范 翔 曹昌盛 劉建新 董 博 高玉利

(大冶有色金屬集團控股有限公司， 湖北 黃石 435005)

0 前言

在銅電解生產(chǎn)中，電解槽內(nèi)陰陽極板在溶液中通直流電的狀態(tài)下，陽極板中的鎳不斷地溶解到電解液中，使得溶液中的鎳濃度不斷提高，降低電流效率的同時也會影響陰極銅質(zhì)量[1-3]。因此，電解精煉工藝的廠家都要進(jìn)行硫酸鎳的凈化工作[4-6]。電解液中鎳的凈化工藝總的來說較成熟，在實際生產(chǎn)中，大多使用結(jié)晶法、萃取法等方式[7-8]。某冶煉廠在近幾年的電解生產(chǎn)中,由于陽極板中鎳含量不斷提高,系統(tǒng)內(nèi)的鎳濃度也不斷提升,由12 g/L上升至最高18 g/L,極大影響了電解過程的電單耗值及陰極銅產(chǎn)品質(zhì)量。而且現(xiàn)有硫酸鎳系統(tǒng)受現(xiàn)場設(shè)備、設(shè)施條件的制約，處理能力及產(chǎn)能沒有辦法進(jìn)一步提高；另外，生產(chǎn)中還有一些環(huán)節(jié)的銜接不是很合理。本文主要研究的方向是，在某冶煉廠現(xiàn)有硫酸鎳系統(tǒng)處理能力不足的情況下，如何通過優(yōu)化硫酸鎳系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝來提高硫酸鎳產(chǎn)能和平衡電解液中鎳濃度，以保證陰極銅的產(chǎn)品質(zhì)量。

1 某冶煉廠硫酸鎳系統(tǒng)的主要問題

1.1 系統(tǒng)概況

某冶煉廠硫酸鎳系統(tǒng)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[9]。制冷工序生產(chǎn)原理就是使用制冷機組對鹽水進(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。采用制冷機將溶液的溫度降低至-16～-20 ℃，使溶液中的硫酸鎳在冷凍狀態(tài)下成為NiSO4·7H2O結(jié)晶。工藝流程如圖1所示，相關(guān)工藝參數(shù)見表1。

1.2 主要問題

某冶煉廠硫酸鎳蒸發(fā)濃縮有12臺蒸發(fā)釜，處理能力為190～240 m3/d，蒸發(fā)后液量為120～150 m3/d；冷凍結(jié)晶有6臺結(jié)晶罐、4臺預(yù)冷槽、3臺制冷機。

表1 某冶煉廠硫酸鎳系統(tǒng)工藝參數(shù)

如果按兩機三槽生產(chǎn)模式組織生產(chǎn)，處理能力為90 m3/d，小于濃縮處理能力；如全部按兩機四槽生產(chǎn)模式組織生產(chǎn)，處理能力為120 m3/d，但由于壓濾機處理能力不足，會增加周期內(nèi)的非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)成本；按三機四槽/五槽模式組織生產(chǎn)，由于鹽水泵壓力及流量不足，目前無法同時啟動3臺制冷機組，且結(jié)晶槽生產(chǎn)槽數(shù)不足，結(jié)晶槽在轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的過程中會有較長的等待時間，也會增加非生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)成本，影響作業(yè)效率。

通過前期數(shù)據(jù)分析及計算后，現(xiàn)階段濃縮系統(tǒng)如滿負(fù)荷運行，處理能力可以滿足電解液的脫除要求，則制約硫酸鎳產(chǎn)能的主要問題是制冷工序，其存在預(yù)冷槽存儲能力不足、鹽水循環(huán)壓力及流量不足、結(jié)晶槽生產(chǎn)槽數(shù)不足、壓濾機處理能力不足及設(shè)備老化等問題。

