1、 （ 本科毕业设计说明书学校代码： 10128学 号： 201230508116题 目 ： 年 产 1.0 万 吨 硫 酸 镍 工 艺 设 计学 生 姓 名 ： 闫 雪 东学 院 ： 化 工 学 院系 别 ： 化 学 工 程 系专 业 ： 化 学 工 程 与 工 艺班 级 ： 化 学 工 程 与 工 艺 12-4 班指 导 教 师 ： 梁 宏 波 中 级 工 程 师内蒙古工业大学本科毕业设计说明书二 一 六 年 六 月内蒙古工业大学本科毕业设计说明书摘 要当今，有色金属的生产开发决定着一个国家经济、科学和国防发展的物质基础，而镍作为一种战略储备金属，更是受到广泛的关注。镍的生产主要来源于硫化镍
2、矿，然而，随着硫化镍矿资源的大力开发，硫化镍矿资源日益枯竭，镍矿资源的开发利用迫在眉睫。为了能持续生产金属镍，人们把目光放在了低品位红土镍矿，低品位红土镍矿占世界镍资源的 60%以上，如何能有效的开发利用红土镍矿，成为当下生产镍金属的热点话题。在详细研究了现代镍冶金的理论基础上和在参考了大量文献和相关数据后，本设计采用了常压浸出红土镍矿生产硫酸镍工艺路线，其主要工艺有：原料红土镍矿首先经过选矿、洗矿、磨矿得到粒度合格的原料矿，与水混合后，送至搅拌反应器中与加入的硫酸反应浸出，硫酸与原矿比 1.5：3，固液分离后，滤渣经过洗涤后送到堆积场，浸出液经过中和除铁、中和沉淀、氨浸、萃取、反萃等工序富集
3、镍离子，得到高浓度硫酸镍溶液，送到蒸发器中蒸发结晶，并通过成品破碎机破碎硫酸镍晶体，包装出售。硫酸镍的日生产量约为 30.3030t，采用两台搅拌反应器浸出原料，每小时处理原料 33.1056t，硫酸每小时投入量为 22.0704t，浸出时采用亚硫酸钠还原针铁矿使三价铁离子还原成二价铁离子，释放出颗粒内的镍离子，提高了镍的浸出率；用调节剂调节 PH，加入钠离子，浸出液中的铁离子会生成黄钠铁矾沉淀；采用中和沉镍法分离碱金属和金属，使金属沉淀；采用氨浸法浸出沉淀物中的镍、钴、铜金属离子；采用萃取法萃取镍氨络离子溶液中的镍。采用反萃法反萃有机相中的镍离子，得到硫酸镍溶液，将硫酸镍溶液蒸发结晶，得到的
4、结晶硫酸镍达到国家 GB6392-86 二级品的要求。关键词：常压酸浸；还原剂；氨浸；萃取；反萃内蒙古工业大学本科毕业设计说明书AbstractToday, non-ferrous metal production and development determines a countrys economic, scientific and defense material basis for development, and as a strategic reserve of nickel metal, is subject to wide attention. Nickel producti
5、on is mainly from nickel sulfide ore, however, with the vigorous development of nickel sulphide ore resources of nickel sulfide ore resources are depleted, development and utilization of nickel ore resources is imminent. To be able to continue to produce nickel metal, people to look at the low-grade
6、 laterite nickel ore, low grade laterite nickel ore accounted for more than 60% of the worlds nickel resources, how effective development and utilization of laterite nickel ore, become the focus of the current production of nickel metal topic.In a detailed study of the theoretical basis of modern me
