銅電解凈液冷凍法除鎳工藝優(yōu)化改造

韋會勇

（江西銅業(yè)集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

在銅冶煉過程中鎳是火法精煉時難以除去的雜質(zhì)，大部分以離子的形式進入電解液中，并不斷富集，增加電解液的粘度和密度，增加電解液的電阻［1］，不利于電銅生產(chǎn)，影響電銅質(zhì)量和電單耗，增加電解噸銅冶煉生產(chǎn)成本。

目前，國內(nèi)從銅電解廢液中提取鎳主要有2種方法：電解法、結(jié)晶法［2］。貴溪冶煉廠電解車間采用冷凍結(jié)晶法工藝生產(chǎn)粗硫酸鎳回收鎳。冷凍結(jié)晶法的原理是硫酸鎳溶液在酸度一定的情況下，溫度越低，飽和濃度越低［3］。即將二次終液（脫銅、脫雜后液）冷凍降溫，降低其硫酸鎳的溶解度，使硫酸鎳過飽和結(jié)晶析出，再用箱式壓濾機進行固液分離，產(chǎn)出粗硫酸鎳結(jié)晶，直接外銷，脫鎳濾液再蒸汽加熱至50℃，返回生產(chǎn)系統(tǒng)。

隨著陰極銅產(chǎn)能的擴大，原料結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大變化，陽極銅中的含鎳量逐年升高（見表1），電解車間二系統(tǒng)凈液工序需要的硫酸鎳處理量不斷增加，而粗硫酸鎳工序處理能力有限，日均處理量為35m3/天，進入電解液中的鎳金屬量超過電解液凈化工序鎳的脫除量，高溫季節(jié)處理量更是無法完全滿足實際生產(chǎn)要求，電解液含鎳超出生產(chǎn)控制指標(biāo)（見圖1）。

表1 陽極含鎳

圖1 2015年1-7月日均處理量與電解液含鎳

2 影響硫酸鎳工藝除鎳能力的因素分析

通過對影響硫酸鎳工藝處理量的因素進行分析，主要有以下4個方面：

2.1 冷凍機的制冷能力不足

隨著處理量的不斷增加，冷凍結(jié)晶缸壓濾、裝液的頻次增加。結(jié)晶缸壓濾完重新裝液后的高溫二次終液會迅速拉升冷凍鹽水的溫度，造成其它冷凍結(jié)晶缸內(nèi)冷卻溶液的溫度停滯下降，甚至反升，延長了二次終液的冷凍降溫過程。且冷凍機組負荷增減波動大、速度快，隨之冷凍鹽水水溫波動大，對機組穩(wěn)定運行提出了嚴峻考驗［4］，現(xiàn)有的冷凍機組以不能滿足生產(chǎn)需求。

2.2 二次終液裝入冷凍結(jié)晶缸的初始溫度較高

二次終液初始溫度約為50～55℃，在加入冷凍結(jié)晶缸前通過1臺水冷板式換熱器預(yù)冷降溫，裝液時間快預(yù)冷換熱不足，對加入結(jié)晶缸內(nèi)的二次終液降溫僅5℃左右，冷凍結(jié)晶初始溫度依然偏高。裝缸初始溫度高，降到硫酸鎳溶液冷凍終點溫度的時間就長，單臺結(jié)晶缸的作業(yè)周期長，效率低，消耗冷凍鹽水的能量高。

2.3 冷凍結(jié)晶缸內(nèi)壁的清潔度影響結(jié)晶缸的換熱效率

冷凍結(jié)晶過程中，電解液中的部分鎳和雜質(zhì)會形成結(jié)垢，吸附在結(jié)晶缸內(nèi)壁上，影響換熱效果。原來的內(nèi)壁結(jié)垢清理方式為用高壓水槍（工業(yè)水）從結(jié)晶缸頂部人孔往罐壁噴水沖洗。由于高壓水槍出水口呈點狀噴射到罐壁上，且因視角受到影響，不能保證罐壁每個點都被噴洗到，難免有遺漏；加之操作人員的責(zé)任心問題，清洗效果不能得到有效保證，從而影響罐壁的傳熱效果，延長結(jié)晶缸的作業(yè)時間，影響處理能力。

