《生产实习》课程指导书

第一篇：《生产实习》课程指导书

《生产实习》课程指导书

一、实习目的生产实习是教学计划中重要的实践教学环节，是课堂教学的必要补充。土木工程专业三年级学生在学完全部基础理论课及部分专业课后进行生产实习，主要目的是：

1.理论联系实际，巩固和深化已学的理论知识，增加相关课程的感性认识，为今后的学习和工作积累经验；

2.深入生产实际，了解一般建筑物、构筑物的整个施工过程；

3.了解施工技术、施工组织、施工管理及技术经济等方面的实际工作，培养发现问题和解决问题的能力；

4.了解我国基本建设的方针政策，了解我国目前施工技术与组织管理方面的实际水平和发展方向；

5.密切接触工人与基层技术管理人员，学习他们的知识、经验与优秀品质；

6.培养和锻炼在新的环境中工作和生活的能力。

四、实习内容

学生在实习期间一般应集中于一个在建工程的工地。在实习后期，可利用2～3天时间参观其它小组的实习工地，了解不同的结构类型、不同的施工方法等内容，以扩大知识面。实习的一般内容包括：

1.实习开始阶段，先熟悉工程的施工图纸，阅读已编制的施工组织设计和施工专项方案，了解该工程的施工机械和劳动组织等有关情况，参加图纸会审和有关技术会议；

2.较好地掌握工程的施工准备、施工工艺与方法、施工质量标准、验收规范等；

3.熟悉根据施工图纸列出的材料、构件，填写加工单、领料单、工程任务单等工作；

4.了解施工图预算和施工预算的编制；

5.了解项目和企业的管理机构、职能和运行机制；

6.进行有关专题性的研究或设计工作，至少必须完成一个专题，鼓励进行创新性专题研究。专题研究或设计可参考以下内容（不仅限于此范围）：

(1)脚手架施工专项方案设计；

(2)深基坑施工专项方案的选择与设计；

(3)降低地下水位的方法及施工中实际问题的处理；

(4)逆作法施工工艺的研究探讨；

(5)土方机械化施工的机械配套及经济分析；

(6)支模架施工专项方案设计；

(7)新品种钢筋的性能与加工方法；

(8)清水模板的应用效果分析；

(9)大模板的构造和计算及施工中具体问题的处理；

(10)混凝土搅拌站的组成与布置；

(11)掺合料、外加剂使用效果的总结；

(12)高强混凝土的实际应用分析；

(13)免振捣混凝土施工工艺的研究；

(14)组合结构的施工特点和施工方法；

(15)泵送混凝土的浇筑、车辆调配组织及配合比的研究；

(16)大体积混凝土浇筑方法及温度应力问题的处理；

(17)预应力张拉机具和锚夹具的分析、张拉方式对应力均匀性的影响；

(18)结构吊装方案和吊装阶段稳定性的研究；

(19)特殊结构（大跨度屋盖、升板工程等）吊装施工方案；

(20)轻型钢结构的设计原理及其施工方法；

(21)网络计划使用效果的总结与分析；

(22)高层或超高层建筑施工方法的总结分析；

(23)较大工程事故原因的综合剖析；

(24)有关工程管理的案例分析（如工程索赔、投标报价、合同管理等）。

五、实习考核具体要求

各实习小组应在实习结束后将实习日记、实习报告本（含工地评语）汇总后交指导教师。指导教师对学生的实习考核依据主要包括：实习日记、实习报告、工地评语及出勤和纪律情况，在综合评定后给出实习成绩。成绩采用百分制记分，原则上优秀（90-100分）比例控制在25%以内；良好（80-89分）比例控制在55%以内；其余为中等（70-79分）、及格（60-69分）和不及格（59分及以下）。

1.实习日记

实习日记是积累实习收获的一种重要手段，也是实习考核的一部分。学生应根据本大纲的要求认真记录每天的工作情况、心得体会和工作中发现的问题。具体要求如下：

(1)记录每天的工作内容及完成情况；

(2)记录心得体会和发现的问题，提出改进意见；

(3)根据每天的工作情况认真做好资料积累工作，如结构构件和结构布置、新材料特性、新施工方法及其效果、劳动组织及工作安排、施工进度计划和施工平面图布置、土建的组织机构及职能等；

(4)遇有参观、听课、听报告及技术交底、技术洽商等情况，应详细记录其具体内容和本人的心得体会：

(5)实习日记内容除文字外，还应有必要的插图或表格。除记录工作内容和业务收获外，还应记录思想方面的收获；

2.实习报告

实习报告是评定实习成绩的重要依据，不仅反映学生实习的深度和质量，同时也反映了学生分析和归纳问题的能力。实习报告应图文并茂，平时应抓紧时间积累素材，一般在离开工地前最后三天内集中写完。实习报告的主要内容包括：

(1)实习工程的概况（可绘出平、立、剖面图，并加以必要的说明）、总的工程概算、主要工程的工程量及其施工方法、实习单位的管理机构和组织系统；

(2)各单位工程的施工方法及施工方案、施工组织设计的编制方法及步骤、施工现场的平面布置、劳动组织及各项技术组织措施等；

(3)个人的主要实习内容，如建筑物和构筑物的定位放线和控制标高工作、校核施工图及放样工作、交工验收或质量检查工作等；

(4)完成至少一项专题研究或设计；

(5)个人的心得体会、对今后实习的建议等。

3.工地评语

工地评语在实习报告本的尾页，一般由工地实习指导人填写，并应加盖实习单位（或项目部）公章。

第二篇：生产实习指导书

生产实习指导书

贵州大学土建学院

建筑工程专业生产实习指导书

一、实习的性质和目的生产实习是整个建筑工程专业教学计划中一个重要的实践性环节。为了实现专业培养目标的要求，根据教学大纲的规定，在《土木工程施工》课中的施工技术部分基本教授完后，学生必须进行一次生产实习。其目的是：

1、理论联系实际，巩固及深化在课堂上所学的理论知识，并为后续课程积累感性知识。

2、通过生产实习，学习生产技术知识、施工管理知识和技术经济分析知识。

3、参加生产、管理生产，灵活运用已学的理论知识，培养分析问题和解决问题的能力。

4、参加一定的专业劳动，学习生产技能。

二、实习时间、地点

按教学大纲要求，生产实习应在《土木工程施工》课中的施工技术部分基本教授完后进行。根据对本科、专科学生培养目标的不同，实习时间为3周。实习地点应选在施工项目较全、工程任务饱满且正在施工的建筑施工工地为宜。

三、实习方式与内容

进行生产实习，主要是通过生产实践达到实习的目的。实习期间，学生以工地基层技术人员助手的身份，在工地技术人员的指导下，参加工地生产业务活动和技术管理工作。此外还应适当参加班组生产劳动，组织一定的现场教学和参观一些已建和在建的建筑物，以及听取新结构、新工艺、新材料等方面的专题报告，以扩大学生的知识面。

生产实习的基本内容：

（一）工种实习

1、砌筑工程

（1）了解砌筑工程的特点，砌筑操作规程和规则；

（2）砖、砂浆、砌体的强度及其相互关系；

（3）砌筑砂浆的分类、应用和制备；

（4）砌筑方法、砌筑工程组织、砌筑阶段现场平面布置；

（5）施工小组人员组成及分工；

（6）影响砌体质量的因素及保证砌体质量的技术措施；

（7）砌体质量要求及施工验收规范。

2、抹灰及饰面工程

（1）抹灰工程的分类、抹灰层组成及材料制备；

（2）抹灰方法及质量标准；

（3）各种饰面材料的应用、施工方法及质量要求；

3、屋面防水工程

（1）卷材屋面的构造、施工方法及质量要求；

（2）细石混凝土屋面的构造、施工方法及质量要求。

4、模板工程

（1）各种结构模板的构造、支模方法、模板配制；

（2）模板安装及质量控制，模板拆除、维修及周转；

（3）木工翻样放线。

5、钢筋工程

（1）钢筋进场验收；

（2）钢筋加工；

（3）钢筋配料及代换；

（4）钢筋焊接、冷拉、冷拔工艺及质量验收标准；

（5）钢筋绑扎、安装、验收及隐蔽工程纪录。

6、混凝土工程

（1）混凝土制备及机械设备，掺合料和外加剂的应用；

（2）混凝土的运输方法及保证质量的措施；

（3）混凝土的浇筑、捣实、养护方法及质量技术措施；

（4）施工逢的留设位置及处理方法；

（5）混凝土工程质量控制及验收标准；

（6）混凝土施工劳动组织。

7、基础工程

（1）基坑、基槽的开挖方法，边坡支护方法；

（2）钢筋混凝土预制桩的打桩方法及质量要求；

（3）灌注桩的施工方法及质量要求。

（4）毛石混凝土基础、砖基础、钢筋混凝土基础的施工方法及质量要求。

8、节能工程

（二）在工地技术人员指导下承担一部分生产技术及生产管理的工作

1、测量放线、抄平；

2、施工质量检查及验收；

3、协助处理施工中遇到的实际问题；

4、根据施工图，开列材料及构件加工单；

5、编制施工图预算；

6、拟定施工方案、技术措施，编制作业计划；

7、参与技术革新研究工作；

8、参与有关的生产会议：图纸会审、技术交底、安全交底、生产调度、生产管理和施工方案讨论等。

9、施工资料的编制。

四、注意事项

1、严格遵守国家法令。遵守学校及实习所在单位的各项规章制度和纪律。

2、实习生要服从现场实习指导人和指导教师的指导，虚心学习，积极工作。

3、学生在实习期间一般不得请假，特殊原因需要请假一天内必须经指导教师批准；一天以上必须经班主任及院长批准。请假必须由本人填写请假条，批准人签字，否则按旷课论处。旷课一天实习成绩为不及格。

4、学生逐日写实习日记，指导教师不定期检查2～3次。

5、进入施工现场必须带安全帽，随时注意安全，防止发生安全事故。

6、遵守实习单位的作息时间制度，关心集体，搞好环境卫生。

7、实习结束时按规定时间提交实习日记、实习报告、施工单位填写并盖章的鉴定表，供指导教师确定实习成绩之用。

五、实习日记和实习报告要求

在实习中，学生每天必须写实习日记，实习日记是学生积累学习收获的一种重要方式，应根据指导书的要求每天认真记录工作情况，心得体会和工作中发现的问题，提出改进意见，根据每天的工作情况，认真做好资料积累工作，如施工组织情况，劳动安排，新材料、新的施工方法，施工进度计划和施工平面图布置。遇有工地会议，听课或专题报告会，及技术交底等应详细记录这部分内容的情况和本人的心得体会，日记内容除文字外，还应有必须插图或表格，除记录业余收获外，还应记录对土建工程项目的管理政策法规及对社会的认识。实习结束时，每个学生必须根据实习日记中所积累的资料，进行全面地分析和总结，写出实习报告。实习报告用图文表达，力求简明工整和科学系统性。

1、实习概况：工地地点、承包公司、结构类型、建筑规模、工程概算、工程量及施工方法，施工单位的组织机构；

2、简单的平、立、剖面图；

3、个人的实习内容；建筑物的测量放线，施工质量检验工作，施工技术资料的分析，施工方案，及施工组织劳动组织，及各项技术措施。可附上一些照片。

4、个人在实习中协助工地做了哪些创新工作或看到了哪些独特的见解；

5、你对实习的体会及对今后实习的建议。

6、实习结束时，每个学生必须填写实习鉴定表（鉴定表在学院发的实习手册上），工地实习指导人签署意见，并盖章。

第三篇：生产实习指导书

材料与化学化工工程学院

生 产 实习指 导 书

适用专业：材料科学与工程专业 作 者：

材料科学与工程系 2007年6月 材料科学与工程专业金属材料方向生产实习指导书

一、生产实习的目的

专业生产实习是在学生学完技术基础课与部分专业课的情况下，主要了解材料的生产工艺流程、了解产品的实际生产情况，巩固所学知识，增强感性认识，提高学生分析和解决问题的综合能力；培养学生热爱劳动、热爱本专业，熟悉并掌握企业生产过程和实施方法。为今后参加工作打下良好的基础。

其目的如下：

1.运用课堂上学习的专业知识，去理解和领会材料的生产实践，加深对材料生产工艺及设备、质量检验等方面的基本知识与理论的时间认识； 2.了解材料生产用设备的原理、设计和使用要求；

