柳蘭生, 陸業(yè)大, 羅云鵬, 張 巖

(1.蘭州蘭洛煉化設(shè)備有限公司, 甘肅 蘭州 730050； 2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038；3.長(zhǎng)沙有色院冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410011)

鋅直接浸出工藝中廢電解液螺旋板換熱器探討

柳蘭生1, 陸業(yè)大2, 羅云鵬3, 張 巖1

(1.蘭州蘭洛煉化設(shè)備有限公司, 甘肅 蘭州 730050； 2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038；3.長(zhǎng)沙有色院冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410011)

本文介紹了鋅濕法冶煉直接浸出工藝中，廢電解液加熱用螺旋板換熱器的實(shí)用情況，探討了材質(zhì)的選用、適用溫度等問(wèn)題。

鋅冶煉；螺旋板式換熱器; 材質(zhì); 工藝條件

鋅濕法冶煉直接浸出工藝產(chǎn)業(yè)化在我國(guó)已經(jīng)有十多年的歷史，包括國(guó)內(nèi)自行開(kāi)發(fā)和引進(jìn)國(guó)外技術(shù)的直接浸出技術(shù)，使鋅冶煉工業(yè)從污染難控狀況向節(jié)能、環(huán)保轉(zhuǎn)型。越來(lái)越多的技術(shù)改造、更新項(xiàng)目已經(jīng)或?qū)⒁x擇直接浸出工藝。在這種工藝中，用于浸出的主要反應(yīng)介質(zhì)廢電解液需加熱到70～90 ℃，流量也較大(100～200 m3/h)。由于廢電解液腐蝕性很強(qiáng)，如何選用高效、耐用、維護(hù)方便的換熱器是直接浸出工藝各相關(guān)企業(yè)面臨的難題。

截止目前，國(guó)內(nèi)采用直接浸出工藝并已投產(chǎn)的廠家不多，在廢電解液換熱器選型方面，有螺旋板式、管殼式、也有選用石墨換熱器的，使用過(guò)程中積累了不少經(jīng)驗(yàn)。筆者通過(guò)近5年在國(guó)內(nèi)某冶煉廠直接浸出工藝中廢電解液加熱用螺旋板換熱器的運(yùn)行、維修、改造及設(shè)備材料的更換對(duì)比，初步總結(jié)了直接浸出工藝中廢電解液加熱用螺旋板換熱器的選材及使用過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題，供設(shè)計(jì)、制造和用戶探討與參考。

1 廢電解液成分及工藝條件

根據(jù)直接浸出工藝要求，一般浸出所需的廢電解液中主要腐蝕成份為：硫酸濃度一般在150～200 g/L， Cl-含量400～1 200 mg/L，F(xiàn)-含量≤60 mg/L。

用戶提出的加熱蒸汽基本為低壓飽和蒸汽，一般換熱器熱側(cè)進(jìn)口溫度150～188 ℃(壓力≤1.2 MPa)，出口溫度95～100 ℃；冷側(cè)廢電解液由30～40 ℃加熱到70～90 ℃，進(jìn)口壓力1.3 MPa，流量按照用戶項(xiàng)目要求確定(一般在100～200 m3/h)。

2 螺旋板換熱器使用情況

某用戶最初選用的是進(jìn)口螺旋板換熱器，蒸汽溫度180～200 ℃，硫酸含量180 g/L，螺旋板材質(zhì)為904 L，板厚4 mm。項(xiàng)目運(yùn)行初期其主要使用自產(chǎn)礦原料(Cl-≤700 mg/L、F-≤40 mg/L)，運(yùn)行7個(gè)月設(shè)備嚴(yán)重腐蝕報(bào)廢(在此期間用戶自己維修多次)。后委托國(guó)內(nèi)專業(yè)廠更換芯體，同樣采用904L材質(zhì)制造，投入使用后修修補(bǔ)補(bǔ)還是只有7～8個(gè)月的使用壽命。當(dāng)生產(chǎn)中采用外購(gòu)及進(jìn)口礦原料(Cl-含量800～1 100 mg/L左右、F-≤60 mg/L)，904L材質(zhì)設(shè)備使用時(shí)間還不足60天，多次維修更新，依舊無(wú)法延長(zhǎng)使用壽命。后選用Ti2材質(zhì)螺旋板換熱器試用，板厚4 mm，使用僅21天，產(chǎn)生均勻腐蝕，高溫區(qū)螺旋板板厚由4 mm減薄至1 mm，焊縫及熱影響區(qū)腐蝕破壞嚴(yán)重，已經(jīng)不能再用。

3 各種材料耐腐蝕性能試驗(yàn)分析

根據(jù)上述情況，使用單位與制造方經(jīng)過(guò)多次研究、探討，查閱并分析相關(guān)資料，請(qǐng)教國(guó)內(nèi)相關(guān)專家，通過(guò)與蘭州理工大學(xué)合作，用生產(chǎn)廠廢電解液對(duì)各種材料及焊縫試件的抗腐蝕性能做了掛片試驗(yàn)，詳見(jiàn)表1、表2、圖1、圖2、圖3。

