鎳電積工藝的技術進展分析

朱北平

（云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司，云南馬關 663701）

鎳電積工藝的技術進展分析

朱北平

（云南華聯(lián)鋅銦股份有限公司，云南馬關 663701）

對鎳電積工藝近年來的技術進展進行了分析，對鎳電積工藝的現(xiàn)狀和先進技術、理念進行了概括總結(jié)。現(xiàn)代的鎳電積廠房設計著眼于改善電積廠房操作環(huán)境、提高勞動生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及降低能耗的方向發(fā)展。國外鎳電積生產(chǎn)廠家在鎳電積生產(chǎn)上進行了一些有益的技術改進，值得我國的鎳電積工藝相關設計、生產(chǎn)人員借鑒。

鎳電積；陰極袋；陽極袋；陽極裙罩；酸霧抑制

目前，電鎳的生產(chǎn)工藝主要包括硫化鎳陽極電解工藝、硫酸體系或氯鹽體系鎳電積工藝。由于硫化鎳電解工藝存在工藝流程復雜、金屬直收率低、中間物料返料量大、三廢處理流程復雜等缺點，該工藝已經(jīng)被棄用或逐漸改造替代。從全球范圍內(nèi)電鎳的產(chǎn)量（2009年）上來看，電解工藝生產(chǎn)的陰極鎳約17.5萬t／a，電積工藝生產(chǎn)的陰極鎳約23萬t／a。近年來新建的電鎳項目在精煉階段均選擇了電積工藝，鎳電積工藝已逐漸成為電鎳的主流生產(chǎn)工藝。本文對鎳電積工藝近年來的技術發(fā)展進行了分析梳理，從工藝路線、電積工藝技術如工藝設備、生產(chǎn)操作、電積廠房設計等方面，對其現(xiàn)狀和先進技術、理念進行了概括總結(jié)。

1 幾種主要的鎳電積工藝

1.1 硫酸鹽體系電積

硫酸鹽體系的電積工藝，主要應用于以高鎳锍或硫化鎳鈷為原料的硫酸加壓浸出-電積工藝、加壓氨浸-萃取-電積工藝，以及以氫氧化鎳鈷為原料的硫酸浸出-萃取-電積工藝中。采用此工藝的生產(chǎn)廠家較為廣泛，國內(nèi)有金川集團有限公司、阜康冶煉廠、浙江華友鈷鎳材料有限公司、煙臺凱實工業(yè)有限公司、廣西銀億礦冶科技有限公司等，國外有芬蘭哈賈瓦塔廠（Harjavalta，F(xiàn)inland）、英美鉑業(yè)南非勒斯滕堡廠（Anglo American Platinum，Rustenburg， South Africa）等。

由于在電積過程中，陽極反應產(chǎn)生氧氣，使得電積液的酸度不斷升高。為了避免氫離子在陰極與鎳離子競爭放電而降低電流效率，同時避免氫氣累積造成危險，因此需要將陽極液和陰極液隔離開。目前國內(nèi)一般采用陰極袋技術進行生產(chǎn)，即將陰極（鎳始極片）置于陰極隔膜袋中。鎳陰極液通過管道分別進入每一個陰極袋，維持袋內(nèi)的液面高于袋外的液面，從而使得陰極液只能從陰極區(qū)通過隔膜袋流入陽極區(qū)，阻止了陽極區(qū)產(chǎn)生的氫離子向陰極遷移。該工藝的原則流程圖如圖1所示。

圖1 硫酸鹽體系電積工藝原則流程圖

1.2 氯鹽體系電積

氯鹽體系的電積工藝，主要應用于以高鎳锍或硫化鎳鈷為原料的氯氣浸出-電積工藝。目前國內(nèi)還沒有采用此工藝的生產(chǎn)廠家，國外廠家主要有挪威的克里斯安松廠（Kristiansand，Norway）、日本新居濱的住友鎳廠（Sumitomo，Niihama Japan）、以及法國勒阿佛爾的艾拉米特鎳冶煉廠（Eramet，Le HavreFrance）。

