從濕法煉鋅綜合回收萃銅余液中脫除有機物的工藝設(shè)計

陳吉陽

（廣東中金嶺南有色冶金設(shè)計研究有限公司，廣東 韶關(guān) 512024）

某冶煉廠是國內(nèi)首家大規(guī)模采用鋅氧壓浸出工藝并綜合回收鎵鍺等有價金屬的鋅冶煉企業(yè)。為提取鋅冶煉鎵鍺置換渣中鎵、鍺、銅等有價金屬，綜合回收生產(chǎn)通過酸性浸出，萃取等工藝，將鎵、鍺、銅提取富集到負(fù)載有機相，再反萃回收鎵、鍺、銅等金屬，萃取劑循環(huán)利用，萃銅后多余的萃銅余液送后續(xù)工序處理。

在萃取過程中，用到多種萃取劑，主要有P204、P507和N235等。萃取劑最初含萃取有機物的萃銅余液經(jīng)活性炭吸附脫除有機物后送入濕法煉鋅浸出-凈化-電解主系統(tǒng)，經(jīng)過循環(huán)累積，主系統(tǒng)有機物含量持續(xù)上升，電解鋅片板面發(fā)暗、長顆粒、含鉛高，且陽極板無法掛渣，電解負(fù)荷難以提高，嚴(yán)重影響到電解的剝鋅操作、鋅片產(chǎn)量及質(zhì)量，主生產(chǎn)系統(tǒng)非常被動，多余的萃銅余液無法從綜合回收生產(chǎn)開路，綜合回收生產(chǎn)也被迫停止。

為主系統(tǒng)生產(chǎn)運行不受綜合回收工藝萃取有機物影響，以及多余的萃銅余液從綜合回收生產(chǎn)開路，保障綜合回收生產(chǎn)正常運行，迫切需要對含有萃取有機物的萃銅余液進行單獨處理。

1 工藝及主要設(shè)備

1.1 處理規(guī)模

根據(jù)工廠生產(chǎn)需求，萃銅余液的處理量為80m3/d，采用間斷生產(chǎn)模式。主要元素化學(xué)成分見表1。

表1 萃銅余液成分表

1.2 工藝方案

為尋求合理處理綜合回收萃銅余液的工藝路線，工廠進行過萃銅余液的試驗研究。根據(jù)試驗研究結(jié)果，設(shè)計時考慮了兩個方案。

1.2.1 除鈷后液直接蒸發(fā)結(jié)晶

來自綜合回收工序的萃銅余液經(jīng)污水渣（或石灰）中和、鋅粉除銅鎘、鋅粉或有機物除鈷等工藝，得到pH=4.0～5.4的硫酸鹽溶液，再進行蒸發(fā)濃縮結(jié)晶，最終得到七水硫酸鋅，該產(chǎn)品作為工廠生產(chǎn)的中間產(chǎn)品，在火法系統(tǒng)進一步處理，蒸發(fā)過程中蒸發(fā)冷凝水回收利用。

（1）中和。從綜合回收萃取工序送來的萃銅余液暫存入萃銅余液儲槽，利用輸送泵將萃銅余液泵入中和攪拌槽，在中和攪拌槽內(nèi)加入污水渣中和萃銅余液中的酸，控制終點pH5.0-6.0。合格后利用泵入中和壓濾機進行渣液分離，得到中和渣和中和后液。中和渣送至回轉(zhuǎn)窯進行燒制處理；中和后液流入中和后液儲槽。

過程主要反應(yīng)如下：

（2）凈化除雜。從中和后液儲槽送來的溶液加入除銅鎘攪拌槽，控制溫度40℃～55℃，加入鋅粉反應(yīng)約1h后，利用渣漿泵把漿液泵入除銅鎘壓濾機進行渣液分離，得到銅鎘渣和除銅鎘后液。除銅鎘后液流入除銅鎘后液儲槽，然后利用泵加入除鈷攪拌槽，控制溫度80℃～95℃，加入鋅粉、銻白或有機除鈷劑，反應(yīng)約2h后，泵入除鈷壓濾機進行渣液分離，得到鈷渣和除鈷后液。除鈷劑的選用，根據(jù)溶液鈷含量再調(diào)整。除鈷后液流入除鈷后液儲槽。除鎘渣和除鈷渣通過汽車轉(zhuǎn)運，堆存或銷售處理。

過程主要反應(yīng)如下：

（3）蒸發(fā)-結(jié)晶。從除鈷后液儲槽送來的溶液再蒸發(fā)結(jié)晶，得到硫酸鋅結(jié)晶和蒸發(fā)冷凝水，蒸發(fā)冷凝水回收，送往綜合回收萃取純水槽或富氧浸出中和配酸槽。

