除鎘反應(yīng)器的沸騰層穩(wěn)定性研究

龍 雙

（株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司，湖南 株洲 412000）

1 引言

在鋅冶金過(guò)程中，電積液中雜質(zhì)離子（特別鎘、鎳、鈷等）的存在，直接關(guān)系到長(zhǎng)周期鋅電積能否順利進(jìn)行，電積液中鎘的含量也就成為了鋅電積工藝的關(guān)鍵指標(biāo)之一［1-3］。

芬蘭OUTOTEC公司開(kāi)發(fā)的硫酸鋅溶液砷鹽凈化技術(shù)除去電積液中鎳、鈷具有國(guó)際先進(jìn)水平［4-5］，成功之處在于引進(jìn)了電位、BT值、晶種返回等先進(jìn)理念以及項(xiàng)目的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為保證凈化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了良好的條件［6-7］。該技術(shù)與專利設(shè)備固然有其先進(jìn)性，但是在工業(yè)化應(yīng)用過(guò)程又同時(shí)存在很多明顯缺陷。硫酸鋅溶液除鎘能否達(dá)到工藝要求，反應(yīng)器的流態(tài)化沸騰層穩(wěn)定控制是工藝的關(guān)鍵所在。如何評(píng)價(jià)運(yùn)行期間沸騰層的穩(wěn)定？關(guān)鍵在于相鄰反應(yīng)器之間的液位差［8］。本文將從沸騰層形成機(jī)理開(kāi)始，從內(nèi)部控制到外部基礎(chǔ)進(jìn)全方位的闡述沸騰層的控制要素。

2 除鎘反應(yīng)器運(yùn)行模式

五個(gè)流態(tài)化反應(yīng)器串聯(lián)在一起形成環(huán)形系統(tǒng)，當(dāng)首槽料層含鎘達(dá)85%以上或尾槽后液鎘持續(xù)超出0.001g/L，首槽退出，其后反應(yīng)器作首槽，新并入反應(yīng)器作尾槽。

圖1 除鎘運(yùn)行圖

3 沸騰層形成機(jī)理

除鎘反應(yīng)器之間是串聯(lián)作業(yè)，按連通器原理，不應(yīng)有液位差，但是沸騰層存在后帶來(lái)的阻力，造成前一槽液位高于后一槽液位，正常液位差在10%～20%，液位差越大，沸騰層越致密，反應(yīng)越劇烈。

沸騰層為鋅粉與溶液含鎘反應(yīng)形成的凈化渣，當(dāng)渣量自重與底部向上溶液傳遞的托力達(dá)到平衡時(shí)，即在反應(yīng)器的小圓柱體段形成懸在液中的渣層，由于底部的渣層與進(jìn)入的溶液攪拌形成切線方向，形成了沸騰層（如圖2）。這種沸騰層的形成與穩(wěn)定，是確保除鎘效果的關(guān)鍵。主要與鋅粉粒度、流量、絮凝劑量、渣量等有關(guān)。

圖2 沸騰層及液位差形成示意圖

4 沸騰層穩(wěn)定性控制

4.1 渣料向下重力

4.1.1 渣量與粒度

除鎘沸騰層穩(wěn)定的第一要素在于控制反應(yīng)器內(nèi)適宜的渣量，當(dāng)沸騰層較“稀薄”時(shí)，可以通過(guò)補(bǔ)加鋅粉及調(diào)整底流加入來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是鋅粉的過(guò)量加入增加了生產(chǎn)成本，并導(dǎo)致產(chǎn)出鎘渣品位不高，使下一步鎘渣處理流程加長(zhǎng)。按初始設(shè)計(jì)理念，單槽鋅粉加入量按收鎘量的1.0～1.25倍進(jìn)行調(diào)整，可保障沸騰層形成所需的渣量。

鋅粉粒度設(shè)計(jì)初值為0.2～0.4mm（+80目～-40目），但生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中該粒度范圍的鋅粉中細(xì)粉偏多，易形成浮渣或后移，不能形成穩(wěn)定的沸騰層，導(dǎo)致出口含固偏高，后將粒度調(diào)整至+60目～-30目（約0.25～0.50mm），且在該范圍內(nèi)鋅粉＞80%，以保證良好的沸騰層。