7、tallurgy of nickel on and in reference to the large number of documents and related data, the design uses a pressure leaching of nickel laterite nickel sulphate production process route, the main process are: raw material nickel laterite first through beneficiation , washing, grinding ore particle s
8、ize of qualified raw materials, mixed with water, to the stirred reactor for leaching the ore with sulfuric acid and sulfuric acid was added to 1.5: 3, after solid-liquid separation, to the residue after washing yard, and in the leaching solution after iron removal, and precipitation, ammonia leachi
9、ng, extraction, stripping and other processes enrichment of nickel ions, to obtain a high concentration of nickel sulfate solution, to the evaporator in the evaporation and crystallization, and refined by sulfuric acid crusher Ni crystals, packaged for sale. Nickel sulfate daily production of about
10、30.3030t, using two stirred reactor leaching raw materials, processing of raw materials per hour 33.1056t, sulfate inputs per hour 22.0704t, sodium sulfite reducing goethite leaching trivalent iron ions are reduced bivalent iron ions, the release of nickel ions granules improve the leaching rate of
11、nickel; adjust the PH with adjusting agent, sodium ion leaching solution of iron ions generated sodium jarosite precipitation; adopt and Nickel law the separation of alkali metal and metal, metal precipitation; leaching precipitate of nickel, cobalt, copper metal ion ammonia 内蒙古工业大学本科毕业设计说明书leaching
12、 method; extraction of nickel extraction using ammonia complex ion solution nickel. Stripping stripping method using the organic phase nickel ions, to obtain a solution of nickel sulfate, nickel sulfate, nickel sulfate will crystallize crystallization solution was evaporated to give the two products
