中國報(bào)告大廳網(wǎng)訊，在當(dāng)前銅冶煉行業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，生產(chǎn)硫酸銅副產(chǎn)品是銅電解精煉環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)銅酸平衡的關(guān)鍵手段，同時(shí)也能有效脫除 Sb、Bi、Ca 等雜質(zhì)。目前國內(nèi)外硫酸銅生產(chǎn)工藝主要有常壓蒸發(fā)法、真空蒸發(fā)法等，傳統(tǒng)常壓蒸發(fā)存在蒸汽單耗高、蒸發(fā)效率低的問題，單效真空蒸發(fā)生產(chǎn)的粗制硫酸銅主品位僅為 83%~92%，蒸汽單耗一般為 10~18GJ/t，部分企業(yè)采用的二效蒸發(fā)也難以滿足當(dāng)下節(jié)能降耗的更高要求。在此背景下，對(duì)硫酸銅蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，開發(fā)更高效、節(jié)能的多效蒸發(fā)工藝，成為推動(dòng)硫酸銅行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的重要方向。以下是2025年硫酸銅行業(yè)技術(shù)分析。
《2025-2030年中國硫酸銅行業(yè)市場(chǎng)調(diào)查研究及投資前景分析報(bào)告》指出，硫酸銅蒸發(fā)前液的物料性質(zhì)對(duì)蒸發(fā)工藝設(shè)計(jì)至關(guān)重要，其中密度與沸點(diǎn)、沸點(diǎn)與真空度的關(guān)系直接影響蒸發(fā)過程的參數(shù)設(shè)定。由于不同密度的硫酸銅蒸發(fā)前液雜質(zhì)含量和溶解度存在差異，其沸點(diǎn)也有所不同，且硫酸銅溶液的沸點(diǎn)隨著密度的升高而升高。通過實(shí)驗(yàn)研究得出，當(dāng)前液密度在 1.21~1.40g/cm3 范圍時(shí)，溶液的沸點(diǎn)對(duì)應(yīng)在 100~108℃，具體密度與沸點(diǎn)梯度數(shù)據(jù)如下：密度為 1.21g/cm3 和 1.22g/cm3 時(shí)，沸點(diǎn)均為 100℃;密度 1.32g/cm3 時(shí)，沸點(diǎn) 103℃;密度 1.34g/cm3 時(shí)，沸點(diǎn) 104℃;密度 1.36g/cm3 時(shí)，沸點(diǎn) 106℃;密度 1.38g/cm3 時(shí)，沸點(diǎn) 107℃;密度 1.40g/cm3 時(shí)，沸點(diǎn) 108℃。
同時(shí)，水的沸點(diǎn)隨著真空度的增大呈遞減關(guān)系，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景中的海拔高度，對(duì)水的沸點(diǎn)與硫酸銅蒸發(fā)前液的沸點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比并差異化校正，得出相同條件下蒸發(fā)前液的沸點(diǎn)與水的沸點(diǎn)差 ΔC=6℃。硫酸銅蒸發(fā)前液沸點(diǎn)與真空度的具體關(guān)系如下：當(dāng)真空度處于 - 0.002~+0.001kPa 區(qū)間時(shí)，水的沸點(diǎn)為 94.5~100℃，蒸發(fā)前液沸點(diǎn)為 100~106℃;真空度在 - 0.04~-0.06kPa 時(shí)，水的沸點(diǎn) 76~87℃，蒸發(fā)前液沸點(diǎn) 82~93℃;真空度為 - 0.05~-0.07kPa 時(shí)，水的沸點(diǎn) 69~81℃，蒸發(fā)前液沸點(diǎn) 75~87℃。這些數(shù)據(jù)為后續(xù)硫酸銅三效混流真空蒸發(fā)系統(tǒng)的開發(fā)提供了重要依據(jù)。
