铜冶炼厂粗硫酸镍生产工艺简析
镍是铜阳极板中的主要杂质之一，在铜电解过程中，一般要求电解液中镍离子浓度不大于15g/L。通常采用电解废液脱铜，然后利用脱铜液除镍。国外除镍方法主要有结晶、萃取、离子交换等，我国主要采用结晶法生产粗硫酸镍。过去主要采用直火浓缩、电热浓缩、冷冻结晶等方法，目前以真空蒸发浓缩结晶、真空蒸发冷冻结晶较为常见。直火浓缩法由于具有设备简单、操作简便、镍直接回收率高等优点，早期被广泛应用。但由于酸挥发量大，操作环境恶劣，能耗大，劳动强度大。随着环境保护的提高和对劳动安全卫生的重视，已不再是淘汰工艺。 电热浓缩法由于自动化程度高、环保效果好、镍脱除率高等优点，早期也被一些工厂采用，但由于所需设备复杂、投资较大，生产粗硫酸镍成本高，限制了其使用范围。冷冻结晶法由于所需设备多、占地面积大、镍脱除率低，应用并不广泛。蒸汽间接加热浓缩法（在一定压力下通过蒸汽间接加热使溶液蒸发的方法）一般受到中小型铜冶炼厂的青睐，因为所有冶炼厂都会产生大量的过剩蒸汽，利用成本较低。真空蒸发冷冻结晶法将真空蒸发与冷冻结晶结合起来，提高了生产效率[1-12]。表1是主要粗硫酸镍生产工艺的对比；
1.生产工艺流程：
1.1电加热浓缩：
电热浓缩法工艺原理与直火浓缩法基本相同，都是利用电直接加热浓缩溶液，然后经水冷却结晶，生成粗硫酸镍。电热浓缩法是将三根石墨电极插入盛有溶液的浓缩罐中，电源装置向电极输出大电流，溶液通过自身电阻发热，使溶液沸腾，水在常压下蒸发，使溶液浓缩。蒸发出的气体经排风系统送往硫酸雾吸收塔净化后排放。浓缩溶液在水冷结晶罐中冷却，经真空过滤，即得粗硫酸镍产品[4]。
一般采用功率调节和流量调节两种控制方式。浓缩过程采用连续进出液方式，不同硫酸、镍浓度的溶液，沸点不同，通过检测槽内沸点的变化来判断溶液的蒸发情况，若沸点上升，即溶液中水量少，要么降低输出功率，要么加大进液量。国内大多采用功率调节，即固定一定的进液量，通过沸点温度的变化，自动调节输出功率。电热浓缩工作时，三相电流应基本平衡，若有一相相差较大，可通过调节此电极插入深度来调节电流强度。电源的最大输出功率由浓缩槽的最大处理能力决定，因此进液量应在电热浓缩槽的处理范围内。
电热浓缩法需要耗费电能，对于电力供应紧张、电价高、粗硫酸镍成本高的地区来说，并不是十分有利。电热浓缩产生的高温腐蚀气体对气体净化系统、生产设备、厂房等腐蚀严重。目前只有少数厂家采用此工艺。
1.2冷冻结晶法：
冷冻结晶是将高浓度含镍除铜溶液预冷后，流经冷冻结晶槽进行连续冷冻结晶，温度一般控制在-25～-10℃，各结晶槽开动连续低强度搅拌，将结晶槽中结晶出来的粗硫酸镍过滤，滤饼即为粗硫酸镍。滤液用于预冷除铜溶液，主要工艺设备如图3所示。
由于除铜后的液镍浓度不是很高，冷冻结晶的效率一般，有些厂家将电解系统内的浓度提高到一定程度，采用冷冻结晶间歇性地生产硫酸镍。
1.3真空蒸发浓缩结晶法：
真空蒸发浓缩结晶法利用溶液中的硫酸浓度与硫酸盐溶解度在不同温度下具有一定的平衡关系，即溶液中的硫酸盐溶解度会随着其酸度和温度的变化而变化；同时，在不同酸度和压力下，溶液的沸点不同，它们之间也存在一定的平衡关系。利用蒸汽通过钛板或加热圈对反应器中的无铜液体进行加热，并将反应器抽真空，降低水的沸点，加速蒸发速度[3]。
真空蒸发生产粗硫酸镍主要利用冶炼厂产生的剩余蒸汽，生产成本较低。
1.4真空蒸发浓缩冷冻结晶法：
真空蒸发浓缩冷冻结晶法是先将除铜液进行真空蒸发，然后预冷，再冷冻结晶，最后过滤，其流程图如图1所示。
真空蒸发浓缩冷冻结晶效率较高，但由于流程较长，浓缩脱铜液需要经过一些管道和冷冻结晶设备，对设备腐蚀严重，增加了维护和生产成本。
2.辅助设备：
2.1真空设备：
以往真空设备一般采用水环真空泵，但其真空度十分有限。水喷射泵由于结构简单、负压高、节省能源等优点而被广泛应用。在真空蒸发生产中，水喷射泵喷射出的高速水流在捕集室内与蒸发气体接触，凝结成蒸汽并随冷却水排出系统。为了节水，喷射水采用循环使用。在蒸发过程中，蒸发气体被凝结，使排出水的温度升高，但喷射泵使用的水温度过高，会降低其真空度，因此采用冷却水通过钛板换热对循环水进行冷却。由于蒸发气体会带入一些酸雾，使用后循环水的酸度会升高。废水返回电解车间作为电解质补充水[3]。
