粗硫酸镍生产系统优化.pdf

2023年7月下 世界有色金属 229粗硫酸镍生产系统优化晁玉玮（青海铜业有限责任公司，青海 西宁 8 1 0 0 0 0）摘 要：文章分析了青海铜业有限责任公司粗硫酸镍生产系统存在的问题，包括：平板离心机处理能力不足、水利喷射泵真空效果差、冷凝板换使用寿命短、反应釜使用寿命短、滤液含镍高等问题，并阐述了改造方案，在硫酸镍真空蒸发过程中，负压效果的提升，不仅可以提高蒸发效率，而且还可以降低蒸汽单耗。同时优化脱水工序，解决硫酸镍脱水慢的瓶颈问题。再对搪瓷釜的维护使用进行优化，冷凝器的介质进行替换。通过以上改进，不仅大幅提高了电解液中的有价金属镍回收量，使电解液中的镍含量得到有效控制，稳定了阳极铜中的含镍量上升后对阴极铜质量造成的影响，保证生产正常进行，而且镍含量降低，为公司电解生产过程的电耗，产生了可观的经济效益。关键词：粗硫酸镍；真空蒸发；水利喷射；压滤；离心机中图分类号：T F 8 1 5 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2-5 0 6 5（2 0 2 3）1 4-0 2 2 9-3Optimization of crude nickel sulfate production systemCHAOYu-wei(Qi n g h a i C o p p e r I n d u s t r y C o.,L t d,X i n i n g 8 1 0 0 0 0,C h i n a)Abstract:T h e a r t i c l e a n a l y z e s t h e p r o b l e ms e x i s t i n g i n t h e c r u d e n i c k e l s u l f a t e p r o d u c t i o n s y s t e m o f Qi n g h a i C o p p e r I n d u s t r y C o.,L t d.,i n c l u d i n g i n s u f f i c i e n t p r o c e s s i n g c a p a c i t y o f t h e f l a t c e n t r i f u g e,p o o r v a c u u m e f f e c t o f t h e w a t e r j e t p u mp,s h o r t s e r v i c e l i f e o f t h e c o n d e n s i n g p l a t e,s h o r t s e r v i c e l i f e o f t h e r e a c t i o n k e t t l e,a n d h i g h n i c k e l c o n t e n t i n t h e f i l t r a t e.T h e a r t i c l e a l s o e l a b o r a t e s o n t h e t r a n s f o r ma t i o n p l a n.I n t h e v a c u u m e v a p o r a t i o n p r o c e s s o f n i c k e l s u l f a t e,t h e i mp r o v e me n t o f n e g a t i v e p r e s s u r e e f f e c t c a n n o t o n l y i mp r o v e t h e e v a p o r a t i o n e f f i c i e n c y,b u t a l s o i mp r o v e t h e e v a p o r a t i o n e f f i c i e n c y,A n d i t c a n a l s o r e d u c e s t e a m c o n s u mp t i o n.S i mu l t a n e o u s l y o p t i mi z e t h e d e h y d r a t i o n p r o c e s s t o s o l v e t h e b o t t l e n e c k p r o b l e