除鎘反應器的沸騰層穩定性研究

龍 雙

（株洲冶煉集團股份有限公司，湖南 株洲 412000）

1 引言

在鋅冶金過程中，電積液中雜質離子（特別鎘、鎳、鈷等）的存在，直接關系到長周期鋅電積能否順利進行，電積液中鎘的含量也就成為了鋅電積工藝的關鍵指標之一［1-3］。

芬蘭OUTOTEC公司開發的硫酸鋅溶液砷鹽凈化技術除去電積液中鎳、鈷具有國際先進水平［4-5］，成功之處在于引進了電位、BT值、晶種返回等先進理念以及項目的自動化控制系統的設計，為保證凈化系統的穩定運行創造了良好的條件［6-7］。該技術與專利設備固然有其先進性，但是在工業化應用過程又同時存在很多明顯缺陷。硫酸鋅溶液除鎘能否達到工藝要求，反應器的流態化沸騰層穩定控制是工藝的關鍵所在。如何評價運行期間沸騰層的穩定？關鍵在于相鄰反應器之間的液位差［8］。本文將從沸騰層形成機理開始，從內部控制到外部基礎進全方位的闡述沸騰層的控制要素。

2 除鎘反應器運行模式

五個流態化反應器串聯在一起形成環形系統，當首槽料層含鎘達85%以上或尾槽后液鎘持續超出0.001g/L，首槽退出，其后反應器作首槽，新并入反應器作尾槽。

圖1 除鎘運行圖

3 沸騰層形成機理

除鎘反應器之間是串聯作業，按連通器原理，不應有液位差，但是沸騰層存在后帶來的阻力，造成前一槽液位高于后一槽液位，正常液位差在10%～20%，液位差越大，沸騰層越致密，反應越劇烈。

沸騰層為鋅粉與溶液含鎘反應形成的凈化渣，當渣量自重與底部向上溶液傳遞的托力達到平衡時，即在反應器的小圓柱體段形成懸在液中的渣層，由于底部的渣層與進入的溶液攪拌形成切線方向，形成了沸騰層（如圖2）。這種沸騰層的形成與穩定，是確保除鎘效果的關鍵。主要與鋅粉粒度、流量、絮凝劑量、渣量等有關。

圖2 沸騰層及液位差形成示意圖

4 沸騰層穩定性控制

4.1 渣料向下重力

4.1.1 渣量與粒度

除鎘沸騰層穩定的第一要素在于控制反應器內適宜的渣量，當沸騰層較“稀薄”時，可以通過補加鋅粉及調整底流加入來實現，但是鋅粉的過量加入增加了生產成本，并導致產出鎘渣品位不高，使下一步鎘渣處理流程加長。按初始設計理念，單槽鋅粉加入量按收鎘量的1.0～1.25倍進行調整，可保障沸騰層形成所需的渣量。

鋅粉粒度設計初值為0.2～0.4mm（+80目～-40目），但生產實踐過程中該粒度范圍的鋅粉中細粉偏多，易形成浮渣或后移，不能形成穩定的沸騰層，導致出口含固偏高，后將粒度調整至+60目～-30目（約0.25～0.50mm），且在該范圍內鋅粉＞80%，以保證良好的沸騰層。

圖3 改進前后鋅粉粒度的變化

4.1.2 BT值

即堿度，又稱反滴定值，1BT單位等于耗酸0.4g/L。取200～300mL試樣，用漏斗墊濾紙過濾。量出25mL濾液，放入125mL的錐形燒瓶。添加25mL蒸餾水，滴入2～4滴甲基橙。用10g/L的硫酸溶液滴定，直到顏色變紅。滴管的毫升讀值等于反滴定值（BT）。除鎘工藝通過添加電解廢酸來控制BT值，從而控制溶液中堿式鹽的生成并保證鋅粉適當的活性。

加入的廢液偏少，BT值會偏高，溶液呈乳白色，易形成“堿式絮狀物”，液相與固相比重差縮小后造成鎘渣漂移、出口含固量升高、首槽鎘渣品位低、除鎘反應器含鎘梯度不明顯、迫使鋅粉更換加快等一系列化“惡性循環”。廢液加入過多，BT值偏低，消耗鋅粉量增加，槽內產生氣泡，同樣影響沸騰層的穩定。通過長時間試驗發現：除鎘 BT值適宜控制在0.7～1.2之間，宜低不宜高。

