銅電解凈液冷凍法除鎳工藝優化改造

韋會勇

（江西銅業集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

在銅冶煉過程中鎳是火法精煉時難以除去的雜質，大部分以離子的形式進入電解液中，并不斷富集，增加電解液的粘度和密度，增加電解液的電阻［1］，不利于電銅生產，影響電銅質量和電單耗，增加電解噸銅冶煉生產成本。

目前，國內從銅電解廢液中提取鎳主要有2種方法：電解法、結晶法［2］。貴溪冶煉廠電解車間采用冷凍結晶法工藝生產粗硫酸鎳回收鎳。冷凍結晶法的原理是硫酸鎳溶液在酸度一定的情況下，溫度越低，飽和濃度越低［3］。即將二次終液（脫銅、脫雜后液）冷凍降溫，降低其硫酸鎳的溶解度，使硫酸鎳過飽和結晶析出，再用箱式壓濾機進行固液分離，產出粗硫酸鎳結晶，直接外銷，脫鎳濾液再蒸汽加熱至50℃，返回生產系統。

隨著陰極銅產能的擴大，原料結構也發生了較大變化，陽極銅中的含鎳量逐年升高（見表1），電解車間二系統凈液工序需要的硫酸鎳處理量不斷增加，而粗硫酸鎳工序處理能力有限，日均處理量為35m3/天，進入電解液中的鎳金屬量超過電解液凈化工序鎳的脫除量，高溫季節處理量更是無法完全滿足實際生產要求，電解液含鎳超出生產控制指標（見圖1）。

表1 陽極含鎳

圖1 2015年1-7月日均處理量與電解液含鎳

2 影響硫酸鎳工藝除鎳能力的因素分析

通過對影響硫酸鎳工藝處理量的因素進行分析，主要有以下4個方面：

2.1 冷凍機的制冷能力不足

隨著處理量的不斷增加，冷凍結晶缸壓濾、裝液的頻次增加。結晶缸壓濾完重新裝液后的高溫二次終液會迅速拉升冷凍鹽水的溫度，造成其它冷凍結晶缸內冷卻溶液的溫度停滯下降，甚至反升，延長了二次終液的冷凍降溫過程。且冷凍機組負荷增減波動大、速度快，隨之冷凍鹽水水溫波動大，對機組穩定運行提出了嚴峻考驗［4］，現有的冷凍機組以不能滿足生產需求。

2.2 二次終液裝入冷凍結晶缸的初始溫度較高

二次終液初始溫度約為50～55℃，在加入冷凍結晶缸前通過1臺水冷板式換熱器預冷降溫，裝液時間快預冷換熱不足，對加入結晶缸內的二次終液降溫僅5℃左右，冷凍結晶初始溫度依然偏高。裝缸初始溫度高，降到硫酸鎳溶液冷凍終點溫度的時間就長，單臺結晶缸的作業周期長，效率低，消耗冷凍鹽水的能量高。

2.3 冷凍結晶缸內壁的清潔度影響結晶缸的換熱效率

冷凍結晶過程中，電解液中的部分鎳和雜質會形成結垢，吸附在結晶缸內壁上，影響換熱效果。原來的內壁結垢清理方式為用高壓水槍（工業水）從結晶缸頂部人孔往罐壁噴水沖洗。由于高壓水槍出水口呈點狀噴射到罐壁上，且因視角受到影響，不能保證罐壁每個點都被噴洗到，難免有遺漏；加之操作人員的責任心問題，清洗效果不能得到有效保證，從而影響罐壁的傳熱效果，延長結晶缸的作業時間，影響處理能力。

2.4 硫酸鎳壓濾機運行效果差，難以滿足生產工藝的要求

硫酸鎳工序原配置的兩臺板框壓濾機投入使用多年后故障頻繁，壓濾時存在噴酸、漏液、跑泥等現象，問題較多。泄漏出來的冷凍后液經收集后重新返回生產系統，浪費了能源且做了無用功，現場清掃耗時耗力，且存在安全隱患，嚴重影響到生產效率和指標。

3 提高硫酸鎳工藝處理能力的改進思路

增設新型節能冷凍機，提高冷凍機的制冷能力；優化二次終液預冷系統，提高預冷效果，降低結晶缸裝缸初始溫度，縮短結晶缸的冷凍周期，提高作業效率；創新優化結晶缸的清洗作業方式，提高罐壁的熱傳導能力；對壓濾系統進行升級改造，提高生產效率。

4 提高硫酸鎳工藝處理能力的優化改造

4.1 增設新型節能高效冷凍機

2015年8月在原冷凍機保留的基礎上增設1臺新型節能高效冷凍機，且兩臺冷凍機組采用集中連鎖控制，原冷凍機組作為備用。當一臺運行的冷凍機組產生的制冷量不能滿足生產所需時，另一臺冷凍機組投入運行。經過長時間的運行實踐，兩臺冷凍機組集中控制，系統運行穩定可靠，滿足了生產需求［5］，同時提高了能源的利用效率。