3.学习生产材料产品的工艺试验、工艺制定、生产监督与质量检验验收等工序； 4.学习生产中采用的实用技术与工艺的原理。

5．进一步了解与材料专业相关的新技术、新方法和新设备。6．培养学生在实践中发现问题、分析问题和解决问题的能力。

7．进—‘步树立学生虚心向工人、技术人员学习，深入实际，遵守劳动纪律及安全生产的观念，深入学习基层劳动者吃苦耐劳的优良品质，培养学生正确的人生观。

8．锻炼学生的协调能力、管理能力、组织能力、攻关能力和创新能力，增强学生对社会的适应性。

二、生产实习的教学内容及要求 材料专业生产实习的主要教学内容如下;1.组织学生进行全厂的参观，了解工厂的概况； 2.学习生产中的安全知识和法规；

3.采取听取专题报告、现场参观（包括阅读资料和讨论）、材料产品生产工艺调查、现场教学等形式，了解材料生产的概况；

4.了解材料生产的工艺方法与设备原理，机车的生产线； 5.了解机车生产下料车间的下料工艺流程，所用设备； 6.了解金属材料制备的各种工艺。

三、生产实习地点和学时数 实习地点和时间安排： 1.实习地点：眉山车辆厂 2.实习时间：计划为4周

全面了解、收集资料3天，工厂实习15天，总结2 天，实习过程中，根据实习情况安排讲座，其余时间安排参观了解生产工艺与工厂技术人员学习和交流。编写生产实习报告 1周

四、生产实习的组织与管理

任课教师中指定带队教师，一般由具有副教授以上职称的教师担任。实习前认真考察待实习工厂工艺及设备的特点，安排好全部实习时间和内容。实习时，在相关技术负责人和学校指导教师的领导下开展实习工作。

一方面学生参加技术科与实习所在单位同志一起工作，熟悉生产技术管理方法；另一方面学生亲自进入生产班组参加实际尘产操作，提高业务技术和劳动技能。因此，在时间安排上，既要根据生产的需要，又要照顾实习任务的完成。并且有比较充裕的时间收集资料。编写生产实习报告。

五、实习注意事项

1.做好安全准备、牢记生产中的安全知识和法规保证实习的安全。2.为保证实习顺利进行，确保生产企业运行安全，学生必须遵守厂规厂纪，未经允许，不准触动现场的任何设备。

3.深入车间的各个工序现场，了解产品的各部分生产过程，了解生产中采用的工艺方法、设备、技术措施，做好实习记录。

4.严格遵守上、下班制度，不得无故旷工、迟到、早退。旷工一天以上，迟到、早退三次以上者实习成绩作不及格处理。有事必须事先请假，不得在外住宿。

5.进车间必须穿长袖衬衫和长裤，不能穿裙子，高跟鞋、凉鞋和拖鞋，长发必须扎好。

6.实习期间，要听从实习指导教师和现场技术人员的指挥，不得任意行动，尊重企业技术人员和工人师傅。诚恳、虚心地向工人师傅和技术人员学习，提高学习效率。上班时不闲聊、不吸烟。

7.树立安全生产观、职业道德、集体主义思想观念，维护学校声誉，增进厂校关系，待人接物文明礼貌； 8.学生在实习期间，认真写好每一天的实习日记，根据实习内容，用文字、图表等简明地进行记述，做好资料积累工作，对工厂参观、工作例会、听课、专题报告、现场教学、技术调查及实习中的收获与体会等也及时地写入实习日记中，为写实习报告积累素材。

9.随身常用的生活用品及雨具、学生证、身份证。

六、生产实习成绩的评定

1．实习期间的表现（出勤情况、实习态度、纪律、关心集体、注意安全），占总成绩的20％。

2．实习记录（记录质量、完整性、准确性等)，占总成绩的20％。3．实习报告质量（文字报告与图件等），占总成绩的60％。实习报告的要求：

(1)要反映整个实习过程中的收获，总结要全面而又有重点：(2)要用文字叙述，技术数据，有关图表和插图表达思想；(3)报告要语言精炼，条理清晰，字迹端正，插图认真．(4)报告字数要求在5000—6000字。

4．实习成绩按五级评分制评定(优秀、良好、中等、及格和不及格)。具有下列情况之一定为不及格：

a.实习日记不完整，缺少三分之一以上的实习日记或无实习报告； b.实习单位反映不好；

c.在生产实习中严重违纪和弄虚作假，抄袭他人实习成果；

生产实习思考题

1.车辆厂共有几种金属制品、名称？

2.车辆厂每种金属制品生产共有几条生产线组成，每条生产线的名称是什么，每条生产线的产品名称是什么？

3.你实习的单位采用的生产工艺和设备，设备的规格、型号含义是什么？产品的原材料的规格、牌号是什么？原料的配制、添加方法？

附：实习报告写作提纲

1.概述：实习地点、实习内容及目的要求，实习工厂的概况、产品种类结构及产量等。

2.实习工厂生产的金属制品工艺流程：主要包括普通钢和不锈钢的生产线的工艺流程，所采用的设备种类、工作原理、工装工具、工艺措施。

3.通过实习巩固材料制备工艺、设备及质量控制等方面的基本知识。4.与工厂技术人员学习和交流的心得体会。5.金属制品的生产组织与管理情况。6.本次生产实习的收获和体会及建议。

第四篇：2014生产实习指导书

《生产实习》教学指导书

一、学时及学分：3周，3学分

二、实习的目的与任务

根据教学计划要求，本教学环节安排在专业基础课及专业课之后进行，目的在于使学生全面了解本专业所学基本理论与基本方法、技能在工业设计实践中的应用。通过学生对现实社会工业设计相关企业的了解，掌握工业设计专业与现实社会的结合点，在实习中将已学过的理论知识与生产实际相结合，培养自己运用所学理论知识分析与解决实际问题的能力。

在生产实习中，应通过典型企业了解我国工业设计工作的一般情况，包括工业设计工作在企业中的开展情况，企业工业设计机构的设置，工业设计人员在企业的工作情况，工业设计相关方向的发展以及与其它行业的结合情况。通过实习，了解产品开发设计包括生产的完整过程，充实和加强生产工艺知识和其它实践知识，扩大知识面，培养和提高观察问题、分析问题和解决问题的能力。

三、实习的方式

本项教学环节在第六学期后的小学期展开，设计竞赛和课程设计实践教学活动也全面展开，考虑到学生各项活动的统筹安排，在保证教学任务完成的前提下，本实习教学环节采用集中与分散结合的形式进行，即安排二次集中参观实习，其余时间要求学生利用小学期和假期时间，在合肥或自己家庭所在地展开实习活动。可以在自己的父母及亲友的帮助下，或靠自己的努力，寻找实习单位，也可结合寻找就业单位的过程展开企业调研，完成规定的学习内容。有条件开展勤工俭学的学生，还可结合社会服务或打工的过程完成相关学习内容。

四、实习时间、实习单位

实习时间：除教学安排的时间外，在假期应保证2周实习时间，其中1周时间到企业实习，1周时间安排参观考察，实习后进行资料整理与总结，假期结束后开学第一周星期三下午4点前，将“生产实习报告”及相关资料交至工业设计系办公室（建筑艺术馆352）。

可选的参观单位是，合肥叉车集团，安徽凯斯鲍尔集团，江淮汽车集团，江淮重工，合肥卷烟厂，合肥新华印刷厂，芳草日化，美菱集团，三洋集团，美的集团，汉帮家具，志邦橱柜，阿普拉塑料制品，省(市)科技馆，省(市)博物馆，省(市)美术馆，本校工培中心等。个人分散自选的实习单位一般要求是产品设计与生产的单位，或与工业设计专业相关的企业或部门。除在一个单位进行重点实习外，还要求到3家以上的相关单位进行参观与考察，参观与考察的单位可选择广告公司、设计公司、印务公司、家装公司、房地产开发公司、展览馆、科技馆、博物馆、艺术中心等相关单位。

五、实习的内容

工业设计专业生产实习的内容包括以下几个方面： 1.生产实习单位的基本情况的了解

企业概况、企业文化、业务范围、工作部门、人力资源、设备条件、工作流程、„„ 2.工业产品设计过程了解

产品概况、服务范围、设计部门、生产部门、销售部门、开发流程、生产流程、产品策划、造型设计、结构设计、软件设计、模型制作、计算机辅助设计、快速成型、客户交流、„„

3.产品材料与制造工艺的了解

产品采用的材料、材料的特性、注塑件成型工艺及设备、板筋件加工工艺及设备、结构零件的加工工艺、其他功能部件的生产、产品色彩的实现、产品表面装饰图形生产工艺、标志及商标的制造、„„

4.当前社会、经济与生产部门对工业设计的要求

工业设计人员的社会分布情况、工业设计工作部门、工业设计师工作职责、关于设计管理、工业设计师的工作环境、工业设计与其它部门之间的协同工作情况、社会与经济的发展对工业设计师提出的新要求、„„

5.工业设计在平面设计、环境设计方向应用的情况

了解广告设计公司、印务公司、家装公司、房地产开发公司的机构设置、人员构成、工作流程等情况、广告制作工艺、印刷物制作流程、包装设计与制作工艺、展览设计与施工、常用计算机设计软件、喷绘设备、印刷制版设备、配色标准、„„

6.社会宣传与展示、科技馆、博物馆及其它方面的信息

工业设计信息的来源、参观一场产品展示（发布）会、产品发展新动态、参观科技馆、参观博物馆、了解产品发展史、了解现代展会设计与布展方式、„„

要求每个学生在这次实习中完成上述三项以上内容。

六、实习的安全

学生初次接触社会，独立进行实习活动，应充分注意自身的安全。应将自己的实习计划及外出活动安排告诉家人，在往返实习单位的途中要注意交通安全。进入实习单位前要事先经过联系征得同意，在实习单位要听从管理人员的指导，遵守单位的规章制度，注意文明礼貌，表现出当代大学生的风范。

七、实习报告的内容和要求

1.实习单位基本情况介绍； 2.实习内容描述； 3.实习内容分析； 4.实习心得与体会。

实习报告附件：实习单位出具的学生曾在该单位实习的证明（或其它旁证材料如参观照片，专业展览参观门票等）

八、实习的成绩评定

实习报告质量 40% 实习内容完整性 40% 实习与参观单位数量 10% 证明与旁证材料

10%

第五篇：金川指导书生产实习

化学工程与工艺生产实习

指导书

宋永辉 张秋利 唐长斌 朱军

西安建筑科技大学冶金工程学院

化学工程与工艺研究所 二零一零年四月

编写说明

化学工程与工艺是以化工单元操作为基础，专门培养具备化学工程与化学工艺方面的理论知识及实践技能的复合应用型人才的学科，学科的研究领域正向冶金、环境、材料、能源等领域拓展。这种交叉学科发展,对于未来高级专门人才培养和教育质量保证面临着新的挑战。实践性教学环节是本专业培养合格的高技术、复合型人才的重要环节，也是使学生实现专业学习与全面发展有机结合的重要方式之一，其主要包括实验教学、认识实习和生产实习等环节。多年的教学实践使笔者以为，生产实习作为其中最为关键的一个环节，它对于巩固学生的专业基础知识及各种实践技能的培养、综合素质的提高发挥着举足轻重的作用。生产实习是专业课程教学必不可少的重要组成部分，其主要目的和任务是在学生掌握了一定的专业基础知识，尚未学习专业课程之时，对本专业的任务、作用、涉及范围等最直接的一次感性认识，对学生建立专业意识、培养学生对本专业的兴趣和理论联系实际的工作作风、拓宽学生的知识面都是很有帮助的，是为即将进行的理论教学环节奠定必要的基础。

我校化工专业是在原有的有色冶金专业基础上发展起来的，专业方向为化工冶金方向。甘肃省金川公司是我国最大的镍生产基地，主要冶金产品有铜、镍、贵金属、铂族元素以及与其相关的高附加值产品，同时也配套生产硫酸、烧碱、氯气等多种无机化工产品，这与我们的专业实习十分对口。结合目前我国冶金行业的发展前景、本专业的历史特点以及未来发展方向，这几年，经过学院和教研室老师的不懈努力，我们已经和金川公司建立了良好的合作关系，建立了西安建筑科技大学化学工程与工艺专业学生实习教学基地，其全面的强劲的生产、先进的生产技术对于本专业实习的效果奠定了有力的保障。