2.4 硫酸鎳壓濾機運行效果差，難以滿足生產(chǎn)工藝的要求

硫酸鎳工序原配置的兩臺板框壓濾機投入使用多年后故障頻繁，壓濾時存在噴酸、漏液、跑泥等現(xiàn)象，問題較多。泄漏出來的冷凍后液經(jīng)收集后重新返回生產(chǎn)系統(tǒng)，浪費了能源且做了無用功，現(xiàn)場清掃耗時耗力，且存在安全隱患，嚴重影響到生產(chǎn)效率和指標(biāo)。

3 提高硫酸鎳工藝處理能力的改進思路

增設(shè)新型節(jié)能冷凍機，提高冷凍機的制冷能力；優(yōu)化二次終液預(yù)冷系統(tǒng)，提高預(yù)冷效果，降低結(jié)晶缸裝缸初始溫度，縮短結(jié)晶缸的冷凍周期，提高作業(yè)效率；創(chuàng)新優(yōu)化結(jié)晶缸的清洗作業(yè)方式，提高罐壁的熱傳導(dǎo)能力；對壓濾系統(tǒng)進行升級改造，提高生產(chǎn)效率。

4 提高硫酸鎳工藝處理能力的優(yōu)化改造

4.1 增設(shè)新型節(jié)能高效冷凍機

2015年8月在原冷凍機保留的基礎(chǔ)上增設(shè)1臺新型節(jié)能高效冷凍機，且兩臺冷凍機組采用集中連鎖控制，原冷凍機組作為備用。當(dāng)一臺運行的冷凍機組產(chǎn)生的制冷量不能滿足生產(chǎn)所需時，另一臺冷凍機組投入運行。經(jīng)過長時間的運行實踐，兩臺冷凍機組集中控制，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，滿足了生產(chǎn)需求［5］，同時提高了能源的利用效率。

4.2 優(yōu)化預(yù)冷換熱系統(tǒng)

4.2.1 降低裝液速度，延長預(yù)冷時間

硫酸鎳結(jié)晶缸裝液是用裝液泵從二次終液灌抽取二次終液裝缸，泵的額定流量為50m3/h，而冷凍結(jié)晶缸裝液量為7～8m3/缸，1臺結(jié)晶缸裝滿液僅需10min左右，裝缸時流量大，與冷卻水的熱交換時間短，預(yù)冷效果差。要提高預(yù)冷效果，必須降低裝液速度從而延長二次終液的預(yù)冷熱交換時間。在裝液泵出口增加1個回流出口，降低裝液流量，將裝液流量控制在20m3/h以內(nèi)，延長裝缸時間至30min左右，提高預(yù)冷效果。

4.2.2 硫酸鎳壓濾后液預(yù)冷二次終液

硫酸鎳結(jié)晶缸冷凍終點為-16℃，壓濾后液溫度在-12℃左右，原工藝設(shè)計是用蒸汽將壓濾后液加溫到50℃后再返電解生產(chǎn)系統(tǒng)。

在原水冷換熱器后增加1套預(yù)冷系統(tǒng)，用低溫硫酸鎳濾液對二次終液進行二次預(yù)冷卻［6］，回收利用硫酸鎳濾液的余能。冷凍結(jié)晶缸裝液時二次終液先通過原水冷換熱器，再通過硫酸鎳壓濾后液換熱器，經(jīng)兩次預(yù)冷后進入冷凍結(jié)晶缸，二次終液溫度可以降低到30℃左右，而且脫鎳濾液也得到了預(yù)加熱。

