0 前言

贵溪冶炼厂引进日本住友金属矿山株式会社的湿法工艺处理冶炼烟气制酸后的废渣—砷滤饼生产三氧化二砷, 自1992年9月至1999年底, 共处理砷滤饼约40 000 t, 产出纯度99.5 %以上的三氧化二砷约2 000 t, 其中80 %远销日本和新西兰, 消除了砷滤饼长期堆存可能引起的环境污染, 确保了贵溪冶炼厂的可持续性发展。但是, 该工艺有20%多的砷随废酸返回硫酸车间与制酸后废液一起用Na₂S处理, 每处理一吨废酸中砷的成本近万元。为提高砷的回收率、降低生产成本, 贵溪冶炼厂在进行了多方论证和一系列探索性试验后, 提出了用真空蒸发工艺来回收外排废酸中砷的方案。真空蒸发系统于1999年11月建成并一次试车成功。实践表明, 蒸发系统性能良好, 各项技术经济指标均达到设计要求。

1 工艺选择

目前, 用真空蒸发方式来浓缩溶液的常用工艺有3种:列管加热—自然循环蒸发工艺、夹套釜式蒸发工艺和板式加热蒸发—强制循环蒸发工艺。下面以这3种常用工艺作3个设计方案并进行比较论证。

方案一:列管加热—自然循环蒸发工艺。目前, 贵溪冶炼厂铜电解液净化系统就是采用列管加热—自然循环蒸发工艺。该真空蒸发系统主要由蒸发器、列管式加热器和循环管组成, 具有结构较简单、单位蒸发能力的造价低、真空条件下操作适应性强的特点。但料液在加热器内的循环速度小于1m/s (溶液中的溶剂受热到沸点后, 部分溶剂汽化, 而使热能转换为向上运动的动能; 同时, 由于沸腾管的汽液混合物和循环管中未沸腾的料液间产生了重度差, 在膨胀动能和重度差的诱导下, 从而产生了溶液的循环), 因而蒸发时间相对较长, 同时整个系统要求厂房较高; 此外, 列管换热器的联接法兰处易泄漏, 列管易结垢或结晶且不易机械疏通。

方案二:夹套釜式蒸发工艺。该工艺适合在料液量不大的情况下使用。蒸发器因要满足处理较大料液量而不便使用搅拌器来强化传热, 拟通过泵打循环使料液强制混合。该类型的蒸发器不受厂房高度的限制, 设备投资相对较少, 但换热面积较小, 蒸发时间相对较长; 有时为弥补夹套传热面积的不足, 而需在槽内另增设加热蛇管, 但相应增加了设备投资和维修的复杂性, 且蒸汽消耗量大。另外, 该类蒸发器的结垢或结晶需用化学方法来处理。

方案三:板式加热蒸发—强制循环蒸发器, 如图 1所示。该型换热器采用外置的板式换热器对料液进行加热蒸发, 加热蒸发后的料液在真空蒸发器中进行汽液分离。板式换热器是近年来发展起来的一种新型高效传热设备, 由于其流道的直径小, 板形波纹使截面积变化复杂, 流向多变, 很易激起湍流, 具有较高的传热系数, 故传热效率高(比列管式换热器的传热效率高1~4倍), 蒸发时间相对较短。它的单位空间传热面积大, 结构紧凑, 使用灵活, 可根据工艺要求通过增减板片来改变所需的传热面积, 同时也易于清洗和维修。其主要缺点是密封困难、容易泄漏; 操作压力低, 使用流量小, 不易处理特别容易结垢和结晶的介质; 单位蒸发能力的价格相对较高。

根据上述3种工艺的特点, 结合生产车间的生产作业状况和所需蒸发的介质特性以及真空蒸发系统的安装环境, 认为方案三更能符合现场的要求, 技术先进, 经济合理, 劳动生产率高。

2 真空蒸发工艺设计及特点

设计的真空蒸发系统如图 1所示, 主要由真空蒸发器、除沫罐、水喷射泵、板式换热器和空气冷却塔组成。通过在蒸发器入液口的垂直位置上设置测温元件、顶部的垂直位置设置雷达波液位计和薄膜式压力传感器以实现对蒸发器内温度、压力和液位的自动检测。为满足雷达波液位计的工作性能要求, 将丝网除沫器置于蒸发器外部。

2.1 主要设备及其性能参数

(1) 真空蒸发器:钛-钢复合材料的真空压力容器, 其下部贮液, 上部空间为蒸发室, 有效空间高度为2.6m, 可防止较大的液滴被二次蒸汽带走。该真空蒸发器的内径为2m, 容积为16.75m³, 工作时的贮液量为10m³。