为了更好地促进对生产实习工艺流程的全面、准确和深入了解并取得较好的实习效果，由化学工程与工艺教研室组织，由对实习流程熟悉的指导教师编撰了本实习指导书。本书由化学工程与工艺生产实习要求，金川实习基地简介，化工厂硫酸合成工艺流程，化工厂氯碱系统工艺流程，铜精炼工艺流程，镍精炼系统工艺流程四部分内容。化工厂硫酸合成工艺流程和化工厂氯碱系统工艺流程部分由唐长斌编写；铜精炼工艺流程和镍精炼系统工艺流程部分由张秋利编写；宋永辉负责全书的统稿，朱军负责全书的审校。由于编者水平有限，不足之处一定不少，敬请各位读者批评指正。

编者2006年4月于西安

目 录

金川集团公司实习基地.........................................................................................................................V

一、基本情况....................................................................................................................................V

二、实践教学目的和内容................................................................................................................V

三、科研和技术生产活动...............................................................................................................IV

四、开展因材施教，开发学生潜能的实践项目............................................................................IV

五、场地与设施...............................................................................................................................IV 第1章 硫酸系统..................................................................................................................................5 1.概述..................................................................................................................................................5 1.1金川集团冶炼烟气制酸工艺简介................................................................................................2 1.2 硫酸的储存和生产中材料选用...................................................................................................8 思考题...............................................................................................................................................11 参考文献...........................................................................................................................................12 第2章 氯碱系统................................................................................................................................13 概述...................................................................................................................................................13 2.1氯碱系统工艺流程.....................................................................................................................17 2.2电解过程及电解装置.................................................................................................................19 思考题...............................................................................................................................................24 参考文献...........................................................................................................................................25 第3章 电解铜系统..............................................................................................................................26 概述...................................................................................................................................................26 3.1近20年来国内外铜冶金现状....................................................................................................27

3.1.1国内铜冶金现状................................................................................................................27 3.1.2国外铜冶金现状................................................................................................................31 3.1.3铜电解精炼概述................................................................................................................32 3.1.4工业纯铜的主要性能及应用............................................................................................33 3.2电解铜的工艺流程图（如图3-1）...........................................................................................34 3.3电解铜生产系统.........................................................................................................................34 3.3.1电解生产区........................................................................................................................35 3．3.2净化系统..........................................................................................................................36 3.3.3净化产品............................................................................................................................37 思考题...............................................................................................................................................37 参考文献...........................................................................................................................................37

第4章 电解镍系统..............................................................................................................................39 概述...................................................................................................................................................39 4.1世界镍工业现状.........................................................................................................................39

4.1.1资源的种类及分布............................................................................................................39 4.1.2世界镍的生产工艺............................................................................................................40 4.2我国镍工业的现状.....................................................................................................................40 4.2.1镍资源的状况....................................................................................................................40 4.2.2我国镍工业现状................................................................................................................41 4.3镍工业发展趋势分析.................................................................................................................42 4.3.1产量增加............................................................................................................................42 4.3.2工艺将向着短流程、金属回收率高、生产消耗少及有利于环保方向发展................42 4.3.3生产成本将会更低............................................................................................................42 4.3.4氧化镍矿生产的镍所占比例不断扩大............................................................................43 4.3.5镍消费结构发生变化，生产需求呈现多样化趋势........................................................43 4.4电解镍的生产工艺.....................................................................................................................43 4.4.1阴阳极制作........................................................................................................................43 4.4.2电解精炼............................................................................................................................45 4.4.3阴阳极质量要求................................................................................................................46 4.4.4影响电镍产量及质量的因素............................................................................................47 4.5 镍电解液的净化过程.................................................................................................................48 思考题...............................................................................................................................................49 参考文献...........................................................................................................................................49

金川集团公司实习基地

一、基本情况

金川集团有限公司是由原金川有色金属公司依法改制设立的多元投资主体的有限责任公司。主要股东为甘肃省人民政府（省经贸委）、国家开发银行、中国信达资产管理公司、甘肃省工业交通投资公司，注册资本35.6亿元。

金川集团有限公司是中国最大的镍钴生产企业和铂族金属提炼中心，镍和铂族金属产量均占中国的90%以上，职工人数3.1万，资产总额115亿元，资产负债率59%。2004年实现营业收入150亿元,利税26亿元,利润12亿元。2005年计划镍产量9.3万吨,铜产量18万吨,钴产量5000吨。

1.地理位置

位于甘肃省河西走廊中部的金昌市，地处腾格里沙漠的西南边缘、祁连山北麓，属典型的戈壁滩地貌，所处地域属大陆性气候，年平均降雨量132毫米，年平均蒸发量2827毫米。

2.概况

金川集团有限公司是国内最大的镍钴生产企业和铂族金属提炼中心，生产镍、铜、钴、稀有贵金属、硫酸等化工产品，镍和铂族金属产量分别占全国的88%和90%以上。公司拥有世界著名的大型铜镍矿，矿产资源丰富，镍钴储量居全国前列；拥有国家首批确认的企业技术中心，具备较强的科研开发能力和技术研究水平。公司现已形成55000吨镍、60000吨铜及相应综合回收站、贵金属的生产能力。有21种产品获省部级以上优质产品称号，主产品1#电解镍1995年获准在LME注册并交易，产品销往国内29个省、市、自治区和香港特别行政区，并出口美国、德国、日本等10多个国家。企业先后获得国家科技进步特等奖、全国“五一”劳动奖章、国家级企业技术进步奖、中国企业管理杰出贡献奖等省部级以上奖励462项。

二、实践教学目的和内容

生产实习是高等学校本科培养计划中的重要组成部分，是对学生进行工程基本训练的重要教学环节。其目的是使学生运用所学知识与生产实际相结合，以获得生产技术和管理知识，培养动手能力和独立工作能力。学生参加生产实习，是理论学习和实践锻炼相结合的重要方式，是提高政治思想水平与业务素质的重要环节。通过实习，可以使学生了解社会，接触实际，增强群众观点、劳动观念和 5 社会主义的事业心、责任感，提高政治思想觉悟。通过实习，获得化学工程与工艺专业有关的实际知识，巩固所学理论，培养初步的实际工作能力和专业技能，并促使学校教育与社会教育更好地结合起来。

实习性质：生产实习实习内容:（1）电解铜生产系统：

电解系统：电解生产区由五个小系统构成，电解一、二、三生产系统为老系统，主要生产电解小极板，电解四、五生产系统为新系统，主要生产电解大极板。该系统主要生产产品为阴极铜、残极、阳极泥与老液。

电解生产区主要生产设备有：电解槽、集液槽、循环大泵、加热器、高位槽、分液包、压滤机、阳极泡洗槽、阴极铜泡洗槽、动力设备、连动加工机组等，了解其主要结构及工作原理。

电解的原料，电解区溶液的走向，电解技术条件等。

净化系统：净化系统用于除去老液中镍、砷、锑、硫等杂质，得到含铜较高的溶液。净化系统由净化一系统，净化二系统两个系统构成。净化一系统为老系统，主要处理小极板；净化二系统为新系统，主要处理大极板。净化系统主要生产产品为阴极铜、残极、阳极泥与老液。

净化系统设备有：脱铜槽、诱导脱铜槽、电蒸发槽、带式过滤机、中和槽等。了解净化的目的和原理，净化工艺的主要产品，主要设备的结构。

（2）电解镍生产系统：

阴阳极制作（冶炼过程）：阴阳极制作的工艺过程、原理。

电解精炼过程：镍电解精炼是在阴极上沉淀出较纯的电镍，而不析出或尽可能少析出氢和其它杂质。包括三个工艺环节，即阳极过程、阴极过程和造液过程。主要了解阴阳过程的原理、发生的化学反应、原料和产物。

电解液净化过程：镍电解过程的主要杂质为铁、铜、钴三种元素，同时根据阳极原料的不同，有时还含有铅、锌等，所以电解液净化过程主要是除去铁、铜、钴等杂质。主要掌握除铁、铜、钴三种主要杂质的工艺原理，了解主要的设备及其结构、工作原理。

（3）硫酸生产工艺：

硫酸工艺流程：净化→干吸→转化 ①净化工段

来自冶炼车间的烟气含有大量的氮气、二氧化碳和氧气，此外还含有大量的杂质如：镍、硒、砷、矿尘、二氧化硫、水分等。矿尘不仅会使管道堵塞，而且会覆盖触媒的表面，而使触媒结疤，活性下降阻力增加转化率下降。净化的主要 II 任务是除尘，降温除热和除雾除水。

净化的主要设备有：空心洗涤塔、填充塔、泡沫洗涤塔、电除雾器等。②干吸工段

从净化二段电雾出口来的烟气先进入干燥塔，再用泵经板式换热器冷却后送到塔顶喷淋，干燥后的气体进入二氧化硫鼓风机入口，并由鼓风机送往转化工段进行转化。

③转化工段

在此过程中，烟气中的二氧化硫在触媒的催化作用下和烟气中的氧气化合生成三氧化硫，同时放出热量。从四段转化器出来的三氧化硫烟气依次进入第二、第一外热交换器，预热从鼓风机送来的烟气，本身温度降至220℃后，送入吸收塔吸收成硫酸。为了调节各段触媒层的温度，在各段之间分别设置了烟道和电动、气动调节阀，用从风机出口引来的冷烟气进行冷激控制，使各触媒层的操作温度稳定。

④附属系统

循环水系统：间冷气循环水经间冷气循环泵打入间冷气管间与管内。烟气逆流传热后回到冷却塔，由塔顶淋洒降温后进入塔底水池循环使用。板式循环水经板式循环泵打入板式换热器或阳极保护器内与酸进行换热后进入冷却塔由塔顶淋洒降温后，进入塔底水池循环使用。

成品酸系统：成品酸排入干吸地下槽，由液下泵输送管道打入大罐计量存放。装车时，先将酸打入计量槽计量后，由计量槽泵打入火车栈桥或汽车装酸高位槽。返酸时，关闭大罐入口阀，打开返酸阀，经成品输送酸管道将酸返到干吸系统。成品酸可经联络干线打入硫酸库。

（4）氯碱生产系统

烧碱的制备分四个工段：化盐、电解、处理和蒸发。重点是其生产原理、生产工艺及过程中的产物特征；了解所用设备的结构及工作原理。

烧碱车间分为四个工段：盐水工段、电解工段、处理工段和蒸发工段。盐水工段由化盐、精制、澄清、沙滤和中和五个操作单元组成，主要设备有：化盐池、反应池、道尔澄清桶、沙滤器和中和槽。

电解工段主要单元操作是盐水的电解，设备为电解槽。

氯氢处理工段主要进行的是氢气和氯气的冷却、除杂、除水份等操作，主要设备为冷却塔和反应器。

蒸发工段主要为电解液蒸发后返回盐水工段。

盐酸生产主要有冷却、吸收等单元操作，设备有氢氯反应器，石墨冷却器。

III

三、科研和技术生产活动

2005年9月正式建立教学实习基地后，冶金工程学院化学工艺与工艺专业本着加强教学、科研同工程实践相结合的精神，进一步充分利用教学实习基地，培养学生的实践和动手能力，开展认识实习、生产实习和社会实践活动，取得了较好的实践教学效果。同时，探索和实践在基地进行相关的科研工作和技术生产活动，并与金川集团公司在工艺与技术改进、信息化和自动化建设与管理、资源综合利用、三废治理、生产节能、人才培养、技术骨干培训等方面达成了合作意向。

四、开展因材施教，开发学生潜能的实践项目

要求学生根据实习单位提供的实习条件主动地发现问题，并能根据自己所学的只是初步的解决问题。并创造性地开发新技术，解决实际工程中存在的问题。如：

（1）要求学生阅读企业有关设计的基础资料，注意工艺流程方式确定问题。引导学生回忆课本上关于单元操作过程的种类及使用条件；

（2）引导学生在实习中，注意有关化工设备设计，如板框式换热器，反应釜，吸收塔等，并让学生自己查找文献，了解有关设计标准确定的原则和依据，引导学生分析化工设备设计规模、投资和效益的关系，在阅读企业工程基础资料的基础上，结合现场设备，分析工程设计规模确定的合理性。

五、场地与设施

（1）金川集团公司培训中心；（2）金川集团公司科技馆；（3）金川集团公司电解铜生产区；（4）金川集团公司电解镍生产区；（5）金川集团公司硫酸生产区；（6）金川集团公司氯碱生产区。

