張素霞，李 睿，孫淵君

(1.陜西西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710000;2.甘肅省金昌市金川集團(tuán)公司，甘肅 金昌 737100)

1 引言

電解液凈化是銅電解精煉必不可少的重要工序，擔(dān)負(fù)著脫銅、除雜和維持電解系統(tǒng)體積平衡等重任。隨著銅電解工程的規(guī)模化、大型化，在工程設(shè)計(jì)中電解系統(tǒng)已多采用大跨度廠房，如33m×2m跨度布置，主跨與附跨之間的距離6m[1]，而凈液系統(tǒng)多以主跨加附跨的設(shè)計(jì)方案，廠房整體采光、通風(fēng)差。某銅冶煉廠在新建項(xiàng)目時(shí)通過(guò)借鑒原有凈化工藝實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，在新建2.0×105t銅凈化設(shè)計(jì)過(guò)程中，廠房布置、設(shè)備配置、工藝方案和技術(shù)條件選擇及生產(chǎn)組織和管理等方面均作了多側(cè)面、多角度的優(yōu)化，使得設(shè)備設(shè)施配置更加合理、物料運(yùn)輸更為便利、人員作業(yè)環(huán)境更加有利健康。

2 凈液廠房結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

凈液廠房首次采用大跨度、敞開式(開放式)鋼屋架、雙坡33m跨鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)形式。廠房全長(zhǎng)111m，總高17m，是國(guó)內(nèi)跨度最大的銅電解凈液廠房。采用該結(jié)構(gòu)廠房使設(shè)備設(shè)施布局更加合理有序;通風(fēng)、采光效果良好，屋頂?shù)碾p坡設(shè)計(jì)使得屋頂不積水，排水較為通暢。凈液廠房結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)為工藝設(shè)備的合理配置、改善現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境奠定了基礎(chǔ)，使得物料運(yùn)輸更為便利，給生產(chǎn)的連續(xù)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

2.1 廠房綜合布置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

凈液廠房平面布置及豎向區(qū)域劃分的特點(diǎn):平面分為二個(gè)區(qū)，生產(chǎn)區(qū)和辦公區(qū)。生產(chǎn)區(qū)為廠房的核心部分，占設(shè)計(jì)總面積的92%，根據(jù)工序的不同將其配置分為三個(gè)區(qū)域，即真空蒸發(fā)區(qū)域、誘導(dǎo)脫銅區(qū)域及電蒸發(fā)區(qū)域，如圖1所示，此配置可充分利用現(xiàn)有空間、設(shè)備，且物料運(yùn)輸便利。豎向上主要分為三層，在滿足工藝條件的情況下，將真空蒸發(fā)高位槽從11.00m平面降至7.50m平面，將兩臺(tái)硫酸鎳轉(zhuǎn)運(yùn)槽及配套的泵從0.00m平面降至－4.20m平面，降低廠房總體高度，減少了工程投資。

圖1 廠房平面區(qū)域圖

2.2 廠房排風(fēng)系統(tǒng)的改造

銅電解凈液廠房排風(fēng)系統(tǒng)一般包括自然排風(fēng)、機(jī)械排風(fēng)。本次改造對(duì)兩個(gè)排風(fēng)系統(tǒng)都進(jìn)行了優(yōu)化，改善職工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，保證職工身體健康，減輕大氣污染。

(1)自然排風(fēng)本次改造除采用側(cè)窗、天窗及在外墻設(shè)排風(fēng)軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行全面通風(fēng)外，還在廠房頂部橫、縱向安裝自然排風(fēng)器，對(duì)車間內(nèi)的余熱、產(chǎn)生的酸霧和蒸汽進(jìn)行全面通風(fēng)。

(2)機(jī)械排風(fēng)本工程除在散發(fā)大量含酸霧廢氣的重溶槽及濃縮器處設(shè)有局部密閉排風(fēng)罩和脫銅電解槽處設(shè)不銹鋼支架外包玻璃鋼密閉排風(fēng)罩以外，對(duì)凈液工段所有槽罐、水冷結(jié)晶機(jī)、帶式過(guò)濾機(jī)等設(shè)備增加局部密閉排風(fēng)罩，利用酸霧吸收系統(tǒng)，將含酸霧廢氣、有害氣體收集后，接風(fēng)管至吸收系統(tǒng)凈化處理后達(dá)標(biāo)排放。