13、 meet the requirements of the national GB6392-86.Keywords: atmospheric acid leaching; reductant; ammonia leaching; extraction; stripping内蒙古工业大学本科毕业设计说明书目录引言 1第一章 绪论 21.1 镍的发展概述 .21.2 镍的性质及用途 21.3 硫酸镍的用途 21.4 红土镍矿资源分布特点 31.4.1 红土镍矿的资源概况 .31.4.2 红土镍矿的利用现状 .4第二章 国内外红土镍矿处理工艺 62.1 火法工艺 62.1.1 镍铁工艺 .62.1.
14、2 火法镍锍工艺 .72.2 火法-湿法联合工艺 .82.2.1 还原焙烧-氨浸工艺 82.3 湿法冶金 92.3.1 加压酸浸工艺 .9第三章 常压浸出红土镍矿工艺选择与论证 113.1 酸浸 123.1.1 镍和铁的浸出电化学 .133.2 黄钠铁矾除铁 143.3 中和沉淀 15内蒙古工业大学本科毕业设计说明书3.4 氨浸 153.5 萃取 163.6 反萃取 17第四章 物料衡算 184.1 设计生产能力 184.2 酸浸工段衡算 204.3 黄钠铁矾除铁 234.4 中和沉淀 254.4 氨浸工段 264.5 萃取工段 274.6 反萃取工段 274.7 蒸发工段 284.8 干燥工
15、段计算 28第五章 热量衡算 315.1 浸出槽热量计算 .315.1.1 反应热计算 .315.1.2 硫酸溶解热计算 .325.1.3 物料升温热计算 .325.1.4 热损失计算 .335.2 萃取热量计算 335.3 反萃取热量计算 34第六章 设备选型 35内蒙古工业大学本科毕业设计说明书6.1 破碎机生产能力计算 356.2 混合澄清器计算 366.3 反萃取器混合室的计算 376.4 板式过滤机 37结论 39参考文献 40致谢 42内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1引言地球上镍矿资源主要是以红土镍矿为主，随着经济的快速发展和高品位硫化镍矿消耗，对低品位红土镍矿的开发越来越受到人
16、们的关注和重视，由于红土镍矿的类型不同，其生产工艺也各不相同。本设计是研究常压浸出红土镍矿的一篇论文，对常压浸出红土镍矿工艺做了详细的介绍，对原料、浸出条件、絮凝剂、PH 调节剂、沉淀剂、氨浸条件，萃取剂选择和选取的优势等，做了详细的解释。目前对红土镍矿的处理工艺非常之多，主要原因是原料的组成不同，经济发展情况不同和市场需求不同所造成的。近年来各种处理工艺都有了很大的进展，在其镍的浸出率、能源消耗和回收等方面有了很大的进展，但是还是充在成本高的问题，面对这样的问题，学者们提出了常压浸出红土镍矿的处理工艺，以降低生成成本高的问题，但是其浸出率偏低，还没有大规模应用于生产当中，本文提出了用还原剂强
17、化浸出红土镍矿，浸出率能达到 86%以上，如果能应用于工业中，那么常压浸出红土镍矿工艺，将成为未来的发展趋势。本设计对常压酸浸做了详细的介绍，镍的性质及用途，目前的发展状况和未来发展趋势，以及浸出的条件的确定，考察了不同调节剂的除杂效果，以及经济合理性，对还原剂使用原理的确定，以及萃取的选择，都做了一定的介绍，为实现工业化生产奠定了一点基础。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书2第一章 绪论1.1 镍的发展概述全世界镍资源的储量较为丰富，据不完全统计，镍在地球上的储量约为6400 万吨，其含量居世界第五位，仅次于硅、氧、铁、镁元素的含量，可见其储量非常巨大。镍作为人类经济发展比不可少的金属，其合理