多效蒸發(fā)通過對(duì)蒸發(fā)過程中二次蒸汽的再利用，可減少生蒸汽消耗，提高蒸發(fā)裝置經(jīng)濟(jì)性。生蒸汽的經(jīng)濟(jì)性以蒸發(fā)每公斤水分所需生蒸汽的量來定義，計(jì)算公式為 Γ=D/W(其中 Γ 為生蒸汽的經(jīng)濟(jì)性，D 為生蒸汽消耗量，單位 kg/h，W 為蒸發(fā)量，單位 kg/h)。從理論計(jì)算來看，1kg 生蒸汽在第一效可產(chǎn)生 1kg 二次蒸汽，將其引入第二效又可蒸發(fā) 1kg 水，雙效總蒸發(fā)量 W=W?+W?=2D，即 W/D=2，以此類推，三效 W/D=3，第 n 效 W/D=n。
不同效數(shù)蒸發(fā)裝置的蒸汽消耗情況存在差異，具體數(shù)據(jù)如下：一效理論蒸汽消耗量為 1kg 蒸汽 /kg 水，對(duì)應(yīng) 1kg 水 /kg 蒸汽，實(shí)際蒸汽消耗量 1.1kg 蒸汽 /kg 水，0.91kg 水 /kg 蒸汽;二效理論蒸汽消耗量 0.5kg 蒸汽 /kg 水，2kg 水 /kg 蒸汽，實(shí)際 0.57kg 蒸汽 /kg 水，1.75kg 水 /kg 蒸汽，較一效節(jié)約蒸汽 30%;三效理論 0.33kg 蒸汽 /kg 水，3kg 水 /kg 蒸汽，實(shí)際 0.40kg 蒸汽 /kg 水，2.50kg 水 /kg 蒸汽，較二效節(jié)約蒸汽 25%;四效理論 0.25kg 蒸汽 /kg 水，4kg 水 /kg 蒸汽，實(shí)際 0.30kg 蒸汽 /kg 水，3.33kg 水 /kg 蒸汽，較三效節(jié)約蒸汽 10%;五效理論 0.2kg 蒸汽 /kg 水，5kg 水 /kg 蒸汽，實(shí)際 0.27kg 蒸汽 /kg 水，3.70kg 水 /kg 蒸汽，較四效節(jié)約蒸汽 7%。
此外，二次蒸汽的溫度和氣化潛熱也隨效數(shù)變化，一效二次蒸汽壓力 273.3kPa，溫度 130.2℃，氣化潛熱 2177.3kJ/kg;二效壓力 146.6kPa，溫度 110.5℃，氣化潛熱 2231.0kJ/kg;三效壓力 20kPa，溫度 60.1℃，氣化潛熱 2354.9kJ/kg。
雖然隨效數(shù)增多蒸汽節(jié)約量增加，但效數(shù)增多會(huì)導(dǎo)致設(shè)備費(fèi)用線性遞增，且四效到五效僅節(jié)約 10% 蒸汽，同時(shí)蒸發(fā)器總有效溫差會(huì)隨效數(shù)增加而減少，為保證傳熱有效性，每效溫差不能小于 5~7℃，非電解質(zhì)溶液可取 4~6 效，而硫酸銅蒸發(fā)前液屬電解質(zhì)溶液，結(jié)合其屬性、二次蒸汽潛熱及綜合性價(jià)比，最終確定開發(fā)硫酸銅三效混流真空蒸發(fā)系統(tǒng)。
硫酸銅電解液三效混流真空蒸發(fā)工藝中，電解液依次經(jīng)過三效、一效和二效分離室，在不同溫度和真空度下實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)濃縮，僅需一效生蒸汽作為熱源，一效、二效二次蒸汽分別作為二效、三效的加熱介質(zhì)，充分利用各效余熱。
從電解液走向來看，電解液先經(jīng)進(jìn)料泵和三效軸流泵進(jìn)入三效板式換熱器，由二效二次蒸汽加熱至接近沸點(diǎn)，混合物通過三效汽液混合連接管進(jìn)入三效汽液分離室，含酸水蒸汽向上經(jīng)三效二次蒸汽管進(jìn)入帶冷卻水循環(huán)的板式冷凝器，三效汽液分離室借助冷卻水板式換熱產(chǎn)生負(fù)壓真空，同時(shí)通過真空系統(tǒng)對(duì)一、二、三效抽真空以降低電解液蒸發(fā)沸點(diǎn)，三效二次蒸汽在板式冷凝器冷凝成水，未蒸發(fā)電解液回到三效汽液分離室繼續(xù)循環(huán)加熱。當(dāng)三效汽液分離室內(nèi)電解液濃縮至密度 1.24~1.28g/cm3 時(shí)，部分通過控制閥和一效進(jìn)液泵打入一效汽液分離室，再經(jīng)一效軸流泵進(jìn)入一效板式換熱器，由生蒸汽加熱，汽液混合物通過一效混合連接管回到一效汽液分離室，含酸水蒸汽經(jīng)一效二次蒸汽管進(jìn)入二效板式換熱器，未蒸發(fā)電解液繼續(xù)循環(huán)加熱。當(dāng)一效汽液分離室內(nèi)電解液濃縮到特定密度后，部分通過控制閥和二效進(jìn)料泵打入二效汽液分離室，經(jīng)二效軸流泵進(jìn)入二效板式換熱器，被加熱的汽液混合物通過二效二次蒸汽進(jìn)口管進(jìn)入三效加熱室，其余部分在二效軸流泵作用下循環(huán)加熱至終點(diǎn)出液密度 1.36~1.38g/cm3，再通過控制閥和二效出液泵排出進(jìn)入終液槽。其中，分離室(也稱沸騰室)用于使物料在飽和蒸汽間壁加熱下沸騰，加熱室為板式換熱器加熱部分，循環(huán)冷卻塔提供冷卻水源，板式冷凝器用于二次蒸氣與冷卻水的換冷。
