锌直接浸出工艺中废电解液螺旋板换热器探讨

柳兰生, 陆业大, 罗云鹏, 张 岩

(1.兰州兰洛炼化设备有限公司, 甘肃 兰州 730050； 2.中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038；3.长沙有色院冶金设计研究院有限公司, 湖南 长沙 410011)

锌直接浸出工艺中废电解液螺旋板换热器探讨

柳兰生1, 陆业大2, 罗云鹏3, 张 岩1

(1.兰州兰洛炼化设备有限公司, 甘肃 兰州 730050； 2.中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038；3.长沙有色院冶金设计研究院有限公司, 湖南 长沙 410011)

本文介绍了锌湿法冶炼直接浸出工艺中，废电解液加热用螺旋板换热器的实用情况，探讨了材质的选用、适用温度等问题。

锌冶炼；螺旋板式换热器; 材质; 工艺条件

锌湿法冶炼直接浸出工艺产业化在我国已经有十多年的历史，包括国内自行开发和引进国外技术的直接浸出技术，使锌冶炼工业从污染难控状况向节能、环保转型。越来越多的技术改造、更新项目已经或将要选择直接浸出工艺。在这种工艺中，用于浸出的主要反应介质废电解液需加热到70～90 ℃，流量也较大(100～200 m3/h)。由于废电解液腐蚀性很强，如何选用高效、耐用、维护方便的换热器是直接浸出工艺各相关企业面临的难题。

截止目前，国内采用直接浸出工艺并已投产的厂家不多，在废电解液换热器选型方面，有螺旋板式、管壳式、也有选用石墨换热器的，使用过程中积累了不少经验。笔者通过近5年在国内某冶炼厂直接浸出工艺中废电解液加热用螺旋板换热器的运行、维修、改造及设备材料的更换对比，初步总结了直接浸出工艺中废电解液加热用螺旋板换热器的选材及使用过程中应注意的问题，供设计、制造和用户探讨与参考。

1 废电解液成分及工艺条件

根据直接浸出工艺要求，一般浸出所需的废电解液中主要腐蚀成份为：硫酸浓度一般在150～200 g/L， Cl-含量400～1 200 mg/L，F-含量≤60 mg/L。

用户提出的加热蒸汽基本为低压饱和蒸汽，一般换热器热侧进口温度150～188 ℃(压力≤1.2 MPa)，出口温度95～100 ℃；冷侧废电解液由30～40 ℃加热到70～90 ℃，进口压力1.3 MPa，流量按照用户项目要求确定(一般在100～200 m3/h)。

2 螺旋板换热器使用情况

某用户最初选用的是进口螺旋板换热器，蒸汽温度180～200 ℃，硫酸含量180 g/L，螺旋板材质为904 L，板厚4 mm。项目运行初期其主要使用自产矿原料(Cl-≤700 mg/L、F-≤40 mg/L)，运行7个月设备严重腐蚀报废(在此期间用户自己维修多次)。后委托国内专业厂更换芯体，同样采用904L材质制造，投入使用后修修补补还是只有7～8个月的使用寿命。当生产中采用外购及进口矿原料(Cl-含量800～1 100 mg/L左右、F-≤60 mg/L)，904L材质设备使用时间还不足60天，多次维修更新，依旧无法延长使用寿命。后选用Ti2材质螺旋板换热器试用，板厚4 mm，使用仅21天，产生均匀腐蚀，高温区螺旋板板厚由4 mm减薄至1 mm，焊缝及热影响区腐蚀破坏严重，已经不能再用。

3 各种材料耐腐蚀性能试验分析

根据上述情况，使用单位与制造方经过多次研究、探讨，查阅并分析相关资料，请教国内相关专家，通过与兰州理工大学合作，用生产厂废电解液对各种材料及焊缝试件的抗腐蚀性能做了挂片试验，详见表1、表2、图1、图2、图3。

