范 翔， 彭 明， 樂安勝

(大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司， 湖北 黃石 435005)

在銅電解生產(chǎn)中，隨著電解的持續(xù)進(jìn)行，陽極板中的鎳溶解到電解液中，致使電解液中的鎳離子濃度不斷升高，增加了電解液比重并降低了電解液導(dǎo)電性能，必須在電解液的凈化過程中除去,以保證電解的正常生產(chǎn)[1-2]。電解液中鎳的脫除方法主要有結(jié)晶法、萃取法、離子交換法等[3-4]。而國內(nèi)主要采用結(jié)晶法生產(chǎn)粗硫酸鎳，目前一般廠家采用蒸發(fā)濃縮、冷凍結(jié)晶和這兩個聯(lián)合工藝生產(chǎn)。在提高生產(chǎn)效率和降低能耗等方面各廠家都一直在摸索[5-8]。

1 大冶有色硫酸鎳系統(tǒng)簡介

大冶有色是國有控股的大型銅冶煉企業(yè)，主要產(chǎn)品是高純陰極銅和工業(yè)硫酸，年生產(chǎn)能力分別為70萬t和120萬t。硫酸鎳系統(tǒng)為30萬t銅電解項(xiàng)目的配套項(xiàng)目, 采用蒸發(fā)濃縮和冷凍結(jié)晶聯(lián)合生產(chǎn)工藝。

蒸發(fā)濃縮采用蒸氣間接加熱濃縮法來提高二段電積終液的鎳濃度及酸度。在負(fù)壓條件下，由于溶液的沸點(diǎn)降低，增加了被蒸發(fā)溶液與加熱源之間的溫差，強(qiáng)化了蒸發(fā)作用。蒸發(fā)出的氣體被及時抽走，避免了液面上蒸氣壓強(qiáng)的升高，從而提高了蒸發(fā)速度。蒸氣間接加熱濃縮法就是基于這兩個特性，在一定真空度下，可使用溫度不太高而來源較方便的蒸氣作為加熱源間接加熱使溶液蒸發(fā)濃縮。

冷凍結(jié)晶是將濃縮后的溶液經(jīng)過制冷工序進(jìn)行冷凍結(jié)晶。制冷工序生產(chǎn)原理就是使用制冷機(jī)組對鹽水進(jìn)行冷凍降溫，鹽水進(jìn)入結(jié)晶槽內(nèi)、外兩個夾套，對結(jié)晶槽內(nèi)的濃縮后液進(jìn)行冷凍降溫。采用制冷機(jī)將溶液的溫度降低至比自然冷卻或水冷卻更低的溫度，使溶液中的鎳和硫酸在冷凍狀態(tài)下成為NiSO4·7H2O結(jié)晶。工藝流程見圖1，工藝參數(shù)見表1。

圖1 硫酸鎳工藝設(shè)備連接圖

2 運(yùn)行中出現(xiàn)的主要問題

硫酸鎳蒸發(fā)濃縮采用12臺蒸發(fā)釜，設(shè)計(jì)日均處理能力為190 m3。但由于設(shè)備故障率高，蒸汽壓力不足等因素影響，很難達(dá)到設(shè)計(jì)能力，并且蒸汽單耗極高，高時達(dá)到了150 t/t NiSO4·7H2O，增加硫酸鎳生產(chǎn)成本。冷凍結(jié)晶有6臺結(jié)晶罐、3臺制冷機(jī)，兩機(jī)三槽(開兩臺制冷3臺進(jìn)行冷凍結(jié)晶)生產(chǎn)模式，日均處理能力約90 m3；三機(jī)四槽生產(chǎn)模式，日均處理能力120 m3。生產(chǎn)運(yùn)行中存在的問題：兩道工序之間由于生產(chǎn)周期不匹配，很難達(dá)到系統(tǒng)生產(chǎn)最大值；生產(chǎn)周期控制較難，系統(tǒng)非生產(chǎn)時間較多。

表1 硫酸鎳工藝參數(shù)

3 采取的措施

3.1 使用蒸汽冷凝水對原液進(jìn)行預(yù)升溫處理

蒸發(fā)濃縮工序目前日均消耗蒸汽量約為180 t左右，而產(chǎn)生的冷凝水約為160 t左右，除制冷工序清洗箱式壓濾機(jī)濾布使用約15～20 t左右以外，其余的冷凝水均返往電解系統(tǒng)。蒸汽冷凝水一般在90 ℃以上，可使用板式換熱器連通冷凝水管道及原液槽補(bǔ)液管道，使用冷凝水對原液進(jìn)行預(yù)加熱。換熱后的冷凝水還是返往電解車間。通過改造后，使電積后液溫度從30～40 ℃之間，提高到50～55 ℃之間，間接提高了濃縮工序的處理能力。改造后的工藝設(shè)備連接圖見圖2。

圖2 改造后工藝設(shè)備連接圖

3.2 生產(chǎn)組織方式優(yōu)化

通過改造后，蒸發(fā)濃縮工序處理能力最大可達(dá)到230 m3，平均處理能力約為200 m3，蒸發(fā)后液量120 m3。冷凍結(jié)晶生產(chǎn)周期為12～13 h一個批次，日均處理能為90～120 m3，與蒸發(fā)濃縮的處理能力不配，導(dǎo)致蒸發(fā)濃縮不得不停產(chǎn)等待。

