華宏全 徐 蕾

(1.云銅股份西南銅業(yè)分公司， 云南 昆明 650102； 2.中南大學(xué)冶金與環(huán)境學(xué)院， 湖南 長沙 410083)

0 前言

銅冶煉過程中，有些流程中需要通過溶液蒸發(fā)濃縮結(jié)晶處理過程溶液回收產(chǎn)品，如煙塵濕法處理過程中浸出液濃縮結(jié)晶分離和回收硫酸鋅；氨水吸收冶煉煙氣SO2過程中，硫酸銨溶液的濃縮結(jié)晶生產(chǎn)硫酸銨產(chǎn)品；銅電解過程中電解液凈化時，電解液蒸發(fā)濃縮冷卻結(jié)晶生產(chǎn)硫酸銅產(chǎn)品等。這些過程都是一個高能耗的過程，是一個將高溫的蒸汽向低溫的二次蒸汽的轉(zhuǎn)化過程[1]。因此，如何利用較低溫的二次蒸汽，決定了蒸發(fā)濃縮過程的經(jīng)濟(jì)性。多效蒸發(fā)濃縮過程，就是充分利用蒸發(fā)溶液的二次蒸汽，降低蒸發(fā)濃縮過程能耗的一種有效方法。

在銅冶煉的蒸發(fā)濃縮過程中，由于使用的新蒸汽主要是一些通過余熱發(fā)電后的低壓蒸汽，一般在0.1～0.3 MPa，溶液體系為硫酸鹽體系，且溶液成分極為復(fù)雜。本文通過對蒸發(fā)濃縮過程中水的氣態(tài)和液態(tài)的熱焓、體積變化、沸點(diǎn)溫升等進(jìn)行分析，并結(jié)合某銅冶煉廠的硫酸鋅、硫酸銨、硫酸銅的蒸發(fā)濃縮過程中的生產(chǎn)實(shí)踐，分析了多效蒸發(fā)濃縮技術(shù)在銅冶煉過程中的應(yīng)用。

1 溶液蒸發(fā)濃縮過程不同狀態(tài)下水的熱力學(xué)數(shù)據(jù)分析

1.1 液態(tài)和氣態(tài)水的熱焓

蒸發(fā)濃縮是一個將溶液中的溶劑水加熱轉(zhuǎn)化為水蒸汽使水由液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟南嘧冞^程，其相變熱是整個蒸發(fā)濃縮過程中熱能消耗占比最大的部分，即蒸發(fā)濃縮過程中最大能耗不是將溶液加熱到沸騰蒸發(fā)溫度點(diǎn)的過程，而是水由液相轉(zhuǎn)化為氣相的過程。飽和狀態(tài)下不同溫度下液態(tài)和氣態(tài)水的壓強(qiáng)、密度、熱焓見表1，在100 ℃下，液態(tài)水的焓值僅為同質(zhì)量氣態(tài)水的焓值的15.64%。因此，回收利用二次蒸汽中的熱量是降低蒸發(fā)濃縮過程能耗的重要方向和途徑。

表1 飽和狀態(tài)下不同溫度下液態(tài)和氣態(tài)水的物化性能

1.2 液態(tài)和氣態(tài)水的體積差異及真空能的產(chǎn)生

在蒸發(fā)濃縮過程中同樣質(zhì)量的液態(tài)水和氣態(tài)水的體積存在巨大的差異。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1 mol的液態(tài)水質(zhì)量為18 g，體積量僅為18 mL；但當(dāng)其轉(zhuǎn)化為水蒸汽時其體積量可達(dá)22.4 L，是液態(tài)水的1 244倍，兩者的體積量相差巨大。當(dāng)水蒸汽被冷凝為液態(tài)水時，其體積量將被大幅縮小，從而使密封的冷凝設(shè)備內(nèi)形成真空狀態(tài)。因此，對水蒸汽進(jìn)行冷卻，形成液態(tài)水的過程，是一個容易產(chǎn)生真空能的過程；同時也是一個充分利用蒸汽相變熱的過程。

在對二次蒸汽的熱能進(jìn)行利用的過程中，由于蒸汽被冷凝為水，使體積顯著降低，也就形成了抽真空的效果；從而達(dá)到了既有效回收熱能，又實(shí)現(xiàn)抽真空的能力。