與硫酸鹽體系電積不同，氯鹽體系電積過程中陽極產(chǎn)生氯氣，電解液的酸度基本不發(fā)生變化。但由于氯氣為高毒性危險氣體，必須將其收集，從而避免向電積廠房中逸出，因此該工藝一般采用陽極套袋技術進行生產(chǎn)，即將陽極板置于陽極隔膜袋中。陽極隔膜袋上安裝有吸液管，匯總至一個陽極總管，通過陽極液抽風機產(chǎn)生的負壓，將袋內(nèi)的陽極液及氯氣吸入陽極液總管內(nèi)，經(jīng)氣液分離、干燥壓縮后，氯氣可返回到上游工序循環(huán)使用。鎳陰極液通過管道進入電積槽，維持陽極袋內(nèi)液面，從而使電積液只能從袋外的陰極區(qū)流入袋內(nèi)陽極區(qū)。該工藝的原則流程圖如圖2所示。

國內(nèi)外典型鎳電積廠主要工藝參數(shù)見表1。

圖2 氯鹽體系電積工藝原則流程圖

表1 國內(nèi)外典型鎳電積廠主要工藝參數(shù)

1.3 硫酸鹽體系陽極袋電積工藝

傳統(tǒng)的硫酸鹽體系電積工藝采用陰極袋技術，一個顯著的生產(chǎn)問題是，陽極產(chǎn)生的氧氣造成大量的酸霧溢出，導致電積車間的勞動環(huán)境惡劣。因此，借鑒使用氯鹽體系電積工藝的陽極袋技術，將陽極產(chǎn)生的氧氣及酸霧通過陽極液管集中收集，可以從源頭上解決酸霧問題。使用該技術的另一個優(yōu)點是，可以循環(huán)電積槽內(nèi)的陰極液，提高電積液電解前后的鎳濃度差以及陽極液中的硫酸濃度，減少上游工序的系統(tǒng)流量，減少投資。同時，由于陰極不需要裝袋，使得陰極的出裝槽操作更順暢，隔膜袋的破損率降低。由于電積槽內(nèi)的溶液流通量較大，陰極鎳的表面質(zhì)量可得到改善。該電積工藝的原則流程圖如圖3所示。西澳的考斯（Cawse）鎳廠最早使用了該工藝，之后南非的英美鉑業(yè)公司進行了該技術的工業(yè)化試驗，詳細地考察了隔膜布的選用、電積液循環(huán)流量等參數(shù)［2］，博茨瓦納的塔帝（TaTi）鎳項目也采用了這種工藝技術［3］。

圖3 硫酸鹽體系陽極袋電積工藝原則流程圖

1.4 硫酸鹽-氯鹽混鹽體系電積

近年來，有些新建的鎳項目采用了硫酸+氯氣或鹽酸浸出的新工藝處理硫化鎳礦，得到的含硫酸鎳和氯化鎳的混合富鎳溶液。因此下游電鎳的生產(chǎn)為硫酸鹽-氯鹽混合體系，采用了陽極袋技術，將陽極產(chǎn)生的氯氣和氧氣收集，與氯鹽體系電積工藝基本一致。淡水河谷公司在加拿大紐芬蘭的長港鎳電積項目（Long harbour）使用這種電積工藝［4］，目前正在試生產(chǎn)階段。

2 鎳電積工藝設備的技術進展

鎳電積工藝技術進步的出發(fā)點，主要是圍繞著提高勞動生產(chǎn)率、改善操作人員勞動環(huán)境以及節(jié)能進行的。這些技術發(fā)展的研究對象主要包括工藝設備如電積槽、陰極板、陽極板、槽間導電母線、吊車等；電積廠房設計、生產(chǎn)操作優(yōu)化等。