18、有效生产越来越受到人们的关注。镍被发展的时间不长，1751 年首次发现了镍并提取制得。但是人类使用镍的时间很长，在中国春秋战国时期就有镍的使用了，专家们在兵器当中发现了镍的充在。中国镍冶金的发展是从 1953 开始的，当时上海冶金厂成功的从铜电解废液中生产出了硫酸镍，随着中国镍矿资源的不断发现和开采，我国的镍冶金才逐步发展起来，目前我国已经成为镍生产强国和消费大国 1。1.2 镍的性质及用途镍是一种银白色金属元素，属于族元素，原子序数为 28，相对原子量为58.69。镍的主要物理：熔点为 1455，沸点为 2730，具有强磁性和可塑性，有好的耐腐蚀性，有耐强酸 2， 有良好的磨光性能。镍在工业
19、中应用最广泛的是在不锈钢与特种合金领域，在合金中加入镍，能显著提高钢的机械强度，镍也在其他领域应用很广，比如在石油化工的氢化过程中做催化剂；制作化学电池；用于电镀；制作颜料和染料；制作陶瓷和铁素体等。近年来，镍又代替钴，成为最有潜力制作动力电池和二次电池的重要金属，也被广泛被应用于高能电池，镍钴二元材料和镍钴锰三元材料将会成为未来锂离子电池正极材料的必备之选，发展前景很大。1.3 硫酸镍的用途硫酸镍主要同于电镀行业，用在电镀行业的镍量约占世界生产总镍的10%，由于其性质优良，且性能好，目前电镀镍的加工量仅次于锌，位居第二。电镀层发生在阴极，在阴极上发生还原反应，其反应：Ni 2+2e=Ni,同
20、时也会伴内蒙古工业大学本科毕业设计说明书3随着一些副反应，阳极发生金属镍的电化学溶解。一般镀镍只作为防护装饰性镀层体系中的中间层和底层，这是应为镀镍层孔隙率较高，只有超过 25um，才是无孔的。目前主要工艺有普通镀镍和镀镍铁合金。1.4 红土镍矿资源分布特点地球上的镍资源比较丰富，已经勘察到的镍矿储量为 230 亿吨，含金属镍约为 2.2 亿 t，镍的矿产资源有两大类：氧化镍矿和硫化镍矿，硫化矿占镍矿资源 105 亿吨，含镍约有 6200 万吨，氧化镍矿占镍矿资源 126 亿吨，含镍 1.6 亿吨 3。目前镍产量主要来至于硫化物镍矿山，但是，近 20 年以来探测过称中，硫化镍矿在新资源上没有重
21、大突破，这就意味着，在未来的 3 到 5 年内硫化镍矿将会被开采完。1.4.1 红土镍矿的资源概况现已探明的红土镍矿资源多分布在南北回归线以内，如澳大利亚、巴布亚新几内亚、新喀里多尼亚、印度尼西亚、菲律宾和古巴等地，如表 1.1 为世界土镍矿分布情况。表 1.1 世界红土镍矿主要分布情况国家 4国家 储量/ 万 t（以镍及（计）古巴 2300新喀里多尼亚 1500印度尼西亚 1300澳大利亚 1100菲律宾 1100内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4多米尼加 900哥伦比亚 110委内瑞拉 70中国 50美国 18我国镍资源储量，据世界前列，现在已近勘察到的镍矿储量有 800 万吨，大部分主要
22、集中在甘肃金川，约占全国镍矿资源的 70%以上，其他省市分布较少，剩下的主要分布在新疆，云南，吉林等几个省市，储量都不多。我国红土镍矿资源较少，分布在红土镍矿中的镍占全国镍储量的 9.6%，无法满足我国镍的需求，因此我国还需要从国外进口原料，用来生产金属镍。来缓解国内原料供应压力。据不完全统计，我国在 2009 年进口镍矿约有 1642 万吨，其中进口的红土镍矿占 1586 万吨，主要从印度尼西亚和菲律宾等国家进口，表 1.2 为 20012010 年全球矿山镍产量，其中硫化镍矿产量约占 60%，红土镍矿产量约占 40%。表 1.2 全球矿山镍产量 5年份2001 2002 2003 2004
23、 2005 2006 2007 2008 2009 2010 硫化镍矿 71.33 71.16 71.33 71.85 79.84 83.97 81.47 84.69 74.54 93.34 产量/万 t红土镍矿 48.15 51.34 52.62 54.13 57.40 59.03 65.53 61.22 58.50 60.0产量/万 t合计/万 t 119.48 122.5 123.95 125.98 137.2 149.5 147.0 145.91 133.04 153.3内蒙古工业大学本科毕业设计说明书51.4.2 红土镍矿的利用现状2008 年，全球镍产量约为 135 万吨，其中有