表1 某冶炼厂废电解液成分

表2 耐腐蚀性能试验材料

图1 各温度点恒温挂片120 h腐蚀曲线图

图2 各温度点恒温挂片120 h腐蚀曲线图

图3 特种材料在锌冶炼废电解液不同温度下的耐腐蚀性能曲线图

从图1、图2可看出，2507双相不锈钢年腐蚀量最小，2205双相不锈钢次之。

由图3可以看出、在Inconel 825与2507两种材料的对比试验中，Inconel 825耐腐蚀比2507要好，尤其在90 ℃以上较为明显；两种材料的拼接焊缝耐腐蚀试样比较，氩弧焊打底的要好一些，但Inconel 825成本较高，几乎比2507高出一倍，企业应该根据自己的工艺条件及性价比择优选用。以上试验结果虽然温度≤100 ℃，但也有一定的参考性。

4 2507双相不锈钢制造的螺旋板换热器使用情况

运行工艺参数：热侧蒸汽(饱和蒸汽)进口温度180～200 ℃左右，出口温度95～100 ℃，冷侧55～90 ℃之间，压力2.1 MPa，处理量100～140 m3/h。硫酸180 g/L、Cl-800～1 100 mg/L、F-≤60 mg/L，螺旋板板厚4 mm。设备使用3个月产生泄漏。经打开仔细检查，最外圈蒸汽进口附近，螺旋通道端面焊接密封的宽度20 mm、板厚4 mm的2507母材板条表面有明显腐蚀凹坑，第一圈腐蚀深度为2 mm，第二圈为0.5 mm，第三圈基本无明显腐蚀痕迹，其它螺旋板母材表面无明显腐蚀痕迹，详见图4。

图4 螺旋通道腐蚀示意图

经计算，蒸汽由外圈进入，螺旋板壁面温度第一圈180～200 ℃，第二圈160～180 ℃，第三圈140～160 ℃。也就是说，当蒸汽温度≤140 ℃时基本无明显腐蚀，介质对材料的强腐蚀区间在140 ℃以上，且温度越高腐蚀越快。如果进口蒸汽温度低于140 ℃，则使用寿命可达到1～2年。

5 管壳式、石墨换热器优缺点比较

管壳式换热器相对而言占地面积大，换热效率低，其管束壁厚2～3.5 mm，腐蚀破坏周期与螺旋板类似；石墨换热器显然抗腐蚀性能良好，但一般耐压≤0.8 MPa，不能用于废电解液高压进料，只能用于泵前低压条件，而且换热效率较低、易堵塞，由于石墨本身很脆，在检修过程中边、角、密封面也容易产生破损，多层密封垫也易破损。

6 结论

本文介绍的国内某冶炼厂废电解液介质，其主要腐蚀成份含量均较高，蒸汽温度也偏高，具有一定的代表性。当蒸汽温度≤140 ℃，可以选用2507双相不锈钢螺旋板式换热器，其换热效率高、结构紧凑、腐蚀裕度大、不易结垢、清洗维护方便等特性在废电解液加热工艺中具有明显的优势。但在焊接材料的选用、焊接工艺的选择方面要以试验评定为依据，焊后铁素体与奥氏体比例要适当。如果条件允许选用Inconel材质的螺旋板会更好，但造价较高。另外，不同的工艺条件、采用微量腐蚀元素含量偏高的矿石原料等等，还需具体问题具体分析。

[1]钱颂文. 换热器设计手册[M]. 北京：化学工业出版社，2002.

[2]秦叔经.换热器[M]. 北京：化学工业出版社，2002.

[3]初世宪.工程防腐蚀指南[M]. 北京：化学工业出版社，2002.

Discussiononspiralplateheatexchangerofwasteelectrolyteinzincdirectleachingprocess

LIU Lan-sheng, LU Ye-da, LUO Yun-peng, ZHANG Yan

In the direct leaching process of zinc hydrometallurgy, the practical application situations of spiral plate heat exchanger used to heat the waste electrolyte was introduced, the selection of material and suitable temperature were discussed in this paper.

zinc hydrometallurgy; spiral plate heat exchanger; material; process conditions

柳兰生(1957—)，男，甘肃会宁人，高级工程师，现任兰洛炼化设备有限公司总经理。

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