李 厚,崔紅紅,楊 卓

(巴彥淖爾紫金有色金屬有限公司,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015543)

濕法煉鋅浸出工藝多采用常規(guī)浸出、熱酸高溫浸出和直接浸出,內(nèi)蒙古某公司濕法煉鋅系統(tǒng)采用熱酸高溫浸出工藝,該工藝用于浸出的主要反應(yīng)介質(zhì)廢電解液,由于廢電解液腐蝕性強、易結(jié)晶,如何選用高效、耐用、維護方便的換熱器是熱酸高溫浸出工藝各相關(guān)企業(yè)面臨的難題。

截止目前,該公司在廢電解換熱器選型方面,有螺旋板式換熱器、板式換熱器、圓塊孔式石墨換熱器,使用過程中積累了不少經(jīng)驗。本文初步總結(jié)了三種換熱器在熱酸高溫浸出工藝中對廢電解液加熱升溫生產(chǎn)實踐中應(yīng)注意的問題,最終選擇圓塊孔式石墨換熱器的原因,以及在日常結(jié)晶清理和日常維護中注意的問題。

1 廢電解液成分及工藝條件

廢電解液,含固量15%,H2SO4:150～180 g/L,Zn2+:50～60 g/L,Mn:7～11 g/L,Ca:0.8～1.2 g/L,Mg:20～30 g/L,Cl-:200～500 mg/L,F-:80 mg/L,比重:1.2～1.5。

加熱蒸汽采用壓力0.6 MPa、溫度160 ℃左右、熱焓值2.59 百萬千焦/t 的飽和蒸汽,加熱廢電解液,由35 ℃左右,加溫至90～95 ℃,流量也較大(100～150 m3/h)。

2 三種換熱器生產(chǎn)使用情況

2.1 螺旋板式換熱器使用情況

螺旋板式換熱器,材質(zhì)為904L,板厚4 mm。使用時間是2009 年開車至2011 年,螺旋換熱器使用流量約100 m3/h,流量無法達到生產(chǎn)流量,換熱溫度大約可換熱20～30 ℃,使用過程中結(jié)晶速度快,使用清理周期最長時間一個月,清理結(jié)晶困難,無法徹底清理干凈。廢電解液經(jīng)濃密機溢流后再經(jīng)換熱器,結(jié)晶堵塞周期延長至1.5 個月,但螺旋板后出現(xiàn)均勻性腐蝕,35 天時板厚由4 mm 減薄至0.8 mm,焊縫處腐蝕破壞嚴(yán)重,已經(jīng)不能再用。

2.2 板式換熱器使用情況

2012 年至2013 年使用板式換熱器,介質(zhì)流量可達到120 m3/h,換熱溫度約20 ℃,生產(chǎn)流量基本可以達到生產(chǎn)要求,但是換熱效果一般,使用清理周期一個月,清理簡單,結(jié)晶能夠全部清理干凈,但是因換熱片大清理過程中會導(dǎo)致?lián)Q熱片有輕微變形,清理完成后安裝時會出現(xiàn)密封不嚴(yán),清理后使用換熱片中間漏液嚴(yán)重,由于介質(zhì)流量大壓力大,很難解決漏液問題。

2.3 圓塊孔式石墨換熱器使用情況

2014 年到現(xiàn)在使用的圓塊孔式石墨換熱器,介質(zhì)流量120 m3/h 左右,換熱溫度40 ℃,使用清理周期最長時間3 個月,清理較簡單,結(jié)晶能夠清理干凈。

3 圓塊孔式石墨換熱器特點

石墨具有比重小(2.03～2.07)、傳熱良好(導(dǎo)熱系數(shù)100～110 km/m·h·℃)、耐腐蝕、密封性好、使用壓力高及結(jié)構(gòu)緊湊特點。