除鈷后液含有萃取有機物，進一步進行蒸發(fā)結(jié)晶處理，有三種技術(shù)方案：①單效蒸發(fā)器蒸發(fā)+離心分離。除鈷后的硫酸鋅溶液采用單效蒸發(fā)器蒸發(fā)，濃縮液然后降溫至60℃，再離心分離，產(chǎn)品為硫酸鋅結(jié)晶物，蒸發(fā)冷凝水回收。單效蒸發(fā)器蒸發(fā)為常壓蒸發(fā)，采用低壓蒸汽加熱，連續(xù)蒸發(fā)，蒸汽用量大，能耗高。②MVR蒸發(fā)器蒸發(fā)+離心分離。除鈷后的硫酸鋅溶液采用MVR高效蒸發(fā)器蒸發(fā)，濃縮液然后降溫至60℃，再采用臥式螺旋推進式連續(xù)冷卻結(jié)晶機離心分離，產(chǎn)品為硫酸鋅結(jié)晶物，蒸發(fā)冷凝水回收。MVR蒸發(fā)器蒸發(fā)屬于減壓蒸發(fā)，采用電加熱，連續(xù)蒸發(fā)，用電量大，能耗較單效蒸發(fā)器低。③內(nèi)轉(zhuǎn)盤高效蒸發(fā)器蒸發(fā)。除鈷后的硫酸鋅溶液采用內(nèi)轉(zhuǎn)盤高效蒸發(fā)器蒸發(fā)，直接得到硫酸鋅結(jié)晶物產(chǎn)品，工藝產(chǎn)生的蒸發(fā)冷凝水回收。內(nèi)轉(zhuǎn)盤高效蒸發(fā)器屬于真空蒸發(fā)，采用低壓蒸汽換熱，間斷作業(yè)，蒸汽用量少，能耗最低。

單效蒸發(fā)器、MVR蒸發(fā)器和內(nèi)轉(zhuǎn)盤高效蒸發(fā)器三種，設(shè)備主要性能比選如下：①單效蒸發(fā)器。單效蒸發(fā)器為壓力容器，要求除鈷后液濃度低溶液，鈣鎂含量低，蒸發(fā)后得到濃縮液，需要再離心冷卻，得到最終產(chǎn)品，控制要求較高而且復(fù)雜。后期生產(chǎn)需要定期清理列管，勞動強度大。設(shè)備占地面積大，需要配套離心篩分設(shè)備，一次性投資約300萬。單效蒸發(fā)器需要按照壓力容器制造和檢驗，后期循環(huán)泵，自動化儀表維護成本高，運行成本高。②MVR蒸發(fā)器。MVR蒸發(fā)器為常壓設(shè)備，適用于低鹽低濃度溶液，對鈣鎂離子含量有一定要求，需要對溶液進行分析后確定壓縮機型號，料液成分要保持穩(wěn)定性，產(chǎn)品為濃縮濃溶液，需要離心分離設(shè)備后續(xù)處理，才能得到最終產(chǎn)品，控制要求較高而且復(fù)雜。MVR核心設(shè)備離心壓縮機葉輪轉(zhuǎn)速高，精度高，設(shè)備整套龐大，配置復(fù)雜，自動化程度高，對控制要求較高，后期列管清理與設(shè)備保養(yǎng)費用較大，需要配套離心篩分設(shè)備，一次性投資約350萬。③內(nèi)轉(zhuǎn)盤高效蒸發(fā)器。高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤蒸發(fā)器為常壓設(shè)備，適用于高鹽高濃度溶液的蒸發(fā)，對原料適應(yīng)性強，無特別要求，蒸發(fā)直接得到硫酸鋅結(jié)晶產(chǎn)品，配套真空泵、真空罐和板式換熱器等設(shè)備，一次性投資約120萬。該設(shè)備應(yīng)用于其他企業(yè)，一般無需清理。高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤加熱薄膜蒸發(fā)器原理簡單、結(jié)構(gòu)簡單，易操作維護，核心部件為空心軸及內(nèi)轉(zhuǎn)盤，更換與維護方便。

1.2.2 除鈷后液進行沉鋅生產(chǎn)

來自綜合回收工序的萃銅余液經(jīng)污水渣（或石灰）中和、鋅粉除銅鎘、鋅粉或有機物除鈷等工藝，得到pH=4.0～5.4的硫酸鹽溶液，再進行沉鋅生產(chǎn)，沉鋅過程加入適量的純堿，使鋅以堿式碳酸鋅的形式從溶液中沉淀出來，然后進行壓濾，得到堿式碳酸鋅，沉鋅余液再蒸發(fā)處理。堿式碳酸鋅作為工廠生產(chǎn)的中間產(chǎn)品，在火法系統(tǒng)進一步處理，蒸發(fā)過程中蒸發(fā)冷凝水回收利用。

沉鋅過程發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：

除鎘、除鈷后的溶液含有萃取有機物和硫酸鹽，成分復(fù)雜，溶液呈酸性。在初步設(shè)計試驗研究中，分析發(fā)現(xiàn)硫酸鹽溶液在蒸發(fā)過程中，沸點一直上升，蒸發(fā)后期爆沸嚴(yán)重。