4.2.3 創(chuàng)新優(yōu)化結(jié)晶缸清洗作業(yè)方式

將原來用高壓水槍（工業(yè)水）從頂部人孔沖洗改為熱水泡洗。既定期關(guān)閉對應(yīng)冷凍結(jié)晶缸的冷卻鹽水循環(huán)閥，往結(jié)晶缸內(nèi)加入蒸發(fā)循環(huán)熱水，通過結(jié)晶缸攪拌槳帶動缸內(nèi)循環(huán)熱水旋轉(zhuǎn)，全面無死角地沖洗結(jié)晶缸內(nèi)壁。通過一段時間的試驗對比，總結(jié)出用熱水泡洗結(jié)晶缸40min左右，既可以將結(jié)晶缸內(nèi)壁的結(jié)晶、結(jié)垢完全清理干凈，達到最佳效果，且清洗過程在DCS上有監(jiān)控記錄，可以減少冷凍結(jié)晶缸在清洗作業(yè)中的人為因素影響，從而保證清洗質(zhì)量。

4.2.4 改造應(yīng)用高效壓濾機

針對硫酸鎳工序原壓濾機的諸多問題，車間于2016年8月完成了對硫酸鎳工序兩臺壓濾機的升級改造，選用了全新的整體不銹鋼材質(zhì)的自動板框壓濾機。取得了良好的綜合效果。

5 實施效果

（1）隨著以上措施推進實施，硫酸鎳工序二次終液日處理量得到逐步提高，日均處理量由34.96m3/天，提高到了目前的63m3/天（見下圖2）。

圖2 硫酸鎳日均處理量（m3）

（2）在陽極原料含鎳逐年增長的情況下，生產(chǎn)系統(tǒng)電解液含鎳（工藝要求14g/L以下）得到有效控制并呈下降趨勢，為陰極銅的生產(chǎn)創(chuàng)造了優(yōu)良條件（見圖3），陰極銅直流電單耗顯著下降。

圖3 年值電解液含鎳

6 工藝優(yōu)化的經(jīng)濟效益和社會效益

6.1 經(jīng)濟效益

6.1.1 硫酸鎳工序產(chǎn)能提高

工序日均處理能力由35m3/d提升到63m3/d，日均除鎳量提升約336kg，全年粗硫酸鎳產(chǎn)量提高約616t（硫酸鎳含鎳18%），銷售收入大幅增加。

6.1.2 新型冷動機節(jié)能降耗

原冷凍機額定功率為200kW/h，項目改造后的新型能動機額定功率為149kW/h，節(jié)能25.5%，提高能源利用率，用電成本降低。

6.1.3 電解液含鎳降低，降低電單耗

2017年電解系統(tǒng)電解液平均含鎳相比2015年下降了1.5g/L左右。電解液粘度及電阻降低，銅電解生產(chǎn)電單耗顯著減低，降低了生產(chǎn)成本。

6.1.4 硫酸鎳壓濾后液加熱蒸汽消耗節(jié)約

低溫硫酸鎳濾液，原來需用蒸汽加熱至50℃以上，返回電解生產(chǎn)系統(tǒng)，該項目用濾液預(yù)冷二次終液的過程，也是對自身預(yù)熱，有效回收了余能，同時節(jié)約了加熱濾液所需的蒸汽消耗。

6.2 社會效益

項目完成后硫酸鎳工序生產(chǎn)作業(yè)穩(wěn)定高效，兩臺冷凍機互為備用，確保工序的連續(xù)作業(yè)；硫酸鎳壓濾機改造升級后，有效消除了設(shè)備性能不足對生產(chǎn)的直接影響，硫酸鎳工序處理能力得到顯著提升；同時改善了現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，消除了作業(yè)時產(chǎn)生的安全環(huán)保隱患，降低了檢修維護成本；自動化作業(yè)的技術(shù)升級，降低了職工的勞動強度，緩解了崗位人員緊張的壓力。