IV

第1章 硫酸系统

1.概述

化学上将一个分子的三氧化硫和一分子水相结合组成的物质称为无水硫酸。它是指100%的硫酸，又称为纯硫酸。一般情况下纯硫酸是无色油状的液体，密度为1.8269g/cm3，冰点为10.371℃。而工业生产的硫酸是指SO3和H2O按一定比例混合的液体，其中，发烟硫酸是指SO3和H2O摩尔比大于1的液体。硫酸作为强酸，不仅具有强酸的通性，而且还具有脱水、氧化、磺化等特性。硫酸是一种重要的基本化工原料，曾被誉为“工业之母”。硫酸的最大用户是生产化学肥料（磷铵、硫铵及重过磷酸钙）；在化学工业中，硫酸是生产各种硫酸盐的原料，是塑料、人造纤维、染料、油漆、制药等生产中不可缺少的化工原料，在农药、除草剂、杀鼠剂等生产中也必不可少；在石油精炼过程中使用大量硫酸作为洗涤剂，去除石油产品中的不饱和烃和硫化物等杂质；在冶金工业中，如钢材加工及其产品的酸洗、铜镍精炼等都需要硫酸；国防工业中浓硫酸用于制取硝化甘油、硝化纤维、三硝基甲苯等炸药，原子能工业、火箭工业等也需要用到硫酸。

硫酸制备始于8世纪，最早炼金学者蒸馏绿矾(FeS04²7H20)制得了硫酸；1740年有人将硝石与硫磺在玻璃瓶中混合燃烧来生产硫酸，并建成世界上第一座硫酸厂。1746年采用铅室代替玻璃瓶，即所谓的“铅室法”制酸。由于庞大的铅室生产效率低，耗铅多，投资高，19世纪后半期开始，技术人员不断地提出各种改进的建议和发明，随着实践经验的积累和理论研究的深入，终于导致以填料塔代替铅室的多种塔式装置建成。铅室法和塔式法制备的硫酸浓度分别为65％和76～78％H2SO4，其生产特点均是以氮的氧化物为媒介，试SO2在有氧及水的情况下生产硫酸，不足是产品浓度低、杂质多（含尘和氮的氧化物），生产中又要耗用大量的硝酸或硝酸盐。1831年就有人提出，用铂作催化剂，接触法硫酸生产，但困难重重发展缓慢，直至1875年才建成世界上第一座接触法生产发烟硫酸的装置。随着铂及其它催化剂的性能的研究和工艺装置上全面解决了以硫铁矿为原料生产硫酸技术关键，19世纪末和20世纪初，相继建设了一些都使用铂作催化剂，制法及载体各异的接触法生产装置。由于第一次世界大战对炸药的需求，各种接触法装置在欧美大批兴建。1899年R．Meyers(迈耶尔斯)提出用钒酸作催化剂；Dehaen(1901)发明将钒酸或可溶的钒化合物沉积于石棉、浮石等多孔性载体的技术；1913年，巴登苯胺碱公司发明了添加碱金属盐的催化剂，活性与铂催化剂相近，价格较低且不易中毒；不断的发展使到20世纪60年代，钒催化

V 剂完全取代了铂及其它催化剂。另外，在50年代初，德国和美国同时开发成功硫铁矿沸腾焙烧技术。德国的拜耳(Bayer)公司于1964年实现两次转化工艺的应用，1971年建成一座直径4m的沸腾转化器。1972年，法国的于库尔曼公司建造了第一座以硫磺为原料的加压法装置，操作压力为0.5MPa，日产550t(100％H2SO4)，以及热能的回收利用、低浓度SO2烟气回收、生产控制自动化等也都标志着硫酸生产技术不断向更新、更高的技术的发展。

我国硫酸工业是化学工业中建立较早的行业之一。1874年天津机器制造三分厂建成中国最早的铅室法装置，日产硫酸约2t，1934年，河南巩县兵工厂建立并投产了第一座接触法制酸系统。1949年以前，中国硫酸最高年产量为180kt(1942年)。新中国的硫酸工业依靠自己的力量，在恢复、扩建和改造的基础上又新建了不少中小型装置，全国工厂总数有400余家。发展到1979年，硫酸产量为6998kt(以100％H2SO4计)，超过日本，仅次于美国和苏联。80年代以后，硫酸工业获得了快速地发展。根据1999 年底的不完全统计,我国现有硫酸生产厂家632 家,生产能力为32500kt/a。

而且，我国硫酸生产技术取得了巨大的进步，逐渐缩小了与国际先进水平的差距。20世纪50年代以后逐步推广接触法，取代铅室法和塔式法，20世纪80年代后全部采用接触法。1951年永利宁厂研制成功Ⅵ型钒催化剂并用于生产，结束了我国钒催化剂依赖进口的历史，此后又陆续开发了低温、耐砷及环状、菊花状等多种钒催化剂，满足了我国硫酸工业发展的要求。1956年永利宁厂成功地开发了硫铁矿沸腾焙烧技术，并建成135t/d的工业沸腾焙烧炉。同年，上海硫酸厂采用文氏管洗涤器对气体进行降温和除尘，获得了成功，1958年又进一步创建“三文一器”水洗净化流程应用于该厂新建的50kt/a硫酸装置上，简化了生产流程，节省了投资，对硫酸工业的发展起了推动作用。1977年，南化研究院开发成功酸洗净化流程，消除污水对环境的污染。1966年上海硫酸厂在硫酸生产装置上采用两转两吸流程取得成功，减少了尾气排放。1989年南化研究院完成了“3+2”两次转化工业试验，使二氧化硫转化率进一步提高到99.7 %以上。1990年华东理工大学同上海吴泾化工总厂合作开发了二氧化硫非定态转化技术，1994年河南济源豫光金铅集团有限公司采用该技术处理铅烧结机烟气取得成功，图1.1硫酸生产系统外景 为低浓度二氧化硫气体的处理和利用创造了条件。在装置设备方面,我国先后开发了新型电除尘(雾)器、洗涤器、阳极保护管壳式酸冷却器、板式酸冷却器、浓酸泵、稀酸泵、新型塔填料、分酸器、瓷质球拱以及新型自动控制仪表等，这些设备的广泛应用满足了我国硫酸工业大型化、高强度、高效率的要求，提高了我国硫酸工业的总体技术水平。随着改革开放的深化，我国先后引进了国外鲁奇、孟山都、凯密迪、波立顿、托普索、三菱重工等公司的成套硫酸装置、技术和设备,如WSA 湿法制酸工艺、非定态氧化技术、大型沸腾焙烧系统、硫磺制酸废热锅炉、动力波洗涤器、不锈钢转化器、大型风机、高效含铯钒催化剂等，这些技术和设备的引入，也推动了我国硫酸技术的发展。总之，经过几十年来的发展，我国已在硫酸的科研、设计、设备制造及生产等各方面取得了令人瞩目的成就。大型硫酸生产装置普遍采用两转两吸工艺，二氧化硫转化率达到99.5%以上，其技术水平已接近世界先进水平。

生产硫酸根据工艺不同选用不同的制酸原料（能够产生SO2的含硫物质），目前主要有硫化物矿、硫硝，硫酸盐，含硫化氢的工业废气，以及冶炼烟气等。硫铁矿是硫元素在地壳中存在的主要形态之一。现在很多国家仍然以它作为制造硫酸的主要原料，其主要成分为FeS2，理论含硫量为53.45％，含铁量为46.55％；硫磺是制造硫酸使用最早而又最好的原料，硫在通常情况下为固体，有α(正交)、β及γ(单斜)三种同素异形体。制酸原料用硫磺与硫铁矿相比，炉气中SO2与O2的含量都可相应提高，有利于提高主要设备生产能力。硫磺一般含杂质较少，焙烧前经过纯化，去掉杂质，这样所得的炉气可以不必经过复杂的精制过程，而直接降温到420℃进入转化系统，这就极大地简化了工艺过程，节省了投资费用。同时，燃烧硫磺不产生烧渣，避免了烧渣的排除和处理的困难。生产的酸质量好，杂质少；硫酸盐、冶炼烟气、硫化氢或SO2烟道气等可以作为制造硫酸的原料。其中冶炼有色金属过程中，产生大量含有二氧化硫的烟气可作为制造硫酸的原料，这不但能回收资源，而且还能消除了公害。在冶炼烟气制酸方面做了大量的工作，取得了不少的成果。由于冶炼过程所产生的烟气有不同的特点，应根据烟气的不同特点，选取相应的工艺流程制酸。

1.1金川集团冶炼烟气制酸工艺简介

水湍冲塔烟气二吸一吸洗涤塔水冷却塔电除雾换热器转化器SO2鼓风塔干燥塔 图1.2 硫酸制备工艺流程图

1.1.1 53万t硫酸工艺流程

1)净化

从冶炼厂铜镍转炉送来的烟气中二氧化硫浓度约为5.5%，烟气温度250℃左右。将烟气分作两路一路进到一系统；另一路首先进到二系统空塔，从上到下与塔顶喷淋下来的1%左右稀酸逆流接触，酸中水分绝热蒸发而使气体降温，绝热饱和温度为35%，气体中的尘和杂质被稀酸洗涤而进入循环酸中。进入酸中的杂质有50%左右溶解，不溶的固体杂质在沉降槽内部分沉降下来清液从上部溢流至循环槽后用泵打到塔内喷淋，完成酸液循环过程。而沉降槽底部沉积的酸泥以5g/l的含固量被排放，酸泥送到冶炼厂回收废酸自流到一系统污酸地沟。从空塔出来的烟气自上而下与动力波冲击管中的高速稀酸充分接触，降温除尘后进入填料塔中，自上而下与经板式换热器冷却后的稀酸逆流接触，待烟气温度达到28℃左右时，从塔顶排出，进入两极电雾，气体在电雾除尘器内被除去酸雾。

来自冶炼的烟气含有大量的氮气、二氧化碳和氧气，此外还含有大量的杂质如：镍、硒、砷、矿尘、二氧化硫、水分等。矿尘它不仅会使管道堵塞 而且会覆盖触媒的表面。而使触媒结疤，活性下降阻力增加转化率下降。再次矿尘进入成品酸中杂质含量增高，颜色变红或黑，影响成品酸的质量杂质中的三氧化二砷和氧化硒是危害触媒最严重的毒物，同时也影响成品酸的质量。硒、砷在烟气中以氧化状态存在的，烟气中所含的砷和硒的多少与原料含砷、硒量和冶炼的工艺所决定的。二氧化二砷和氧化硒是危害触媒最严重的毒物，同时也影响成品酸的质量。至于水分，它会稀释进入转化系统的酸沫和酸雾，会稀释沉积设备和管道表面的硫酸造成腐蚀。且三氧化硫会与水蒸汽结合成硫酸蒸汽。在换热降温过程中以及在吸收塔的下部有可能生成酸雾，不易被捕集排除会造成环境污染。净化的主要任务是除尘，降温除热和除雾除水。

净化的主要设备有：空心洗涤塔、填充塔、泡沫洗涤塔、电除雾器等。

表1-1 净化工艺指标

项目 入口烟气温度 出口烟气温度 喷淋酸浓度 入口酸温 出口酸温 循环酸量 冷却水入口温度 冷却水出口温度

单位 ℃ ℃ % ℃ ℃ ㎡ ℃ ℃

空塔 250 51 4.3 50.8 50.8 400

填料塔 51 31 0.90 31 39.3 400

板式换热器

41.5 31 27 34

电除雾 31 31

2)干吸工段

从净化二段电雾出口来的烟气先进入干燥塔，气体中的饱和水分被塔顶喷淋的93%的酸吸收，出塔酸进入循环槽，再用泵经板式换热器冷却后送到塔顶喷淋，干燥后的气体进入二氧化硫鼓风机入口，并由鼓风机送往转化工段进行转化。转化后的烟气温度为220℃，进入吸收塔，烟气中的三氧化硫被塔顶喷淋下来的98%的硫酸吸收，浓硫酸从塔底流出进入循环槽，然后用循环泵经阳极保护冷却器冷却后送至塔顶喷淋，从塔顶出来的尾气进入104米烟囱放空。

干燥出来的硫酸因为吸收了水分而变稀。吸收塔流出的酸因吸收三氧化硫而变稠，让两种酸依靠自动串酸来调节浓度，不足的水分从系统外加入干燥循环槽。成品酸从干燥循环子槽产出。经脱气塔脱气后进入地下槽。成品酸由地下槽液下泵送往成品酸库。