1.3 沸點(diǎn)溫升及有效溫差

在相同壓力下，溶液的沸點(diǎn)比純水的沸點(diǎn)高，兩者的沸點(diǎn)之差，稱為溶液的沸點(diǎn)溫升[2]。溶液沸點(diǎn)升高，主要是由于溶液的蒸汽壓降低引起的。無機(jī)鹽的濃溶液沸點(diǎn)升高值可達(dá)60～70 ℃，甚至更高。由于溶液的沸點(diǎn)升高，使蒸發(fā)過程中的有效傳熱溫度差減小，這個減小的值也就是沸點(diǎn)升高的值。因此，沸點(diǎn)溫升也稱為溫度差損失。另外，在蒸發(fā)過程中二次蒸汽流經(jīng)管道時有阻力損失。因此，在蒸發(fā)過程中總的溫度差損失是溶液蒸汽壓降低引起的溫度差損失、蒸發(fā)器中溶液液柱壓力引起的溫度損失、管道阻力引起的溫度損失的三者之合。

在蒸汽濃縮過程中隨著濃縮程度的加深，沸點(diǎn)溫升會不斷上升。因此，為減少溶液濃度不斷升高而引起的溫度損失，以及減小甚至消除液柱壓力和管道阻力引起的溫度損失，可采取真空閃蒸的方法。

2 多效蒸發(fā)濃縮的原理

多效蒸發(fā)濃縮過程，就是將蒸發(fā)器串聯(lián)，將前一個蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽，作為下一個蒸發(fā)器的加熱蒸汽，下一個蒸發(fā)器的加熱室便是前一個蒸發(fā)器的冷凝器，實(shí)現(xiàn)了蒸汽熱能的有效利用[3-5]。理論上效數(shù)越多越節(jié)能，但不是效數(shù)越多越好，它主要取決于被蒸發(fā)物料最高加熱溫度和效與效之間的溫度差。效與效之間的溫度差要求不小于12 ℃，以保證每效的蒸發(fā)強(qiáng)度；若溫差太小，增加效數(shù)所節(jié)約的能量，抵不上溶液輸送時產(chǎn)生的散熱損失和消耗的能量[3]。

在銅冶煉的蒸發(fā)濃縮過程中，由于使用的新蒸汽主要是一些通過余熱發(fā)電后的低壓蒸汽，一般在0.1～0.3 MPa。因此，其多效蒸發(fā)濃縮過程中效數(shù)不能選擇太多，一般在2～3效。

3 多效蒸發(fā)濃縮在銅冶煉過程中的應(yīng)用

3.1 銅冶煉煙塵浸出液蒸發(fā)濃縮回收硫酸鋅

某銅冶煉公司是一個冶煉煙塵綜合回收的企業(yè)，在其對煙塵進(jìn)行濕法浸出過程中，產(chǎn)生了大量高濃度的硫酸鋅溶液，過去采用外夾套式的常壓蒸發(fā)器對溶液進(jìn)行蒸發(fā)濃縮回收硫酸鋅。此方法存在蒸發(fā)器加熱面積小、蒸發(fā)過程溶液沸點(diǎn)高、蒸發(fā)溫差小、設(shè)備能力小、能耗高等問題。

通過研究分析，增加了強(qiáng)制循環(huán)泵、列管式換熱器、真空泵、冷卻塔等設(shè)備，將原有蒸發(fā)槽改為閃蒸槽，并研發(fā)了真空蒸發(fā)自動排水裝置[6〗。利用現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)施，將原有的常壓蒸發(fā)改為兩效蒸發(fā)。由常壓蒸發(fā)改為在-0.06 MPa的負(fù)壓下進(jìn)行真空蒸發(fā)，降低了溶液的蒸發(fā)沸點(diǎn)溫度，實(shí)現(xiàn)了閃蒸，降低了溶液沸點(diǎn)溫升。由于將二次蒸汽用于溶液加溫，并將其冷凝為液態(tài)的水，從而僅用7.5 kW的真空泵就能維持較高的真空度；同時結(jié)合自動排水裝置，可使真空泵在間斷運(yùn)行時也維持了系統(tǒng)的真空度，大幅降低了蒸發(fā)溫度，由原來的100～110 ℃下降至75 ℃左右；而且提高了有效蒸發(fā)溫差、蒸發(fā)效率和設(shè)備生產(chǎn)能力，降低了蒸汽消耗。蒸汽費(fèi)用由原來的820萬元/a降低至450萬元/a以下，下降了45%；同時設(shè)備的蒸發(fā)濃縮能力和硫酸鋅產(chǎn)能提高了2倍以上。