m o f s l o w d e h y d r a t i o n o f n i c k e l s u l f a t e.Op t i mi z e t h e ma i n t e n a n c e a n d u s e o f t h e e n a me l k e t t l e,a n d r e p l a c e t h e me d i u m o f t h e c o n d e n s e r.T h r o u g h t h e a b o v e i mp r o v e me n t s,n o t o n l y h a s t h e r e c o v e r y o f v a l u a b l e me t a l n i c k e l i n t h e e l e c t r o l y t e b e e n s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d,t h e n i c k e l c o n t e n t i n t h e e l e c t r o l y t e h a s b e e n e f f e c t i v e l y c o n t r o l l e d,a n d t h e i mp a c t o f t h e i n c r e a s e i n n i c k e l c o n t e n t i n t h e a n o d e c o p p e r o n t h e q u a l i t y o f t h e c a t h o d e c o p p e r h a s b e e n s t a b i l i z e d,e n s u r i n g n o r ma l p r o d u c t i o n.Mo r e o v e r,t h e n i c k e l c o n t e n t h a s b e e n r e d u c e d,r e s u l t i n g i n c o n s i d e r a b l e e c o n o mi c b e n e f i t s f o r t h e c o mp a n y s e l e c t r o l y s i s p r o d u c t i o n p r o c e s s.Keywords:c r u d e n i c k e l s u l f a t e;V a c u u m e v a p o r a t i o n;Hy d r a u l i c j e t t i n g;P r e s s u r e f i l t r a t i o n;c e n t r i f u g e收稿日期：2 0 2 3-0 5作者简介：晁玉玮，男，生于1 9 9 5 年，汉族，青海海东人，本科，工程师，研究方向：湿法冶金。青海铜业有限责任公司10万吨阴极铜项目投产后，随着生产能力的不断扩大，原料结构发生较大变化，矿源比较复杂。特别是2019年4月份以来阳极板含镍已经达到0.26%左右。使电解液中镍离子浓度急剧上升，2019年2月初电解系统镍离子浓度仅为14g/L，至12月底已经达到27g/L左右，而且如果硫酸镍脱除能力得不到有效提升镍离子浓度还有进一步上升趋势。为确保阴极铜质量并回收电解液中有价金属镍，2020年7月对粗硫酸镍生产系统进行优化。1 工艺现状1.1 生产现状除镍的方法也很多，国内大都采用真空蒸发结晶法或冷冻结晶法产出硫酸镍；国外也有采用浸没燃烧蒸发法的，效率高，适于大规模生产，但设备比较复杂，投资较高；冷冻结晶法优点是无酸雾，劳动条件较好，缺点是需要的设备多，占地面积大，动力消耗高。真空蒸发结晶法缺点是有酸雾产生，但可进行冷却与汽水分离处理，该法优点是设备简单、投资少、容易操作。我公司采用真空蒸发冷冻结晶生产粗硫酸镍工艺。二段脱铜后液一部分返回电解，一部分用泵泵入硫酸镍高位槽然后自流至硫酸镍真空蒸发反应釜进行蒸发浓缩（浓缩48小时），随着浓缩过程的进行，硫酸浓度和镍离子浓度逐渐增加，镍离子以硫酸镍的形式结晶析出。得到比重大约1.7左右的蒸发后液，由于蒸发后液温度在110左右，首先在反应釜夹套内通冷却循环水，进行预冷结晶至40，预冷大概2小时后，预冷后液进入冷冻结晶槽进行最终冷冻结晶，温度-20。