粗碳酸镍制备工艺的优化改造.pdf

5 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 2 0 1 3 年6 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／J ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 6 ．0 1 5 粗碳酸镍制备工艺的优化改造 王玉华，张妮，贺来荣，王丽娜，徐文芳 金川集团公司镍钴研究设计院，甘肃金昌7 3 7 1 0 0 摘要提出了镍电解生产过程中粗碳酸镍制备工序优化改造的方案，并进行了论证试验。结果表明，现 有镍电解生产工艺设备可以进行三方面改造，即改变反应槽镍液和碱液进液位置及流量分布；反应槽改 为并联反应方式；碳酸镍制备工艺技术条件改为停留时间5h ，p H7 ．8 0 ．1 ，反应温度5 5 ℃。改造后 的碳酸镍各项指标和产能可以达到工艺要求，工艺容易实现自动控制。 关键词镍电解；碳酸镍；制备；优化；自动控制 中图分类号T F 8 1 5 文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 6 0 0 5 4 0 4 O p t i m i z a t i o na n dM o d i f i c a t i o no nP r e p a r a t i o no fC r u d eN i c k e lC a r b o n a t e W A N GY u - h u a ，Z H A N GN i ，H EL a i - r o n ，W A N GL i n a ，X UW e n f a n g J i n c h u a nN i c k e la n dC o b a l tR e s e a r c ha n dE n g i n e e r i n gI n s t i t u t e ，J i n c h a n g7 3 7 1 0 0 ，G a n s u ，C h i n a A b s t r a c t T h es c h e m eo fm o d i f i c a t i o na n do p t i m i z a t i o no np r e p a r a t i o no fc r u d en i c k e lc a r b o n a t ei nn i c k e le l e c t r o l y s i sw a sp u tf o r w a r d ，a n dt h ed e m o n s t r a t i o ne x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a t p r o c e s se q u i p m e n tc a nb em o d i f i e di nt h r e ea s p e c t si n c l u d i n gc h a n g i n gf e e d i n gl o c a t i o no fn i c k e ls o l u t i o n a n da l k a l is o l u t i o na n dt h e i rf l o wd i s t r i b u t i o n ，c h a n g i n gc o n n e c t i o no fr e a c t i o nt a n kt op a r a l l e lc o n n e c t i o n ， a n dc h a n g i n gt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fc r u d en i c k e lc a r b o n a t ep r e p a r a t i o nt or e t e n t i o nt i m eo f5h ，p Ho f 7 ．8 0 ．1 ，a n dt e m p e r a t u r eo f55 ℃．