年产7万吨锌锭的湿法炼锌浸出车间的设计讲解.docx

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年产7万吨锌锭的湿法炼锌浸出车间的设计讲解

第三章锌电积工艺过程及设备计算

3.1概述

工业上从硫酸锌水溶液中电解沉积锌有三种工艺：

即低酸低电流密度法（标准法）；中酸中电流密度法（中间法）和高酸高电流密度法。

目前我国多采用中酸中电流密度法的下限，低酸低电流密度法上限的电解法。

表3-1为三种方法的比较。

表3-1锌电积三种工艺的比较

工艺方法

电解液含

H2SO4（克/升）

电流密度

（安/米2）

优缺点

酸低电流密度法（标准法）

110--130

300--500

耗电少，生产能力小，基建投资大

中酸中电流密度法（中间法）

130--160

500--300

生产操作比前者简单，生产能力比前者大但比后者小基建投资小

高酸高电流密度法

220--300

800～1000甚至大于1000

生产能力大；耗电多；电解槽结构复杂。

3.2设计任务

设计生产能力为7万吨锌锭的电解设备

3.3原始资料

3.3.1设进入电解槽的电解液成份如表3-2所示：

表3-2进入电解槽的电解液成份（克/升）

组成

Zn

Fe

Cd

Cu

CO

　Mn

（克/升）

120

0.045

0.005

0.0004

0.005

4.720

3.3.2电解后电解废液成份如表3-3所示

表3-3电解废液成份（克/升）

组成

Zn

Fe

Cd

Cu

CO

　Mn

（克/升）

46

0.028

0.003

0.0002

0.005

3.217

3.3.3一些技术条件及技术经济指标

用于制造锌粉之锌锭占年产锌锭量的百分比，β=0.028；年工作日为330日。

阴极锌熔铸直收率η1=97%

阴极电流密度D阴=520安培

槽电压V槽=3.20伏

电流效率ηi=98%

阴极规格长×宽×厚=1000×666×4（毫米）

3.4工艺过程及设备计算

3.4.1物料平衡及电解槽计算

阴极锌成份的计算

在电积过程中，一部分铜、铁、镉与锌一齐在阴极上沉积，一升电解液得到的阴极锌含金属量如表3-4所示。

表3-4一升电解液沉积的金属量（克）

组成

Zn

Fe

Cd

Cu

共计

（克）

64.00

0.005

0.002

0.0002

64.0072

铅-银阳极在电解过程中被腐蚀，使一部分铅进入到阴极锌中。

设阴极锌含铅0.006%则进入到阴极锌中铅的量为：

克

那么阴极锌的成份如表3-5所示。

表3-5阴极锌成份

组成

Zn

Pb

Fe

Cd

Cu

共计

重量（克）

64.00

0.0038

0.0050

0.0020

0.00020

64.0110

%

99.983

0.006

0.0078

0.003

0.0003

100

3.4.2所需电解槽数量的计算

（1）每日应产出的阴极锌量的计算。

Q1=

吨

式中：

Q1----每日应产出阴极锌的数量，吨；

Q----设计生产能力，吨锌锭/年；

β----用于制造锌粉之锌锭占年产锌锭量的百分比，%；

m----年工作日，日；

η----阴极锌熔铸直收率，%。

Q1=

吨/日

（2）阴极有效总面积及片数的计算

阴极有效总面积的计算。

×106米2

式中：

F-----阴极有效总面积，米2

Q-----每日产出的阴极锌量，吨；

D-----阴极电流密度，安培/米2；

η-----电流效率，%；

1.2195----锌的电化当量，克/安培；

24-----电解析出时间，小时。

F=

×106=15086米2

阴极边上装有塑料绝缘条，没边各占区阴极板宽7毫米，阴极浸没于电解液的深度为0.87米，则每片阴极的有效面积（按两面计）为：

f阴=0.87×（0.666-0.007×2）×2=1.13米2

故共需阴极片数n=

=

片

设一个电解槽装阴极片32块，则共需电解槽数为：

个

每个电解槽的阴极总面积为：

1.13×32=36.16米2

取备用电解槽24个，则一共有电解槽560个。

这就可把电解槽分为两个系列。

每个系列有280个电解槽，在每个系列中可按35个电解槽组成一组，共八组为一系列。

3.4.3电解槽内部尺寸大小的计算

电解槽内部宽度的计算。

设阴极边缘到槽壁距离为95毫米，则电解槽内宽为：

B=666+2×95=856≈860毫米

电解槽内部长度计算。

设每片阴极厚度为5毫米，每片阳极厚度为10毫米，阴阳极间距离为34毫米，电极到两端壁距离为125毫米，每个电解槽有阴极片32片，阳极片33片。

则电解槽内部长度为：

L=32×5+33×10+32×2×34+125×2=2916毫米

电解槽内部高度的计算。

设槽内液面至槽面的距离为100毫米；槽内阴极浸入电解液的深度为880毫米；阴极下部端缘距槽低500毫米。

则电解槽的内高位：

H=100+880+500=1480毫米

故电解槽的内部尺寸为：

长×宽×高=2916×860×1480（毫米）

电解槽容积（不设槽内冷却器）为：

V槽=L×B×H=2.916×0.86×1.48=3.711米2

电解槽体的材料有木质及钢筋混凝土两种。

目前多采用钢筋混凝土电解槽。

电解槽内衬耐腐蚀的材料有：

铅皮、聚氯乙烯、环氧玻璃钢、辉绿岩等。

3.4.4通过电解槽电流强度的计算

一个电解槽的阴极总面积为36.16米2

故电流强度I=36.16×520=18803安培