(2) 除沫罐:钛-钢复合材料的真空压力容器, 除沫罐中内置钛丝网, 其目的是除去来自真空蒸发器的二次蒸汽中夹带的含酸液沫, 避免蒸发料液的损失及对冷却水造成污染。设计的除沫率可达99%以上。

(3) 水喷射泵:水喷射泵作为真空蒸发器的真空设备, 不但具有结构简单、便于加工、设备费用低及节能等优点, 而且水喷射泵内高速喷射的水流在汽室与蒸发的汽体接触, 可将蒸气冷凝并随冷却水一同排出系统。

(4) 板式换热器:选用瑞典Alfa Laval公司生产的板式换热器。该公司的板式换热器性能优良, 其同类产品在国内化工、制药等行业应用广泛。综合比较了产品的性能价格以及信誉后, 决定选用该公司的板式换热器。

(5) 空气冷却塔:在蒸发过程中, 由于水喷射泵内高速喷射的水流在汽室与蒸发的汽体接触, 可将蒸气冷凝并随冷却水一同排出, 使排出的水温升高, 而喷射泵所用水的温度太高, 会使其真空度下降, 因此, 循环水必须冷却后才能循环使用。从经济与工艺的角度上考虑, 选用高温型空气冷却塔, 用于冷却水喷射泵出来热水, 其性能参数为:进水温度:60 ℃, 出水温度:35 ℃, 温差:25 ℃, 冷却水量:150 m³/h。

2.2 设计特点

该真空蒸发系统的工艺流程为:泵将废酸打入真空蒸发器内, 然后启动循环泵将真空蒸发器内的废酸打入外置的板式换热器中进行加热蒸发并循环, 同时外置的水喷射器开始工作, 使蒸发器内产生0.08MPa的负压; 加热后的废酸在真空蒸发器内经汽液分离, 其二次蒸汽通过丝网除沫器滤去液滴后经水喷射器进入冷却塔冷却, 再进入循环水池进行自然汽液分离和冷却; 经板式换热器蒸发浓缩后的废酸, 靠重力返回真空蒸发器内; 循环液泵在废酸加热蒸发的过程中, 始终将废酸循环和混合。当废酸蒸发到原体积的33.3 %时, 废酸的真空蒸发结束, 停止板式换热器的蒸汽加热和水喷射器的工作; 同时, 废酸管路上的两自动阀互相切换, 废酸停止循环, 由循环液泵将浓缩后的废酸打入蒸发后液贮槽。此后, 蒸发器进入下一周期的原始废酸的浓缩过程。该真空蒸发系统的设计特点有:

(1) 由于含砷废水含F^-、C1^-高, 同时又含有一定量的重金属离子, 挂片试验表明, 主体设备的材料选用钢(Q235A)-钛(TA2)复合材料最合适。

(2) 在国内铜冶炼行业中首次将板式换热器应用于真空蒸发系统处理含砷废酸, 不仅换热器效率高、密封可靠、拆装方便、清理结垢容易, 而且可根据生产能力的需求方便地调整换热面积。

(3) 鉴于处理含砷物料的特殊性, 蒸发系统采用计算机集散控制系统实行远程遥控操作。

(4) 在真空蒸发器的二次蒸汽出口处加了一外置丝网除沫器, 可避免二次蒸汽夹带酸雾, 造成二次污染, 同时还可确保雷达波液位计正常的使用性能。

(5) 为确保水喷射器的使用性能, 提高水的利用率, 采用了空气冷却塔来对水喷射器出来的热水进行冷却降温。

(6) 水池中的含砷循环水连续使用并定期进入三氧化二砷生产系统, 不会导致二次污染。

3 实践效果

本系统安装完毕, 对蒸发器本体和相关的管道做了保温处理, 进行了空载调试和试生产后, 即投入了正常的生产运行。近三个月的生产实践表明, 整个系统运行状态正常稳定, 性能良好, 各项性能指标均达到了设计要求。三氧化二砷的直收率提高了10 %, 亚砷酸的产品产量提高了20 %, 同时节约了原处理含砷废酸所需的化工原料(Na₂S), 与原硫酸车间对含砷废水的处理工艺相比, 每年可产生250万元的经济效益, 整个工程取得了预期的效果。经生产实践证明, 整个系统的设计是成功的。

4 结语

含砷废酸以真空蒸发的方式来减少外排并使蒸发后液进入亚砷酸的生产系统, 这在国内的铜冶炼行业尚属首创。实践表明, 该套含砷废酸的真空蒸发系统具有投资少, 处理量大, 日常维护简单, 自动化程度高, 操作简便, 无二次污染等优点, 各方面性能均优于国内的真空蒸发器。