2.1 工藝設備

2.1.1 電積槽

目前新建的鎳電積項目一般采用樹脂混凝土材料的電積槽，這種電積槽抗腐蝕性好、基本不需要維護、整體化設計、安裝簡單、使用壽命長，大大提高了電積車間的生產(chǎn)率，已經(jīng)廣泛應用在銅、鋅、鎳電解及電積工藝中。對于采用陽極袋技術的鎳電積工藝，一般將陽極液收集管預埋在電積槽中。

2.1.2 陽極板

在硫酸鎳體系的鎳電積工藝中，目前普遍使用的是鉛-錫-鈣合金軋制的鉛陽極。最早的氯鹽體系電積工藝使用的是石墨陽極，后來隨著氯氣電解行業(yè)開發(fā)使用了涂層的鈦陽極，氯鹽體系鎳電積也使用了該陽極。挪威的克里斯安松廠將涂覆鉑族金屬的鈦陽極應用在鎳電積工藝中，至今已經(jīng)運行了近40年。淡水河谷公司的長港鎳電積項目（Long harbour）采用硫酸鹽-氯鹽混鹽電積工藝，也使用這種涂覆鉑族金屬的鈦陽極板［5］。

銅電積工藝研發(fā)使用了涂覆鉑族金屬的鈦網(wǎng)陽極。這種網(wǎng)狀陽極可以將槽電壓降低15%左右，并且在電積生產(chǎn)中不存在鉛的問題。一些鎳電積廠目前也在研究使用這種涂覆的鈦網(wǎng)陽極。低成本的涂覆氧化鉛陽極目前也在研究當中。

2.1.3 陰極板

不管是硫酸鹽體系還是氯鹽體系中，鎳電積的商業(yè)化生產(chǎn)仍然使用傳統(tǒng)的始極片陰極工藝?；阢~電積工藝中使用永久陰極技術的成功經(jīng)驗，一些鎳電積廠也開始研究使用永久陰極，以提高鎳電積廠的自動化水平，減少電積廠的操作人員數(shù)量，減少操作人員在電積車間的曝露時間，提高勞動生產(chǎn)率。

南非的英美鉑業(yè)公司鎳電積廠中，使用了鈦材料的永久陰極、以及類似于銅電積生產(chǎn)的陰極剝片機組，并在2011年進行了試生產(chǎn)。挪威克里斯安松的鎳電積廠則使用另一種永久陰極系統(tǒng)，生產(chǎn)“鎳圓”或“鎳冠”。這種永久陰極系統(tǒng)使用的是一種特殊設計的陰極，在陰極上蒙上橡膠或涂漆。這種陰極工藝在硫酸鹽體系和氯鹽體系中都可以使用。淡水河谷的長港鎳電積廠，計劃大規(guī)模地使用這種設計并提高其自動化水平［5］。

2.1.4 槽間導電板

目前國內(nèi)鎳電積使用的槽間導電板較為簡單，通過在銅排導電板上放置剪切出接觸面的玻璃鋼絕緣片進行電接觸。這種導電板最大的優(yōu)點是簡單易用，但其缺點是極板排列間距不均勻，極板導電棒與銅排母板的接觸面較小，電阻較大。

受益于銅電積工藝槽間導電板的技術發(fā)展，國外的鎳電積工藝中，槽間導電板也開始借鑒使用已經(jīng)在銅電積工藝普遍使用的雙接觸式導電板。其主要特點是陽極（以及陰極）的導電棒兩端都與導電板相接觸。其優(yōu)點是可以將電流更平均地分配到每塊極板，有利于獲得質(zhì)量更均勻的陰極、更少的短路并降低電耗。由于這種設計使得電流在極板之間的分配更加均衡，因此可以采用更高的電流密度，電流效率也更高。據(jù)披露，使用這種形式的導電板，電流效率可以提高1%左右［2］。