2 提高硫酸鎳產(chǎn)能的措施

針對硫酸鎳系統(tǒng)制冷工序存在的問題，某冶煉廠采取以下措施優(yōu)化硫酸鎳系統(tǒng)的配置，以提高硫酸鎳的產(chǎn)能。

2.1 新增濃縮后液儲液地池

某冶煉廠硫酸鎳系統(tǒng)廠房整體布局較緊湊，所有的預(yù)冷槽及結(jié)晶槽都安裝在廠房三樓，目前三樓已經(jīng)沒有位置可以新增結(jié)晶槽，如想在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴能，只能將現(xiàn)有的4臺預(yù)冷槽拆除2臺，利用預(yù)冷槽安裝孔重新安裝2臺結(jié)晶槽。但是，改造之后現(xiàn)場只有2臺預(yù)冷槽，濃縮后液儲液及一次降溫能力不足的問題將進(jìn)一步放大，兩道生產(chǎn)工序之間處理能力不匹配，會影響到濃縮工序無法滿負(fù)荷生產(chǎn)。

在硫酸鎳系統(tǒng)廠房東側(cè)有一個廢棄集水池，可儲存液量60 m3。在此基礎(chǔ)上對地池進(jìn)行擴建到儲存液量120 m3，整體做防腐處理，可作為濃縮后液儲液地池使用。地池內(nèi)中部加裝隔斷層，變成2個小集液池，濃縮液通過溜槽- 管道直接放液入1#集液池內(nèi)，待1#池內(nèi)集液池滿后，經(jīng)過上部聯(lián)通溢流入2#池內(nèi)，過程中可過濾部分雜質(zhì)，最后通過轉(zhuǎn)液泵將2#地池內(nèi)的濃縮液根據(jù)季節(jié)變化分別打入結(jié)晶槽和預(yù)冷槽內(nèi)(夏季氣溫較高時，后液進(jìn)入地池一次降溫后，使用預(yù)冷槽進(jìn)行二次降溫；冬季氣溫較低時，可直接進(jìn)入結(jié)晶槽內(nèi)進(jìn)行制冷)。改造完成后，濃縮后液儲存能力可得到增加，并可通過地池來緩冷溶液，過濾部分雜質(zhì)，同時降低了預(yù)冷槽電能消耗以及提高了制冷生產(chǎn)效率。廠房改造示意圖如圖2所示，改造后的工藝流程如圖3所示。

圖2 某冶煉廠硫酸鎳系統(tǒng)廠房改造示意圖

圖3 某冶煉廠硫酸鎳系統(tǒng)改造后的工藝流程

2.2 提高制冷工序處理能力

2.2.1 增加鹽水循環(huán)管道局部截面積

制冷工序目前處理能力已經(jīng)達(dá)到設(shè)計之初的最大處理量，想要在此基礎(chǔ)上在提升處理能力，首要解決的問題就是要將現(xiàn)場3臺制冷機組的所有制冷量全部釋放出來。經(jīng)過測算，現(xiàn)有3臺機組同時開機的情況下，產(chǎn)生制冷量為15 288 kWh，能滿足擴能后的需要。但是由于鹽水循環(huán)管道局部截面積較小，導(dǎo)致泵出口處的流量、壓力較低，同時啟動3臺機組運行時會隨機性頻繁跳停。通過前期試驗及計算后，可將鹽水系統(tǒng)管道泵出口處截面積最小的4根DN65的管道改為一根DN200的管道，以此增加泵出口處的流量及壓力。經(jīng)過改造，目前可實現(xiàn)連續(xù)3臺機組同時開車運行。

