铜电解净液系统除镍部分的改造

武战强

(北方铜业侯马冶炼厂,山西侯马 043000)

铜电解净液系统除镍部分的改造

武战强

(北方铜业侯马冶炼厂,山西侯马 043000)

分析了北方铜业侯马冶炼厂净液系统除镍部分存在的问题,选择确定了改造方案。改造后粗硫酸镍质量明显提高,增加了经济效益,电解系统的电解液中镍离子得到了有效控制,为电解系统高纯阴极铜的稳定生产创造了有利条件。

电解液;除镍;粗硫酸镍;真空蒸发

1 前言

1.1 工艺概况

图 1 原设计工艺流程图

北方铜业侯马冶炼厂电解精炼为中条山集团公司设计院设计,采用中极板传统电解工艺,设计能力为年产阴极铜 50kt。净液系统工艺流程采用电解液→一段电积脱铜→二段诱导脱铜→真空蒸发→粗硫酸镍,该系统于 2007年 1月投入试生产,一段脱铜、二段诱导脱铜先后试车成功,但在真空蒸发生产粗硫酸镍部分由于设计原因存在问题,需要进行改造。

净液系统除镍部分原设计工艺流程见图 1[1]。

1.2 主要设备

蒸发釜 6台,真空泵 2台,雾沫分离器 3台,冷凝器 3台,结晶槽 3台。配置为 2台蒸发釜 1组对应 1台雾沫分离器、1台冷凝器、1台结晶槽。

2 试生产存在的问题

净液系统试生产初期工艺流程已经打通,顺利产出粗硫酸镍,但经过一段时间,问题逐步暴露出来,主要为:

(1)冷凝器的冷却水问题。

原设计真空蒸发釜出来的气体经雾沫分离器后进入冷凝器冷凝,冷凝器为喷淋水直接冷却,而蒸发出来的气体中为酸性气体,经过喷淋水冷却后,造成循环冷却水中含酸,且酸性随循环逐渐富集增强,而循环冷却水系统的管道、阀门、泵、循环水池、冷却塔均未考虑防腐,且循环水为闭路循环。

(2)设备布置问题。

原设计的雾沫分离器、冷凝器及真空管道均设置在车间厂房房顶,无专用安全通道,仅靠爬梯上下,日常生产巡检不方便。设备出现故障后维修也不方便。

(3)真空蒸发釜材质问题。

原设计真空蒸发釜材质为316L不锈钢,试生产初期运行正常,但由于电解液中含有氯离子,造成蒸发釜后期因腐蚀逐渐出现漏点,寿命太短,维修频繁,严重影响正常生产。

(4)结晶槽材质问题。

原设计结晶槽材质为普通碳钢进行简单防腐,结晶后液为黑酸,含硫酸浓度约为 50～70%,同样造成腐蚀严重。同时,结晶槽为真空吸滤粗硫酸镍,由于密封结构设计制作存在问题,加之腐蚀造成漏气严重,产出的粗硫酸镍含游离硫酸高,不利于装袋、储存、运输和销售。

由于以上问题,净液系统除镍部分无法正常连续运行,再加上实际生产所处理的原料复杂、杂质含量高,造成电解液中镍离子持续增高,最高时达到了30g/l,对电解系统高纯阴极铜的质量造成严重威胁。为适应生产高纯阴极铜需要,因此,必须对净液系统除镍部分进行改造。

3 改造方案的选择与确定

3.1 改造方案

方案一:

保留冷凝器,循环冷却水系统全部进行防腐处理。将原循环冷却水系统的循环水管道、泵、冷却塔由普通碳钢改为耐酸材质,原地埋混凝土循环水池进行防腐处理,使冷凝器冷却水系统单独闭路循环,含酸冷却水通过不断循环积累,在酸性升高后,依据含酸情况定期送污酸污水处理站处理,同时补充新水进入循环系统。

方案二:

导致循环水呈酸性的根本原因为冷凝器的喷淋冷却造成循环水与冷却介质直接接触,需要把真空蒸发后的含酸气体与循环水分开,变直接接触热交换为间接热交换。将原来的冷凝器和雾沫分离器拆除,改为钛管换热器或钛板换热器,就近布置在蒸发釜的二层平台,循环水系统不动,新增一台15m3的冷凝液贮存罐和泵,不定期将含酸冷凝液返回电解系统。

3.2 方案分析比较

方案一:

由于原有的循环冷却水系统的管道、阀门、泵、循环水池、冷却塔主体支架管路均需更换或防腐处理,且循环水管路均在水泥地面以下,管道、阀门、雾沫分离器、冷凝器还在房顶,还需爬梯,检修时材料备件、工具需起吊设备配合,日常操作巡检存在安全隐患,需增加台阶式楼梯,工程改造施工难度大,土建工程量大,工程费用高。该方案的缺点是含酸冷却水闭路循环,通过不断循环积累,冷却水的酸性会逐渐升高,需依据含酸情况不定期外排。含酸废水输送需增设输送泵和专用管道至污酸污水处理站,距离远,且含酸废水的处理及补充新水增加运行成本。因此不合理。

