黎成剛 曹雷斌 袁寒崗
(江銅集團(tuán)江西金德鉛業(yè)股份有限公司,江西 德興334200)
金德鉛業(yè)股份有限公司年產(chǎn)99.994%牌鉛8 萬(wàn)t(簡(jiǎn)稱“金德鉛業(yè)”),因高電流密度生產(chǎn),陽(yáng)極溶解速度大于陰極析出速度,電解液中的鉛離子濃度已經(jīng)達(dá)到185g/L 以上,對(duì)電流效率和直流電耗產(chǎn)生直接的影響。金德鉛業(yè)鉛電解系統(tǒng)電解液總體積為1150m3,積存在電解液中的鉛量達(dá)到213t,比正??刂屏扛叱?9 噸,在電流密度190A/m2電解條件下,360 個(gè)電解槽總電壓達(dá)到185V,直流電單耗上升至172kw,電流效率92.8%,所以必須采取有效的措施盡快降低電解液鉛含量。
硫酸脫鉛原理是:將98%濃度的硫酸加入開(kāi)路的硅氟酸鉛電解液中,與鉛離子在脫鉛槽中反應(yīng)生產(chǎn)硫酸鉛:
H2SiO4+Pb2+=PbSiO4↓+2H2+
形成的硫酸鉛沉淀在脫鉛槽底部,再清理干凈沉淀物。
1.1 濃硫酸脫鉛方法的優(yōu)點(diǎn):脫鉛速度快。
1.2 濃硫酸脫鉛方法存在的缺點(diǎn):(1)98%濃度的硫酸倒入脫鉛槽會(huì)急劇大量放熱,產(chǎn)生液體飛濺,操作工人危險(xiǎn)系數(shù)高,大量放熱會(huì)導(dǎo)致脫鉛槽內(nèi)襯軟聚氯乙烯朔料燒損變形。(2)濃硫酸放熱后脫鉛槽電解液溫度會(huì)上升至80 度,電解液中原有的底膠會(huì)被老化分解,脫鉛后的電解液會(huì)因缺少底膠而影響生產(chǎn),此時(shí)就需要大量補(bǔ)充骨膠來(lái)解決,造成添加劑用量浪費(fèi)。(3)脫鉛槽底部沉淀物為硫酸鉛和硅氟酸的混合物,清理環(huán)境差,難度大,大量硅氟酸和硫酸鉛一起被清理掉,造成硅氟酸損失。
從硫酸脫鉛優(yōu)缺點(diǎn)比較,明顯缺點(diǎn)大于優(yōu)點(diǎn),因此必須對(duì)硫酸脫鉛工藝流程創(chuàng)新改進(jìn)。
針對(duì)硫酸脫鉛存在的缺點(diǎn),可逐一進(jìn)行改進(jìn)如下:
2.1 可建立一套濃硫酸稀釋系統(tǒng),利用電解樓下的貯液槽將98%濃度的硫酸加水稀釋成30%濃度的稀硫酸,然后用稀釋后的硫酸進(jìn)行脫鉛,減少脫鉛時(shí)放熱反應(yīng),降低反應(yīng)溫度,保護(hù)了脫鉛后電解液中的底膠不被分解,可有效的規(guī)避液體飛濺風(fēng)險(xiǎn),保護(hù)脫鉛槽內(nèi)襯不被燒損。
2.2 可利用陽(yáng)極泥壓濾系統(tǒng)作為脫鉛循環(huán)流程,將30%濃度的硫酸和電解液按計(jì)算好的流速抽入攪拌桶攪拌脫鉛,由于硫酸和鉛離子結(jié)合成硫酸鉛在接觸瞬間就能完成,在攪拌狀態(tài)下,上部打入稀硫酸和電解液進(jìn)攪拌桶反應(yīng),下部將生成的硅氟酸鉛和硅氟酸的混合物抽入隔膜壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾,脫鉛后的電解液補(bǔ)充進(jìn)集液槽,然后將壓濾過(guò)后的硫酸鉛濾餅卸下,運(yùn)至原料倉(cāng)重新當(dāng)?shù)V鉛配料(圖1)。
98%濃硫酸密度為1.84g/cm3,水密度為1g/cm3,配1 噸30%濃度硫酸需要加入水和98%硫酸
量計(jì)算:設(shè)需加98%硫酸體積為V 酸,加水體積為V 水
