳部分的連續穩定運行,提高了凈液系統的脫雜除鎳能力,提高了處理雜料時的抗風險能力。

(2)采用列管式冷凝器,避免了循環冷水系統繁瑣昂貴的防腐改造和含酸廢水的處理成本,同時列管式冷凝器設備阻力小,能耗低,運行平穩,無廢水、廢氣產生,重復利用,環保條件好。改造后使用至今未見故障和維修。

(3)結晶槽密封改造后,效果明顯,使用至今未見腐蝕與漏氣現象,達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題,同時提高了質量。

(4)使用搪瓷真空反應釜后,使用壽命大大提高,供貨廠家僅保證 6個月內免費維修更換,但在實際使用中已運行至今未見異常,價格低廉,成本低,且出現釉面損壞重新返搪后可繼續使用,維修費用低。

REFERENCES

[1] 中條山有色金屬公司設計研究院.侯馬冶煉廠 50kt/a銅精煉技改工程初步設計說明書[M].2004:57-68.

[2] 北京有色冶金設計研究總院等編.重有色金屬冶煉設計手冊:銅鎳卷[M].北京:冶金工業出版社,1996:317-337.

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

[4] 朱祖澤,賀家齊主編.現代銅冶金學[M].北京:科學出版社, 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

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