方案二:

(1)原设计除镍净液量 15m3/d,酸雾量 11m3/h (折每小时 458Kg),是根据设计时的原料成分所决定的。由于生产实际中原料成分复杂,杂质含量高,为保证电解系统生产高纯阴极铜,根据生产实际,除镍净液量已达到 30m3/d。

按蒸发前液含硫酸 269g/l,蒸发终液含硫酸1000g/l计算:

溶液蒸发量为 30×(1-269/1000)×1000÷24 =913.75 Kg/h

(2)采用钛管换热器换热面积计算:(按逆流式传热计算)

设气体入口温度 110℃,出口温度 50℃

水进口温度 35℃(按夏季最差工况)出口温度45℃

钛管换热系数 K取 690w/m2℃

计算平均温度差Δtm=[(110-45)-(50-35)]÷Ln[(110-45)-(50-35)]=34.1℃

气体蒸发热 Q=913.75×22358.42×2= 4310012.55KJ/h

换热面积 F=Q/3.6K·Δt m=4310012.55÷ (3.6×690×34.1)=50.88 m2

考虑到富裕能力选 2台 30 m2钛管式换热器与6台蒸发釜 3台一组连接。

采用的钛列管换热器阻力小,现有真空泵吸气能力可以满足要求;同时含酸冷凝液可返回电解系统,运行费用低,改造工程量小,且日常操作和维护维修方便。

(3)采用钛板换热器换热面积计算:(按逆流式传热计算)

钛板换热系数 K取 1890w/m2℃

换热面积 F=Q/3.6K·Δtm=4310012.55÷ (3.6×1890×34.1)=18.58m2

考虑到富裕能力选 2台 15 m2钛管式换热器与6台蒸发釜 3台一组连接。

采用钛板式换热器虽然换热效果好,易于维护清理,但阻力较大,真空泵吸气能力不足,需更换真空泵。

3.3 方案确定

综上所述,两种方案主要是针对冷凝器的冷却水问题与设备布置问题进行的,在方案的论证过程中,又出现了真空蒸发釜材质问题与结晶槽材质问题,于是一并纳入考虑。

结合本厂的实际,通过比较、分析,最终确定选用方案二,采用钛列管换热器。同时将316L材质的真空蒸发釜改为价格便宜的搪瓷真空蒸发釜[2],将结晶槽重新设计制作,由普通碳钢改为耐腐蚀的316L不锈钢材质,密封结构改为密封垫与密封胶混合密封。

4 改造后的效果

净液系统除镍部分改造后的工艺流程见图 2。

图 2 改造后工艺流程图

经前期准备后改造于 2007年 7月实施完成, 2007年 8投入生产,投产至今已运行两年多,生产实践证明:改造后工艺稳定,设备运行正常,效果明显。

改造后粗硫酸镍质量明显提高,含镍由改造前的 15%左右提高到 21%左右,含游离硫酸由改造前的 20%降到 4%以下,有效地提高了有价金属镍的回收率,增加了经济效益,粗硫酸镍产品受到采购商的好评。

净液系统除镍部分改造投产后,电解系统的电解液中镍离子得到了有效控制,一直保持在 15g/l以下的内控范围内,同时除去了电解液中大量的钙镁离子[3],降低了电解液的粘度和密度,为电解系统高纯阴极铜的稳定生产创造了有利条件[4]。

5 结语

(1)通过对净液系统除镍部分的改造,有效解决了原设计遗留问题,保证了净液系统除镍部分的连续稳定运行,提高了净液系统的脱杂除镍能力,提高了处理杂料时的抗风险能力。

(2)采用列管式冷凝器,避免了循环冷水系统繁琐昂贵的防腐改造和含酸废水的处理成本,同时列管式冷凝器设备阻力小,能耗低,运行平稳,无废水、废气产生,重复利用,环保条件好。改造后使用至今未见故障和维修。

(3)结晶槽密封改造后,效果明显,使用至今未见腐蚀与漏气现象,达到了真空吸滤的要求,有效解决了粗硫酸镍含游离硫酸高的问题,同时提高了质量。

(4)使用搪瓷真空反应釜后,使用寿命大大提高,供货厂家仅保证 6个月内免费维修更换,但在实际使用中已运行至今未见异常,价格低廉,成本低,且出现釉面损坏重新返搪后可继续使用,维修费用低。

REFERENCES

[1] 中条山有色金属公司设计研究院.侯马冶炼厂 50kt/a铜精炼技改工程初步设计说明书[M].2004:57-68.

[2] 北京有色冶金设计研究总院等编.重有色金属冶炼设计手册:铜镍卷[M].北京:冶金工业出版社,1996:317-337.

[3] 李荣庭.粗硫酸镍生产系统的改造[J].中国有色冶金,2008 (2):17-19.

[4] 朱祖泽,贺家齐主编.现代铜冶金学[M].北京:科学出版社, 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

武战强(1972-),男,山西临猗县人,本科,工程师,主要从事有色冶炼生产技术管理工作,E-mail:hywuzhanqiang@163.com