24、55 万吨是由氧化镍矿生产的，占镍生产总量的 42%，全球镍总产量有 70%主要是由回转窑干燥预还原-电炉熔炼工艺生产制得，还原焙烧-氨浸工艺只占镍总生产的 21%，而高压酸浸工艺生产的镍只占总镍的 10%，目前，中国是全球最大的不锈钢消费国、最大的电池生产和消耗国，也是全球最大的合金生产和人造金刚石生产大国，在这样的局面下，中国的镍资源很难维持住这样的需求，所以我国大量的从国外进口红土镍矿，2009 年我国进口红土镍矿共计 1642 万吨，用来缓解国内原料供应的压力。本章小结：（1）本章节对镍的性质和用途做了一定的介绍，镍的性质非常好，镍作为战略储备金属，我们重视起来，对其生产工艺做深入研究
25、，合理利用其资源。（2）我国是镍的消费大国也是生产大国，我国镍资源储备相比其他国家较少，所以我国需要从国外进口原料，来缓解国内原料供给的压力。（3）由于硫化镍矿被使用的越来越少，在未来红土镍矿将作为镍生产的主要原料，所以我们要加大对红土镍矿处理工艺的研究，合理利用资源，能是我国经济稳定发展。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书6第二章 国内外红土镍矿处理工艺由于红土镍矿的组成不同，其处理方式也各不同相同，红土镍矿的处理工艺大致可以分为俩大类，即火法工艺、湿法工艺 10。目前世界上应用最多的是回转窑干燥预还原-电炉熔炼工艺，全世界约有 70%的镍都是由回转窑-电炉熔炼工艺生产的，虽然此工艺能耗较高，
26、但是其工艺成熟，镍矿的经济利用率高。其他生产工艺仅占 30%，但是为了节约成本了和较少设备的费用，也对其他工艺做了大量的研究，希望能找到更好的处理镍矿的工艺手段，然而目前还没有较大的进展。图 2.1 是对红土镍矿提取技术的分类 11。镍铁工艺火法镍锍工艺还原焙烧-氨浸工艺湿法 加压酸浸工艺红土镍矿常压酸浸工艺还原焙烧-磁选工艺火湿法结合还原焙烧-浮选工艺微生物浸出工艺其他方法 氯化冶金工艺流态化干燥预还原工艺内蒙古工业大学本科毕业设计说明书7图 2.1 红土镍矿提取技术的分类2.1 火法工艺2.1.1 镍铁工艺还原熔炼生产镍铁是世界上最常见的火法处理工艺，其主要原理是金属硫化物和与杂质氧化物几
27、乎不熔实现了金属和杂质的分录，而且硫可以很好的与金属反应，提取出其中的贵金属。其工艺具有流程短、效率高等优点，大致的工艺流程有矿石干燥、预热和煅烧，得到焙砂的加入电炉或鼓风机经过高温加热还原，产出粗镍铁合金。在 1000下还原熔炼和吹炼粗镍铁合金得到镍铁合金。红土镍矿粗镍铁内蒙古工业大学本科毕业设计说明书8图 2.2 还原熔炼工艺流程图2.1.2 火法镍锍工艺还原硫化熔炼处理红土镍矿生产镍锍 13的工艺使最早用来处理红土镍矿的工艺之一，最早是 1879 年在新喀里多尼亚建成第一个红土镍矿生产镍的工厂，当时，采用火法冶金的鼓风炉技术生产镍。苏联与 20 世纪 20 年代才开始镍的生产。其工艺流程
28、大致为，在 1500 到 1600的电炉中熔炼，熔炼过程中加入黄铁矿（FeS 2）或者硫磺和含硫的镍原料，提取矿石中的镍，生产低镍锍，产出的低镍锍通过转炉吹炼，生产出高镍锍，其工作原理同镍铁工艺基本相似。但是这种工艺污染较严重，且硫的利用率较低。图 2.3 为红土镍矿火法处理工艺流程。硫磺吹炼红土镍矿内蒙古工业大学本科毕业设计说明书9图 2.3 红土镍矿火法处理工艺流程火法工艺处理红土镍矿生产镍铁合金具有流程短，效率高等优点，但能耗较高，仅电耗就约占生产成本的 50%。而且金属回收率低，所以目前采用该工艺的生产厂家较少。2.2 火法-湿法联合工艺2.2.1 还原焙烧-氨浸工艺焙烧-氨浸工艺其主
29、要原理，在高温条件下焙烧，将镍和钴熔炼出来，变为金属态，铁则被氧化成三氧化二铁，然后采用氨的选择性浸出把其中大部分镍和少部分的钴提取出来，实现和杂质的分离，焙烧-氨浸工艺主要工艺流程为：矿石的破碎，还原焙烧，氨浸，固液分离，干燥煅烧得到氧化镍产品。其流程图如下：红土镍矿低镍锍吹炼镍、钴净化、回收氨浸还原焙烧干燥内蒙古工业大学本科毕业设计说明书10图 2.4 还原焙烧-氨浸工艺流程图2.3 湿法冶金湿法冶金工艺被认为是未来处理低品位红土镍矿的理想方法。与火法工艺相比，湿法工艺不需要那么高的温度，且能耗较少,成本低,环境友好等特点，生产厂家最受关注的一种工艺。红土镍矿湿法冶金工艺主要适合处理低品位