冷冻结晶4小时后，将结晶后液分批次慢慢放入平板式离心机进行固液分离。电解车间目前配有5台容积为5m3的反应釜，1台冷冻结晶槽。随着生产的进行，反应釜内负压不足、平板式离心机脱水效率低、滤液镍含量高，设备腐蚀严重等问题逐渐出现，导致能源单耗，设备维修成本居高不下的同时，硫酸镍脱除效率也得不到有效提升。电解液镍离子浓度居高不下，世界有色金属2023年7月下230严重影响A级铜质量。1.2 工艺原理电解液净化系统生产粗硫酸镍的溶液一般为二段脱铜终液，其成份主要为H2SO4 NiSO4。根据硫酸盐结晶理论，溶液中的硫酸浓度与硫酸盐溶解度在不同温度下存在一定的平衡关系，即溶液中硫酸盐溶解度会随其酸度、温度的变化而改变;同时溶液在不同的酸度，不同的压强下，其沸点也不同，它们之间也存在一定的平衡关系。当压强一定时溶液的沸点随着酸度的增加而升高;而当酸度一定时，溶液的沸点又随压强的降低而降低。例如在常压下，溶液含酸850g/L，其沸点高达138左右，而当溶液在真空度0.074MPa(绝对压力为0.026MPa)条件下，其沸点下降为95左右。也就是说，在负压条件下，由于溶液的沸点降低，增加了被蒸发溶液与加热源之间的温差，强化了蒸发作用；而蒸发出的气体被及时抽走，避免了液面上蒸气压强的升高，从而提高了蒸发速度，蒸气间接加热浓缩法就是基于这两个特性，在一定真空度下，可使用温度不太高(一般130)而来源较方便的蒸气作加热源间接加热使溶液蒸发浓缩，然后再经过水冷结晶产出粗硫酸镍。根据硫酸盐溶解度与酸度的关系，若溶液酸度越高，硫酸镍的溶解度就越低，结晶率也越高；但另一方面，随着溶液酸度的提高，其沸点也相应升高，而且升高幅度不断增加。表1为硫酸镍溶液中酸度每增加20%，其沸点升高之差。表1硫酸镍溶解中酸度与沸点的变化对应关系表酸浓度增加/%02020404060608080100沸点升高之差4.29.527.958.4104由于溶液沸点随酸度的增加而升高，减少了加热蒸气与溶液之间的传热动力-温度差，因而使传热效率降低，蒸发速度减慢。因此，必须选择合理的终液酸度，以保证一定的结晶率和蒸发速率。根据理论数据和经验，当蒸气温度为130左右时，一般控制终液的硫酸浓度在850g/L950g/L，真空度为0.066MPa0.08 MPa。2 生产中存在的问题及解决措施2.1 平板离心机处理能力不足车间5台真空蒸发反应釜同时生产时，平均每24小时就有9立方米蒸发后液进入冷冻结晶槽进行冷冻结晶，然后放料至离心机进行固液分离。车间配有一台型号为PGZ800平板式离心机，每次进料约0.3立方米，离心脱水，装袋打包，一个流程大概30分钟，且全程需要两人协同配合。处理完9立方米冷冻后液，离心机需要每天不间断工作约15小时，劳动强度高的同时，严重限制硫酸镍的脱除效率。车间用一台型号为 XAYF100/1000-U F=100m2压滤机替换平板式离心机，压滤机每次能压约5立方米冷冻后液，压滤2小时，加上吹风约6小时，每个生产周期8小时。每24小时处理能力约15立方米。压滤机自动化程度高，无需过多操作，降低劳动强度的同时，处理能力有效提升，解决了制约硫酸镍脱除的瓶颈问题。得到的粗硫酸镍含水20%左右，脱除效果优于平板离心机。图1平板离心机2.2 水利喷射泵真空效果差硫酸镍真空蒸发反应釜的真空装置为两台型号为RPP360的水力喷射真空机组，一用一备。酸雾从反应釜内抽出后，经过雾沫分离器分离，冷凝器冷却后，冷凝液流入储罐，热气再经真空管道引入水利喷射机组真空腔内。由于将大部分热气全吸入水利喷射机组内，循环水温度上升较快。再加上真空腔较小，该设备无法满足5台反应釜同时生产时真空度，反应釜内真空效果差，蒸发缓慢，蒸汽消耗高。由于市场原因，我公司未生产硫酸铜，硫酸铜真空系统一直处于闲置，该系统选用水环式真空泵。在真空蒸发操作中，水喷射泵内高速喷射的水流在汽室与蒸发的汽体接触，可将蒸气冷凝并随冷却水一同排出系统。由于水喷射泵造真空要求一定的水量，为了节约用水，需循环使用。在蒸发过程中蒸发的汽体被冷凝，使排出的水温升高，而喷射泵所用水的温度太高，会使其真空度下降，因此，循环水必须经冷却后才能循环使用。由于蒸发汽体会带入一些酸雾，所以循环水使用后酸度会升高，必须定期定量送电解处理。改造后，将硫酸铜系统真空管直接与5台反应釜连接，反应釜内酸雾经真空管，进入真空分离器，后被高速循环水直接带入水利喷射机组的热水槽，为降底酸度，循环水定期返回电解。