2.2.2 增加壓濾機數(shù)量

現(xiàn)有硫酸鎳制冷達(dá)到終點溫度時，是由1臺廂式壓濾機進(jìn)行壓濾，生產(chǎn)中由于原液含鎳濃度提高后，硫酸鎳壓濾過程中溶液含固量的增加，導(dǎo)致現(xiàn)有1臺壓濾機每次只能處理25 m3溶液，產(chǎn)出硫酸鎳2.5 t(以前可以處理溶液30 m3，每臺結(jié)晶槽容積為15 m3，每個壓濾作業(yè)周期正好處理2槽溶液，現(xiàn)在多余溶液只能等下個作業(yè)周期再處理)；并且現(xiàn)使用的壓濾機故障率極高，生產(chǎn)中如果壓濾機發(fā)生故障，整個系統(tǒng)只能停產(chǎn)等待修復(fù)(硫酸鎳系統(tǒng)目前只有1臺壓濾機)。因此，可在此基礎(chǔ)上新增1臺壓濾機，增加壓濾作業(yè)處理能力為25 m3,產(chǎn)出硫酸鎳2.5 t，這樣同一個作業(yè)周期內(nèi)，最多可以處理3槽溶液，滿足三機五槽的生產(chǎn)組織方式。并且改造完成后，生產(chǎn)方式較為靈活, 可根據(jù)系統(tǒng)鎳濃度調(diào)節(jié)生產(chǎn)方式，在系統(tǒng)鎳濃度降低的情況可只使用1臺壓濾機生產(chǎn),對原有的1臺壓濾機進(jìn)行整體修復(fù)；發(fā)生故障時，在有備用設(shè)備可調(diào)配的情況下，也不會影響生產(chǎn)，降低非生產(chǎn)時間。

2.2.3 優(yōu)化生產(chǎn)組織方式

制冷量問題解決后，需要重新計算新的生產(chǎn)組織方式。某冶煉廠原有6臺結(jié)晶槽，生產(chǎn)組織方式為兩機三槽/四槽，受1臺廂式壓濾機處理能力的影響，每次只能處理1.5槽溶液，空出3臺結(jié)晶槽進(jìn)入下個周期生產(chǎn)，最大處理能力為105 m3/d，不能滿足生產(chǎn)調(diào)節(jié)要求。 通過改造，現(xiàn)有8臺結(jié)晶槽，制冷工序可按三機四槽/五槽生產(chǎn)方式組織生產(chǎn)，每個生產(chǎn)周期處理時間控制在12 h，最大處理能力達(dá)到了135 m3/d，與濃縮工序的處理能力達(dá)到匹配。優(yōu)化前、后的生產(chǎn)組織方式如圖4和圖5所示。

圖4 優(yōu)化前的生產(chǎn)組織方式

圖5 優(yōu)化后的生產(chǎn)組織方式

3 改進(jìn)效果

通過上述措施進(jìn)行優(yōu)化改造后，某冶煉廠硫酸鎳處理量穩(wěn)定上升，產(chǎn)量也逐漸增加，各項生產(chǎn)指標(biāo)完成情況較好，電單耗持續(xù)下降，硫酸鎳系統(tǒng)處理能力及產(chǎn)能增加，并且生產(chǎn)效率明顯提高，兩個工序之間生產(chǎn)節(jié)奏基本已經(jīng)達(dá)到匹配，生產(chǎn)能源消耗降低，達(dá)到優(yōu)化之初的目的。改進(jìn)前后的主要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 改進(jìn)前后的主要經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)束語

某冶煉廠針對生產(chǎn)運行中出現(xiàn)的問題，采取一定的措施優(yōu)化硫酸鎳系統(tǒng)的配置：通過新增濃縮后液地池，提前對濃縮后液進(jìn)行雜質(zhì)過濾及初步降溫，降低了能源消耗；制冷工序生產(chǎn)組織的優(yōu)化，降低了系統(tǒng)內(nèi)非生產(chǎn)時間及平衡兩個工序的處理能力。一些列整改后，提高了硫酸鎳金屬產(chǎn)能，降低了電單耗和硫酸鎳系統(tǒng)的生產(chǎn)成本，對硫酸鎳生產(chǎn)工藝的推廣具有積極作用，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，取得了良好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益。