蒸發(fā)濃縮以前的操作模式為整開整停生產(chǎn)方式，制冷工序?yàn)閮蓹C(jī)四槽生產(chǎn)方式。生產(chǎn)中濃縮工序每次放液時都是將蒸發(fā)釜同時放液到預(yù)冷槽(每臺蒸發(fā)釜后液量為10～11 m3)，而預(yù)冷槽只有四臺(每臺儲存量為15～16 m3)。這種生產(chǎn)模式致使預(yù)冷槽不足，導(dǎo)致有部分蒸發(fā)濃縮后液沒有時間進(jìn)行預(yù)冷而直接進(jìn)結(jié)晶槽內(nèi)生產(chǎn)。結(jié)晶槽的起始溫度過高(正常條件下，經(jīng)過預(yù)冷槽3～5 h預(yù)冷后，濃縮后液溫度已經(jīng)接近常溫，如沒有時間預(yù)冷時后液溫度達(dá)到55～60 ℃)，直接延長制冷工序的生產(chǎn)周期，制冷工序13 h一個批次的時候主要就是結(jié)晶槽起始溫度過高導(dǎo)致。

重新優(yōu)化生產(chǎn)組織方式，蒸發(fā)濃縮使用三臺蒸發(fā)釜為一個批次進(jìn)行操作，放液時按三臺釜放入兩臺預(yù)冷槽為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，而冷凍結(jié)晶每次進(jìn)液時由以前的四臺結(jié)晶槽一起進(jìn)液，改為兩臺結(jié)晶槽為一組進(jìn)行操作，這樣就可以充分利用預(yù)冷槽給溶液進(jìn)行降溫處理，大幅降低濃縮液進(jìn)入冷凍結(jié)晶的起始溫度。

經(jīng)過生產(chǎn)組織方式優(yōu)化后，蒸發(fā)濃縮工序每三臺蒸發(fā)釜放液至兩臺預(yù)冷槽，冷凍結(jié)晶工序每次也進(jìn)兩臺預(yù)冷槽的溶液，通過錯開生產(chǎn)后，明顯提高了冷凍結(jié)晶的生產(chǎn)效率，并且蒸發(fā)濃縮工序也不用等待冷凍結(jié)晶工序，間接提高了濃縮工序處理能力。優(yōu)化后的生產(chǎn)組織方式見圖3。

圖3 優(yōu)化后的生產(chǎn)組織方式

3.3 降低制冷工序非生產(chǎn)時間

生產(chǎn)組織方式優(yōu)化后，冷凍結(jié)晶生產(chǎn)周期一直可以控制在12 h，但后期生產(chǎn)中制冷工序生產(chǎn)周期突然開始變得不穩(wěn)定，并且不斷延長，由12 h延長12.5～13 h，最后到了14.5 h，嚴(yán)重影響到系統(tǒng)整體處理能力，并且加大了車間的生產(chǎn)成本。

將結(jié)晶槽進(jìn)行了開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶槽內(nèi)壁及內(nèi)夾套上結(jié)了厚厚一層膠質(zhì)，厚度約4～6 mm。該膠質(zhì)影響到了結(jié)晶槽的換熱效果，導(dǎo)致結(jié)晶槽內(nèi)溶液在低溫階段降溫速度變慢。找到問題后，使用高壓清洗水槍及人工刮鏟的方法將六臺結(jié)晶槽內(nèi)壁及內(nèi)夾套上的膠質(zhì)清除。經(jīng)過本次的結(jié)晶槽清洗后，制冷工序生產(chǎn)周期回到12 h，系統(tǒng)整體處理能力也提升到了日均220 m3。

4 改進(jìn)后效果

通過以上改進(jìn)以后，硫酸鎳處理量穩(wěn)定上升，產(chǎn)量也逐漸增加，各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)完成情況較好，蒸汽單耗持續(xù)下降。2016年和2017年蒸汽單耗趨勢見圖4，改進(jìn)前后主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見表2。

圖4 2016年與2017年硫酸鎳蒸汽單耗趨勢圖

參項(xiàng)改進(jìn)前值改進(jìn)后值產(chǎn)量/t400412直收率/%5358蒸汽單耗/(t/t NiSO4·7H2O)131116

調(diào)整生產(chǎn)組織方式及降低系統(tǒng)非生產(chǎn)時間以后，系統(tǒng)生產(chǎn)效率明顯提高，兩個工序之間生產(chǎn)節(jié)奏基本達(dá)到匹配，后期完善了結(jié)晶槽的清洗周期，每次對結(jié)垢進(jìn)行清理作業(yè)與換周期生產(chǎn)同時進(jìn)行，不影響正常生產(chǎn)時間。

5 結(jié)論

針對生產(chǎn)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行了以下改進(jìn)措施：通過用蒸發(fā)濃縮產(chǎn)生的冷凝水加熱蒸發(fā)前液，回收了大量余熱；優(yōu)化生產(chǎn)組織，協(xié)調(diào)濃縮蒸發(fā)與冷凍結(jié)晶處理量一致性；清理結(jié)晶罐內(nèi)壁，大幅提高熱交換效率。整改后，提高了硫酸鎳金屬產(chǎn)能(直收率從53%提高到58%)及降低蒸汽單耗(硫酸鎳蒸汽單耗由131 t/t NiSO4·7H2O下降到116 t/t NiSO4·7H2O)，降低了硫酸鎳車間的生產(chǎn)成本，符合了國家節(jié)能、環(huán)保及節(jié)約資源的要求，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了保障，創(chuàng)造了社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。