(3)優(yōu)選酸霧吸收塔銅電解酸霧凈化多采用堿液吸收法，其處理酸霧的塔型主要有動(dòng)力波湍沖塔、填料塔、噴淋塔等，本次改造選用兩級(jí)吸收動(dòng)力波湍沖塔對(duì)凈液系統(tǒng)所產(chǎn)酸霧進(jìn)行凈化處理，本裝置凈化效率高，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境好，凈化排風(fēng)系統(tǒng)的改造既保證了崗位工人的身體健康又減少了對(duì)大氣的污染，提高了環(huán)保本質(zhì)化水平。

2.3 廢水的循環(huán)回收利用

凈液系統(tǒng)真空蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的酸性廢水原設(shè)計(jì)為通過(guò)管網(wǎng)直接排入污水處理站，未得到回收利用，同時(shí)增加了廢水處理量與成本。為減少生產(chǎn)過(guò)程中酸性廢水排放量，在冷凝水輸送泵出口管道上加裝旁通管，并將此管道沿一、二樓四周墻壁敷設(shè)至整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)，把廢水通過(guò)冷凝水旁通管道引至脫銅電解槽、燙洗槽代替新水進(jìn)行刷槽作業(yè)，不再排入廢水處理站處理。(刷槽后的廢水進(jìn)入地坑，與電解液一起由泵送入溶液儲(chǔ)罐，經(jīng)壓濾后回收。)

3 凈化工藝技術(shù)改造與設(shè)備選型的優(yōu)化

3.1 真空蒸發(fā)工序

(1)在進(jìn)入板式蒸發(fā)器前增設(shè)減溫減壓裝置，延長(zhǎng)板式蒸發(fā)器板片使用壽命。在真空蒸發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，進(jìn)入板式蒸發(fā)器的蒸汽是未經(jīng)任何處理的過(guò)飽和蒸汽[2]，蒸汽直接通過(guò)板式蒸發(fā)器，對(duì)溶液進(jìn)行加溫，使得板式蒸發(fā)器膠條長(zhǎng)期受到高溫灼蝕，板片經(jīng)受高壓汽錘侵蝕，導(dǎo)致板式蒸發(fā)器板片短期內(nèi)就會(huì)發(fā)生內(nèi)漏現(xiàn)象，膠條頻繁損壞，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的連續(xù)性和高效性，給備品備件及檢修費(fèi)用方面造成了很重的負(fù)擔(dān)[3]。

利用汽水中和、凝結(jié)水循環(huán)使用的原理研制出一種減溫減壓裝置[4。裝置的基本結(jié)構(gòu)為:在汽水混合器的一側(cè)連接一次蒸汽進(jìn)汽管，正對(duì)另一側(cè)連接冷凝水進(jìn)水管并在管頭處裝設(shè)噴嘴，上端為經(jīng)減溫減壓后的二次蒸汽出口，底端安裝凝結(jié)水排空管由閥門控制，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制操作，在一次蒸汽總管和冷凝水進(jìn)水管上安裝了自動(dòng)調(diào)節(jié)電磁閥，達(dá)到了溫度和壓力在設(shè)定范圍內(nèi)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。

減溫減壓裝置應(yīng)用于生產(chǎn)后，實(shí)用效果顯著，通過(guò)板式蒸發(fā)器的蒸汽溫度和壓力自動(dòng)控制在設(shè)定范圍內(nèi)，延長(zhǎng)了板式蒸發(fā)器的使用壽命，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)大大提高了真空蒸發(fā)的生產(chǎn)效率。

