蒸氣間接加熱濃縮生產(chǎn)粗硫酸鎳工藝應(yīng)用

1、蒸氣間接加熱濃縮生產(chǎn)粗硫酸鎳工藝應(yīng)用余智艷(南昌有色冶金設(shè)計(jì)研究院,南昌市,330002)（摘要）介紹蒸氣間接加熱濃縮法生產(chǎn)粗硫酸鎳工藝在銅電解液凈化過程中的應(yīng)用對該工藝的工藝原理、操作參數(shù)的確定、所用設(shè)備特點(diǎn)及配置要求作了論述。關(guān)鍵詞蒸氣間接加熱濃縮法粗硫酸鎳工藝近年來,為了充分利用銅資源，滿足市場需要，以廢雜銅為原料生產(chǎn)電銅的銅電解廠日益增加。由于受資金、原料等客觀條件的限制，這些銅冶煉廠的規(guī)模一般為12萬t/a。而以雜銅為原料產(chǎn)出的陽極板含鎳較高有的高達(dá)0.3%以上，這些鎳必須在電解液凈化過程中脫除。因此迫切需要一種適合中小型銅冶煉廠、設(shè)備簡單、投資省的脫鎳工藝。而蒸氣間接加熱濃縮生產(chǎn)粗

2、硫酸鎳工藝正滿足了這一需要本人曾在幾個工程的設(shè)計(jì)中運(yùn)用該工藝現(xiàn)就其工藝原理、操作參數(shù)、設(shè)備選擇及配置等方面做一些分析和論述。1、概述鎳是銅陽極板中的主要雜質(zhì)之一，在電解過程中若電解液中的鎳離子濃度超過15g/L，對電銅質(zhì)量將產(chǎn)生不良影響,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)。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。而國內(nèi)主要采用結(jié)晶法生產(chǎn)粗硫酸鎳,如一些老冶煉廠采用的直火濃縮法和冷凍結(jié)晶法、80年代貴溪冶煉廠從日本引進(jìn)的電熱濃縮法等。直火濃縮法因具有設(shè)備簡單、鎳直收率高等優(yōu)點(diǎn),曾一度在小型銅冶煉廠廣泛采用,但由于其燃燒與蒸發(fā)設(shè)備不密閉、酸揮發(fā)多、能耗大、環(huán)境污染嚴(yán)

3、重、操作環(huán)境惡劣、勞動強(qiáng)度大,在日益重視環(huán)境保護(hù)及強(qiáng)調(diào)勞動安全衛(wèi)生的今天已不再推薦使用。冷凍結(jié)晶法由于需要設(shè)備多、占地面積大、脫鎳率低等因素一直未得到廣泛采用。而電熱濃縮法由于自動化程度高、環(huán)保效果好、脫鎳率高等優(yōu)點(diǎn)正被越來越多的工廠所采用,但因所需設(shè)備復(fù)雜、投資大且生產(chǎn)粗硫酸鎳成本高,使其在中小型銅冶煉廠的使用受到限制。所以，蒸氣間接加熱濃縮法(在某一壓強(qiáng)下，采用蒸氣間接加熱使溶液蒸發(fā)的方法)則受到中小型銅冶煉廠的普遍青睞。它既解決了操作條件惡劣、勞動強(qiáng)度大等問題，又利于環(huán)境保護(hù)，且設(shè)備簡單、投資省，對資金有限的中小型銅冶煉廠是較為適宜的。2、蒸氣間接加熱濃縮法的工藝原理及操作參數(shù)的確定2.

4、1蒸氣間接加熱濃縮法的工藝原理電解液凈化系統(tǒng)生產(chǎn)粗硫酸鎳的溶液一般為二次脫銅終液，其成份主要為H2SO4和NiSO4。根據(jù)硫酸鹽結(jié)晶理論，溶液中的硫酸濃度與硫酸鹽溶解度在不同溫度下存在一定的平衡關(guān)系，即溶液中硫酸鹽溶解度會隨其酸度、溫度的變化而改變；同時溶液在不同的酸度、不同的壓強(qiáng)下，其沸點(diǎn)也不同，它們之間也存在一定的平衡關(guān)系。圖1為溶液中硫酸鎳的飽和濃度與酸度在不同溫度下的關(guān)系曲線。圖2為溶液的沸點(diǎn)與酸度在不同壓強(qiáng)下的關(guān)系曲線。由圖1可見，當(dāng)溶液酸度升高或溫度降低時，溶液中鎳離子飽和濃度都相應(yīng)降低，即鎳離子形成硫酸鎳結(jié)晶析出。例如直火濃縮法及電熱濃縮法都是通過加熱溶液蒸發(fā)水份，提高其酸度,然

5、后再冷卻結(jié)晶產(chǎn)出粗硫酸鎳。從圖2曲線可以看出，當(dāng)壓強(qiáng)一定時溶液的沸點(diǎn)隨著酸度的增加而升高，而當(dāng)酸度一定時，溶液的沸點(diǎn)又隨壓強(qiáng)的降低而降低。例如在常壓下，溶液含酸850g/L，其沸點(diǎn)高達(dá)138左右，而當(dāng)溶液在真空度0.074MPa(絕對壓力為0.026MPa)條件下，其沸點(diǎn)下降為95左右。也就是說，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；而蒸發(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(一般130)而來源較方便的蒸氣作加熱源間接加熱使溶液蒸發(fā)濃縮，然后再經(jīng)