圖3 改進(jìn)前后鋅粉粒度的變化

4.1.2 BT值

即堿度，又稱反滴定值，1BT單位等于耗酸0.4g/L。取200～300mL試樣，用漏斗墊濾紙過(guò)濾。量出25mL濾液，放入125mL的錐形燒瓶。添加25mL蒸餾水，滴入2～4滴甲基橙。用10g/L的硫酸溶液滴定，直到顏色變紅。滴管的毫升讀值等于反滴定值（BT）。除鎘工藝通過(guò)添加電解廢酸來(lái)控制BT值，從而控制溶液中堿式鹽的生成并保證鋅粉適當(dāng)?shù)幕钚浴?/p>

加入的廢液偏少，BT值會(huì)偏高，溶液呈乳白色，易形成“堿式絮狀物”，液相與固相比重差縮小后造成鎘渣漂移、出口含固量升高、首槽鎘渣品位低、除鎘反應(yīng)器含鎘梯度不明顯、迫使鋅粉更換加快等一系列化“惡性循環(huán)”。廢液加入過(guò)多，BT值偏低，消耗鋅粉量增加，槽內(nèi)產(chǎn)生氣泡，同樣影響沸騰層的穩(wěn)定。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：除鎘 BT值適宜控制在0.7～1.2之間，宜低不宜高。

4.1.3 絮凝劑

在除鎘過(guò)程中，添加適量的絮凝劑起到抑制反應(yīng)速度的作用，反應(yīng)速度過(guò)快，鋅-鎘會(huì)相互粘附后造成反應(yīng)中止，表現(xiàn)為鎘綿比重下降后的向上漂??；當(dāng)然，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中又要關(guān)注加入量，如果加入過(guò)量，反應(yīng)速度減緩后不能有效地從溶液中除去鎘，表現(xiàn)為槽內(nèi)梯度不夠。絮凝劑是否適量，關(guān)鍵在于第三觀察孔能夠看到片狀物（即鎘綿）的回落：一是保證鎘綿有長(zhǎng)大，二是保證鎘綿不上浮。所以，在并槽前1h，絮凝劑加入量翻倍，并槽后30min，將會(huì)逐步恢復(fù)正常值；當(dāng)系統(tǒng)停車時(shí)、除鎘改為內(nèi)部循環(huán)，絮凝劑加入量要逐步減少至100L/h，如停車時(shí)間超過(guò)4h，應(yīng)停加絮凝劑。

當(dāng)上清鎘在0.5～0.8g/L時(shí)，絮凝劑加入量與流量對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1。

表1 絮凝劑加入量與流量對(duì)應(yīng)關(guān)系

4.2 溶液向上托力

4.2.1 流量

為穩(wěn)定流量，該專利設(shè)備設(shè)計(jì)循環(huán)流量380～450m3/h，防止收付不足時(shí)沸騰層的下挫，循環(huán)液一部分來(lái)源于除鈷鎳后液，另部分除鎘后液作補(bǔ)充。為提高除鎘區(qū)的收付能力，關(guān)鍵在上清的含鎘與流量穩(wěn)定，減少內(nèi)部循環(huán)。

4.2.2 切入方向

原來(lái)設(shè)計(jì)的除鎘槽玻璃鋼連通管D500mm，除鎘反應(yīng)器進(jìn)液位置偏高，在槽內(nèi)的入口管道為敞開(kāi)型，進(jìn)口溶液流向因受槽內(nèi)溶液影響呈散亂分布（圖4左圖）：大部分液從坡口上部短路進(jìn)入反應(yīng)器上方，少量液進(jìn)入反應(yīng)器底部。由于沖擊面積大、強(qiáng)度小，沸騰層差且不穩(wěn)定，除鎘效果差。通過(guò)對(duì)反應(yīng)器底部進(jìn)口處流體總機(jī)械能的計(jì)算和kokkola進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)因除鎘槽玻璃鋼連通管道（D500mm）管徑偏大，造成相鄰兩槽流體總機(jī)械能差值偏小，在除鎘槽下部形成的沸騰層不穩(wěn)定，沸騰層下濃上稀，總體呈“下塌”趨勢(shì)。將除鎘槽內(nèi)部DN500的玻璃鋼進(jìn)液管延長(zhǎng)，形成向下切口。當(dāng)溶液進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)，在進(jìn)液口受阻流板阻擋，形成收縮型，流量相同的情況下，流速增加，溶液的沖擊力加大。改進(jìn)后除鎘槽內(nèi)部進(jìn)料管如圖4右圖所示。