设富余5.4%则I=18808×1.054=19818.362安培

3.4.5整流设备选择

整流设备总功率按下式计算。

式中：

W-----整流设备总功率，千瓦；

Q-----每天应产出的阴极锌总量，吨；

E-----槽电压，伏，取E=3.25伏

则

千瓦

系列中的电压降为总电压降的1-2.5%，取1.5%，则总电压降为：

280×3.20×（1+0.015）=909.44伏

选用GHS-10000/0-800硅整流器。

单台功率8000千瓦。

故需整流器台数为：

台取4台

每系列由2台硅整流器供电，总电流为：

10000×2=20000安培。

整流器设备功率与电解槽数量要求相适应。

3.4.6进入电解槽电解液数量的计算

供给一个电解槽的电解液数量可按如下计算。

式中：

Q-----进入一个电解槽的中性电解液数量，升/小时；

I-----通过电解槽的电流强度，克/安培；

q-----锌的电化当量，1.2195，克/安培

η----电流效率，%

N-----电解槽数目，个

P----中性电解液含锌量，克/升；

p-----废电解液含锌量，克/升。

故

升/小时

一个电解槽每天需中性电解液数量为：

303.7×24=7289升/天

全部电解槽每天共需中性电解液数量为：

7289×417=3040米3

3.4.7废电解液数量的计算

一小时供中性电解液303.7升，含锌120克/升，此时电解液比重为1.258。

因此中性电解液重量为：

公斤

在阳极上析出氧量为：

公斤

电极反应为：

ZnSO4+H2O→Zn+H2SO4+1/2O2（直流电）

析出的锰的量为：

公斤

故共析出：

19.437+4.804+0.456=24.697公斤

剩余：

382.05-24.697=357.35公斤。

电解时有一部分电解液被蒸发而损失。

设每平方米电解液表面每小时蒸发损失一公斤电解液。

电解液表面积为：

S槽—S极=2.508—0.328=2.18米2

则蒸发损失为：

2.18×1=2.18公斤。

由于电解液飞溅液要损失一部分电解液，设为0.3%，则飞溅损失为：

303.7×0.003=0.911公斤

损失电解液量一共为：

2.18+0.911=3.09公斤

故从一个电解槽每小时流出的废电解液量为：

357.35—3.07=354.28公斤/小时

设此时电解液的比重为1.18，则废电解液的体积为：

升/小时

3.4.8进入阳极泥中各成分的计算

设阳极消耗的铅量诶：

每吨阴极锌为1.5公斤。

则析出20.173公斤锌，消耗铅量为：

公斤

进入阴极锌中的铅量为：

公斤

进入阳极泥中的铅量为：

0.0303—0.00012=0.03018公斤

换算成PbO2=

公斤

（其中Pb=0.03018公斤，O2=0.0462公斤）

一个电解槽沉淀的锰量为0.456公斤

换算成MnO2=

公斤

（其中Mn=0.456公斤，O2=0.265公斤）

故进入阳极泥的总量为：

0.03487+0.721=0.7558公斤

（其中O2=0.2998公斤）

3.4.9进入大气中的氧量

4.804—0.00465—0.265=4.5344公斤

3.4.10编制一个电解槽的物料平衡

根据以上计算结果，编制一个电解槽的物料平衡，如表3-6所示。

表3-6一个电解槽的物料平衡

加入

产出

序号

项目

公斤

%

序号

项目

公斤

%

1

中性液

382.05

99.99

1

阴极锌

19.437

5.09

2

从阳极进入的铅

0.03018

0.01

2

阳极泥

0.7558

0.198

3

废电解液

354.28

92.72

4

进入大气中的氧

4.5344

1.19

5

损失

3.07

0.8

6

误差

-0.00292

共计

382.08018

共计

382.08012

100

3.5电解槽热平衡计算

通常以单个电解槽为基础进行计算，然后计算出全车间或一个系列电解槽在电解过程中总的剩余热量。

电解槽热平衡按下面式子计算。

Q电流+Q新=Q废＋Q蒸＋Q溅＋Ｑ辐＋传＋Ｑ余　

式中：

　Q电流　-------电流通过产生的热量，千卡/小时；

　　　　Q新　-------新液带入热量，千卡/小时；

　　　　Q废　-------电解废液带走的热量，千卡/小时；

　　　　Q蒸　-------电解液表面蒸发损失的热量，千卡/小时；

　　　　Q溅　-------电解液喷溅损失的热量，千卡/小时；

　　　　Ｑ辐＋传　-------辐射、对流和传导损失的热量，千卡/小时；

　　　　Ｑ余　-------剩余的热量，千卡/小时。

3.5.1热收入

（1）电流通过电解液产生的热量

Q电流=0.239IEt×10-3千卡/时

式中：

I-------通过电解槽的电流，18803安培；

E-------为电解液、极板、阳极泥及浓差极化的电压降。

在一般情况下，占槽电压的20%。

即E=3.20×0.2=0.64伏

t--------通电时间，秒，3600秒；

故Q电流=0.239×18803×0.64×3600×10-3=10354千卡/时。

（2）新液带入热量

Q新=m1c1t1千卡/时

式中：

m1------单位时间进入电解槽的新液重量，公斤/小时

c1-------新液比热，千卡/公斤·℃；

t1------加入新液的温度，℃。

从冶金计算得知，进入电解槽的新液量为：

382.05公斤/时。

电解液配液采用大循环方式进行，新液：

废液=1:

5，要求混合后进入电解槽新液温度为35℃，此时电解液的比热为：

0.78千卡/公斤·℃。

Q新=382.05×0.78×35=10430千卡/时

Q收=10430+10354=20784千卡/时。

3.5.2热支出

（1）废电解液带走的热

废电解液为354.28公斤/小时，设废电解液温度为40℃，此时电解液的比热为0.8千卡/公斤·℃，则

Q废=354.28×40×0.8=11337千卡/时

（2）电解液表面蒸发损失的热

Q蒸=S液表面×W×q汽

式中：

S液表面-----电解槽中电解液有效表面积，米2；已求出S液表面=2.18米2；

W-------电解液表面蒸发损失的水量，公斤/米2·时。

根据铜电解液中水的蒸发量与温度的关系可确定40℃时电解液单位表面蒸发的水量W=1.公斤/米2·时；

q汽-------40℃时水的汽化潜热为578千卡/公斤。

故Q蒸=2.18×1.0×578=1260.04千卡/时。

（3）电解液飞溅损失的热量为：

0.911公斤

故Q溅0.911×40×0.8=29.2千卡/小时。

（4）辐射、对流和传导损失的热

Q辐+传=

（Q蒸+Q溅）=

（1260.04+29.2）=143.2千卡/时

Q支=11336+1260.04+29.152+143.2=12768.4

3.5.3剩余热

Q剩=21108-12768.4=8339.6千卡/时

根基计算结果，编制热平衡表如表3-7所示。

表3—7锌电解槽热平衡

热收入

热支出

序号

名称

千卡

%

序号

名称

千卡

%

1

电流产生热

10515.8

50.34

1

废液带走热

11336

54.74

2

新液带入热

10430

49.66

2

电解液蒸发损失热

1260.04

5.8

3

电解液飞溅损失热

29.152

0.14

4

辐射、对流、传导损失热

143.2

0.66

5

剩余热

8339.6

38.65

共计

20945.8

100

共计

20945.8

100

计算可知：

锌电解槽中热量大大过剩。

因此电解液必须冷却。

锌电解液冷却方法有以下几种：

（1）槽内冷却；

（2）真空蒸发冷却；（3）冷却塔冷却。

表3-8为各种冷却方法的适用条件及优缺点。

冷却方式的的选择，需根据工厂的生产规模、电流强度、循环方式、温度要求、气候条件和供水条件等因素，经多方案比较确定，可选择其中的一种或两种方式相结合的方案。

我国株洲冶炼厂原来才用真空蒸发冷冻机冷却电解液，实践表明，每年耗费蒸汽13万吨，电力320万度和循环冷却水2584万立方米。

据报道，该厂1980年起试建一台50平方米空气冷却塔，取得了满意的经济效益。

现在已改用空气冷却塔来冷却电解液，改造后，每年节约标准煤18000吨，节约经营管理费220万元。

经济效益显著。

可见，方案的选择是至关重要的。

表3-8锌电解液各种冷却方式比较

冷却方式

槽内冷却

真空蒸发冷却

冷却塔冷却

适用条件

生产规模小，电流强度小，一般为小循环，供水充足，水温低（一般为地下水）。

生产规模大，电流强度大，大循环，建厂地区气温高，湿度大。

生产规模大，电流强度大，大循环，建厂地区气温低，湿度小，供水困难，水价高。

优点

设备制造简单，容易上马；不需单独管理；无动力消耗。

不受地区气候条件限制，能保证电解液达到较低温度；电解槽利用系数大；由于蒸发时带走水份，克增加洗渣水量，降低渣中水溶锌；提高锌直收率，降低酸耗。