A f t e rt h em o d i f i c a t i o n ，t h ei n d e x e sa n dp r o d u c t i o nc a p a c i t yo fc r u d e n i c k e lc a r b o n a t ec a nm e e tp r o c e s sr e q u i r e m e n t ，a n da u t o c o n t r o li se a s yt ob er e a l i z e d ． K e yw o r d s n i c k e le l e c t r o l y s i s ；c r u d en i c k e lc a r b o n a t e ；m o d i f i c a t i o na n do p t i m i z a t i o n ；a u t o c o n t r o l 传统镍电解生产过程中的碳酸镍制备工序不但 起到排钠和平衡体积的重要作用，而且所产碳酸镍 还可用于调整净化工序的p H ，因此碳酸镍制备工 序的生产能力是影响电解镍生产的重要工序口j 。 多年来，碳酸镍制备工序从工艺设计到实际应 用，采用传统人工经验控制镍溶液和碳酸钠的反应 过程，不但劳动强度大、操作环境恶劣，而且对工人 经验水平依赖性较强。生产中常有流量控制不稳 定、p H 调整滞后、工艺条件波动大等现象，导致制 备的碳酸镍粒度细、难过滤、使碳酸镍制备工序产能 不足，造成电解镍产品质量波动。多年来工艺技术 人员致力于在该工序上实现自动控制，稳定工艺。 收稿日期2 0 1 2 1 0 0 9 作者简介王玉华 1 9 6 7 ～ ，女，甘肃天水人。高级工程师 但发现按照目前的工艺设备情况，无法找到有代表 性的控制点，且现有工艺为高温反应，不适合仪器仪 表的长周期运行，实际工艺无法实现自动控制。为 此本文以工艺优化为主线，提出改进反应设备及反 应方式、优化工艺条件，再加入自动控制系统，改造 优化碳酸镍制备工序。并按照此思路进行了工艺设 备及改变工艺技术条件实现自动控制的研究，使自 动化控制点简明有效，真正起到靠控制点就能反馈 控制生产过程的作用，并且适合自动化仪表的长周 期低故障运行。为日后生产现场碳酸镍制备的工艺 设备及自动化改造奠定基础。 万方数据 2 0 1 3 年6 期有色金属 冶炼部分 h t t p 7 ／y s y l ．b g r i m m ．o n 5 5 1工艺设备的改造2碳酸镍制备技术条件试验 1 ．1反应槽镍液和碱液进液位置及流量分布 原工艺镍液和碱液进液位置在槽口，溶解瞬间 接触，晶核多，粒度细，需靠加温陈化提高粒度。 改变反应槽的进料方式，使碱液与镍液分别进 料，这样瞬间反应浓度很低，使得槽内部的结晶反应 可适当控制粒度。 1 ．2 反应槽连接方式及工艺设备自动化 将反应槽改变为单槽并联连续反应，实现了 p H 等工艺条件的实时监控，为自动控制创造条件。 本试验温度检测及控制为控制箱自动控制，p H 在 线监测，固定镍液流量，手动调节碱液使p H 在控制 值的0 ．1 波动。 1 ．3 技术条件 将原反应温度8 5 ℃改为5 5 ℃，p H 控制在7 ．8 0 ．1 ，产能达到现有水平。试验设备连接示意图见图1 。 镍储液计量 图1 试验设备连接图 F i g ．1 C o n n e c t i o ng r a p ho fe x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 2 ．1 试验原料 试验原料为某厂镍生产线现场所使用的碳酸钠 溶液及铜净化后液，其含量如表I 所示。 表1 原料成分分析 T a b l e1 C o m p o s i t i o no fr a wm a t e r i a l s 序号 铜净化后液 p H 3 ．5 3 ．5 3 ．5 3 ．5 碳酸钠溶液 N a 2 C 0 3 ／ g L 一1 2 ．2 试验步骤 在反应釜中预先加入3 0L 水，调整p H 到7 ．8 ， 溶液升温至5 5 ℃，同时开启搅拌，转速约为5 0 0 r ／m i n 。分别连接固定好镍液和碱液进液管，按预设 转速开启镍液蠕动泵和碱液蠕动泵，监控p H 在 7 ．8 0 ．1 ，否则相应调整碱液流量。反应达到平衡 后，连续进液和出料。 2 ．3 试验结果及讨论 2 ．3 ．