V 酸×1.84×98%/(V 酸×1.84+V 水×1.0)=30%
V 酸×1.84×0.98=V 酸×1.84×0.30+V 水×0.30
V 酸×1.84×(0.98-0.30)=V 水×0.30
V 酸/V 水=0.30/1.84×0.68 ≈0.24
得出V 酸:V 水≈1:4
配成1 噸30%濃度硫酸要加806Kg 水,194Kg98%硫酸。
硫酸脫鉛反應(yīng)方程式為:
H2SiO4+Pb2+=PbSiO4↓+2H2+
Pb2+相對(duì)分子質(zhì)量207,硫酸相對(duì)分子質(zhì)量98,硫酸鉛相對(duì)分子質(zhì)量303。
如脫除1000kg 鉛離子需要用30%濃度硫酸總量計(jì)算:
1000×98/207×0.3=1578kg
電解液總體積為1150m3,電解液含鉛185g/L,電解液脫鉛目標(biāo)值為140g/L,需要脫除的鉛總量計(jì)算:
WPb=1150m3×(185-140)kg/m3=51750kg
即需要脫除51.75t 鉛。
需要使用30%濃度硫酸總量計(jì)算:
W硫酸=51.75t×1578kg/t=81662kg
即需要使用81.662t30%濃度的硫酸(每個(gè)地槽可以裝30 噸硫酸,需提前配好3 個(gè)地槽30%濃度的硫酸)。
30%濃度硫酸密度為1.2185g/cm3。
81.662t30%濃度硫酸總體積計(jì)算:
V硫酸=81662/1218.5=67m3
從高位槽接一根內(nèi)徑80 毫米的虹吸管,將電解液接入攪拌桶,虹吸管流速120L/min,每分鐘帶入鉛離子總量計(jì)算:
120×185=22200g
脫 除 22200g 鉛 需 要 30% 濃 度 硫 酸 量 為 :22200*1578/1000=35032g
每分種要加入30%濃度硫酸體積為:35032/1218.5=28.75L
圖1 硫酸脫鉛工藝流程圖
30%濃度硫酸加入體積:電解液加入體積=28.75/120≈1:4理論上將電解液脫鉛到 140g/L 要用時(shí):67m3×1000/28.75L/60min=38.8 小時(shí)。
因此,放進(jìn)攪拌桶30%濃度硫酸流速控制28.75L/min,電解液流速控制120L/min,兩者流速比約1:4 時(shí)反應(yīng)完全。
此套硫酸脫鉛系統(tǒng)是利用陽(yáng)極泥壓濾系統(tǒng)進(jìn)行,通過(guò)上述公式算出,理論上將電解液脫鉛到140g/L 需要用時(shí)38.8 小時(shí),在不影響陽(yáng)極泥壓濾前提下,可將每天的陽(yáng)極泥在中晚班內(nèi)壓濾完,每天空出早班時(shí)間用于硫酸脫鉛,經(jīng)周密部署,在6 個(gè)早班共48 小時(shí)完成硫酸脫鉛任務(wù)。
由于采用了30%濃度硫酸脫鉛,硫酸和電解液接觸過(guò)程未發(fā)生劇烈放熱反應(yīng),脫鉛前后電解液溫度相3℃,在可控范圍,脫除鉛離子的電解液可直接補(bǔ)充到電解液循環(huán)系統(tǒng),沒(méi)有出現(xiàn)電解液骨膠不足等不良反應(yīng)。
實(shí)際消耗了85.57 噸30%濃度硫酸,電解液鉛離子下降至132g/L,總電壓降至170V,電流效率上升至95.8%,直流電單耗下降至153kw。
此種創(chuàng)新工藝脫鉛法在金德鉛業(yè)完全得以應(yīng)用,在不產(chǎn)生技術(shù)條件波動(dòng)情況下,完成電解液鉛離子脫除,電解液鉛離子下降后電解產(chǎn)量、指標(biāo)立馬得到恢復(fù),取得了非常可觀的效果。