表1-2 干吸工艺指标

项目 入塔烟气温度 出塔烟气温度 喷淋酸浓度 喷淋酸入口温度 喷淋酸出口温度 入冷却器酸温 出冷却器酸温 入冷却器水温 出冷却器水温

单位 ℃ ℃ % ℃ ℃ ℃ ℃ ℃ ℃

干燥塔 31 45 93 45 55 55 45 30 38

一吸塔 195 60 98 65 82 82 65 30 40 3)转化工段

从二氧化硫鼓风机出来的烟气大部分经第一，第二外热交换器预热升温至390℃后和一小部分从鼓风机出口经三，四段之间的内部换热器预热后的烟气混合后顺序经过转化器二，三段触媒间和一、二段触媒间的裂管换热器继续被预热，使其温度生高至420℃，从转化器上部进入转化器一层进行反应。一段转化后的烟气温度上升到526℃，然后经内热交换器降温至470℃进二段转化，二段温度上升到494℃后经内热交换器降温至440℃进入三段转化，三段转化温度上升到446℃后经内热交换器降温至420℃后进入四段转化，转化后温度上升到437℃。在此过程中，烟气中的二氧化硫在触媒的催化作用下和烟气中的氧气化合生成三氧化硫，同时放出热量。从四段转化器出来的三氧化硫烟气依次进入第二、第一外热交换器，预热从鼓风机送来的烟气，本身温度降至220℃后，送入吸收塔吸收成硫酸。

为了调节各段触媒层的温度，在各段之间分别设置了烟道和电动，气动调节阀，用从风机出口引来的冷烟气进行冷激控制，使各触媒层的操作温度稳定。

表1-3 转化工艺指标

项目 转化入口气量

SO2

一段

触媒煤层 入口温度 二段 三段 四段 一段

累计 转化率 二段 三段 四段 A 复线量

B

单位 Nm/h % ℃ ℃ ℃ ℃ % % % % % %

3正常状况 68000 5.00 420.00 470.00 440.00 430.00 73.00 88.00 92.00 97.00 5.71 27.00 1.1.2三硫酸工艺 1)净化工艺流程

闪速炉，转炉烟气经过直径为Ф2850mm烟道输送至第一洗涤塔（空塔），循环酸由塔顶喷入，塔内气液顺流接触，洗涤，除尘降温后由塔底排出进入二洗塔顶部，一洗循环酸经沉降槽处理后流入一洗循环槽继续使用；气体由塔底进入二洗塔，循环酸有塔顶喷入，塔内气液顺流接触，进一步洗涤，除尘降温后的烟气有塔底排出，进入三洗涤塔。气体由底部进入三洗涤塔，由塔顶排出，循环酸由塔顶喷洒，塔内气液逆流接触，经洗涤后烟气温度降至50℃以下，三洗塔出口气体由顶部进入间冷器，由底部排出来，气液在塔内逆流接触。间冷器并联使用，经间冷器降温后的气体，由电除雾底部进入电除雾器从顶部排出，电除雾分 为两级，每级四台并联。电除雾器出口合格的二氧化硫烟气进入干燥塔。

电除雾器，间冷器内的冷凝稀酸竟排放管分别排入间冷器循环槽，三洗循环槽作为部分新水补充循环酸用，间冷器冲洗槽正常运转时加入中水作为补充，中水没有是补加新水，间冷器冲洗水经间冷器循环泵部分串入三洗循环槽，作为补充水补入三洗循环槽使用。过量的水由平衡管串入二洗循环槽，二洗循环槽循环酸多时由二洗泵出口串入一洗循环槽做循环酸使用，在一洗循环酸含酸，含尘达到平衡时由一洗循环槽排酸口经管道排出。2)转化，吸收工艺流程

二Ⅳ换热器I换热器四Ⅱ换热器Ⅲ换热器一一吸塔SO2风机三I外换热二吸塔一吸塔I外换热

图1.3 转化吸收工艺流程图

净化后的烟气经干燥塔出去水分、酸雾后，有二氧化硫主风机牵引鼓入Ⅳ外热交管间再经Ⅳb、Ⅰ号换热气管间，由转化器顶部进入转化器一层，一层转化出口烟气进入Ⅰ号换热器管内与管间冷气热交换后，进入二层转化，在二层转化反应后的烟气进入Ⅱ号换热器与管间冷气换热后进入三层，三层出口烟气依次经Ⅲb和Ⅲa号换热器管间与管内热气换热降温后进入一吸收塔吸收；一次吸收后的烟气从一吸收塔出来后依次经Ⅲa、Ⅲb、号换热气管间与管内热气换热生温后进入转化器四层，进行二次转化，四层出口烟气依次经Ⅳb、Ⅳa号换热器管内与管间冷器换热降温后，进入二吸收塔吸收。二次吸收后的烟气由尾气烟囱外排入大气层。

净化后的烟气经干燥塔底部进入塔内，干燥酸由塔顶淋洒，烟气、干燥酸在塔内逆流接触除去水分后进入二氧化硫鼓风机，依次经一、二、三层触煤完成一次转化，一次转化后烟气进入一吸塔完成一次吸收。一吸塔内，三氧化硫烟气由塔底部进入塔内，吸收酸由塔顶淋洒，气、液在塔内逆流接触，一次吸收的烟气经四层触煤进行二次转化，二次转化后烟气由二吸收塔底部进入塔内，吸收酸由塔顶淋洒，气、液在塔内逆流接触完成二次吸收，二次吸收后的尾气由烟囱外排。

干燥循环酸在吸收烟气中的水分后，浓度下降，体积增加浓度降低。

一、二吸循环酸吸收了三氧化硫后浓度增加。产93%酸时，二吸收循环酸浓度通过加水 来调节，保持98%不变；液位通过往一吸串酸来保持稳定，一吸通过串入干燥酸来调节酸浓度平衡，一吸通过往干燥串酸用以实现一吸液位的稳定。干燥酸浓度高于93%时，通过加入新水来调节至93%，干燥循环槽由于加水或串入吸收酸而使液位升高，升高部分经产酸阀排入干吸地下槽作为成品酸送往酸库。产98%酸时，干燥酸由于吸收烟气中的水分浓度下降，此时由一吸串入98%酸，保证干燥酸浓度稳定，干燥循环槽由于串酸、吸水而使液位上升，上升部分由串酸阀串入一吸循环槽，保证干燥循环槽液位的稳定，一吸酸吸收了三氧化硫浓度上升，通过加水稳定浓度，一吸通过往二吸串酸来保持液位稳定。二吸吸收二氧化硫后，加水调节98%。二吸液位上升后，通过产酸管道排入底下槽作为成品。

表1-4 净化参数

一洗塔入口压力≤—10000Pa 一洗塔出口温度≤70℃ 间冷器出口温度≤30℃ 一洗循环槽液位：1500—2000mm 三洗循环槽液位：1500—2000mm 二次电压≥40kv 净化系统漏风率≥15% 净化出口酸雾≤5mg/Nm

3二段电除雾出口压力≤4500 Pa 三洗塔入口温度≤60℃ 二段电除雾器出口温度≤32℃ 二洗循环槽液位：1500—2000mm 间冷循环槽液位：1500—2000mm 电除雾器出口压力≥—1500 Pa 净化出口烟气含尘≤2 mg/Nm

表1-5 干吸参数

3干燥循环槽液位：1800—2000mm 二吸循环槽液位：1800—2000mm 一吸塔出口酸温：≤70℃ 干燥酸浓度：92.5-93.5% 二吸酸浓度：98.2-98.5% 93%酸浓度：92.5-93.5% 风机出口水分：≤1g/hm

3一吸循环槽液位：1800—2000mm 干燥塔出口酸温：≤55℃ 二吸塔出口酸温：≤70℃ 一吸酸浓度：98-98.5% 吸收率：99.99% 98%酸浓度：98-98.5%

表1-6 转化参数

风机出口压力：≤40kPa 一层入口温度：410—435℃ 一层触媒温度：表层：420—440℃ 中层：560—620℃

4号外热交压差：≤6kPa 四层入口温度：390-420℃ 转化率：＞98% 3)附属系统

 循环水系统

间冷气循环水经间冷气循环泵打入间冷气管间与管内。烟气逆流传热后回到 冷却塔，由塔顶淋洒降温后进入塔底水池循环使用。板式循环水经板式循环泵打入板式换热器或阳极保护器内与酸进行换热后进入冷却塔由塔顶淋洒降温后，进入塔底水池循环使用。

 成品酸系统

成品酸排入干吸地下槽，由液下泵输送管道打入大罐计量存放。装车时，先将酸打入计量槽计量后，由计量槽泵打入火车栈桥或汽车装酸高位槽。返酸时，关闭大罐入口阀，打开返酸阀，经成品输送酸管道将酸返到干吸系统。成品酸可经联络干线打入硫酸库。1.2.3新老系统的比较

表1-7 新老系统的比较

项目 新系统

湍冲塔，优点是前一段有柱状的烟道，效率可提高到98%。可节省投资，节省占地净化 面积。

老系统一系统为间冷器，缺点是体积大，检修不便。二系统为板式换热器，缺点是体积小，效率低。

塔槽一体，优点是停开泵时，酸不会积累，母槽、子槽分开，以管道相接。缺点提高利用率。阴极：六角形

电除雾 阳极：正六边形

是易漏酸，堵塞管道，生产不安全。阴极：六棱柱 阳极：圆形

电除雾一、二段并联，它们之间无增湿塔。

一、二段间有增湿塔，经过一段后，优点：两套冲洗、除尘，降温效率高。两转两吸，先经一、二、三层转化后，进

颗粒体积增大，二段时有利于除尘。一转一吸，先转化后吸收，生成的SO3随时间的增长，它的浓度增大，使得反应的逆反应速度加快，转化效率转转化 入一吸，再进入四层转化，进入二吸，转化过程中，将生成的SO3及时除去，反映有利于向正反应方向进行，提高转化率。低。

1.2 硫酸的储存和生产中材料选用

硫酸生产是连续的，成品酸的送出也是连续的，但是硫酸售出则是间断的。因此，一般的每个硫酸厂都设有成品酸库。硫酸库有立式圆筒形或卧式扁圆形两种，前者居多。以能贮十天至一个月的产量为限。酸库的容量有100～1000t大小不等，硫酸库可以普通钢板焊成，外加钢材补强，顶部有酸入口、出气口、人孔等，并辅以酸泵移酸。

硫酸工业是处理腐蚀性的气体和液体的工业，在选择硫酸生产设备的构筑材料时，不仅要考虑材料的耐腐蚀性，而且还要考虑材料的机械强度，加工难易程度，资源情况，以及价格高低等因素。硫酸对金属的腐蚀，与硫酸的浓度及温度有很大关系，所以硫酸的浓度和温度也是选择设备材料的重要依据。耐酸材料 大致分为金属材料、无机材料、有机材料三类，这些材料有的是单独使用，有的则是互相配合，或作为其它材料设备的衬里使用。

常用的耐酸蚀金属材料有铅、钢、铸铁、高硅铁、铬、钼、镍合金钢等。1)铅

铅在硫酸生产上是使用较早、较广泛的优质耐腐蚀材料。由于铅与稀硫酸作用，其表面生成一层稳定的PbSO4保护膜，这层保护膜可以防止金属与酸的继续作用。当酸浓度增加到75％以上时，尤其是在发烟硫酸中，铅是不稳定的，在这样的酸中，硫酸铅显著地被溶解，这时，PbSO4保护膜也就不能再起防腐蚀的作用了，因此，铅材只适用于浓度小于80％的硫酸。温度对于PbSO4薄膜的稳定性也有影响，在稀硫酸中温度超过85～90℃时，硫酸铅即被破坏。一般说来，铅越纯其耐酸蚀性越强，若有少量杂质，其耐酸性就要受到影响，如含有Zn、Bi、Sb、Sn等，则耐酸性降低，但增加Cu、Te时，耐酸性增加。铅的熔点较低(327℃)，150℃就开始软化，所以，使用在150℃以下的范围内。铅比较柔软，机械强度比较差，加入少量锑为硬铅，但耐腐蚀性降低，加入少量铜，既可显著改善铅的疲劳性和抗拉强度，又可以提高避免晶粒粗大温度，再向含铜铅中添加1.03～0.05%的锑，则可比纯铅更耐硫酸。2)钢和铁

钢和铁在稀硫酸中的被腐蚀时，易于与酸反应，置换酸中的H+，放出氢气；随酸浓度的增加，反应减弱。在浓硫酸和发烟硫酸中，由于生成坚固的硫酸盐和氧化膜，使金属表面再不受腐蚀，所以，钢和铸铁在酸浓度>70% H2SO4、温度<80℃时用来制备种机械设备。酸浓度在95%以上，或更高温度情况下，铸铁仍然具有耐蚀性。因此，酸冷却排管用铸铁，酸贮槽、管线用钢制成。当发烟硫酸中游离SO3高于25%以上时，会引起铸铁的脱碳作用，而发生晶间腐蚀，于是发烟硫酸的冷却器和管道不用铸铁而用钢制成。3)高硅铁与不锈钢