(2)蜂窩夾套式水冷結(jié)晶機(jī)的應(yīng)用凈液系統(tǒng)水冷結(jié)晶機(jī)原為內(nèi)置不銹鋼盤管冷卻，使槽體內(nèi)溶液溫度始終保持在技術(shù)條件范圍內(nèi)，溶液循環(huán)方式采用上進(jìn)液下出液的工藝原理，由于是高溫和高酸的溶液，使得水冷結(jié)晶槽內(nèi)溶液的溫度不平衡，不銹鋼盤管時(shí)常暴露在溶液外面，受高酸、高溫溶液腐蝕，導(dǎo)致不銹鋼盤管在短期內(nèi)就會(huì)發(fā)生內(nèi)漏現(xiàn)象，更換頻繁，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的連續(xù)性和高效性，同時(shí)給備品備件及檢修費(fèi)用方面造成了很重的負(fù)擔(dān)。

本次凈液系統(tǒng)改造硫酸銅、硫酸鎳結(jié)晶機(jī)均采用具有優(yōu)異的機(jī)械性能和產(chǎn)熱性能的蜂窩夾套式水冷結(jié)晶機(jī)[5]。該設(shè)備采用內(nèi)置冷卻水套的蜂窩夾套式冷卻結(jié)構(gòu)形式，沿筒體外壁軸向設(shè)置螺旋導(dǎo)流板，內(nèi)置雙層槳葉攪拌器，采用帶變頻器的硬齒面減速機(jī)。此外，結(jié)晶機(jī)攪拌傳動(dòng)裝置還配備變頻器，在生產(chǎn)過(guò)程中，可根據(jù)工藝條件隨時(shí)對(duì)攪拌速度進(jìn)行調(diào)整，保證攪拌和冷卻的均勻性，從而避免了硫酸銅、硫酸鎳溶液在冷卻過(guò)程中結(jié)晶成團(tuán)堵塞下液口的現(xiàn)象。

3.2 電蒸發(fā)除鎳工序的改造

對(duì)電蒸發(fā)前液進(jìn)行預(yù)熱，縮短終液溫度達(dá)到沸點(diǎn)的時(shí)間，提高蒸發(fā)效率。在電熱蒸發(fā)工序?qū)ｉT設(shè)計(jì)制作給液量裝置，確保給液量準(zhǔn)確計(jì)量。在電蒸發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中，原設(shè)計(jì)電蒸發(fā)高位槽內(nèi)的溶液是通過(guò)閥門控制直接進(jìn)入電蒸發(fā)釜，這種方法無(wú)法檢測(cè)到進(jìn)液量的大小，崗位人員憑感覺(jué)調(diào)整。因電蒸發(fā)的生產(chǎn)是開啟正常后釜內(nèi)溶液邊進(jìn)邊出，如果進(jìn)液量太小，蒸發(fā)效率較低，且蒸發(fā)出的溶液含酸較高[6];相反進(jìn)液量太大，蒸發(fā)釜內(nèi)溫度達(dá)不到要求，酸度較低，分離效果較差，嚴(yán)重影響溶液的凈化處理量和產(chǎn)出硫酸鎳的質(zhì)量，因此設(shè)計(jì)制作給液量調(diào)節(jié)裝置，將給液盒裝入電蒸發(fā)給液管道閥門之后，通過(guò)調(diào)整溶液流過(guò)圓孔的數(shù)量來(lái)控制給液量的大小。進(jìn)入電蒸發(fā)的溶液流量可控，在開車時(shí)根據(jù)不同溫度設(shè)定不同的流液孔數(shù)，大大提高電蒸發(fā)的效率，確保了溶液雜質(zhì)量的脫除，提高了產(chǎn)出硫酸鎳的質(zhì)量。

4 提高適應(yīng)高雜陽(yáng)極板的技術(shù)措施

(1)改善電解性質(zhì)。影響電解液比重的主要是硫酸和金屬離子濃度，因此可通過(guò)降低電解液主金屬銅離子濃度來(lái)降低電解液比重，有利于減小電解液的粘度，降低Cu2+、H2SO4的波動(dòng)幅度，將Cu2+控制在45 ～50g/l，酸度170 ～180g/l，在保持電解液導(dǎo)電性的基礎(chǔ)上降低電解液的比重和粘度，利于陽(yáng)極泥的沉降，減少陽(yáng)極泥對(duì)陰極銅質(zhì)量的影響。