1 反应停留时间试验 固定单槽铜后液流速，通过p H 变化自动调整 碱流量，通过试验确定反应最少停留时间，得到过滤 性能好的碳酸镍。 如单台停留时间5h ，每天消耗碱4 9 1 ．5 2m 3 ， 相当于现有生产能力4 8 0m 3 ／d ，为保证每个试验具 有代表性，每个条件试验均连续运行约4 8h ，每隔 4h 取样，分析上清液含镍、滤饼含水量、碳酸镍粒度 及沉降速度。与生产现场实际碳酸镍含水粒度及沉 降速度对比。试验结果见表2 沉降速度为混合液 倒入2 5 0m L 量筒，1h 后测定固相上的溶液体积 。 表2 反应停留时间试验结果 T a b l e2 E x p e r i m e n t a lr e s u l to fr e a c t i o nr e t e n t i o nt i m e 万方数据 5 6 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年6 期 在现场4 8 槽取样并与现场产碳酸镍沉降速度、 粒度等的对比结果见表3 。 表3 碳酸镍性能对比结果 T a b l e3P e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fn i c k e l c a r b o n a t ei ns i t u 编号等等警警芈 0 8 1 00 ．0 1 19 04 ．8 17 3 ．7 2 0 8 2 50 ．0 7 21 3 66 ．7 66 2 ．6 3 0 8 2 60 ．0 6 71 1 05 ．6 96 1 ．9 3 0 8 2 70 ．0 2 98 34 ．7 56 2 ．6 7 0 8 3 00 ．0 4 49 04 ．9 16 3 ．7 0 0 8 3 10 ．0 8 61 1 95 ．9 06 2 ．3 9 0 9 一0 20 ．0 3 01 3 86 ．8 96 3 ．2 2 0 9 一0 30 ．0 8 11 3 86 ．5 4量O ．5 0 由表3 可见，随反应停留时间减少，碳酸镍粒度 变小、含水增加、沉降性能变差。按照本试验方案制 备碳酸镍，反应时间在4h 时即可得到同现生产实 际水平相同品质的碳酸镍，产能可以满足现有需求。 2 ．3 ．2 p H 条件试验 保持反应停留时间4h ，不同p H 条件下制备的 碳酸镍结果见表4 。 表4 不同p H 的试验结果 T a b l e4 E x p e r i m e n t a lr e s u l ta td i f f e r e n tp H 由表4 可见，控制反应p H 在7 ．5 ～7 ．8 ，上清液 含镍可以满足小于0 ．2g ／L 的技术条件要求。如有 合适的回收上清液含镍的方式，控制p H 7 ．5 0 ．1 减少碱耗是可行的。 2 ．4 碳酸镍的溶解使用效果 为考察试验制备的碳酸镍溶解使用的效果，按 照现场浆化比例3 1 浆化过滤后的碳酸镍，将3L 铜后液加热到6 0 ℃左右，加入1 0m L 浆化液，结果 显示，试验制备的碳酸镍和现场取来的碳酸镍均能 在2r a i n 之内使p H 恒定不再上升。可见本试验制 备的碳酸镍溶解性能与现场产碳酸镍相同。 2 ．5 经济效益分析 目前碳酸镍实际生产温度在8 5 ℃左右，而本试 验均控制在5 5 ℃，如果采用该技术条件生产，则铜 后液温度在6 2 ℃左右，实际反应中可不必加热，每 天将节省蒸汽5 7 ．6t ，节省资金约63 3 6 元，一年可 节省约2 3 1 万元。另外，反应温度降低后，还可使设 备使用寿命延长，减少了维修等各项费用。 3 碳酸镍制备工序的改造探讨 3 ．1 改造设备加液位置 现有碳酸镍制备工序进液方式是原料液和碱液 从一号槽溜槽入口并流加入，反应物浓度过大，沉淀 反应在瞬间进行，生成大量晶核和极难过滤的碱式 碳酸盐。因此，实际生产中制备的碳酸镍过滤性能 差、含水高，影响了设备的处理能力。按照本研究结 果，将加料方式改为在每个槽体内分别在对角位置 加入镍液和碱液，使瞬间反应浓度变小，有利于晶核 的长大，使碳酸镍粒度可控，过滤性能好，设备的处 理能力大。 3 ．2 设备由串联方式改为并联方式 现制备碳酸镍生产设备为单系统4 个3 0m 3 反 应槽串联。