含硅量为14.5～16.5%的铁称为高硅铁，硅铁的耐腐蚀性与硅含量的高低有关，若硅含量达到16.5%时，有最好的抗腐蚀性能，它可以耐浓度10～100% H2SO4、温度由常温到沸腾的硫酸，主要是源于金属表面形成SiO2保护膜。所以，高硅铁被广泛用作制酸泵的叶轮、酸管和喷酸器等。但其主要缺点是性质特别脆，且硬度极高，加工困难，温度变化急剧时易发生破裂。另外，对于氟化物存在时，溶于硫酸中生成氢氟酸，能使高硅铁的设备遭受强烈腐蚀，应该注意避免。硫酸厂常用的耐酸不锈钢有18-8合金钢和K合金，前者耐浓硫酸的腐蚀性能不及普通钢好，耐稀酸的腐蚀性能不如铅好，后者为高镍铬合金钢，其耐各种浓度硫酸的腐蚀性能均强，但价格昂贵，仅用来制造酸泵和鼓风机的叶轮、轴等转动部件。9近年来，一些新型的耐蚀钢被硫酸生产使用。

常用的耐酸无机材料有耐酸胶泥、玻璃、陶瓷等天然耐腐蚀材料。1)耐酸胶泥

耐酸胶泥和耐酸混凝土是两种常用的耐酸材料。耐酸胶泥是由粘合剂、填充物、凝固和硬化加速剂三种主要组分配制而成。水玻璃是常用的粘合剂；填充物一般是为粉碎了的含氧化硅较高的岩石，如中性长石、花岗岩、石英砂等，此外，粉碎了的陶瓷器，玻璃以及人造的硅酸盐材料，辉绿岩也可以作填充物；凝固和硬化加速剂通常是氟硅酸钠，为白色粉末。配制耐酸胶泥时，粘合剂、填充物、凝固及硬化加速剂三者的比例，应根据使用时的不同要求，以及原料不同规格等决定，一般填充物占60％，氟硅酸钠含量则要考虑所要求的凝固速度不同而增减，通常配方为通常石英砂：Na2SiF6：Na2SiO3=1：0.0675：0.45。耐酸胶泥几乎在任何温度下，对任何浓度的酸性气体和液体都是相当稳定的。2)玻璃

玻璃的主要成分是纯度高的硅酸钠(钾)及硼的化合物，其化学稳定性高，透明易清洗，广泛用于制造化工设备，如液位计、压力计等。玻璃材料在使用上也受到一定限制，因玻璃质脆，耐压性、耐高温性差，更不能经受温度的骤变。但是，低碱无硼玻璃却能在150℃以下温度安全使用，这种玻璃温度骤变可达100℃左右，可耐压3～4MPa。在玻璃中加入适量的氧化硼，可以大大地改善玻璃的热稳定性。现在还可采用搪玻璃，即将熔融成形的玻璃衬在金属内表面，加热使其软化，然后再从内部加胀使共紧贴于金属内表面。这种搪玻璃的特点是无针孔，玻璃表面光滑，因而几乎没有污垢附着，这样的容器既具有玻璃耐腐蚀的能力，又具有高强度机械性能。3)陶瓷及天然耐腐蚀材料

陶瓷质没备有不少用于疏酸厂，各式瓷砖，瓷环用作塔器的衬里及填料。陶瓷质材料的优点是耐腐蚀性强，价格便宜。天然耐腐蚀材料也广泛应用于硫酸生产中，如花岗岩、中长石、石英石及高岭土等，这些材料可以直接制成耐酸设备或设备衬里。也可制作耐酸地面和耐酸泵基础等。国外生产的氮化硅新材料，这种材料在1500℃温度下的氧化气氛中能保持原有性能，同时能经受反复的热冲击而不会被大多数熔融金属所浸蚀，并能耐大多数酸类的腐蚀。如用这种新材料制作泵的端面密封和阀门等；耐腐蚀效果都良好。

耐酸有机材料，特别是合成树脂材料，正在取得显著的进步和发展，在硫酸工业中的使用范围也在扩大。常用的有机材料有聚氯乙烯、聚氟乙烯、聚异丁烯树脂及石棉酚醛塑料等。有机材料具有质轻、易于加工，成型和接合，可以制成各种形式的设备、管道和零件，有外表美观等优点，缺点是在高温下容易变形和 10 分解。所以使用温度受到限制。膨胀系统数大，成型时和成型后会收缩变形是其缺点。另外，由于环境介质向材料内部渗入和扩散，化学浸蚀首先在表面进行，逐步深入内部，使得合成树脂变坏，是必须避免的。1)聚氯乙烯

聚氯乙烯是目前在硫酸工业上使用广、用量大的材料之一。它对95％以下的硫酸具有良好的化学稳定性，用于制造管道、异径管，管件、阀门、泵、鼓风机，容器、贮槽以及设备的衬里等。2)聚四氟乙烯

又称含氟塑料—4，化学稳定性极高，能长期耐各种浓度的酸、碱或强氧化剂的腐蚀。还具有很好的耐冷、热性能及抗老化性，它可以在-180～+250℃的温度范围内使用较长时间。它的缺点是：机械性能比较低，刚性及耐腐蚀性差，且在加热后不能呈流动状态，粘度很大加工困难。聚三氟乙烯和聚四氟乙烯相似，其化学稳定性仅次于聚四氟乙烯。3)聚异丁烯

它是类似于橡胶的高分子材料，用它加工成板材，作为设备的衬里，或单独作成器件、软管或垫。聚异丁烯在温度较低时(20℃以下)对浓硫酸(95％以下)耐腐蚀，对发烟硫酸不适用。4)石棉酚醛塑料

石棉酚醛塑料属于混成塑料，由酚甲醛树脂和填充物制成。耐酸石棉、砂或石墨都可作为填充物。石棉酚醛塑料对稀硫酸十分稳定，其耐腐蚀能力与所用填充物的种类有一定的关系，这种塑料适用的温度范围为150～170℃。酚醛塑料对硫酸的耐腐蚀性还与硫酸的浓度及温度有关，对95％的硫酸，耐腐蚀允许的温度为30℃，最高允许的温度为60℃，对80％的硫酸，其最高允许温度为160℃。石棉酚醛塑料可代替不锈钢、紫铜、铝等金属，用于制造贮槽、反应器、塔、管和配件等。5)玻璃钢

玻璃钢是以合成树脂为粘接剂，以玻璃纤维为增强材料制成，它具有强度高，耐腐蚀性强等优良性能，广泛用作化工防腐蚀材料。

思考题

1.金川公司硫酸合成的设计思路是什么，为什么？请结合硫酸合成的工艺方法，谈谈选择冶炼烟气制酸的意义。2.硫酸制备工艺对选择设备及材料方面有哪些需要考虑和注意？

3.除尘去杂对于硫酸合成的工艺效率和制得酸的质量十分重要，请对该工段的工艺结合所学知识对除尘去杂工艺的实现及其特性加以分析。

4.硫酸制备关键是SO3催化转化，请解释转化原理，并简述目前催化剂的发展现状。

参考文献

1.陈五平.无机化工工艺学——硫酸与硝酸（第二版）.北京：化学工业出版社.1989.2.郭景芝, 茆卫兵.21世纪中国硫酸工业发展趋势.硫酸工业.2002,(5):1-8.3.朱新雷.化工技术进展——硫酸工业.中国化工.1996，（3）22-25.4.张军保，丁忆，王辉，周伟，何洪.新型规整填料的性能及其在硫酸工业中的应用.化工进展.2002，21（8）：592-595.5.徐暾家，郑建国，陶永顺，肖世猛.阳极保护技术在硫酸工业中的应用.硫酸工业.2001，（5）：35-37.6.茆卫兵.国外硫酸工业进展.硫酸工业.2000，（6）：13-17.第2章 氯碱系统

概述

采用电解食盐水水溶液生产烧碱和氯气、氢气的方法，简称氯碱法，该工业称氯碱工业。（现在氯碱工业的称法已经把氯产品液氯、合成盐酸、漂白消毒剂、甲烷氯化物、C2氯溶剂、氯乙酸、氯化石蜡、氯苯系列、环氧化合物、聚氯乙烯、氯化聚合物，其中聚氯乙烯为代表，以及碱产品，以烧碱为代表，通称为之）其中的主要产品烧碱即氧氧化钠，又称苛性钠，广泛用于造纸、纺织、肥皂、炼铝、石油、合成纤维、橡胶等工业部门，是重要的无机化工原料，在国民经济中占有重要地位。1983年世界烧碱产量为34³106t（以100％NaOH计)。在激烈的国内外竞争中，我国各氯碱企业为了提高自身的竞争力，纷纷扩大烧碱生产规模，从1999年开始，掀起了一轮烧碱扩建高潮，到2000年其生产能力已从1998年的6860kt/a增至8000kt/a，目前我国烧碱的总生产能力已经达到8620kt/a，居世界第2位。如此快速的增长，使国内烧碱市场趋于饱和状态，但这种扩建热潮目前还在继续，齐鲁石化公司氯碱厂正在扩建的200kt/a的离子膜装置，上海氯碱化工股份有限公司计划再建400kt/a的装置，其它的一些厂家的计划项目估计还有700kt/a, 如果这些计划项目得以实施，我国的烧碱生产能力将达到近10000kt/a。目前我国的烧碱企业有200多家，但装置规模普遍较小，生产能力超过100kt/a的生产企业只有24家。

对于烧碱的生产有苛化法与电解法两种。苛化法是纯碱溶液与石灰乳化反应生成烧碱而得名，亦称石灰苛化法。电解法是采用电水溶液生产烧碱和氯气、氢气的方法，简称氯碱法，该工业被称为氯碱工业。在此，以氯碱法为论述对象。1890年，德国在哥里斯海姆建成世界第一个工业规模的隔膜电烧碱装置投入生产。到19世纪末，大型直流发电机制造成功，提供了大功率直流电源，电解法才得以发展。第二次世界大战结束，随着氯碱产品从军用生产转入民用生产，特别是石油工业迅速发展，为氯产品提供了丰富而廉价的原料。氯需要量大幅度增加，促进了氯碱工业的发展，从而电解法取代苛化法成为烧碱的主要生产方法。电解法虽采用廉价的食盐为原料，但需消耗较多电能，多年以来还有氯碱平衡问题(电解食盐水溶液可按1：1.13固定比率生成氯气与烧碱，而市场对二者的需求不一定符合此比率)。加之人类对环境污染逐渐重视，这对它也有影响。保留少量苛化法烧碱生产也是一种调节方法或在大型纯碱厂附设苛化法烧碱车间处理不合格纯碱，或采用天然碱苛化制取烧碱等途径。

电解法又分为隔膜法(Diaphragm process,简称D法)、水银法(Mercury Process，简称M法)、离子交换膜法(Ion-exchange Membrane Process，简称 I.M.法)。隔膜法是最先用于工业生产的电解方法。在电解槽阳极室与阴极室间设有多孔渗透性的隔层，它能阻止阳极产物与阴极产物混和，但不妨碍阳、阴离子的自由迁移。由于氯和烧碱都是强腐蚀性物质，长期以来人们都在找合适的隔层材料。最初找到水泥微孔隔膜，因电阻大，透过率和电流效率都低，只能用于间断操作。后改用石棉滤过性隔膜，它不仅可以连续操作，而且适于在高电流效率下制取较高浓度的烧碱溶液。此外，也对电槽结构进行改进，美国虎克立式吸附隔膜电槽可作为20世纪60年代隔膜电槽先进水平的代表。到了70年代，隔膜法发展到了一个新的水平，取得电解槽容量不断增大，能耗明显降低、电解槽运转周期延长等方面提高，其原因为一方面出于回避水银法的汞害，另一方面由于1969年制得长寿命、低能耗外涂钌、钛氧化物的金属阳极，以及相应地改进了隔膜材料与阴极材料。水银法是1892年由美国人H.Y.Castner和奥地利人C．Kellner同时提出，所用电解槽系由电解室和解汞室组成。其特点以汞为阴极，在此进行Na+的放电、生成金属钠，与汞作用得到钠汞齐，钠汞齐从电解室排出后，在解汞室中与水作刚成氢氧化钠和氢气：NaHgn+H20NaOH十1/2H2+nHg，析出的汞又送回电解室循环使用。它在电解室中产生氯气，在解汞室中产生氢氧化钠溶液和氢气，这样就解决厂阳极产物和阴极产物隔开的难题。所以，水银法电解制烧碱的特点是浓度高、质量好，生产成本低，19世纪末实现工业化后就获得广泛应用，但该法最大缺点是汞对环境的污染。水银法电解生产受到世界性的限制。离子交换膜法电解是发展趋势。1975年首先在美国和日本实现了工业化。此法用有选择透过性的阳离子交换膜将阳极室和阴极室隔开，在阳极上和阴极上发生的反应与一般隔膜法电解相同。Na+在电场的作用下伴随水分子透过离子交换膜移向阴极室，C1-不允许透过离子交换膜，因此在阴极室得到纯度较高的烧碱溶液。离子交换膜法在电能消耗、建设费用和解决环境污染等方面都比隔膜法和水银法优越，被公认为现代氯碱工业的发展方向。