6、過水冷結(jié)晶產(chǎn)出粗硫酸鎳。2.2操作參數(shù)的確定根據(jù)硫酸鹽溶解度與酸度的關(guān)系，若溶液酸度越高，硫酸鎳的溶解度就越低。結(jié)晶率也越高，但另一方面，隨著溶液酸度的提高，其沸點(diǎn)也相應(yīng)升高，而且升高幅度不斷增加。表1為硫酸鎳溶液中酸度每增加20%，其沸點(diǎn)升高之差。由于溶液沸點(diǎn)隨酸度的增加而升高，減少了加熱蒸氣與溶液之間的傳熱動力溫度差，因而使傳熱效率降低，蒸發(fā)速度減慢。因此，必須選擇合理的終液酸度，以保證一定的結(jié)晶率和蒸發(fā)速率。根據(jù)理論數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)蒸氣溫度為130左右時，一般控制終液的硫酸濃度在850950g/L，真空度為0.0660.08MPa。表2為真空蒸發(fā)濃縮工藝操作參數(shù)實(shí)例。3、設(shè)備特點(diǎn)及配置要求

7、3.1設(shè)備特點(diǎn)蒸氣間接加熱濃縮法生產(chǎn)粗硫酸鎳采用的設(shè)備及相互連接關(guān)系見圖3。從圖3可以看出，蒸氣間接加熱濃縮法所用設(shè)備比較簡單，主要可分為真空蒸發(fā)結(jié)晶槽、真空設(shè)備及過濾設(shè)備。3.1.1真空蒸發(fā)結(jié)晶槽近年來，鈦材外加熱循環(huán)式真空蒸發(fā)器由于傳熱效率高、蒸發(fā)效果好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于銅電解凈化系統(tǒng)的硫酸銅生產(chǎn)，但用于粗硫酸鎳生產(chǎn)還存在一些問題。硫酸銅真空蒸發(fā)濃縮后液酸度低于400g/L，蒸發(fā)溫度為80左右，而硫酸鎳真空蒸發(fā)濃縮后液酸度達(dá)850g/L以上，蒸發(fā)溫度在100左右，而鈦材質(zhì)在溶液酸度超過500g/L，特別是在汽、液相并存的條件下，腐蝕比較嚴(yán)重。雖然能耐這種高溫、高酸介質(zhì)的其它金屬材料也有，但價

8、格昂貴，同時由于外加熱循環(huán)式真空蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備加工困難、造價高，因此用于硫酸鎳生產(chǎn)在國內(nèi)還存在一定的困難。搪瓷反應(yīng)釜雖然傳熱效率偏低，但它具有耐高溫、高酸等特性，而且能耐溫急變性，既可用于加溫蒸發(fā)又可兼做水冷結(jié)晶。因其內(nèi)壁光滑，結(jié)晶物不易粘著器壁且易于清洗，同時由于搪瓷反應(yīng)釜采用夾套冷卻，不會出現(xiàn)采用盤管形式因結(jié)晶物堵塞盤管的縫隙而影響冷卻效果的現(xiàn)象。所以采用搪瓷反應(yīng)釜作為硫酸鎳蒸發(fā)結(jié)晶槽在目前還是較為理想的設(shè)備。由于蒸發(fā)后液溶液量少、酸度高、比重大，結(jié)晶容易沉于槽底，故對攪拌槳形式和速度有特殊要求，攪拌槳一般選用錨式較好，這樣攪拌時不易出現(xiàn)死角。3.1.2真空設(shè)備真空設(shè)備以往一般選用水

9、環(huán)式真空泵。近年來，水噴射泵由于具有結(jié)構(gòu)簡單、便于加工、設(shè)備費(fèi)用低及節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于真空系統(tǒng)，特別是在真空蒸發(fā)操作中，水噴射泵內(nèi)高速噴射的水流在汽室與蒸發(fā)的汽體接觸，可將蒸氣冷凝并隨冷卻水一同排出系統(tǒng)。由于水噴射泵造真空要求一定的水量，為了節(jié)約用水，需循環(huán)使用。在蒸發(fā)過程中蒸發(fā)的汽體被冷凝，使排出的水溫升高，而噴射泵所用水的溫度太高，會使其真空度下降，因此，循環(huán)水必須經(jīng)冷卻后才能循環(huán)使用。由于蒸發(fā)汽體會帶入一些酸霧，所以循環(huán)水使用后酸度會升高，必須定期定量送廢水處理。3.1.3過濾設(shè)備粗硫酸鎳過濾設(shè)備可采用離心機(jī)或真空吸濾盤。離心機(jī)過濾處理量大、分離因素高，過濾后的粗硫鎳含吸附酸少，但離心

10、機(jī)易產(chǎn)生溶液飛濺，使用不太安全。而采用真空吸濾盤，雖過濾出的粗硫酸鎳含吸附酸高些，但操作方便，使用安全，而且在有真空源的條件下設(shè)備投資費(fèi)用相對較低，所以一般多采用真空吸濾。過濾時真空度應(yīng)盡可能高些，以降低粗硫酸鎳所含吸附酸，便于粗硫酸鎳的進(jìn)一步處理。若生產(chǎn)粗硫酸鎳較少，且不再精制，也可考慮采用自然過濾。3.2設(shè)備配置要求蒸氣間接加熱濃縮法生產(chǎn)粗硫酸鎳工藝所用設(shè)備少，配置較簡單，占地面積小。雖然水噴射泵由于造真空要求需配置在一定的高度(一般不低于10m)，但可露天放置，因此可同冷卻塔一起配置在廠房的屋頂上。減少廠房投資。由于整個過程是在較高酸度下進(jìn)行，為了防止結(jié)晶物堵塞和減少跑冒滴漏，所以在配置上一般按工序由上向下，使溶液在設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)自流。圖4為真空蒸發(fā)濃縮系統(tǒng)的配置實(shí)例。4、結(jié)語蒸氣間接加熱濃縮法生產(chǎn)粗硫酸鎳的最大優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單、投資省、操作方便，且環(huán)保條件好、工人勞動強(qiáng)度小。