30、褐铁矿型或过渡层红土镍矿,这类矿石一般含镁都比较低，适合于酸浸，如果镁含量较高，则酸耗量会大大加大，目前采用较多的红土镍矿湿法冶金工艺主要有加压酸浸工艺(HPAL)和常压酸浸工艺(AL )17。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书112.3.1 加压酸浸工艺加压酸浸工艺，又称 HPAL 工艺，其浸出原理，铁、铝、铬的硫酸盐在高温时完全水解生成沉淀，而镍、钴的硫酸盐在高温下极其稳定，不发生水解，所以在高温浸出时，就能出去大量的杂质，对后续的处理很有利，而且镍、钴的浸出率也很高，适合处理低镁高铁类型的红土镍矿，其工艺流程为：在250270、 45MPa 的高温高压条件下，用稀硫酸将红土镍矿在高压釜里反
31、应，镍、钴氧化物与硫酸反应进入到溶液中，而铁在高温硫酸溶液中发生溶解和水解，溶解时消耗酸，而水解时又生成等量的酸。高压酸浸工艺(HPAL)具有能耗低、镍回收率高、钴浸出率较高等优点，缺点是设备费用高，操作条件苛刻。本章小结：本章对传统工艺和现代工艺做了简单的介绍，由于每个地区红土镍矿元素组分含量不同，所以导致其生产工艺也大不相同，虽然工艺多样化，但是都充在着一定的缺点，火法工艺能耗较高，湿法工艺，操作条件不易控制，浸出率较低，如何解决这些问题，是我们目前所要研究的主要任务。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书12第三章 常压浸出红土镍矿工艺选择与论证本次设计题目是年产一万吨硫酸镍（Nickel s
32、ulfate）工艺设计，采用硫酸和氨水联合常压浸出红土镍矿工艺生产硫酸镍，硫酸镍也称镍矾，是一种重要的化工产品及化工原料，充在形式有三种，六水硫酸镍、七水硫酸镍和无水硫酸镍。工业中主要生产的是六水硫酸镍和七水硫酸镍作为产品出售。图 3.1 为常压浸出红土镍矿工艺流程图。矿石98%硫酸碳酸钠氢氧化钠氨水 碳酸氢铵 Lix84 稀释剂内蒙古工业大学本科毕业设计说明书13稀硫酸硫酸镍图 3.1 常压浸出红土镍矿工艺流程图六水硫酸镍和七水硫酸镍主要应用于电镀行业，由于其镀层具有良好的物理化学性质，在电镀行业得到了快速发展，目前镀镍工艺多种多样，光亮镀镍和镀镍铁合金应用最为广泛。而电镀镍铁更具有优势，原
33、料硫酸镍较贵，用铁来代替一部分镍，可节约成本，且镀层的性能基本相同。硫酸镍是配镀镍的主要成分，是镍离子的唯一来源，六水硫酸镍常用于光亮镀镍，七水硫酸镍主要用于镀镍铁合金。表 3-1 工业标准 HG/T28241997指标名称/% 优等品 一等品 合格品 优等品 一等品 镍 2.15 21.0 20.5 21.0 20.8 钴 0.2 0.5 0.5 0.2 铁 0.002 0.005 0.005 0.002 0.005 铜 0.002 0.002 0.003 0.002 0.005铅 0.001 0.002 0.003 0.001 0.003锌 0.003 0.004 0.008 0.003
34、0.004内蒙古工业大学本科毕业设计说明书14钙 0.02 0.03 镁 0.015 0.02硝酸盐 0.01 0.01 0.02 水不溶物 0.03 0.04 0.05 0.02 0.03 氨 0.03 0.05氯化物 0.1 0.1 3.1 酸浸将镍含量为 1.0%的红土镍矿破碎后和水 4：1 混合后送到酸浸槽，加硫酸反应浸出镍金属，添加还原剂进一步强化浸出镍矿中的镍，提高浸出率。本工段利用了浸出反应热和硫酸的溶解热自热强化浸出，只需要对反应器外部做好保温措施，就不必对反应器进行加热，以提高温度达到浸出条件，具有节能和节约成本的优势。其主要化学反应如下：NiOH 2SO4NiSO 4H 2
35、O （3-1）CoOH 2SO4CoSO 4H 2O （3-2）Cr2O33H 2SO4Cr 2(SO4)33H 2O （3-3）MgOH 2SO4MgSO 4H 2O （3-4）2FeOOH2H 2SO4Na 2SO32FeSO 4Na 2SO43H 2O （3-5）常压酸浸工艺工艺简单，能耗相对其他工艺低和浸出不使用高压釜而大大减少了投资费。虽然常压浸出相对其他工艺有一定的优势，但也仅仅处于研究阶段,工业上没有应用到，这就说明该工艺还存在着一些问题，比如浸出率低，除渣较困难和产品纯度不高等问题。若能对其浸出率低这一问题继续加以改进，得到高的浸出率，那么常压浸出将成为未来处理红土镍矿生产镍的