(2)調(diào)整添加劑配比模式，由高膠低脲改為低膠高脲，降低溶液粘度，降低懸浮顆粒粘附幾率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。

(3)電解液中懸浮物增多時(shí)，提高Larox處理量，根據(jù)壓差情況及時(shí)更換濾布，加強(qiáng)電解液的過(guò)濾，提高電解液的潔凈度。

(4)進(jìn)一步提升陽(yáng)極板和始極片加工質(zhì)量，提高懸垂度，減少燒板量，降低陽(yáng)極泥沉降過(guò)程對(duì)陰極銅質(zhì)量的影響。

(5)積極開展電解液自凈化試驗(yàn)研究，通過(guò)提高電解液中總As含量，降低Sb和Bi含量，實(shí)現(xiàn)自凈化，以此改善電解液性能，提高工藝對(duì)原料的適應(yīng)性。

(6)進(jìn)一步優(yōu)化真空蒸發(fā)深度脫銅，母液含銅降低至25g/l以下，為誘導(dǎo)脫銅脫雜創(chuàng)造條件，提高As、Sb、Bi的脫除率。

5 試生產(chǎn)以來(lái)的工藝指標(biāo)情況

通過(guò)凈化工藝技術(shù)改造及優(yōu)化設(shè)備選型，自投產(chǎn)以來(lái)，各項(xiàng)工藝指標(biāo)大幅度得到提升，真空蒸發(fā)效率達(dá)到40%以上，超過(guò)了設(shè)計(jì)指標(biāo)36%[7]，硫酸銅結(jié)晶率達(dá)到60%以上，超過(guò)原工藝約6%;電蒸發(fā)脫鎳能力由原來(lái)的0.60m3/h·臺(tái)提高至0.70m3/h·臺(tái)以上。

6 結(jié)論

(1)充分借鑒原有凈化系統(tǒng)生產(chǎn)流程，對(duì)廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，首次采用大跨度、敞開式(開放式)鋼屋架設(shè)計(jì)方案，合理布置設(shè)備設(shè)施，為工藝生產(chǎn)提供了良好的設(shè)備配置和操作環(huán)境，使得物料運(yùn)輸更為便利。

(2)對(duì)凈液廠房排風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，在廠房頂部橫、縱向增設(shè)自然排風(fēng)器，對(duì)凈液工段所有槽罐、水冷結(jié)晶機(jī)、帶式過(guò)濾機(jī)等設(shè)備增加局部密閉排風(fēng)罩，將含廠房?jī)?nèi)部余熱、酸霧廢氣等有害氣體收集后，接風(fēng)管至吸收系統(tǒng)凈化處理后達(dá)標(biāo)排至室外，改善職工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，保證職工身體健康，減輕大氣污染。

(3)采用先進(jìn)的廢氣吸收裝置兩級(jí)動(dòng)力波湍沖塔[8]對(duì)凈液系統(tǒng)所產(chǎn)酸霧進(jìn)行凈化處理。同時(shí)對(duì)真空蒸發(fā)等產(chǎn)出的酸性廢水進(jìn)行回收利用，真正提高了環(huán)保本質(zhì)化水平。

(4)在生產(chǎn)實(shí)踐中針對(duì)高雜質(zhì)原料凈化脫除率低的問(wèn)題，優(yōu)化凈化系統(tǒng)中兩個(gè)重要工序的生產(chǎn)工藝，提高雜質(zhì)脫除率，提升適應(yīng)高雜銅陽(yáng)極板的能力。

(5)隨著銅電解凈化脫雜效率和處理能力的提高，在保持現(xiàn)有溶液凈化量的前提下，減少了真空蒸發(fā)、電蒸發(fā)的開車時(shí)間，相應(yīng)降低了水、電、汽的消耗，節(jié)約了能源，并隨著凈化設(shè)備設(shè)施開動(dòng)率的降低，原、輔材料的消耗亦相應(yīng)下降，降低了凈化脫雜的成本。

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