我国氯碱工业始于解放前的“南吴北范”，他们是中国最早的化工实业家，是中国氯碱工业的奠基人，“南吴”是指吴蕴初先生(1891～1953)，吴先生在1923年办天厨味精厂，1929年创办上海天原电化厂(现在天原化工厂的前身)，生产烧碱、盐酸、漂白粉。“北范”是指范旭东先生(1883～1945)，他于1914年在天津塘沽集资创办久大精盐公司，为了和英国卜内门化学公司抗衡，1920年办塘沽碱厂制造纯碱。其后一些氯碱厂相继在太原、青岛、天津等地建立。到1949年，全国烧碱产量只有1.5³104t，氯产品仅有盐酸、漂白粉、液氯等少数品种。建国后氯碱工业在产量、品种和生产技术方面等到很大发展，而且从科研、设计到生产，形成了一个完整的工业体系。1951年，锦西化工厂日产10t的西门子隔膜电解槽建成投产，第二年，该厂新建的国内第一套水银电解槽又投入生 14 产。1952年通过国内自行开发，在天原化工厂试制成功了立式吸附隔膜电解槽，与旧电解槽相比，单槽产量提高10倍，电耗降低23％，1974年，我国工程技术人员，通过查阅大量资料，并进行多次试验研究，生产出首批40台30m2金属阳极隔膜电解槽，在上海天原化工厂投产运行。此电槽同石墨阳极隔膜电解槽相比，单槽产量可提高1倍，电耗可降低13％。金属阳极隔膜电解槽的应用，对我国氯碱工业的发展有着极其重要的意义。自1986年我国引进第一套离子膜复极装置在盐锅峡化工厂投产，北京化工机械厂引进离子膜电解槽生产技术和通过我们自行开发首套复极式离子膜碱装置在沧州化工厂投产运行以来，我国离子膜烧碱产量比例在逐年增加，2000年已占烧碱产量比例的26％，同金属阳极电解槽比较，离子膜电解槽单槽生产强度提高75％~100％，节约综合能耗1.2t标煤/t碱。特别是1988年齐鲁石化公司氯碱厂，引进20万t改性隔膜扩张阳极电解槽和1990年上海氯碱总厂引进15万t离子膜生产装置的投产，也标志着我国烧碱生产装置水平的大型化，并缩短了与国外生产装置的差距。我国氯碱工业不仅在数量上有飞速增长，而且在规模上也有一个质的飞跃。全国现在有氯碱企业200 多家，烧碱生产规模平均在4万t/a.。1997年1万t以上生产规模的氯碱企业37家，其中10万t以上的只有上海电化厂1家，而1999年10万t/a以上的就达15家之多，占全国总生产能力的36.7%，规模最大的上海天原集团公司，烧碱总生产能力为46万t/a。

氯碱工业中离子膜法已被公认为是一种带有方向性的氯碱生产新工艺，其特点是节能、优质、基本无污染、生产成本及投资均较低廉。离子膜法技术的进展是离子膜从磺酸膜到羧酸膜及羧酸-磺酸复合膜。离子交换膜是氯碱工业离子膜法制碱的核心，目前应用于食盐水溶液电解的阳离子交换膜, 根据其离子交换基团的不同, 可分为全氟磺酸膜和全氟羧酸膜和全氟羧酸-磺酸复合膜。美国杜邦（Dupont）公司于1938年起开始研制氟化学品, 首先研制成功聚四氟乙烯，1960年研制成功耐氯碱的全氟磺酰氟（XR）树脂, 并首次应用于燃料电池，之后又研制了Nafion系列膜，1975年Nafion2315膜被日本旭化成公司成功地用于延冈工厂生产烧碱，第一次实现了工业化离子膜法的氯碱生产。Nafion2100、300、400 系列适合生产低浓度烧碱，Nafion 2300系列是一种增强复合离子膜, 为了获得高电流效率, 其阴极侧采用低吸水层, 为了获得低电压，其阳极侧采用高吸水层，这种膜在生产稀碱时电耗较低；Nafion 2400 系列是一种物理耐久性较好的增强离子膜；Nafion2900系列在保持性能稳定而长期生产高浓度烧碱方面, 兼有高电流效率和低电压的特点，Nafion2901膜可用来直接生产浓度为32%的碱液，电流效率接近96%；国际上认为Nafion290209及Nafion 2961运转效益尚好, 新问世的NX2966膜，其机械性能比N 290209 提高近一半，膜寿命较长且 15 更安全，碱浓度为30%～35%时，NX2966的槽电压下降了150 mV。1976年日本旭化成公司用全氟羧酸膜取代了杜邦公司的全氟磺酸膜，接着又开发了羧酸-磺酸复合膜。全氟羧酸膜具有很强的阻止OH-透过的性能，在较广泛的烧碱浓度范围内（20%～40%）都可以超过90%的电流效率，并且碱浓度为20%～30%内有较低的槽电压，因而可以显著地节省电耗，然而全氟羧酸膜在酸性条件下会成为非异体。旭化成公司在1993年开发了当时世界上最佳性能的 ACIPLEX-F4202的离子膜，并于1997年开发出新型的ACIPLEX-F4203离子膜, 在世界上首次实现了电解电压下降到3 V以下的新型离子膜。日本旭硝子公司于1973年开始研究氟化物离子膜, 并试制成Flemion系列，Flemion膜主要有磺酸型和羧酸型两种。Flemion2230 膜的特性可与Nafion 2901膜相比，Flemion2430膜更适合生产低浓度烧碱，Flmion2DX能以零极距进行操作，Flimion膜以电压低、耗电少在世界上获得较好的评价。日本德山曹达公司研制开发的eoseptaN-F膜适宜制备浓度较高的阴极碱液。离子膜可做为单层离子膜或多层离子膜来使用，后者是将具有相同离子交换基团而离子交换容量不同的两张膜复合或将羧酸基膜和磺酸膜压在一起。目前认为全氟羧酸和全氟磺酸复合膜比较优越。我国由上海有机氟材料研究所及中科院上海有机所提供的全氟羧酸型阳离子交换膜，已通过了化工部锦西化工研究院实验电槽的评价。1986年甘肃盐锅峡化工厂1万吨/年引进离子膜法电解槽投产，标志着国内离子膜法生产氯碱的开始。1993年7月27日我国第一套国产离子膜烧碱装置在河北沧州化工厂一次试车成功，其技术性能、技术经济指标均达到引进同类产品的先进水平，标志着我国结束了离子膜烧碱装置完全依赖引进成套设备、技术的被动局面。到1999年底，先后有7家外国公司制造的生产设备和北京化工机械厂国产化的离子膜烧碱装置在国内45家氯碱厂投入生产。1)原盐

盐主要有四种来源，分别是湖盐、井盐、海盐和矿盐。金川公司氯碱制备原盐选用的是湖盐。原盐包括粗盐和细盐，其中NaCl占94％才能满足工艺要求。由于原盐中含氯化镁、氯化钙、硫酸根等杂质，所以原盐质量控制要求[Ca]+[Mg]<6mg/L，[SO4]<5mg/L。2)化盐

由于原盐潮解后非常硬，所以化盐时需要用破碎机破碎，再用皮带送到化盐筒（盐水温度60～70℃，浓度为315±5g/L）。选用软水化盐(钙镁离子少)，将化盐水从化盐筒底部用泵打入与盐水充分接触。当温度70℃左右时食盐溶解。2+2+

2-16 2.1氯碱系统工艺流程

原盐破碎机化盐桶道尔澄清桶列管式换热沙滤器电解槽氢氧化钠氢 气氯 气三效四体蒸发器冷却塔钛管换热器悬液分离器干燥塔干燥塔碱 液盐干氢气干氯气液 氯冷 却42％氢氧化钠溶液溶 解合 成回化盐水盐酸液封槽冷 却盐 酸 图2.1 氯碱系统工艺流程

3)除杂

在配水中已加入碳酸钠、氢氧化钠和盐，形成碳酸钙沉淀和絮状氢氧化镁，再加入聚丙烯酸钠作为凝聚剂使氢氧化镁沉淀，沉淀后使Ca2+：Mg2+=2：1。再加入BaCl2去除硫酸根，控制[SO42-]<5mg/L。将此时的粗盐水打进道尔澄清筒。道尔澄清筒为漏斗形可以使杂质和泥流向漏斗中心，从而出去沉淀，这样的沉淀一般需要4～5小时，再将沉淀完后的盐水打入沙滤机，其填料为石英沙，上部为粗沙，下部为细沙(0.9米的可见度)，经过沙滤机过滤的盐水成为纯盐水。4)电解

此时纯盐水的碱性大，所以需加入HCl调节pH值，使溶液为中性或微酸性且保证[Ca2+]+[Mg2+]<6mg/L，然后将溶液用泵打入高位槽。高位槽的作用是要通过液面高度的恒定来保持恒压——不断向其中打入盐水来保持液面，多余的盐水通过液流管回流，将高位槽中的盐水通过列管式换热器进行预热使其达到85～90℃。再通入电解槽(保证槽压在3.1～3.2V)电解。从电解槽出来的产品有氢气、氯气和氢氧化钠。

5)电解产物的走向及处理

（1）浓度为10%NaOH溶液的处理

预热浓度为10%NaOH溶液电解液储槽三效四体蒸发器（顺流部分强（120-130）制循环）旋液分离器冷却塔沉降槽 NaOH溶液（30—46%） 一效蒸发器

一效蒸发器是靠重力作用进行循环。对一效蒸发器的一管进行加热，产生蒸汽，另一管的溶液由于重力的作用对此局部地方进行补充，形成循环，在此循环中形成蒸发。

 二效蒸发器

二效蒸发器是靠强制循环进行循环。对二效蒸发器的两管都进行加热，两管中都产生蒸汽，用泵使其强制循环。产生水蒸气的同时，有盐从溶液中结晶出来，再经过旋液分离器使其析出的盐（NaCl）与NaOH溶液进行分离。

 三效蒸发器

三效蒸发器原理同二效蒸发器相同。加热后的NaOH溶液产生的水蒸气被抽走，形成负压，此时水稍微加热即可蒸发，NaCl随着水蒸发而不断析出。再经过旋液分离器使NaCl与NaOH溶液进行分离。分离后的溶液（40～80℃）再经过列管换热器进行降温，使盐从NaOH溶液中进一步分离出来，在进入沉降槽分离盐与NaOH溶液。此时收集的溶液浓度可达30—36%。

(2)氢气 氢气→冷却塔→干燥塔→合成HCl

水水水H2H2冷却塔水H2冷却塔水H2冷却塔水 图2.2 氢气的冷却

这里采用水做冷却剂，除冷却作用以外还有另外一个作用，那就是密封作用。氢气的干燥选用98%的硫酸做干燥剂。

（3）氯气 氯气→降温→干燥罐→泵压缩→液氯→装车销售

氯气的降温选用的设备是钛制的裂管式换热器。将温度降至12～15℃。由于湿的氯气腐蚀性很强所以要干燥。在干燥罐中选用98%硫酸做干燥剂，98%硫酸喷淋和氯气逆流接触。干燥完的氯气再通过氟压机液化（T=-25～-30℃）形成液氯。进而将液氯装车销售。