在生蒸氣及冷凝水走向方面，一效采用生蒸汽換熱，產(chǎn)生的生蒸汽冷凝水回電解冷凝水系統(tǒng)供電解內(nèi)部使用。二次蒸氣及含酸冷凝水走向?yàn)椋阂恍Мa(chǎn)生的二次蒸汽用于二效換熱器換熱，二效產(chǎn)生的二次蒸汽用于三效換熱器換熱，換熱后產(chǎn)生的含酸冷凝水進(jìn)入含酸汽水槽供電解系統(tǒng)回用。
針對(duì)硫酸銅三效混流真空蒸發(fā)工藝流程特性，開發(fā)了全自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)流程工藝參數(shù)、儀控信號(hào)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、故障報(bào)警信號(hào)等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。該控制系統(tǒng)采用 PLC 對(duì)整個(gè)生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)視和控制，將重要工藝參數(shù)引至控制室，實(shí)現(xiàn)集中顯示、記錄、報(bào)警和控制。PLC 控制系統(tǒng)由操作員站和控制站兩部分組成，二者通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接，各種組合畫面在操作員站上顯示，控制站通過組態(tài)完成相關(guān)控制功能。
系統(tǒng)按電 - 儀一體化設(shè)計(jì)，生產(chǎn)過程中所有重要的檢測(cè)控制信號(hào)、主要工藝運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)、泵的故障信號(hào)及電氣聯(lián)鎖均可從流程畫面上監(jiān)視，既能實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行工況的監(jiān)視和調(diào)整，也能應(yīng)對(duì)異常工況的報(bào)警和緊急事故處理，整個(gè)生產(chǎn)過程通過操作員站進(jìn)行集中監(jiān)控管理，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)過料變頻控制。
為解決蒸汽壓忽高忽低問題，開發(fā)了蒸汽 - 溫度 PID 自動(dòng)調(diào)節(jié)控制技術(shù)，根據(jù)一效分離室溫度自動(dòng)控制蒸汽開度，在節(jié)約蒸汽的同時(shí)避免一效蒸汽壓力過高帶來的安全隱患。同時(shí)，采用液位聯(lián)鎖冷凝水放液(通過液位聯(lián)鎖真空系統(tǒng)自動(dòng)排放含酸冷凝水)和時(shí)間控制冷凝水放液(設(shè)定放液時(shí)間實(shí)現(xiàn)周期性排含酸冷凝水)兩種方式，有效保證真空度，不僅提高了自動(dòng)化程度，還實(shí)現(xiàn)了冷凝水槽放液系統(tǒng)的 “二保一”，增加了自控的靈活性和保障性。
硫酸銅生產(chǎn)采用的電解液化學(xué)成分如下：H?SO?含量 166.1g/L，Cu 含量 46.57g/L，As 含量 6.43g/L，Ni 含量 17.18g/L，Sb 含量 0.40g/L，Bi 含量 0.20g/L，F(xiàn)e 含量 1.54g/L，Te 含量 0.015g/L，Cl 含量 0.054g/L。從成分?jǐn)?shù)據(jù)可知，硫酸銅蒸發(fā)前液中雜質(zhì)較多，尤其 As、Ni 含量較高，且各雜質(zhì)溶解度會(huì)隨溫度和酸度發(fā)生梯度變化，對(duì)硫酸銅產(chǎn)品質(zhì)量存在一定影響。
