硫酸鎳系統設備改進及管理優化的實踐

程 銘 徐 歡 曹昌盛 范 翔

(大冶有色金屬集團控股有限公司有色冶煉廠， 湖北 黃石 435000)

0 前言

某有色冶煉廠主要產品是高純陰極銅和工業硫酸。硫酸鎳系統是銅電解凈液項目中的配套項目,采用蒸發濃縮和冷凍結晶工藝聯合生產粗制硫酸鎳。

蒸發濃縮工藝采用蒸汽間接加熱濃縮法來提高二段脫銅電積終液的鎳濃度及酸度。在負壓條件下，溶液的沸點降低，增大了被蒸發溶液與加熱源之間的溫差，強化了蒸發作用。冷凍結晶工藝是將濃縮后的溶液經過制冷工序進行冷凍結晶。制冷工序使用制冷機組對鹽水進行冷凍降溫，然后使鹽水進入結晶槽的內、外兩個夾套，對結晶槽內的濃縮后液進行冷凍降溫，使其溫度降低至比自然冷卻或水冷卻更低的溫度，使溶液中的硫酸鎳在冷凍狀態下成為硫酸鎳結晶鹽[1]。

在NiSO4·7H2O實際生產過程中，長期生產導致設備存在較多問題及較大優化空間[2]。采取一系列的設備改進及管理優化措施后，降低了設備故障頻率和能耗成本，消除了安全隱患。

1 設備存在問題及技術改造

1.1 濃縮反應釜修復工藝改進

使用的硫酸鎳濃縮搪瓷反應釜總計12臺。由于反應釜內物料成分及工況條件較復雜，反應釜使用2～3年后便頻繁出現爆瓷及破損現象[3]。

修復工藝改進前，反應釜采用鉭板修復。該方式主要由維修人員在罐體內對破損區域進行挖補或打磨，利用鉭螺絲、鉭板及樹脂膠進行修補。該方式存在的主要問題是：1)修補工藝復雜；2)鉭螺絲安裝時需要鉆孔，修補時間較長；3)鉭材質價格高，特別是大面積修補成本過高；4)鉭板貼合性不佳，修補質量達不到要求。

通過試驗，改用新型柔性陶瓷修補技術進行修補可以獲得更好的效果。對于爆瓷區域，直接打磨后，使用柔性陶瓷修補技術進行修補；對于穿孔破損區域，進行鋼結構挖補后，再采用柔性陶瓷修補技術修補。通過改進，修補時間由原有的2人修補3～4 d縮短為2人修補0.5 d。特別是較大面積的修補成本大幅降低，罐體使用壽命延長，鉭材料費降低了20萬元/a。

1.2 濃縮系統真空泵改進

原有的濃縮系統采用一臺真空泵對一臺16 m3反應釜抽負壓，并達到負壓0.07 MPa及以上。如果負壓不足，會導致罐體內二次蒸汽的溫度過高。而且酸霧中含有氟、氯等離子，對冷卻濃縮蒸汽所用板式換熱器的板片壽命也會造成較大影響。

通過對真空系統進行優化，濃縮系統改為采用一臺真空泵對兩臺濃縮反應釜抽負壓，單臺電機功率由原有的15 kW改為18.5 kW，使原有的負壓穩定在0.07～0.09 MPa，達到生產要求[4]。通過改進，真空泵減少了6臺，全年降低電耗及備件成本約12萬元。

1.3 制冷結晶罐內夾套改進

原有的結晶罐采用內、外夾套冷凍鹽水雙循環式，外夾套使用多年未出現過破損或泄漏，但內夾套壞損率近年相對較高。由于冷凍鹽水主要為氯化鈣溶液，內夾套破損后，冷凍鹽水與硫酸鎳產品會串液產生絮狀沉淀，如果處理不當會造成生產事故。