2.2过滤设备：
硫酸镍结晶后进行过滤，通常采用厢式压滤机、三足式人工卸料离心机、卧式活塞推料离心机、真空卧式带式过滤机等过滤设备。
厢式压滤机由排列成滤室的滤板组成（滤板两侧凹陷，每两块滤板组合成一个厢式滤室）。在进料泵的压力作用下，将需要过滤的料液送入各滤室，进行固液分离。滤渣在滤布上形成，直至充满滤室，形成滤饼。滤液透过滤布，沿滤板凹槽流至下方出料通道，集中排出。过滤完成后，可通入干净的洗涤水，对滤渣进行洗涤。过滤完成后，打开压滤机取出滤饼（滤饼存于两块相邻滤板之间），清洗滤布，重新压紧板式过滤器，开始下一个工作循环。厢式压滤机的主要优点是更换滤布方便，缺点是效率低、过滤效果差、滤板易损坏。 三足式人工卸料离心机均为顶部卸料、间歇操作的过滤设备。物料从顶部加入转鼓，在离心场作用下，液相透过过滤介质排出机外，而固相则截留在转鼓内。停机后，人工从顶部卸料。它具有结构简单，操作方便，物料不易破碎，通用性强的特点，但工作效率极低，工人劳动强度极大。卧式活塞推料离心机是主电动机带动转鼓全速旋转，物料从进料管连续加入，均匀分布在转鼓内段滤网壁上，在离心力作用下，液相透过滤网及转鼓壁上的滤孔排出转鼓，经壳体排料管排出机外。 固相截留在转鼓内，形成环状滤饼层。推料板在与转鼓同速旋转的同时，在活塞的推动下，不断做轴向往复运动，推动滤饼层间歇地向转鼓外端移动并卸出转鼓，再由前机壳底部排出。该设备能全速连续完成进料、分离、洗涤和卸料，自动化程度高，工作效率高。真空水平带式过滤机以滤布为过滤介质，是充分利用物料重力和真空吸力实现固液分离的高效分离设备。采用整体可拆卸滤盘作为真空室，滤布由电机带动，连续运转。在过滤行程开始时，在真空状态下，滤盘与滤布同步运转；在非真空状态下，滤盘与滤布相对运转。 物料通过料浆分配器均匀分布在真空滤盘的滤带上，在真空吸力作用下，滤布上的料浆被过滤。直至真空滤盘触及接近开关装置而切断真空，真空滤盘在气缸的拖动下迅速回到原位，滤带在电动机的拖动下继续运行。如此反复进行真空过滤、洗涤、再过滤。滤饼在卸料辊处被刮刀装置刮除，滤布经清洗后再生，再通过一组托辊和纠偏装置重新进入过滤区。滤液随滤盘的返回从集液槽排出。卧式真空带式过滤机自动化程度高，过滤速度快，过滤工艺简单，洗涤效果好[121]。
3.结晶过程控制：
硫酸镍结晶首先在饱和硫酸镍溶液中形成晶核，然后晶核继续生长。
3.1搅拌效果：
通常在结晶罐的中部安装搅拌桨，其主要作用是搅拌液相，加速与内壁的传热，使液相内温度均匀，晶核在液相内分布均匀，有利于结晶生产，使晶体大小均衡，保证产品质量。根据生产经验，搅拌速度对生产效率和产品质量影响很大，一般根据晶体体积、结晶温度、液相成分等来控制搅拌速度[13]。
3.2 种子添加：
加入晶种可以提高结晶效率，控制产品质量。一般根据结晶温度和液相组成确定晶种加入量。液相温度高，加入的晶种可能溶解；液相温度低，液相中已经生成大量晶核，晶种不起作用。加入晶种的条件比较苛刻，一般按以下公式计算：
W1=W2() （1）
式中：W1为加入晶种的质量；W2为所需产品质量；L31为晶种颗粒平均粒径；L32为产品颗粒平均粒径[14]。
4。结论：
粗硫酸镍的生产是铜冶炼电解液净化的一部分，目前国内生产方法有真空蒸发法、冷却结晶法和真空蒸发冷却结晶法。真空蒸发法和冷冻结晶法适用于中小型冶炼厂。在电解液中镍含量增加的情况下，可以间歇生产粗硫酸镍。真空蒸发冷却结晶法生产效率高，但生产和维护成本高。水喷射抽真空能产生较高的负压真空，需配套喷射水冷却系统。真空卧式带式过滤和机箱压滤机过滤的硫酸镍结晶母液水分含量较高，三足式人工卸料离心机增加了操作强度，卧式活塞推料离心机具有效率高、水分含量低的优点。硫酸镍结晶的控制以搅拌为主，晶种的添加操作难度较大。