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，擔負著脫銅、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)計方案，廠房整體采光、通風差。某銅冶煉廠在新建項目時通過借鑒原有凈化工藝實際生產(chǎn)經(jīng)驗，在新建2.0×105t銅凈化設(shè)計過程中，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

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111m，總高17m，是國內(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、采光效果良好，屋頂?shù)碾p坡設(shè)計使得屋頂不積水，排水較為通暢。凈液廠房結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計為工藝設(shè)備的合理配置、改善現(xiàn)場操作環(huán)境奠定了基礎(chǔ)，使得物料運輸更為便利，給生產(chǎn)的連續(xù)運行奠定基礎(chǔ)。

2.1 廠房綜合布置的優(yōu)化設(shè)計

凈液廠房平面布置及豎向區(qū)域劃分的特點:平面分為二個區(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)計總面積的92%，根據(jù)工序的不同將其配置分為三個區(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，將兩臺硫酸鎳轉(zhuǎn)運槽及配套的泵從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 廠房排風系統(tǒng)的改造

銅電解凈液廠房排風系統(tǒng)一般包括自然排風、機械排風。本次改造對兩個排風系統(tǒng)都進行了優(yōu)化，改善職工現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，保證職工身體健康，減輕大氣污染。

(1)自然排風本次改造除采用側(cè)窗、天窗及在外墻設(shè)排風軸流風機進行全面通風外，還在廠房頂部橫、縱向安裝自然排風器，對車間內(nèi)的余熱、產(chǎn)生的酸霧和蒸汽進行全面通風。

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

(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力波湍沖塔、填料塔、噴淋塔等，本次改造選用兩級吸收動力波湍沖塔對凈液系統(tǒng)所產(chǎn)酸霧進行凈化處理，本裝置凈化效率高，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境好，凈化排風系統(tǒng)的改造既保證了崗位工人的身體健康又減少了對大氣的污染，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)計為通過管網(wǎng)直接排入污水處理站，未得到回收利用，同時增加了廢水處理量與成本。為減少生產(chǎn)過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)至整個現(xiàn)場，把廢水通過冷凝水旁通管道引至脫銅電解槽、燙洗槽代替新水進行刷槽作業(yè)，不再排入廢水處理站處理。(刷槽后的廢水進入地坑，與電解液一起由泵送入溶液儲罐，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)在進入板式蒸發(fā)器前增設(shè)減溫減壓裝置，延長板式蒸發(fā)器板片使用壽命。在真空蒸發(fā)生產(chǎn)過程中，進入板式蒸發(fā)器的蒸汽是未經(jīng)任何處理的過飽和蒸汽[2]，蒸汽直接通過板式蒸發(fā)器，對溶液進行加溫，使得板式蒸發(fā)器膠條長期受到高溫灼蝕，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)就會發(fā)生內(nèi)漏現(xiàn)象，膠條頻繁損壞，嚴重影響生產(chǎn)的連續(xù)性和高效性，給備品備件及檢修費用方面造成了很重的負擔[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)連接一次蒸汽進汽管，正對另一側(cè)連接冷凝水進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，為了進一步實現(xiàn)自動控制操作，在一次蒸汽總管和冷凝水進水管上安裝了自動調(diào)節(jié)電磁閥，達到了溫度和壓力在設(shè)定范圍內(nèi)能夠自動調(diào)節(jié)的目的。

減溫減壓裝置應(yīng)用于生產(chǎn)后，實用效果顯著，通過板式蒸發(fā)器的蒸汽溫度和壓力自動控制在設(shè)定范圍內(nèi)，延長了板式蒸發(fā)器的使用壽命，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益，同時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)晶機的應(yīng)用凈液系統(tǒng)水冷結(jié)晶機原為內(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)就會發(fā)生內(nèi)漏現(xiàn)象，更換頻繁，嚴重影響了生產(chǎn)的連續(xù)性和高效性，同時給備品備件及檢修費用方面造成了很重的負擔。

本次凈液系統(tǒng)改造硫酸銅、硫酸鎳結(jié)晶機均采用具有優(yōu)異的機械性能和產(chǎn)熱性能的蜂窩夾套式水冷結(jié)晶機[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。此外，結(jié)晶機攪拌傳動裝置還配備變頻器，在生產(chǎn)過程中，可根據(jù)工藝條件隨時對攪拌速度進行調(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程中結(jié)晶成團堵塞下液口的現(xiàn)象。