36、主要工艺，内蒙古工业大学本科毕业设计说明书15并将对红土镍矿的冶炼工艺带来实质性改变。常压酸浸工艺浸出液中一般含有大量的铁和铝,并且酸耗量比较高。为了提高镍在常温下浸出率，学者们提出了很多策略。比如提高浸出温度和时间，温度的提高可以提高镍浸出动力学，但是因为是在常压下浸出，温度的提高得到了限制，只能在 100 度以下进行调整。控制氧化还原电位也可以提高浸出率，还原剂可以提高铁氧化物的溶解，表 3-2 是镍在不同矿物中的分布情况，我们可以看出镍主要分布在针铁矿中，与针铁矿赋充，含量达到 69.92%，常压浸出红土镍矿镍的浸出率之所以低，是因为针铁矿晶体结构在常压稀硫酸的条件下不易溶解，导致赋充在
37、其中的镍难以被释放出来，与硫酸反应浸出 20。受化学反应控制，提高温度和硫酸的浓度可以使浸出增大，但是在常压下温度受到限制，增加硫酸的量，又使生产成本增加。为了解决这一问题，提高镍浸出率，我们使用还原剂，破坏针铁矿结构使之溶解，释放出其中的镍，来达到镍浸出率的提高。表 3-2 红土镍矿的主要化学成分 /%Compasition TFe Ni Co SiO2 Al2O3 CaO MgO MnO2Content 43.9 1.03 0.13 3.9 10.44 3.16 0.99 1.253.1.1 镍和铁的浸出电化学亚硫酸钠在酸性溶液中不稳定，易分解为二氧化硫（式 3-1） ，作为还原剂来还原针
38、铁矿。SO32- + 2H+ = SO2 + H2O （3-6）在酸性条件下，FeOOH、SO 2 和 SO42-的还原半反应式和标准电极电势 (75C)如下式(3-2)和(3-3)，并可计算出反应方程式(3-4) 的标准电势差。FeOOH(s)+ 3 H+e- =Fe2+ +2H2O E1o=0.601V （3-7）内蒙古工业大学本科毕业设计说明书16SO42- +4 H+ +2e- = S02(aq) +2H2O E1o=0.222V （3-8）2FeOOH(s)+2H+ + SO2(aq) = 2Fe2+ + S042- +2H2O Eo=0.98V （3-9）反应式(3-4)的标准电势
39、差为 0.98V，大于 0，说明式(3-4)很容易发生；添加一定量的 Na2SO3 后，FeOOH 转化为 Fe2+，掺杂在其中的镍被释放出来并被酸溶解，因此镍的浸出得以强化。浸出过程可归纳为：(1)在酸性条件下，针铁矿可以被 Na2SO3 还原溶解(式 (3-5)； (2)随着针铁矿的溶解，掺杂在其结构中的镍在酸中被溶解出来( 式(5-23)。2FeOOH(s)+4H+ + SO32- =Fe2+ + S042- +3H2O （3-10） NiO +H+ =Ni2+ +H2O （3-11）3.2 黄钠铁矾除铁在湿法冶金中，铁是主要的也是最为有害的杂质之一，而且含量也很高，铁不仅影响溶解浸出过
40、程的正常进行，更影响下一个工段除杂的进行和产品质量好坏，所以在除杂时首先要先把铁出去。本设计采用黄钠铁矾除铁，得到的沉淀易澄清过滤和洗涤，夹带溶液少，吸附镍钴及其他离子少，相比于氢氧化铁沉淀除铁，其效果非常好。从浸出工段得到的上清液，含有大量的铁离子，且为了增大浸出率我们选用了强化还原浸出红土镍矿，得到溶液中铁离子大多为 Fe2+离子，而黄钠铁矾除铁需要的是 Fe3+离子，所以我们必须要加一定量的氧化剂，使 Fe2+氧化成Fe3+离子，本设计采用氯酸钠做氧化剂来氧化 Fe2+。反应如下：6Fe2+ClO 3-6H +6Fe 3+Cl -3H 2O （3-12）内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1