2.1.5 多功能吊車

鎳電積廠房中多功能吊車是非常重要的設備，主要用于陰陽極的出裝槽和運送。目前國內(nèi)的鎳電積廠自動化程度普遍不高，使用的吊車均為手動操作。

南非的英美鉑業(yè)公司鎳電積廠采用電積槽加蓋技術以解決酸霧問題，采用了自動化吊車技術，利用機械、激光或是照相等方法進行精準定位，指引吊車定位電積槽，進行出裝槽作業(yè)。使用這種快速和精準的吊車系統(tǒng)，可以有效控制極板間距，能夠提高電積的電流效率和時間效率。

2.2 電積廠房設計優(yōu)化

電積廠房的設計優(yōu)化方向主要是減小廠房占地面積，加強通風以減少酸霧、改善操作環(huán)境。

2.2.1 電積槽相鄰配置

傳統(tǒng)的鎳電積廠房，電積槽采用成對配置的方式，即兩個一組，兩組之間留出一定距離的通道。這種設計的主要原因是，電積作業(yè)時需要周期性地更換陰極袋、對導電排進行清潔擦拭以及檢查通電情況，兩邊有過道的設計有利于日常維護操作；其次，由于鎳電積槽電壓較高，在電流強度較大時，采用雙槽短路的模式比較安全。主要缺陷是，電積廠房占地較大、且成對電積槽之間的導電母線用量較大，增加投資成本。

采用硫酸鹽體系電積工藝的西澳考斯鎳電積廠、以及博茨瓦納塔帝鎳項目均采用了相鄰配置的電積槽配置模式［3］。這兩個項目均使用陽極袋工藝，其陽極液收集管預埋在樹脂混凝土電積槽內(nèi)；該配置的缺點是出裝槽時的短路操作較復雜、對系統(tǒng)的整體電流效率有一定的影響。

2.2.2 電積車間通風

由于鎳電積工藝需要在60～65℃之間進行電積操作，國內(nèi)嚴寒地區(qū)的濕法車間一般都利用天窗自然排風或屋頂風機排風，不設計機械送風系統(tǒng)，以減少能耗。因此在冬季操作時，電積車間的含酸濕氣不能有效地排出，導致車間酸霧嚴重、環(huán)境較差，車間內(nèi)行車軌道結(jié)露造成行車運行不穩(wěn)定，廠房外墻、外窗及屋頂出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象、腐蝕嚴重。

在國外，電積車間普遍采用橫流式（cross flow）機械通風設計，一般做法是在廠房一側(cè)墻上設置機械送風口，在另一側(cè)墻上設置通風風機，對車間進行強制置換通風，并對排出的空氣（含酸霧）進行酸霧洗滌后排空。

目前國內(nèi)的一些寒冷地區(qū)的鎳電積廠也對此類問題進行了技術改造，基本上以機械通風為主，車間操作環(huán)境得到一定改善。

2.3 生產(chǎn)操作

2.3.1 酸霧抑制

國內(nèi)鎳電積工廠對抑制酸霧的常規(guī)做法一般是，廠房設天窗進行自然通風，同時考慮機械通風設計，電積生產(chǎn)時在電解液表面覆蓋塑料小球等。一些新建的鎳電積廠已經(jīng)采用了在電積槽上內(nèi)置通風口，槽面覆蓋氈布，利用風機進行強制通風的設計。

國外，南非的英美鉑業(yè)公司鎳電積廠借鑒銅電積工藝的做法，在電積槽面加玻璃鋼槽蓋，利用風機將槽內(nèi)酸霧抽至酸霧洗滌塔，洗滌后排空。西澳考斯鎳電積廠、博茨瓦納塔帝鎳電積項目則使用陽極袋技術，同時在廠房內(nèi)設置橫流式機械通風以解決酸霧問題［6］。