以上兩個方案，三種蒸發(fā)設(shè)備，以上工廠根據(jù)實際情況，在進行技術(shù)可行性、經(jīng)濟性論證對比后，采用第一種方案進行工藝設(shè)計，蒸發(fā)設(shè)備采用內(nèi)轉(zhuǎn)盤高效蒸發(fā)器，配置1臺，處理能力1.5m3/h，另預(yù)留1臺高效內(nèi)轉(zhuǎn)盤蒸發(fā)器安裝位置，設(shè)備材質(zhì)為316L不銹鋼。

工藝流程如圖1所示：

圖1 含有有機物的萃銅余液工藝處理流程圖

1.3 主要設(shè)備及管道設(shè)計

本項目建設(shè)地為該廠原兩萬噸鋅冶煉生產(chǎn)系統(tǒng)凈化廠房，室內(nèi)配置有6個反應(yīng)攪拌槽，1臺3.2t單梁懸掛吊車，室外配置有6個濾液儲罐。本項目可以充分利用該廠房原有設(shè)備，節(jié)省投資。

本工程按照工藝流程設(shè)計，室內(nèi)反應(yīng)攪拌槽分別配置為中和槽2個、除鎘槽1個、除鈷槽1個、濃縮結(jié)晶槽2個，室外濾液儲槽設(shè)計分別配置萃銅余液槽1個、中和濾液槽1個、除鎘濾液槽1個、除鈷濾液槽1個、蒸汽冷凝水儲槽1個、蒸發(fā)冷凝水儲槽1個。

1.3.1 本工程項目新增設(shè)備配置設(shè)計

（1）新增4臺60m2廂式暗流壓濾機，其中2臺用于中和渣壓濾，1臺用于除鎘液壓濾，1臺用于除鈷液壓濾。

（2）新增1臺內(nèi)轉(zhuǎn)盤高效蒸發(fā)器及配套真空和冷凝設(shè)備，包含1臺抽氣速率為720m3/h立式無油真空泵，1臺40m2螺旋板式換熱器，1個3m3真空罐，用于含有有機物的硫酸鋅溶液蒸發(fā)結(jié)晶。

（3）新增壓濾泵采用合金泵，設(shè)計配備1套壓濾泵機封循環(huán)水系統(tǒng)，用于壓濾泵機封冷卻及機封水循環(huán)。其他配套的輸送泵采用工程塑料泵，配置獨立機封冷卻水系統(tǒng)。

（4）新增6套盤管換熱器及1套12m3/h冷凝水回收裝置，用于儲槽換熱及蒸汽冷凝水回收，盤管換熱器采用2205材質(zhì)制造。

（5）新增1個噴淋洗滌塔及配套配備循環(huán)水泵，用于洗滌凈化6個反應(yīng)攪拌槽和內(nèi)轉(zhuǎn)盤高效蒸發(fā)器排出的廢氣。

1.3.2 工藝管路設(shè)計

工藝管路設(shè)計包括：（1）攪拌反應(yīng)槽至濾液儲槽管路，管道采用PPH材質(zhì)。（2）攪拌反應(yīng)槽至壓濾機管路，管道采用316L不銹鋼材質(zhì)。

（3）攪拌反應(yīng)槽至內(nèi)轉(zhuǎn)盤高效蒸發(fā)器及附屬真空泵、真空罐和板式換熱器等設(shè)備管路，管道采用316L不銹鋼材質(zhì)。

（4）攪拌反應(yīng)槽換熱盤管至蒸汽冷凝水回收裝置及蒸汽冷凝水槽管路，管道采用碳鋼材質(zhì)。

（5）板式換熱器工業(yè)冷卻水管路、泵機封冷卻水管道及壓縮空氣管路，管道采用碳鋼材質(zhì)。

（6）內(nèi)轉(zhuǎn)盤高效蒸發(fā)器蒸發(fā)冷凝水管外排輸送管路，管道采用PPH材質(zhì)。

2 投產(chǎn)情況

本項目自2019年9月投產(chǎn)以來，工藝順暢，每月產(chǎn)出硫酸鋅結(jié)晶產(chǎn)品約30t。本項目工藝運行，有效的將萃銅余液中的萃取有機物屏蔽在主系統(tǒng)進行外，確保了主系統(tǒng)不受萃取有機物影響。萃取余液的開路，也保障了綜合回收生產(chǎn)順利進行。本項目設(shè)備運行基本正常，但是內(nèi)轉(zhuǎn)盤高效蒸發(fā)器存在結(jié)晶現(xiàn)象，需要定期進行清理。

3 結(jié)論

在濕法煉鋅綜合回收生產(chǎn)過程中，基本采取萃取工藝提煉稀散金屬，如果含鋅含萃取有機物的萃取余液處理不得當(dāng)，直接回到浸出-凈化-電解主生產(chǎn)系統(tǒng)，萃取有機物勢必會在主系統(tǒng)循環(huán)累積，對鋅電積生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量造成不利影響。因此，從設(shè)計開始就需要考慮萃取余液的去路。本文為同行業(yè)其他廠家綜合回收過程處理萃取有機物開路提供參考。