通過對結晶罐內夾套破損點進行檢查，內夾套壞損主要為內夾套失壓鼓包或焊縫及周圍區域腐蝕破損。原有的端面焊接方式如圖1所示。

1-內夾套側壁；2-焊縫焊接點；3-內夾套端面底板圖1 改造前內夾套端面焊接方式

對內夾套進行改進，將原有的內夾套厚度由4 mm改進為6 mm，增大夾套材料厚度。此外，對焊接點也進行了改進，如圖2所示。改進后，夾套抗壓能力及抗腐蝕能力增強，內夾套自主制作成本降低了5萬元，使用壽命預計由原有的4～5年提升至8年以上，而且降低了因內夾套破損導致的設備事故風險，備件成本降低了35萬元。

1-內夾套側壁；2-焊縫焊接點；3-內夾套端面底板圖2 改造后內夾套端面焊接方式

1.4 鹽水循環泵優化

鹽水循環泵是冷凍鹽水循環過程中的關鍵設備，24小時開啟，以確保冷凍鹽水循環。該循環泵為立式鹽水泵，設備選型為立式鈦材質，在實際生產中，必須4臺功率18.5 kW的鹽水泵同時開啟才能達到額定生產要求。多年使用導致鹽水泵故障率高，且電耗成本高。檢修過程中，工人通常站在鹽水槽上方檢修。由于槽體腐蝕嚴重，多人檢修存在垮塌風險，且空間狹隘存在極大安全隱患。此外，鹽水泵為鈦材質，材質選型存在過度浪費。

采用額定功率為75 kW的工程塑料臥式離心泵，并配套選用變頻器控制鹽水泵的電機轉速。改進后，單臺泵開啟即可滿足工況。通過實際生產測量，單日電耗降低約1 000 kW·h，年電耗降低成本約20萬元，備件成本降低約10萬元，而且改進大大消除了檢修過程的安全隱患。

1.5 濃縮攪拌系統優化

因廠內部為余熱鍋爐供汽，蒸汽成本低，在不影響產品質量、生產效率及設備使用壽命的前提下，取消濃縮罐的攪拌槳，只采用蒸汽對濃縮反應釜升溫進行濃縮蒸發。通過改進，取消了濃縮系統擺線針輪減速機及攪拌系統，設備使用壽命不受影響，年節約電耗約30萬元。

2 管理優化

2.1 檢修時間周期優化

由于硫酸鎳現場酸霧及物料腐蝕性較強，除日常零星檢修外，在電解液系統鎳含量較低情況下每年新增兩次為期15 d的停產檢修，更換腐蝕壞損的鹽水管道、蒸汽管道、銹蝕的閥門等，并對設備及管道防腐刷漆。同時在此期間處理日常難以處理的設備故障等，避免維修工日常頻繁搶修[5]。

2.2 水循環系統及管路過濾管理優化

對濃縮系統換熱器冷卻水循環系統的涼水塔管控進行優化：每周對涼水塔水溫進行測量，每年對濃縮工序的600 t閉式涼水塔進行除垢清理，并對制冷工序的400 t開式涼水塔水質進行監測，定期更換填料，并清理其反沖洗過濾器，清洗制冷機，以提高水冷卻效率，達到相關水質管理要求。

2.3 高能耗設備管控優化

硫酸鎳系統主要能耗為蒸汽和電力。蒸汽由廠內余熱鍋爐供應。在整個生產過程中，結合硫酸鎳產量，對蒸汽的使用采取定額管理，控制班組蒸汽用量，并對濃縮反應釜夾套增加疏水閥，以降低蒸汽消耗量。

電耗的管控主要針對高耗能設備。因制冷機電耗約為整個硫酸鎳系統的60%，因而對制冷機電耗進行重點管控，每日記錄電耗。當制冷機電耗出現異常波動或有上升趨勢時，立即進行相關檢查及清洗，對制冷機及時加氟，同時根據產量對制冷機電耗實行定額管控。

3 結束語

在原有的生產模式及基礎上，對硫酸鎳生產系統中濃縮反應釜修復工藝、濃縮系統真空泵、制冷結晶罐內夾套、鹽水循環泵和濃縮攪拌等進行設備改造，以及對檢修時間周期、循環系統和管路過濾、高能耗設備等進行管理優化。通過設備改進和管理優化，降低設備故障頻率，有效減少因管道及閥門腐蝕導致的系統停機及生產事故隱患，使硫酸鎳系統穩定運行，且大幅降低硫酸鎳能源成本和備件成本。