美國專利披露了一種陽極裙罩（Anode Skirt）技術，用于抑制酸霧［7］。陽極裙罩示意圖如圖4所示。這種陽極裙罩的特點是，在陽極板四周安裝一個口袋形狀的罩子，罩子上部高出電積槽液面，底部開放或封口。這種設計沒有陽極液抽吸系統(tǒng)，因此仍然要與陰極袋套袋技術配合使用。陽極裙套用親水的纖維材料制作，氣體和溶液可以穿透該材料。陽極產(chǎn)生的酸霧被限制在該裙套上部的空間內(nèi)，氧氣氣泡攜帶的微小液滴在重力作用及通過裙套的過程中，形成較大液滴而被捕集返回到電積液中，產(chǎn)生的氧氣則溢出到空氣中，達到抑制酸霧的目的。但目前尚未見有該設計在工業(yè)生產(chǎn)上大規(guī)模應用的報道。

圖4 陽極裙罩示意圖

2.3.2 電解液添加劑

在大多數(shù)的電積工藝過程中均添加了一些電解液添加劑，以改善陰極的純度或表觀質(zhì)量。鎳電積電解液一般使用硼酸和月桂基磺酸鈉。硼酸主要是作為緩沖劑，保持電解液的pH值穩(wěn)定。月桂基磺酸鈉的主要作用則是通過降低陰極產(chǎn)生的氫氣氣泡在鎳板上的界面張力，使其溢出至空氣中，從而防止在陰極鎳表面產(chǎn)生坑點［2］。但是國內(nèi)的鎳電積廠中較少使用月桂基磺酸鈉。

2.3.3 短路監(jiān)測

極板間的短路監(jiān)測對于電積生產(chǎn)的節(jié)能有重要意義，是一項關鍵的操作手段。國內(nèi)鎳電積廠通常在生產(chǎn)過程中通過人工打火檢查進行短路監(jiān)測。

在銅電解和銅電積工藝中，一般使用高斯計，在吊車上安裝紅外線熱監(jiān)測技術（IR），或手持式紅外線熱追蹤儀進行短路監(jiān)測。近年來出現(xiàn)了槽電壓在線檢測技術，并在銅電解工藝上成功應用，現(xiàn)在也應用與銅和鋅電積生產(chǎn)。該技術可測量單個電積槽的槽電壓和溫度，對于高電流密度下的生產(chǎn)和電解液流量波動較大的工況下尤為適用。近期，該技術也在鎳電積生產(chǎn)中進行了試用，用以監(jiān)測隔膜袋的破損。通過監(jiān)測電積槽的槽電壓，還可以對即將發(fā)生短路的電積槽進行預測分析［2］。

3 結(jié) 論

現(xiàn)代的鎳電積設計著眼于減少操作人員曝露在有害酸霧環(huán)境中的風險，提高勞動生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量以及降低能耗的方向發(fā)展。通過借鑒使用其它重金屬電積工藝的一些進步技術，可以進一步提高生產(chǎn)效率、減少酸霧、降低能耗。國外的一些技術改進已經(jīng)得到生產(chǎn)實踐的證明，值得我國的鎳電積工藝相關設計、生產(chǎn)人員借鑒。

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［7］ G.M.Dunne，H.E.Holiday.Electrode cover for preventing the generation of electrolytemist［P］.United States Patent：6123658，2000-09-19.

Review for DevelopMent of Nickel Electrowinning Process

ZHU Bei-ping
（Hualian Zinc and IndiuMin Yunnan Co.，Ltd.，Maguan 663701，China）

The developmentof nickel electrowinning process during the past several years is reviewed and the current status，the advanced technology and idea is summarized.The modern nickel electrowinning process design focus on improving the tank house operational environment，productivity，product quality and decreasing the energy cost. Oversea nickel electrowining plants performed some beneficial technology updateswhich could be worthy being used for reference to our nickel electrowinning design and operating personnel.

nickel electrowinning；cathode bag；anode bag；anode shield；acid mist abatement

TF803.2+7

A

1003-5540（2016）03-0049-05

2016-04-28

朱北平（1969-），女，高級工程師，主要從事鋅濕法冶金研究工作。