导致一号槽大流量进液，反应物浓度过 大，反应速度过快，反应p H 处于不可控状态，一号 槽出口处p H 基本在6 ．5 ～7 ．5 间波动，在第一槽还 未完全混合均匀。因此，无法在一号槽设置控制点。 中间各槽的出液和进液之间有流槽相连，形成局部 循环，延长了反应时间，以此达到充分反应的目的。 而p H 传感器一般放在中间的空气搅拌槽顶部，但 此时中间空气搅拌槽中溶液的p H 仍然存在分布不 均匀的情况。如果在第四级的槽罐上安装p H 传感 器，又造成测量和控制的时滞性很大，影响控制效 果。而且仅凭检测一点p H 不易控制整个工艺的 p H 。如果利用检测不同位置的多点p H ，再研究它 们之间的内在关系以及和实际p H 之间的关系规 律，找到科学反映实际p H 的函数关系，再用这个值 去进行控制的效果也许会达到目的。但受使用环境 引起的传感器寿命短、维护困难等条件的限制，p H 检测点又不宜多。这样就存在p H 检测点数和确定 安装位置的难题。 在串联的后几个槽要靠增加温度使沉淀凝聚， 控制四号槽出口终点p H 一7 ．5 ～7 ．8 反应才完成。 这四个串联槽只能看作是一个反应器，在哪一槽中 设置控制点都是没有代表性的，因此也不能靠控制 点自动控制生产过程、工艺设备及反应方式，给自动 化控制带来了很大困难。依据本研究结果，可将串 联反应改为单槽小流量并联反应方式，在每个槽内 都安装单独的进料管路和自动化控制装置。 3 ．3 优化后的碳酸镍制备技术条件 优化后的反应条件为温度5 5 ℃、停留时间 5h 、p H 7 ．8 0 ．1 。 万方数据 2 0 1 3 年6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 5 7 由于本研究将反应温度降低至5 5 ℃，可保证自 动化仪表的长周期低故障运行，自动化小流量恒 p H 控制反应过程，可使粗碳酸镍满足生产能力要 求，实现镍电解生产碳酸镍制备工序的自动化控制。 4结论 1 将反应槽的进料方式由串联改变为单槽并联 连续反应，加料方式由原料液和碱液从一号槽溜槽 入口并流加入改为碱液与镍液分别进料，从而实现 了p H 等工艺条件的实时监控和自动化控制。 2 将镍电解生产碳酸镍制备工序的反应条件优 化为温度5 5 ℃、停留时间5h 、p H 7 ．8 0 ．1 。改 造后的碳酸镍各项指标和产能可以达到现有镍电解 工艺的要求。 参考文献 [ 1 ] 北京有色设计研究总院．重有色金属冶炼设计手册 [ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 6 ． 上接第4 2 页 [ 3 ] 崔永霞，沈艳．难处理金矿石提炼技术研究进展[ J ] ．黄 金科学技术，2 0 0 7 ，1 5 3 5 3 5 6 ． [ 4 ] 李云，王云，袁朝新，等．提高含砷金精矿两段焙烧焙砂 中金浸出率的研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 0 6 3 3 - 3 6 ． [ 5 ] 李大江．含砷金精矿的酸性热压氧化预处理试验[ J ] ． 有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 I 8 2 8 3 1 ． [ 6 ] 陈国发．重金属冶金学[ M ] ．北京冶金工业出版社， 2 0 0 7 1 1 1 2 ． [ 7 ] 陈景．火法冶金中贱金属及锍捕集贵金属原理的讨论 [ J ] ．中国工程科学，2 0 0 7 ，9 5 1 1 1 5 ． [ 8 ] 崔志祥，申殿邦，王智，等．高富氧底吹熔池炼铜新工艺 [ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 0 3 1 7 2 0 ． [ 9 ] 卢斗江．块煤对澳斯麦特炉熔炼过程的影响[ J ] ．有色 冶炼，2 0 0 3 ，3 2 4 1 9 2 0 ． 上接第5 0 页 B e a r i n gA l l u v i a lG r a v e l s [ J ] ． 6 2 9 3 2 - 9 5 6 ． [ 1 0 ] 姜胜章．湖南金属矿物[ M 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