3.2 電蒸發(fā)除鎳工序的改造

對電蒸發(fā)前液進行預(yù)熱，縮短終液溫度達到沸點的時間，提高蒸發(fā)效率。在電熱蒸發(fā)工序?qū)ｉT設(shè)計制作給液量裝置，確保給液量準確計量。在電蒸發(fā)生產(chǎn)過程中，原設(shè)計電蒸發(fā)高位槽內(nèi)的溶液是通過閥門控制直接進入電蒸發(fā)釜，這種方法無法檢測到進液量的大小，崗位人員憑感覺調(diào)整。因電蒸發(fā)的生產(chǎn)是開啟正常后釜內(nèi)溶液邊進邊出，如果進液量太小，蒸發(fā)效率較低，且蒸發(fā)出的溶液含酸較高[6];相反進液量太大，蒸發(fā)釜內(nèi)溫度達不到要求，酸度較低，分離效果較差，嚴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，通過調(diào)整溶液流過圓孔的數(shù)量來控制給液量的大小。進入電蒸發(fā)的溶液流量可控，在開車時根據(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，因此可通過降低電解液主金屬銅離子濃度來降低電解液比重，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，利于陽極泥的沉降，減少陽極泥對陰極銅質(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，提高Larox處理量，根據(jù)壓差情況及時更換濾布，加強電解液的過濾，提高電解液的潔凈度。

(4)進一步提升陽極板和始極片加工質(zhì)量，提高懸垂度，減少燒板量，降低陽極泥沉降過程對陰極銅質(zhì)量的影響。

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

(6)進一步優(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)以來的工藝指標情況

通過凈化工藝技術(shù)改造及優(yōu)化設(shè)備選型，自投產(chǎn)以來，各項工藝指標大幅度得到提升，真空蒸發(fā)效率達到40%以上，超過了設(shè)計指標36%[7]，硫酸銅結(jié)晶率達到60%以上，超過原工藝約6%;電蒸發(fā)脫鎳能力由原來的0.60m3/h·臺提高至0.70m3/h·臺以上。

6 結(jié)論

(1)充分借鑒原有凈化系統(tǒng)生產(chǎn)流程，對廠房結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，首次采用大跨度、敞開式(開放式)鋼屋架設(shè)計方案，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，使得物料運輸更為便利。

(2)對凈液廠房排風系統(tǒng)進行優(yōu)化，在廠房頂部橫、縱向增設(shè)自然排風器，對凈液工段所有槽罐、水冷結(jié)晶機、帶式過濾機等設(shè)備增加局部密閉排風罩，將含廠房內(nèi)部余熱、酸霧廢氣等有害氣體收集后，接風管至吸收系統(tǒng)凈化處理后達標排至室外，改善職工現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，保證職工身體健康，減輕大氣污染。

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

(4)在生產(chǎn)實踐中針對高雜質(zhì)原料凈化脫除率低的問題，優(yōu)化凈化系統(tǒng)中兩個重要工序的生產(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。

[1]張春發(fā).銅電解精煉車間設(shè)計方案探討[J].CLUB俱樂部，2011(8):54－56.

[2]朱祖澤，賀家齊.現(xiàn)代銅冶金學(xué)[M].北京科學(xué)出版社，2003:561－563.

[3]白天.板式真空蒸發(fā)器組自動控制系統(tǒng)[M].有色冶金設(shè)計與研究，2005(1):82－83，89.

[4]高軍，向天龍.一種蒸汽的減溫減壓裝置[J].CN201147644，2008:11－12.

[5]蔣家羚，林興華，楊火生.螺旋板式蜂窩點冷卻夾套反應(yīng)器的開發(fā)[J].化工機械，21(1):31.

[6]肖炳瑞.粗硫酸鎳生產(chǎn)工藝的優(yōu)化[J].銅業(yè)工程，2007(2):23.

[7]徐媛卿，吳曉光.銅電解凈液系統(tǒng)硫酸銅脫銅工藝改進[J].銅業(yè)工程，2011(6):48－50.

[8]李錦瑜.酸洗廢氣凈化系統(tǒng)設(shè)計[J].廣州大學(xué)市政技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計，2012(5):25.