3.2 煙氣尾氣凈化脫硫過程中硫酸銨的蒸發(fā)濃縮

在冶煉煙氣尾氣凈化脫硫過程中，采用氨水吸收治理尾氣中的二氧化硫，使其轉(zhuǎn)化為硫酸銨溶液，最后通過蒸發(fā)濃縮結(jié)晶成固體硫酸銨。

某銅冶煉公司硫酸分廠，在尾氣治理過程中原來采用常壓蒸發(fā)濃縮方式生產(chǎn)硫酸銨，存在設(shè)備能力低、能耗高等問題。在2015年，硫酸分廠實(shí)施硫酸銨蒸發(fā)節(jié)能項(xiàng)目，通過采用新型的真空控制方法，用1臺7.5 kW的真空泵實(shí)現(xiàn)了真空蒸發(fā)，使系統(tǒng)對蒸汽壓力的要求顯著降低，系統(tǒng)在0.05～0.1 MPa的蒸汽壓力下，就能正常蒸發(fā)；而且溶液的沸騰溫度較過去降低了10 ℃，同時蒸汽單耗降低了1.2 t-蒸汽/t-硫酸銨以上，大幅提高了設(shè)備生產(chǎn)能力。

由于硫酸銨蒸發(fā)沸點(diǎn)降低，蒸發(fā)器腐蝕速率下降，延長了蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命，降低了設(shè)備的維護(hù)成本。

3.3 電解液凈化過程中蒸發(fā)濃縮生產(chǎn)硫酸銅

在銅電解的電解液凈化過程中，常采用蒸發(fā)濃縮冷卻結(jié)晶生產(chǎn)硫酸銅的方式來脫除電解液中的銅離子，并為后續(xù)的電積脫砷和冷凍結(jié)晶生產(chǎn)硫酸鎳提供合格濃度的溶液。在2017年以前，某銅冶煉公司采用內(nèi)盤管式常壓蒸發(fā)濃縮槽進(jìn)行蒸發(fā)，存在一系列常壓蒸發(fā)的共性問題。由于電解產(chǎn)能的提高，使原有設(shè)備能力更顯不足，為解決這些問題，從2017年起采用泵強(qiáng)制循環(huán)、板式換熱器進(jìn)行加熱的三效蒸發(fā)濃縮技術(shù)，其運(yùn)行參數(shù)見表2。通過強(qiáng)制循環(huán)三效蒸發(fā)，有效降低了蒸發(fā)點(diǎn)溫度；同時，通過閃蒸形式有效降低了靜力沸點(diǎn)溫升，提高了有效蒸發(fā)溫差，降低了蒸發(fā)能耗，提高了蒸發(fā)能力。

表2 三效蒸發(fā)器的運(yùn)行參數(shù)

4 結(jié)束語

多效蒸發(fā)濃縮技術(shù)在某銅冶煉廠的硫酸鋅、硫酸銨、硫酸銅生產(chǎn)實(shí)踐中取得了良好的效果。通過閃蒸、多效真空蒸發(fā)、冷凝水自動排放等技術(shù)的應(yīng)用，有效降低了蒸發(fā)沸點(diǎn)的溫升，提高了有效蒸發(fā)溫差，從而達(dá)到了節(jié)能降耗和提高產(chǎn)能的目的，同時還有效回收了溶液中的冷凝水。另外，對比硫酸鋅、硫酸銅和硫酸銨的生產(chǎn)過程發(fā)現(xiàn)，前兩者由于溶液成分復(fù)雜，雜質(zhì)濃度高種類多，導(dǎo)致?lián)Q熱器結(jié)垢快；而硫酸銨由于溶液成分單一，基本未出現(xiàn)結(jié)垢現(xiàn)象。在硫酸鋅和硫酸銅蒸發(fā)過程中，分別采用管式和板式換熱器，其中管式換熱器的結(jié)垢速度相對慢一些，但垢層必須用高壓水槍進(jìn)行清洗；板式換熱器的結(jié)垢速度較快，且運(yùn)行阻力較大，但其垢層的清洗相對簡單。