硫酸銅三效混流真空蒸發(fā)工藝參數(shù)具體如下：三效真空度 - 0.04~-0.07MPa，溫度 60~80℃，密度 1.22~1.28g/cm3，液位 1.8m;一效真空度 + 0.035~-0.002MPa，溫度 90~120℃，密度 1.28~1.34g/cm3，液位 1.0m;二效真空度 - 0.03~-0.05MPa，溫度 70~110℃，密度 1.36~1.38g/cm3，液位 1.0m。
該工藝中蒸汽采用順流方式：一效生蒸汽→二效分離室→三效分離室→板式冷凝器;濃縮液采用混流方式：電解液→三效分離室→一效分離室→二效分離室?；炝鞴に嚲哂酗@著優(yōu)勢(shì)，60~65℃的蒸發(fā)前液優(yōu)先進(jìn)入三效，在二效二次蒸汽作用下短時(shí)間內(nèi)加熱至大于 75℃即可沸騰蒸發(fā)，且當(dāng)一效生蒸汽壓力在 0.14MPa 時(shí)，就能滿足三效混流真空蒸發(fā)系統(tǒng)的運(yùn)行要求。
從生產(chǎn)性能指標(biāo)來看，該硫酸銅三效混流真空蒸發(fā)系統(tǒng)小時(shí)處理量為 9.5~11m3/h，小時(shí)蒸汽消耗量 2.0~2.5t/h，小時(shí)含酸冷凝水量 5~7m3/h，小時(shí)終點(diǎn)出液量 6~8m3/h;日處理量 230~260m3/d，日蒸汽消耗量 50~60t/d，日含酸冷凝水量 120~160m3/d，日終點(diǎn)出液量 140~190m3/d，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
對(duì)硫酸銅三效混流真空蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的二次蒸汽冷凝水成分及性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，并與工業(yè)軟水指標(biāo)對(duì)比，結(jié)果如下：二次冷凝水含硫酸 1.61g/L、銅 0.63g/L、硬度 0.017mg/L、電導(dǎo)率 47.9μs/cm、氯離子 9.6mg/L;工業(yè)軟水指標(biāo)要求硬度≤0.03mg/L、電導(dǎo)率≤300μs/cm、氯離子≤12mg/L(對(duì)硫酸和銅含量無明確限定)。
在三效混流真空蒸發(fā)系統(tǒng)中，分離室頂部采用了獨(dú)特的捕沫裝置，使得二次蒸汽冷凝水的銅、酸含量均低于常壓蒸發(fā)系統(tǒng)，且二次蒸汽冷凝水的電導(dǎo)率、氯根、硬度等含量均符合軟水控制指標(biāo)，表明該冷凝水可回用于電解系統(tǒng)。
工藝技術(shù)指標(biāo)對(duì)比：硫酸銅三效混流真空蒸發(fā)系統(tǒng)投入使用后，運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)良好。與常壓蒸發(fā)相比，硫酸銅蒸汽單耗下降 45%，按蒸汽單價(jià) 30 元 / GJ(內(nèi)部結(jié)算價(jià))計(jì)算，年節(jié)省蒸汽創(chuàng)效益 224 萬元;系統(tǒng)每日回收二次蒸汽冷凝水 120m3，按生產(chǎn)水 11.9 元 /t(內(nèi)部價(jià))計(jì)算，年節(jié)約成本約 47 萬元，每年直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá) 300 萬元以上。在蒸發(fā)效率方面，蒸發(fā)濃縮 8m3 原始密度 1.22g/cm3 的硫酸銅蒸發(fā)前液，采用常壓蒸發(fā)達(dá)到出液密度 1.36g/cm3 需要 9h，而采用三效混流真空系統(tǒng)僅需 2h，在相同處理量條件下，三效混流真空蒸發(fā)工藝效率提高 300%。