圖4 聯(lián)通管改進(jìn)前（左圖）后（右圖）對(duì)比

4.2.3 攪拌強(qiáng)度

砷鹽凈化除鎘反應(yīng)器采用底部攪拌方式。該設(shè)備引進(jìn)時(shí)設(shè)計(jì)功率為22kW，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在功率偏小的矛盾。除鎘攪拌機(jī)改進(jìn)前后示意圖如圖5所示。突出表現(xiàn)為：（1）運(yùn)行過(guò)程中隨鎘渣的不斷生成，渣比重越來(lái)越大，沸騰狀態(tài)得不到保證；（2）由于攪拌強(qiáng)度不足，導(dǎo)致渣突然下沉，攪拌機(jī)電流突升跳閘，從而造成死槽，引起質(zhì)量波動(dòng)、增加鋅粉消費(fèi)。

本研究把原來(lái)的除鎘攪拌機(jī)電機(jī)功率由22kW提到30kW，攪拌機(jī)軸及槳葉保持不變。

圖5 除鎘攪拌機(jī)改進(jìn)前（左圖）后（右圖）對(duì)比

5 結(jié)論

除鎘反應(yīng)器沸騰層的穩(wěn)定性直接關(guān)系到砷鹽凈化除鎘運(yùn)行成功與否，某公司在引進(jìn)砷鹽凈化專利技術(shù)與專利設(shè)備進(jìn)行工業(yè)實(shí)踐過(guò)程中，融合本公司的實(shí)際情況與OUTOTEC公司的先進(jìn)控制理念，通過(guò)除鎘反應(yīng)器的沸騰層穩(wěn)定性研究得到以下結(jié)論：

（1）鋅粉加入量與粒度是渣量的前提，底部向上的托力是基礎(chǔ)；

（2）除鎘沸騰層穩(wěn)定的第一要素在于控制反應(yīng)器內(nèi)適宜的渣量：?jiǎn)尾垆\粉加入量按收鎘量的1.0～1.25倍即可保障沸騰層形成所需的渣量；日常生產(chǎn)過(guò)程常用調(diào)節(jié)手段集中在BT值、絮凝劑的添加與鋅粉粒度的變化；除鎘 BT值適宜控制在0.7～1.2之間。加入+60目～-30目（約0.25～0.50mm）的鋅粉粒度，且在該范圍內(nèi)鋅粉＞80%，可以保證良好的沸騰層。在并槽前1h，絮凝劑加入量翻倍，并槽后30min，將會(huì)逐步恢復(fù)正常值；當(dāng)系統(tǒng)停車時(shí)、除鎘改為內(nèi)部循環(huán)，絮凝劑加入量要逐步減少至100L/h，如停車時(shí)間超過(guò)4h，應(yīng)停加絮凝劑。

（3）通過(guò)以下三點(diǎn)來(lái)穩(wěn)定溶液的向上托力：設(shè)計(jì)循環(huán)流量380～450m3/h來(lái)穩(wěn)定流量；將除鎘槽內(nèi)部DN500的玻璃鋼進(jìn)液管延長(zhǎng)，形成向下切口；當(dāng)溶液進(jìn)入反應(yīng)器時(shí)，在進(jìn)液口受阻流板阻擋，形成收縮型，流量相同的情況下，流速增加，溶液的沖擊力加大；把原來(lái)的除鎘攪拌機(jī)電機(jī)功率由22kW提到30kW，攪拌機(jī)軸及槳葉保持不變。