41、7使用氯酸钠主要目的有两个：第一个是用来氧化 Fe2+，第二个目的是为了提供钠离子，作为沉淀铁矾的离子。因为，在用还原剂强化浸出时就加入了一定量的钠离子，亚铁离子的氧化（Fe 2+）又加入了一定量的钠离子，所以在沉铁时不需要再加入钠离子，直接在上清液加入碳酸钙中和除铁，直到 PH 到 1.8-2.0 时停止加入，反应温度在85以上，就会产生黄钠铁矾沉淀，反应式如下：3Fe2(SO4)3Na 2SO412H 2ONa 2Fe(SO4)4(OH)126H 2SO4 （3-13）黄钠铁矾生成时会伴随着酸的生成，为了使铁继续沉淀，需加入 PH 调节剂来中和沉淀时所产生的酸，本设计采用调节剂为碳酸钙，相
42、比于碳酸钠，其优点为，工业碳酸钙成本低，易得到，能循环利用，使用效果同碳酸钠相同。但是，用碳酸钙做调节剂会有二水硫酸钙沉淀产生，且溶液中的钙浓度会达到饱和或过饱和，在送入其他工段进行生产时，随着温度的降低，二水硫酸钙会在管道滤布等设备中大量的结晶析出，堵塞管道，会危害到后续生产工艺的进行，所以为了避免这样的情况发生，所以我们在沉铁时把溶液温度加热到85以上，加入无水硫酸钙晶种，诱导钙以无水硫酸钙的形式沉淀析出，和铁矾一同沉淀除去 20。研究表明在 85以上无水硫酸钙的溶解度要远低于 25二水硫酸钙的溶解度，所以，在 85时，钙会被沉淀去除。而且沉淀的无水硫酸钙还能作为晶种继续使用，节约了成本。
43、3.3 中和沉淀中和沉淀离子的目的是为了实现镁离子和其离子的分离，查金属离子 PH沉淀表可知，金属离子的 PH 沉淀值，镁开始沉淀 PH 值为 9.4，而其他离子的完全沉淀 PH 值都小于 9.4，也就是说当其它金属离子都沉淀完全了，镁离子才开始沉淀，所以我们把 PH 调节到 9.09.2 时，镁离子不沉淀，而其它离子基本都会沉淀。表 3-3 金属离子氢氧化物沉淀 PH 值 21内蒙古工业大学本科毕业设计说明书18金属离子 Mg2+ Fe3+ Fe2+ Cr3+ Ni2+ Al3+开始沉淀 PH 9.4 1.5 6.5 4.0 6.7 3.3完全沉淀 PH 12.4 4.1 9.7 6.8 9
44、.2 5.2使用的沉淀剂为工业氢氧化钠，其反应方程式如下：NiSO4 2NaOHNi(OH) 2 Na2SO4 （3-14）CoSO4 2NaOHCo(OH) 2 Na2SO4 （3-15）Cr2(SO4)3 6NaOH2Cr(OH) 3 3Na2SO4 （3-16）得到液体与氢氧化镍及其它离子沉淀物的混合物后，固液分离后，固体进入氨浸工段。3.4 氨浸从中和沉淀来的固体，按固液比 4:1 的比例与水混合后，再加入氨水（质量浓度 26%）进行氨侵，使沉淀中的镍进入到氨溶液中，氨浸时会产生 OH-，为了使溶液 PH 不太高，需加入工业碳酸氢铵来中和生成的 OH-，生成氨水，继续对氢氧化镍进行浸出
45、，使补充的氨水用量减少，还有利于反应的进行，其反应式如下：Ni(OH)2 6NH 3H2ONi(NH 3)6(OH)26H 2O （3-17）Co(OH)2 6NH 3H2OCo(NH 3)6(OH)26H 2O （3-18）NH4+OH - NH3H2O （3-19）内蒙古工业大学本科毕业设计说明书19氨浸法的浸出原理有两种，第一种是利用其碱性性质，使酸性化合物选择性溶解在溶液中，而另一种则是选择性反应生成稳定的配合物，而溶解在氨-铵盐溶液中，实现离子的分离，氨浸适合于碱性物料。这个体系必须要在碱性溶液体系下进行，在弱酸条件下，虽然有铵盐充在，但是金属离子还是以水合形式充在与溶液中，但随着
46、PH 的提高，金属离子与氨形成的配合物，氨络合物的稳定程度与其稳定常数的大小有关，稳定常数越大，则氨络合物越稳定。镍、钴、铜与氨配合物的稳定性较其它配合物的稳定性要高，所以镍、钴和铜易于氨配合物生成稳定的络合物，其他离子则难与氨形成氨络合物，实现了镍、钴和其他离子的分离，进一步富集了镍。其稳定常数表如下：表 3-4 镍、钴、铜与氨配合物的稳定常数表 22离子 lgK1 lgK2 lgK3 lgK4 lgK5 lgK6 lgK6 Ni2 2.8 2.24 1.73 1.19 0.75 0.03 8.01 Co2 2.11 1.62 1.05 0.76 0.18 -0.62 5.11 Co3 7.3 6.7 6.1 5.6 5.05 4.41 35.21 Cu2 4.15 3.5 2.98 2.13 lgK4 注.测定介质 2mol/LNH3NO3 温度 30本设计就是利用了镍、钴和氨水易反应生成稳定的镍、钴氨络离子，实现与其他离子的