硫酸銅產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)比：將硫酸銅三效混流真空蒸發(fā)技術(shù)與現(xiàn)有結(jié)晶和離心分離技術(shù)配合使用，取得了良好的生產(chǎn)指標(biāo)。對(duì)比常壓蒸發(fā)與三效混流真空蒸發(fā)工藝所產(chǎn)硫酸銅產(chǎn)品的雜質(zhì)成分，結(jié)果如下：常壓蒸發(fā)產(chǎn)品中 As 含量 0.0072%、Pb 含量 0.0022%、Fe 含量 0.113%、Ni 含量 0.21%、Zn 含量 0.166%、Cd 含量 0.000039%、Sb 含量 0.0048%、Bi 含量 0.00092%;三效混流真空蒸發(fā)產(chǎn)品中 As 含量 0.0012%、Pb 含量 0.0043%、Fe 含量 0.115%、Ni 含量 0.265%、Zn 含量 0.0058%、Cd 含量 < 0.0001%、Sb 含量 0.0022%、Bi 含量 < 0.0001%。同時(shí)，通過對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的持續(xù)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，采用三效混流真空蒸發(fā)技術(shù)后，硫酸銅主品位穩(wěn)定控制在 95%~96%，水不溶物含量在 0.005%~0.012%。
將硫酸銅三效混流真空蒸發(fā)工藝生產(chǎn)粗制硫酸銅與國內(nèi)單效真空蒸發(fā)工藝生產(chǎn)粗制硫酸銅的關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)三效混流真空蒸發(fā)工藝技術(shù)指標(biāo)明顯更優(yōu)，在蒸汽消耗、蒸發(fā)效率、產(chǎn)品質(zhì)量等方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)，具備在行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用的價(jià)值。
硫酸銅三效混流真空蒸發(fā)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，為銅冶煉行業(yè)硫酸銅生產(chǎn)提供了高效、節(jié)能、環(huán)保且全自動(dòng)化的解決方案。該技術(shù)通過對(duì)硫酸銅蒸發(fā)前液物料性質(zhì)的精準(zhǔn)分析，確定了適宜的三效工藝，設(shè)計(jì)了科學(xué)的混流蒸發(fā)流程，并配套開發(fā)了全自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)過程的全面監(jiān)控和穩(wěn)定調(diào)控。
在生產(chǎn)實(shí)踐中，該技術(shù)展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)：大幅度提高了硫酸銅蒸發(fā)效率，較常壓蒸發(fā)效率提升 300%;有效降低了蒸汽消耗，蒸汽單耗下降 45%，同時(shí)每日回收 120m3 二次蒸汽冷凝水回用于生產(chǎn)，每年直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá) 300 萬元以上;生產(chǎn)的硫酸銅產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，主品位控制在 95%~96%，水不溶物含量低，部分雜質(zhì)含量低于常壓蒸發(fā)產(chǎn)品;系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化程度高，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，解決了傳統(tǒng)硫酸銅蒸發(fā)工藝存在的蒸發(fā)效率低、蒸發(fā)時(shí)間長、蒸汽單耗高等行業(yè)共性難題，為 2025 年及未來硫酸銅行業(yè)技術(shù)發(fā)展提供了重要的技術(shù)支撐，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
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