石墨換熱器主要部件由鐵制殼體、上下封頭、若干圓形截面的浸漬石墨塊組成,石墨塊之間用O 型圈密封。在石墨塊上有許多平行于軸線和垂直于軸線的圓孔流道,前者稱為縱向流道,后者稱為橫向流道,其中,橫向流道位于各縱向流道的間隔中間。廢電解液沿軸向流道從下往上流動,而蒸汽沿橫向流道流動。相鄰兩塊換熱塊橫向流動方向相逆。兩種介質(zhì)利用換熱塊石墨實體進行間壁式換熱。

上下封頭與石墨塊有膠墊及螺桿固定,鐵制外殼與石墨構(gòu)成部分在頂部用螺桿連接,下部分用石棉盤根密封,避免石墨部分與殼體膨脹系數(shù)不同而引起石墨的損壞,冷凝水由下部出水管流出。

3.1 單臺換熱面積100 m2 圓塊孔式石墨換熱器的機構(gòu)

(1)結(jié)構(gòu)形式:型圓塊式,外殼Q235。

(2)管程:細顆粒酚醛樹脂浸漬石墨,石墨顆粒度:0～0.8 mm,浸漬后體積密度:1.85 g/cm3。

(3)密封形式:(單塊間)高壓膨體四氟帶,法蘭雙道O 型圈密封。

(4) 設(shè)計壓力:管程(0.6 MPa);殼程(0.7 MPa),設(shè)計溫度:管程(≥95 ℃);殼程(≥220 ℃)。

(5)管口尺寸:殼程蒸汽進口DN150,冷凝水出口DN100,排氣口:DN50,排凈口:DN50;物料進口:連接法蘭DN250(石墨內(nèi)徑DB200)對接DN150 國標(biāo)復(fù)合鋼襯管道法蘭,物料出口:連接法蘭DN250(石墨內(nèi)徑DB200)對接DN150 國標(biāo)復(fù)合鋼襯管道法蘭。

3.2 液體介質(zhì)和蒸汽要求

(1)廢電解液流量150 m3/h,密度1.35 計,單位時間流量202 500 kg/h。

(2)廢電解熱比容:0.8 kcel/kg·℃。

(3)蒸汽溫度:160 ℃,工作壓力≥0.55 MPa。

(4)蒸汽流速:≤25 m/s。

3.3 生產(chǎn)使用情況

生產(chǎn)使用情況如表1 所示。

表1 圓塊孔式換熱器使用情況

由表1 可知,單臺200 m2圓塊孔式石墨換熱器,在廢電解液加熱升溫的生產(chǎn)實踐中,無法滿足生產(chǎn)工藝條件,需要兩臺并聯(lián)或串聯(lián)。

產(chǎn)生的冷凝水滿足:zn ＜1.5 mg/L,cu ＜0.5 mg/L,cd ＜0.05 mg/L,As ＜0.30 mg/L,Hg ＜0.03 mg/L,Pb ＜0.5 mg/L,F ＜8.0 mg/L,pH:6～9;每天冷凝水產(chǎn)量平均200 m3,可直接用于黃鉀鐵礬渣的水洗。

3.4 石墨換熱器清理及維護

由于廢電解液中鈣、鎂離子含量高,含鈣1 g/L左右,含鎂24 g/L 左右,石墨換熱器在連續(xù)使用32天后,出現(xiàn)結(jié)晶堵塞情況,如圖1 所示。

圖1 石墨換熱器連續(xù)使用后的結(jié)晶情況

其結(jié)晶成分為:Ca9.76%、Mg3.09%、S14.41%、Zn2.62%;從分析組成數(shù)據(jù)說明其主要是硫酸鈣,由蒸發(fā)結(jié)晶及沉淀所引起,結(jié)晶質(zhì)地較硬,不易于機械清理。