便于自动控制。

设备制造比较简单；投资少；不消耗水和蒸汽；经营费低；可蒸发部分水份。

缺点

间接热交换，水消耗量大；受地区气象条件限制；电解槽利用系数小；消耗有色金属。

设备制造复杂；蒸汽和水消耗量大；投资大能耗高；经营费用高；需经常清理结垢物。

受地区气温和湿度限制较严重，当电解液温度接近或超过空气湿球温度，不能采用。

第四章电解经济技术指标

4.1主要设备选择

4.1.1电解槽

（1）结构形式和内衬防腐材料的选择

电解槽一般为钢筋混凝土结构的长方形槽体，其出液端设有溢流堰和溢流咀。

当采用铅或塑料时，底部应留检漏孔。

电解槽通常为预制。

槽与槽间应留20-40毫米绝缘缝，槽壁与楼板间留有80-120毫米绝缘缝，电解槽低于支撑梁之间应置有绝缘瓷瓶或瓷砖。

电解槽的内衬防腐材料，通常的有铅板、塑料和环氧玻璃钢等；近年来有的厂试用无内衬辉绿岩钢筋混凝土电解槽。

电解槽内衬防腐材料及使用情况见表

4—1。

表5—1锌电解槽内衬防腐材料及使用情况

内衬防腐材料

铅板

聚氯乙烯

环氧玻璃钢

辉绿岩

内衬

沥青麻布或沥青毛毡或沥青马蹄脂隔离层，衬3—5毫米铅皮

隔离层同左，内衬3-5毫米软聚氯乙烯板，侧壁或底部应加设软或硬聚氯乙烯保护板

一底四布二面。

一纯环氧树脂为最好，也可掺入少量煤焦油或呋喃树脂，侧壁和底部加设塑料保护板

施工质量好，不需内衬，新槽发现渗漏时可加衬1-2层环氧玻璃布或呋喃树脂胶泥抹面

外部防腐

端壁：

沥青马蹄脂5-10毫米

侧壁：

沥青马蹄脂2-4毫米

端壁：

3毫米聚氯乙烯软板

端壁：

一底二布一面

侧壁：

二低二面

无防腐层

造价（元/米8）

800-1100

400-500

400-500

200-300

寿命（年）

约5

5-8

约5

适量好5年以上，质量差2-3年

优缺点

施工简便，易发生铅板砂眼穿孔，检漏困难，消耗大量有色金属，有微量铅溶解，影响阴极锌质量，但修补容易

施工简便，防腐性能好，修补容易，使用时间长后易老化变形，无保护板侧壁被极板碰破

施工较复杂，不能从外部检漏，使用时间长后有龟裂现象，环氧树脂供应困难，耐腐蚀性能好，修补容易，无保护板衬里，易被极板碰破

槽体施工困难，抗渗性尚未解决，干湿变化易龟裂，目前处于试用阶段

经比较决定我厂电解槽内衬防腐材料选用聚氯乙烯。

（2）阴极、阳极的选择

阴极：

阴极由极板、导电棒、导电片和绝缘条组成。

极板规格根据生产规模和材料供应情况而定，我厂阴极为高1000毫米，宽666毫米，厚4毫米的铝板。

导电棒用铝浇铸而成，吊环采用与导电棒一次浇铸成的铝吊环，以便于废旧极板的回收，板棒间可全部焊接或铸焊结合。

导电片用铜铝对焊导电片、铝板端与导电棒直接焊接，以减少其接触电压降。

绝缘条使用粘接聚乙烯条，粘接质量好可以与阴极同寿命。

阴极的数量除装槽外，应有一定的备用量，约为装槽数量的15%-20%。

阳极：

阳极由铅银合金板、导电棒和绝缘器组成。

铅银合金板有压延和铸造两种：

压延板强度大，寿命长；铸造板制造方便，重量轻，但寿命较短。

我厂选用压延板。

板面可制成格网式，格网式虽强度差，易弯曲，但增大了阳极面积，降低了阳极电流密度，重量轻。

板面尺寸比阴极小些，沉没于电解液中的各边比阴极小20毫米，为高980毫米，宽620毫米，厚6毫米。

导电棒为断面12～14×40～46毫米的紫铜板，先经镀锡，再外包铸2-3毫米厚的铅。

铸造阳极可同时浇铸，压延阳极时先铸好棒后焊接。

用橡胶绝缘器。