为提升真空效果，配一台型号为F=90m2板式冷却器，对循环水进行冷凝。优化改造后，真空效果明2023年7月下 世界有色金属 231显改善，5台反应釜同时生产时，平均每台釜内真空度能达到-0.09MP，蒸发效果明显提升，蒸汽单耗也降至15t/t。2.3 冷凝板换使用寿命短原水利喷射系统，在每台反应釜配备一套冷凝器，用于冷凝反应釜内蒸发出的高温酸气。在真空蒸发过程中，由于蒸发出的是反应釜内的高温（120），高酸（H2SO4 500g/L）气体，对冷凝器腐蚀严重，经常出现冷凝器板片穿孔串液而导致反应釜停运情况，延误生产。经统计每年因维修冷凝器所产生的费用18万元左右，由于维修冷凝器而使真空蒸发反应釜运转率下降5.1%左右。引用硫酸铜真空系统后，真空管直接与反应釜相连，中间无需加装冷凝器，蒸发气体直接随循环水流入底部的冷凝液罐，为保证真空效果，用一台冷凝器对罐内冷凝液进行冷却。使板换内介质由高温高酸的冷凝气，变成低温低酸的冷凝液。提高板换寿命，降低板换维护费用。同时又提高反应釜运转率。2.4 反应釜使用寿命短由于搪瓷反应釜长期处于高温、高酸、腐蚀性介质中，易发生爆瓷现象。使用不到一年出现罐体爆瓷和取样口掉瓷现象。严重影响使用寿命和生产效率。罐体爆瓷的问题。分析原因是在出料前通冷却水冷却反应液，反应釜受急冷、急热的影响造成的。决定增加一台预冷釜，无需在反应釜内进行预冷，直接将液泵入预冷釜内进行预冷，避免急冷、急热温度变化过大。取样口掉瓷的问题。分析原因主要是由取样过于频繁，规定交接班时要交接比重情况，导致取样频繁。取样工具为铁质器材，为保障负压取样出口又很小，取样过程中很容易刮蹭损伤取样口搪瓷。规定反应釜内液体变淡黄色后再进行比重交接，取样工具全换成聚乙烯材质，避免对取样口搪瓷的损伤。其次取样过程中反应釜搅拌轴必须处于停止状态，避免取样过程中搅拌轴将取样工具搅入反应釜，对反应釜内搪瓷造成损伤。从使用、操作、维护等方面改进后，反应釜的寿命大大延长，保证了生产效率。2.5 滤液含镍高冷冻结晶后液进行固液分离后，滤液流入黑酸槽，沉降一定时间后，表层黑酸用泵返回电解车间再用，槽内沉降的粗硫酸镍人工清理后晾干外售。黑酸槽是由玻璃钢制作的，长方体容器，容积5m3为避免里面酸雾对劳动环境造成影响，黑酸槽处于密封状态。上方开有人孔，用于定期清理槽内沉降的粗硫酸镍。下方设两台卧式泵，一用一备，泵吸口离地面约30公分。由于镍都沉降于槽底，向电解车间返黑酸过程中难免掺杂一部分粗硫酸镍一并返回电解车间，硫酸镍又在电解液内溶解，做无用功。其次黑酸槽内沉降粗硫酸镍多。黑酸槽内空间小，又属于密闭空间，清理里面的粗硫1邬建辉,王翊民,严润.粗硫酸镍溶液直接萃取镍的工艺研究J.有色金属(冶炼部分),2022(10):15-21.2刘士祥,魏栋,董广刚,刘敬师,蒋永建.用P204从粗硫酸镍溶液中萃取分离铁锌杂质J.中国有色冶金,2022,51(02):44-49.3刘士祥,魏栋,董广刚,刘敬师.粗硫酸镍溶液萃取除铁锌工艺实验J/OL.中 国 有 色 冶 金:1-102022-12-05.http:/ 徐小董,黄超.探索硫酸镍工艺参数控制标准、提高脱Ni效率J.世界有色金属,2015(11):87-88.酸镍很不方便，劳动环境差。经过观察研究决定，在滤液流入黑酸槽中途，安装一个材质为316L不锈钢，容积为6立方米，敞口预沉淀槽，槽底设计一个密封放料口。以沉降槽下沿计，每15公分安装一个放液阀，共安装3个，预沉淀槽内滤液沉淀一定时间后，先打开位置最高的1号放液阀，待1号放液阀内液体停止溢流后再打开2号放液阀，最后是3号放液阀，直至预沉淀槽内黑酸全部流入黑酸槽为止。加装预沉淀槽后，流入黑酸槽的基本全是黑酸，很少掺杂有粗硫酸镍，避免硫酸镍返回电解后再次溶解进入电解液。由于粗硫酸镍全在预沉淀槽内沉降，清理槽内沉降的粗硫酸镍时，只需打开槽底放料口，让粗硫酸镍自己流入吨袋即可。降低劳动强度的同时又优化了工作环境。3 结论硫酸镍真空蒸发过程中，负压效果的提升，不仅可以提高蒸发效率，而且还可以降低蒸汽单耗。同时优化脱水工序，解决硫酸镍脱水慢的瓶颈问题。再对搪瓷釜的维护使用进行优化，冷凝器的介质进行替换。通过以上改进，不仅大幅提高了电解液中的有价金属镍回收量，使电解液中的镍含量得到有效控制，稳定了阳极铜中的含镍量上升后对阴极铜质量造成的影响，保证生产正常进行，而且镍含量降低，为我公司电解生产过程的电耗，产生了可观的经济效益。