4.2 優化預冷換熱系統

4.2.1 降低裝液速度，延長預冷時間

硫酸鎳結晶缸裝液是用裝液泵從二次終液灌抽取二次終液裝缸，泵的額定流量為50m3/h，而冷凍結晶缸裝液量為7～8m3/缸，1臺結晶缸裝滿液僅需10min左右，裝缸時流量大，與冷卻水的熱交換時間短，預冷效果差。要提高預冷效果，必須降低裝液速度從而延長二次終液的預冷熱交換時間。在裝液泵出口增加1個回流出口，降低裝液流量，將裝液流量控制在20m3/h以內，延長裝缸時間至30min左右，提高預冷效果。

4.2.2 硫酸鎳壓濾后液預冷二次終液

硫酸鎳結晶缸冷凍終點為-16℃，壓濾后液溫度在-12℃左右，原工藝設計是用蒸汽將壓濾后液加溫到50℃后再返電解生產系統。

在原水冷換熱器后增加1套預冷系統，用低溫硫酸鎳濾液對二次終液進行二次預冷卻［6］，回收利用硫酸鎳濾液的余能。冷凍結晶缸裝液時二次終液先通過原水冷換熱器，再通過硫酸鎳壓濾后液換熱器，經兩次預冷后進入冷凍結晶缸，二次終液溫度可以降低到30℃左右，而且脫鎳濾液也得到了預加熱。

4.2.3 創新優化結晶缸清洗作業方式

將原來用高壓水槍（工業水）從頂部人孔沖洗改為熱水泡洗。既定期關閉對應冷凍結晶缸的冷卻鹽水循環閥，往結晶缸內加入蒸發循環熱水，通過結晶缸攪拌槳帶動缸內循環熱水旋轉，全面無死角地沖洗結晶缸內壁。通過一段時間的試驗對比，總結出用熱水泡洗結晶缸40min左右，既可以將結晶缸內壁的結晶、結垢完全清理干凈，達到最佳效果，且清洗過程在DCS上有監控記錄，可以減少冷凍結晶缸在清洗作業中的人為因素影響，從而保證清洗質量。

4.2.4 改造應用高效壓濾機

針對硫酸鎳工序原壓濾機的諸多問題，車間于2016年8月完成了對硫酸鎳工序兩臺壓濾機的升級改造，選用了全新的整體不銹鋼材質的自動板框壓濾機。取得了良好的綜合效果。

5 實施效果

（1）隨著以上措施推進實施，硫酸鎳工序二次終液日處理量得到逐步提高，日均處理量由34.96m3/天，提高到了目前的63m3/天（見下圖2）。

圖2 硫酸鎳日均處理量（m3）

（2）在陽極原料含鎳逐年增長的情況下，生產系統電解液含鎳（工藝要求14g/L以下）得到有效控制并呈下降趨勢，為陰極銅的生產創造了優良條件（見圖3），陰極銅直流電單耗顯著下降。

圖3 年值電解液含鎳

6 工藝優化的經濟效益和社會效益

6.1 經濟效益

6.1.1 硫酸鎳工序產能提高

工序日均處理能力由35m3/d提升到63m3/d，日均除鎳量提升約336kg，全年粗硫酸鎳產量提高約616t（硫酸鎳含鎳18%），銷售收入大幅增加。

6.1.2 新型冷動機節能降耗

原冷凍機額定功率為200kW/h，項目改造后的新型能動機額定功率為149kW/h，節能25.5%，提高能源利用率，用電成本降低。

6.1.3 電解液含鎳降低，降低電單耗

2017年電解系統電解液平均含鎳相比2015年下降了1.5g/L左右。電解液粘度及電阻降低，銅電解生產電單耗顯著減低，降低了生產成本。

6.1.4 硫酸鎳壓濾后液加熱蒸汽消耗節約

低溫硫酸鎳濾液，原來需用蒸汽加熱至50℃以上，返回電解生產系統，該項目用濾液預冷二次終液的過程，也是對自身預熱，有效回收了余能，同時節約了加熱濾液所需的蒸汽消耗。

6.2 社會效益

項目完成后硫酸鎳工序生產作業穩定高效，兩臺冷凍機互為備用，確保工序的連續作業；硫酸鎳壓濾機改造升級后，有效消除了設備性能不足對生產的直接影響，硫酸鎳工序處理能力得到顯著提升；同時改善了現場作業環境，消除了作業時產生的安全環保隱患，降低了檢修維護成本；自動化作業的技術升級，降低了職工的勞動強度，緩解了崗位人員緊張的壓力。