原清理時,使用鉆頭清理,清理過程中存在石墨塊拆卸,以及鉆頭等機械對石墨的機械損傷;后對換熱器進行改造,在物料進、出口處安裝三通和閥門,利用檸檬酸對鈣、鎂結(jié)晶的溶解性,石墨換熱器在使用半個月左右時,關(guān)閉物料進口閥門,打開旁通閥門,配比1∶20 的檸檬酸液體,利用泵打循環(huán),每次循環(huán)4～6 小時,很好地解決了石墨換熱器解決問題。

3.5 穩(wěn)定操作,防止石墨換熱器應(yīng)急冷急熱

開啟時要先通液體后,慢慢開蒸汽,當(dāng)停止時應(yīng)先關(guān)閉蒸汽、后停液。嚴(yán)格禁止不通液持續(xù)開蒸汽的現(xiàn)象,以免過飽和蒸汽在石墨換熱器中形成過高溫度和壓力,而損壞換熱塊。

4 圓塊孔式石墨換熱器在生產(chǎn)中存在的問題及相應(yīng)解決方法

4.1 圓塊孔式石墨換熱器在生產(chǎn)運行中存在的問題

在近三年的使用過程中,發(fā)現(xiàn)設(shè)備換熱效果未達到設(shè)計要求,無法滿足完全加熱廢電解液的效果。檢測發(fā)現(xiàn)廢電解液側(cè)物料進口和蒸汽側(cè)的壓力均比設(shè)計值小,存在較大的差距,導(dǎo)致?lián)Q熱器換熱量不足。廢電解液流量小,廢電解液通道內(nèi)的流體流速較低,鈣鎂結(jié)晶速度快,無法通過設(shè)備的自身運行予以清除。

4.2 圓塊孔式換熱器在生產(chǎn)運行中存在的問題原因分析及相應(yīng)解決辦法

經(jīng)分析,設(shè)備結(jié)晶堵塞和運行周期短的幾種原因:

(1)廢電解液中陽極泥等雜物在換熱器液體流通管道內(nèi)沉淀堵塞,換熱器的廢電解液側(cè)帶入了大量的懸浮的陽極泥、絕緣塊等雜物。在大開頂端壓蓋后,發(fā)現(xiàn)廢酸側(cè)通道有大量的塊狀陽極泥沉淀和絕緣塊,嚴(yán)重堵塞了通道,大大降低了換熱器換熱效率。

(2)換熱器廢電解液側(cè)溫度偏低。實際生產(chǎn)過程中,冬季廢電解液側(cè)進口溫度在20～25 ℃,與原設(shè)計溫度存在偏差。需增加換熱器的換熱量,導(dǎo)致?lián)Q熱器蒸汽側(cè)流量增加,蒸汽流速增大,高溫蒸汽對換熱器密封處沖刷破壞增大。

(3)結(jié)晶堵塞后拆卸清理過程中,石墨塊磕碰,鉆頭等機械損壞,以及過多頻次的拆卸和組裝,石墨塊之間密封不徹底。

(4)廢電解液在換熱器內(nèi)整體流速低,無法靠自身流速沖洗結(jié)晶,造成鈣鎂在升溫過程中蒸發(fā)結(jié)晶速度加快。

上述問題在近三年的實際生產(chǎn)過程中均有發(fā)生,造成換熱器無法滿足大負荷生產(chǎn)需求,工藝升溫采用間斷性蒸汽直通加熱的方式,給生產(chǎn)組織和濕法體積控制帶來了困難。表2 總結(jié)了設(shè)備可能存在的問題和解決方法。

表2 圓塊孔式石墨換熱器使用中存在的問題和相應(yīng)解決方法

5 結(jié)語

相比其他形式換熱器,圓塊孔式石墨換熱器在濕法煉鋅工藝中,具有傳熱效率高、材料耗費少、安裝占地面積小等優(yōu)點。設(shè)備在濕法煉鋅廠高溫高酸使用環(huán)境下,經(jīng)過多年生產(chǎn)實踐和技術(shù)改進,適用于腐蝕性高的廢電解液的工藝指標(biāo),具有推廣性。