4.1.3 絮凝劑

在除鎘過程中，添加適量的絮凝劑起到抑制反應速度的作用，反應速度過快，鋅-鎘會相互粘附后造成反應中止，表現為鎘綿比重下降后的向上漂浮；當然，實際生產過程中又要關注加入量，如果加入過量，反應速度減緩后不能有效地從溶液中除去鎘，表現為槽內梯度不夠。絮凝劑是否適量，關鍵在于第三觀察孔能夠看到片狀物（即鎘綿）的回落：一是保證鎘綿有長大，二是保證鎘綿不上浮。所以，在并槽前1h，絮凝劑加入量翻倍，并槽后30min，將會逐步恢復正常值；當系統停車時、除鎘改為內部循環，絮凝劑加入量要逐步減少至100L/h，如停車時間超過4h，應停加絮凝劑。

當上清鎘在0.5～0.8g/L時，絮凝劑加入量與流量對應關系如表1。

表1 絮凝劑加入量與流量對應關系

4.2 溶液向上托力

4.2.1 流量

為穩定流量，該專利設備設計循環流量380～450m3/h，防止收付不足時沸騰層的下挫，循環液一部分來源于除鈷鎳后液，另部分除鎘后液作補充。為提高除鎘區的收付能力，關鍵在上清的含鎘與流量穩定，減少內部循環。

4.2.2 切入方向

原來設計的除鎘槽玻璃鋼連通管D500mm，除鎘反應器進液位置偏高，在槽內的入口管道為敞開型，進口溶液流向因受槽內溶液影響呈散亂分布（圖4左圖）：大部分液從坡口上部短路進入反應器上方，少量液進入反應器底部。由于沖擊面積大、強度小，沸騰層差且不穩定，除鎘效果差。通過對反應器底部進口處流體總機械能的計算和kokkola進行比較，發現因除鎘槽玻璃鋼連通管道（D500mm）管徑偏大，造成相鄰兩槽流體總機械能差值偏小，在除鎘槽下部形成的沸騰層不穩定，沸騰層下濃上稀，總體呈“下塌”趨勢。將除鎘槽內部DN500的玻璃鋼進液管延長，形成向下切口。當溶液進入反應器時，在進液口受阻流板阻擋，形成收縮型，流量相同的情況下，流速增加，溶液的沖擊力加大。改進后除鎘槽內部進料管如圖4右圖所示。

圖4 聯通管改進前（左圖）后（右圖）對比

4.2.3 攪拌強度

砷鹽凈化除鎘反應器采用底部攪拌方式。該設備引進時設計功率為22kW，在實際運行過程中存在功率偏小的矛盾。除鎘攪拌機改進前后示意圖如圖5所示。突出表現為：（1）運行過程中隨鎘渣的不斷生成，渣比重越來越大，沸騰狀態得不到保證；（2）由于攪拌強度不足，導致渣突然下沉，攪拌機電流突升跳閘，從而造成死槽，引起質量波動、增加鋅粉消費。

本研究把原來的除鎘攪拌機電機功率由22kW提到30kW，攪拌機軸及槳葉保持不變。

圖5 除鎘攪拌機改進前（左圖）后（右圖）對比

5 結論

除鎘反應器沸騰層的穩定性直接關系到砷鹽凈化除鎘運行成功與否，某公司在引進砷鹽凈化專利技術與專利設備進行工業實踐過程中，融合本公司的實際情況與OUTOTEC公司的先進控制理念，通過除鎘反應器的沸騰層穩定性研究得到以下結論：

（1）鋅粉加入量與粒度是渣量的前提，底部向上的托力是基礎；

（2）除鎘沸騰層穩定的第一要素在于控制反應器內適宜的渣量：單槽鋅粉加入量按收鎘量的1.0～1.25倍即可保障沸騰層形成所需的渣量；日常生產過程常用調節手段集中在BT值、絮凝劑的添加與鋅粉粒度的變化；除鎘 BT值適宜控制在0.7～1.2之間。加入+60目～-30目（約0.25～0.50mm）的鋅粉粒度，且在該范圍內鋅粉＞80%，可以保證良好的沸騰層。在并槽前1h，絮凝劑加入量翻倍，并槽后30min，將會逐步恢復正常值；當系統停車時、除鎘改為內部循環，絮凝劑加入量要逐步減少至100L/h，如停車時間超過4h，應停加絮凝劑。

（3）通過以下三點來穩定溶液的向上托力：設計循環流量380～450m3/h來穩定流量；將除鎘槽內部DN500的玻璃鋼進液管延長，形成向下切口；當溶液進入反應器時，在進液口受阻流板阻擋，形成收縮型，流量相同的情況下，流速增加，溶液的沖擊力加大；把原來的除鎘攪拌機電機功率由22kW提到30kW，攪拌機軸及槳葉保持不變。