表1 某冶煉廠廢電解液成分

表2 耐腐蝕性能試驗(yàn)材料

圖1 各溫度點(diǎn)恒溫掛片120 h腐蝕曲線圖

圖2 各溫度點(diǎn)恒溫掛片120 h腐蝕曲線圖

圖3 特種材料在鋅冶煉廢電解液不同溫度下的耐腐蝕性能曲線圖

從圖1、圖2可看出，2507雙相不銹鋼年腐蝕量最小，2205雙相不銹鋼次之。

由圖3可以看出、在Inconel 825與2507兩種材料的對(duì)比試驗(yàn)中，Inconel 825耐腐蝕比2507要好，尤其在90 ℃以上較為明顯；兩種材料的拼接焊縫耐腐蝕試樣比較，氬弧焊打底的要好一些，但I(xiàn)nconel 825成本較高，幾乎比2507高出一倍，企業(yè)應(yīng)該根據(jù)自己的工藝條件及性價(jià)比擇優(yōu)選用。以上試驗(yàn)結(jié)果雖然溫度≤100 ℃，但也有一定的參考性。

4 2507雙相不銹鋼制造的螺旋板換熱器使用情況

運(yùn)行工藝參數(shù)：熱側(cè)蒸汽(飽和蒸汽)進(jìn)口溫度180～200 ℃左右，出口溫度95～100 ℃，冷側(cè)55～90 ℃之間，壓力2.1 MPa，處理量100～140 m3/h。硫酸180 g/L、Cl-800～1 100 mg/L、F-≤60 mg/L，螺旋板板厚4 mm。設(shè)備使用3個(gè)月產(chǎn)生泄漏。經(jīng)打開(kāi)仔細(xì)檢查，最外圈蒸汽進(jìn)口附近，螺旋通道端面焊接密封的寬度20 mm、板厚4 mm的2507母材板條表面有明顯腐蝕凹坑，第一圈腐蝕深度為2 mm，第二圈為0.5 mm，第三圈基本無(wú)明顯腐蝕痕跡，其它螺旋板母材表面無(wú)明顯腐蝕痕跡，詳見(jiàn)圖4。

圖4 螺旋通道腐蝕示意圖

經(jīng)計(jì)算，蒸汽由外圈進(jìn)入，螺旋板壁面溫度第一圈180～200 ℃，第二圈160～180 ℃，第三圈140～160 ℃。也就是說(shuō)，當(dāng)蒸汽溫度≤140 ℃時(shí)基本無(wú)明顯腐蝕，介質(zhì)對(duì)材料的強(qiáng)腐蝕區(qū)間在140 ℃以上，且溫度越高腐蝕越快。如果進(jìn)口蒸汽溫度低于140 ℃，則使用壽命可達(dá)到1～2年。

5 管殼式、石墨換熱器優(yōu)缺點(diǎn)比較

管殼式換熱器相對(duì)而言占地面積大，換熱效率低，其管束壁厚2～3.5 mm，腐蝕破壞周期與螺旋板類似；石墨換熱器顯然抗腐蝕性能良好，但一般耐壓≤0.8 MPa，不能用于廢電解液高壓進(jìn)料，只能用于泵前低壓條件，而且換熱效率較低、易堵塞，由于石墨本身很脆，在檢修過(guò)程中邊、角、密封面也容易產(chǎn)生破損，多層密封墊也易破損。

6 結(jié)論

本文介紹的國(guó)內(nèi)某冶煉廠廢電解液介質(zhì)，其主要腐蝕成份含量均較高，蒸汽溫度也偏高，具有一定的代表性。當(dāng)蒸汽溫度≤140 ℃，可以選用2507雙相不銹鋼螺旋板式換熱器，其換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、腐蝕裕度大、不易結(jié)垢、清洗維護(hù)方便等特性在廢電解液加熱工藝中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但在焊接材料的選用、焊接工藝的選擇方面要以試驗(yàn)評(píng)定為依據(jù)，焊后鐵素體與奧氏體比例要適當(dāng)。如果條件允許選用Inconel材質(zhì)的螺旋板會(huì)更好，但造價(jià)較高。另外，不同的工藝條件、采用微量腐蝕元素含量偏高的礦石原料等等，還需具體問(wèn)題具體分析。

[1]錢(qián)頌文. 換熱器設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]秦叔經(jīng).換熱器[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[3]初世憲.工程防腐蝕指南[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

Discussiononspiralplateheatexchangerofwasteelectrolyteinzincdirectleachingprocess

LIU Lan-sheng, LU Ye-da, LUO Yun-peng, ZHANG Yan

In the direct leaching process of zinc hydrometallurgy, the practical application situations of spiral plate heat exchanger used to heat the waste electrolyte was introduced, the selection of material and suitable temperature were discussed in this paper.

zinc hydrometallurgy; spiral plate heat exchanger; material; process conditions

柳蘭生(1957—)，男，甘肅會(huì)寧人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任蘭洛煉化設(shè)備有限公司總經(jīng)理。

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