阳极的备用数量为装槽数的5-10%。

4.1.2新液貯槽和电解废液貯槽

为稳定生产，需貯存一定量的新液和电解废液，通常两者貯量相同，我厂按每天溶液消耗量的40-60%或8-16小时貯备。

貯槽槽体为钢筋混凝土捣制或钢板焊接。

电解废液貯槽为钢筋混凝土捣制内衬采用环氧玻璃钢。

新液貯槽采用钢板槽不需内衬。

表5-2为我厂锌电解车间溶液貯槽设计使用情况。

4.1.3溶液输送泵

锌电解车间的溶液有新液和电解废液。

新液无腐蚀性，可选用普通材料的清水离心泵。

电解废液含硫酸约10%，应选用耐腐蚀离心泵。

备用率取30-40%。

4.1.4桥式起重机

由于电解出装槽作业频繁，我厂属中型厂应选用带操纵室的重级工作制（JC=40%）双梁式起重机。

为安全着想起重机的绝缘设施，采用大车、小车和吊钩三道绝缘。

起重量一吊装最大重量物件为准，我厂为中型车间应选用3吨。

跨度按车间配置而定，中型车间厂房跨度12米，起重机跨度可选10.5米。

起重高度结合厂房高度而定应为12米。

起重机台数为每两列电解槽安装1台。

表4-2我厂锌电解槽及阴极、阳极规格

项目

单位

所设计厂

Ⅰ、Ⅱ系列

Ⅱ系列

电解槽：

槽数

长

宽

深

防腐材料

个

毫米

毫米

毫米

504

2818

860

1470

软聚氯乙烯

252

2818

860

1470

软聚氯乙烯

装槽最大极板数：

阴极

阳极

片/槽

32

33

32

33

阴极：

长

宽

厚

有效面积

重量

绝缘材料

毫米

毫米毫米

米2/片

公斤/片

1000

666

4

1.13-1.16

10.2-10.5

聚乙烯

1000

666

4

1.13-1.16

10.2-10.5

聚乙烯

阳极：

长

宽

厚

重量

绝缘材料

毫米

毫米

毫米

公斤/片

975

620

6

46（铸造网格板）

聚乙烯

975

620

6

46（铸造网格板）

聚乙烯

4.2辅助设备

（一）掏槽装置及阳极泥处置

1.工艺流程

电解槽中阳极泥的清理，采用机械处理。

目前多采用真空抽取法。

2.设备选择和配置要求

（1）真空设备可选用SZ-3或SZ-4型水环式真空泵1台。

其技术参数：

抽气量60～80公斤/时；吸气压力200～250毫米汞柱；排出压力780～800毫米汞柱，当工作蒸汽压力为3、4、5、6公斤/厘米2时，相应的蒸汽消耗量为900、600、450、350公斤/时。

（2）真空泵可低位安装。

真空泵与受液器之间设置气水分离器。

（3）受液器容积为1～2米2不锈钢制作，其直径与高度比为1：

2～3。

安装标高应在6～7米以上，以便阳极泥浆连续放出。

（4）液封槽槽体用钢筋混凝土制作，内衬环氧玻璃钢制作。

槽容积约1～2米2。

安装时应保持与受液器净高差大于6～7米。

4.3.技术操作条件及质量要求

1）熔铅锅

温度控制:

加氯化铵时大于700。

C；

加银粉时820～850。

C；

浇注时680～700。

C。

铅液成分：

Pd99%，Ag1%。

为防止银粉熔化和分布不均匀，可以先在小坩埚中将铅液（800～1000）和银锭（或银粉）配制成含银较高的铅银合金（含银约为30%），然后再熔铅锅中加电铅熔化成含铅99%、银1%的铅液进行浇铸。

也有时是在铅水温度800。

C以上时直接加入银粉，搅拌均匀后进行浇铸。

2）铸板和铸棒

要求外观平整，无飞边毛刺，铸板无空洞，尺寸符合要求。

导电棒的