还有一部分氯气用来和氢气合成盐酸。这里氯气的输送选用高温高压、中温中压、低温低压三种方式来输送。

（4）盐酸的合成

合成氯化氢的设备为内壁为石墨，中间为保温管，外部为铁管这样的一种设备。氢气和氯气按照一定的比例反应生成HCl。这种比例的控制在工业上是通过燃烧时的火焰颜色来判断的。当氢气和氯气燃烧时的火焰颜色为乳白色时就表示这时的比例是符合要求的，可以用来合成HCl。干燥的HCl加水吸收就形成盐酸。HCl气体的腐蚀性小，加水形成盐酸后的腐蚀性就变得很强，特别是对于金属的腐蚀性更强。

2.2电解过程及电解装置

电解法制备氯碱是一个典型的电解过程。采用不溶性电极进行电解时，外加电压升高至离子开始放电时，此时的电流强度仍然接近零。开始电解所需的最低电压为理论分解电压，可以借助Nerst方程计算获得。但实际电解时，电极反应存在超电位，使得实际放电电位与理论放电电位之间有一个较大的超电位，这源于在电解过程中，由于在电极上产生气体，形成了一层薄的、导电不良的气膜，而形成的气泡放出也需要一定的时间；在吸附能力强的金属电极附近，可能形成气体的过饱和溶液。吸附能力弱的金属上超电位较小；也可能由于化学方面的原因，例如形成不稳定的水合物，消耗了一定的能量。超电位的数值，视影响因素的不同而各异，主要决定于电极材料的性质。电流密度，电极表面的特性(如粗糙程度等)，电解液温度，性质及其所含杂质，电解时间等对于超电位都有不同程度的影响。可见，适当地选择电解条件是十分关键和有意义的。另外，电流通过电解液以及电极、接点、母线等的电压降对槽电压均有影响。

食盐水溶液中，主要存在四种离子：Na+、Cl-、H+和OH-。当通入直流电时，Na+和H+，向阴极移动，Cl-和OH-向阳极移动。在铁阴极表面上，由于H+的放电电位比Na+的放电电位低，所以首先放电还原成中性氢原子，结合成氢气分子后，从阴极逸出。而OH-则留在溶液中，与溶液中的Na+形成NaOH溶液。随着电解反应的继续进行，在阴极附近的NaOH浓度逐渐增大，在某些阳极表面上，由于C1-的放电电位比OH-的放电电位低，所以Cl-首先放电氧化成中性氯原子，结合成氯气分子后，从阳极逸出；阳极上产生的部分C12溶解在阳极液中，生成次氯酸与盐酸。此时，当阴极生成的NaOH溶液由于扩散与OH-的迁移，而使阳极附近的OH-浓度升高时，就会发生中和反应：NaOH+HClO→NaClO+H2O；NaOH+HCl→NaCl+H2O。由于HClO与HCl被NaOH中和，将促使Cl2的继续溶解。当溶液中的HClO与NaClO由于上述反应的结果含量增大，又可能发生反应：2HClO+ NaClO→NaClO3+2HCl。此外，NaClO又可离解为Na+和ClO-。若CIO-在阳极放电时，又可能引起反应：12 CIO-+ 6H2O-12e→4HClO3+8HCl+3O2；HClO3+NaOH→NaClO3+H2O。阳极附近的OH-浓度升高后，导致产生另一不良后果为OH-在阳极上放电，逸出O2。若阳极液中含有少量的NaCIO和NaClO3，随阳极液流入阴极室。在阴极上与新生态氢原子作用：NaCIO+2[H]→NaCl+H2O；NaCIO3 +6[H]→NaCl+H2O。副反应的结果，不仅消耗了产品Cl2、H2和NaOH，还生成次氯酸盐、氯酸盐、O2等，降低了产品C12和NaOH的纯度。

在氯碱工业中提高生产效率，降低能耗，首先要从电极材料的选择使用解决。由于阳极是直接、经常地与化学性质十分活泼的湿氯气、氧气、盐酸及次氯酸等接触，因此对阳极的要求是：具有较强的耐化学腐蚀性，对氯的超电压低，导电性能良好，机械强度高而易于加工，电极材料易于取得。此外，还应该考虑电极寿命，亦即单位产品电极的消耗量。总之，电极材料的确定必须进行综合的经济分析。

在氯碱工业发展过程中，曾试用过铂、磁铁矿、碳、人造石墨等各种阳极材料。由于碳的机械强度不够，导电性能差，不耐腐蚀；磁铁矿虽具有较高的化学耐腐蚀性，但导电性能差，质脆不易加工，对氯的超电压高，铂虽是最理想的电极，但价格太费。为此，上述材料均不能用于工业生产。人造石墨则具有较多的优点，因此，以石墨制作阳极已有90多年历史。但从1969年开始，石墨阳极逐渐为长寿命、低能耗的金属阳极所取代。人造石墨是由石油焦、沥青焦、沥青及无烟煤等制成，主要成份是碳素。石墨阳极在电解食盐水溶液过程中会不断被损耗，这是由于电解副反应产生的氧、次氯酸等所引起的化学腐蚀造成的。例如氧与石墨作用便生成CO2；次氯酸与石墨作用生成CO2或CO（2HClO+C→2HCl+CO2；HClO+C→HCl+CO）。这样，石墨就被逐渐腐蚀掉。此外，还由于电解槽内物料流动的冲刷，造成机械磨损，使石墨粒子剥落。由于石墨损耗，使阳极变薄、导电 20 截面积变小，阴、阳极之间距离增大，槽电压升高，导致电耗增加。因此，石墨阳极使用一段时间后，必须定期更换。石墨电极的质量由石墨的孔隙率(即石墨中孔隙所占的体积与整个石墨体积的比值．以百分数表示)。孔隙率越高，电极损耗越快，所以，降低石墨电极的孔隙率可以延长电极的寿命。为此，工业生产中通常用亚麻仁油、桐油、四氯化碳等浸渍石墨电极，以减少石墨电极的孔隙率；延长电极的寿命，降低石墨的消耗，但因此会增加槽电压。金属阳极是一种新型高效电极材料。所谓金属阳极就是以金属钛为基体，在基体上涂一层其它金属氧化物的活化层所构成的阳极。例如以金属钛为基体，在钛基体表面上涂一层钌、钛等金属氧化物的活化层，便构成“钛基钌—钛金属阳极”。金属钛具有耐电化学腐蚀性能，表面容易形成钝化膜。而其表面涂层中RuO2导电性良好，具有一定的机械强度，便于加工，因此采用金属钛作为基体。金属阳极基体上的活化涂层，它要是铂族金属(钌、铑、钯、锇、铱、铂)的氧化物，这些涂层中均含有金属钌，因此叫做“钌金属阳极”，此外，还有用钛，锡、锑等的氧化物作涂层的，这些涂层中均不用金属钌，因此叫做“非钌金属阳极”。当前，金属阳极一般采用网形结构。采用金属阳极代替石墨阳极是氯碱工业上的一项重要技术革新。金属阳极与石墨阳极相比，具有以下的优点：对氯的超电位低，在电流密度为10000A／m2时，比石墨阳极低120～140mV；金属阳极隔膜电解槽电流密度高、容量大，相应提高单槽的生产能力；耐氯与碱的侵蚀，使用寿命长，隔膜法可达10年以上。同时，因两极间距离不变，槽电压稳定；氯气纯度高；碱液浓度高，可节省浓缩用蒸汽，以降低成本。且碱液无色透明、质量好；隔膜使用寿命较长；电解槽运行周期长，检修次数少，因而减少了维修工作量和维修费用；由于电解槽不采用沥青和铅，故可避免沥青和铅对操作境的污染。

阴极材料要求：能耐NaOH、NaCl等的腐蚀；导电性能良好；H在电极上的超电压低；具有良好的机械强度和加工性能等。隔膜电解槽使用的阴极材料有铁、铜和镍。铁的导电性能好，耐电解液的腐蚀，H2在铁上的超电压比镍、铜等都低，铁易于制成各种形状，经济合适。因此，在工业上一般采用铁作为阴极材料。对于立式隔膜电解槽的阴极，为了便于吸附隔膜及易于H2逸出，一般采铁丝编成的铁丝网。也有采用铁板打孔阴极的，据报道比铁丝网阴极为优。

隔膜是隔膜电解槽中直接吸附在阴极上的多孔性物料层，用将阳极室和阴极室隔开。对隔膜材料的要求：应具有较强的化学稳定性，既耐酸又耐碱的腐蚀，并有相当的强度，长期使用不易损坏；必须保持多孔性及良好的渗透率，使阳极液能维持一定的流速，均匀地透过隔膜，并防止阴极液与阳极液机械混合；具有较小的电阻，可降低隔膜电压损失。石棉具有耐酸、耐碱的特性，比较全面地满足了以上各项基本要求，所以，到目前为止，一直用石棉作隔膜的材料。石棉是 21 一种硅酸盐矿物质，具有纤维状和柔软性。其化学成分为含水硅酸镁（3MgO²SiO2²2H2O）。立式吸附隔膜电解槽的隔膜，是以石棉纤维为材料制成的、滤过式的隔膜。国内使用的石棉有白康绒和黄康绒两种。将石棉纤维用电解液进行苛化处理制成右棉浆，利用真空吸附的方法，把石棉浆中的石棉纤维吸附在阴极网上，便制成了均匀的隔膜。这种隔膜在长期使用后，由于盐水中悬浮杂质和化学杂质在隔膜上的沉积以及剥落的石墨阳极微粒的沉积，都会堵塞隔膜的孔隙，使隔膜渗透性恶化，阳极液流量下降，电解液浓度升高，槽电压升高，电流效率降低，因此隔膜要定期更换。石棉隔膜使用寿命一般可达4～6个月左右。隔膜法电解，若采用石墨作为阳极，电流密度在800A/m2时，则石墨阳极寿命为7～8个月左右，而石棉隔膜使用寿命仅为4～6个月左右，因此在电解槽运行周期中需要更换一次隔膜。虽然金属阳极的寿命在10年以上，同时也不会发生石墨粉末堵塞隔膜的现象，隔膜寿命也可以从6个月延长到1年，但仍满足不了需要，限制了金属阳极优点的发挥。为此研究试制改良石棉隔膜、合成隔膜和离子交换膜等新型隔膜材料是氯碱工业飞速发展的需要。

随着金属阳极的采用，为解决石棉隔膜使用寿命短的问题，在制备石棉浆时，加入某些添加剂，或对石棉进行某些处理，以增加其机械强度，改善溶胀性及增强耐腐性。例如，在石棉浆中加入热塑性聚合物(聚四氟乙烯、聚多氟偏二氯烯纤维等)所形成的改良隔膜，使用寿命可达1～2年。制备合成隔膜，其主要是氟塑料隔膜，如聚四氟乙烯多孔隔膜。这隔膜具有良好的透水性、导电性和热稳定性，耐腐蚀，寿命长，因此可以用合成隔膜代替石棉隔膜。离子交换膜也是一种合成隔膜。采用离子换膜进行电解制取烧碱和氯气优点很多，将是一种主要的生产法。

隔膜是在电解槽中直接吸附在阴极上的多孔性物料层，用以将阳极和阴极的生成物分开。当电解槽通电后，在隔膜处平衡电流和盐水流量以及对OH-反向移动的抑制作用三者形成动态平衡。所以隔膜的物理化学性能，包括孔率和孔的大小与分布、孔的平均直径和数量、孔的弯曲度以及透过系数等都将直接影响电解槽的正常工作。理想的隔膜不仅可以获得较高的电流效率及较高的电解产物质量，降低电能的消耗，并且对保证电解槽内氯中的含氢量在安全范围内具有重要的作用。当新隔膜电解槽通电后，隔膜出现膨润现象，电解槽盐水的流量约为正常流量的2.5倍。此后，该流量逐步减小。约10 h后，隔膜基本上被机械压紧，但压紧程度较轻。电解槽运转之后，由于氯的溶解而使阳极液呈酸性，阴极液呈碱性。正常情况下，中性层在隔膜内，因此隔膜会将形成的SiO2富集于阳极一侧、Mg(OH)2富集于阴极一侧；由于电解液从阳极区通过隔膜流向阴极区时被溶解出Mg2+、OH-，进而生成Mg(OH)+、Mg(OH)2+等络合体。Mg2+将被冲击到阴极区，22 它们在膜内靠近阴极区处再度沉积为 Mg(OH)2。这些沉积物将堵塞隔膜的流体通道，减小流速，影响电流效率，在膜内靠近阴极侧的SiO2在高温、高浓度的NaOH溶液中也有微量的溶解。这样就在膜内过到了Mg(OH)2或Mg(OH)+络合体以及硅酸盐的凝胶层，增大了隔膜的电压降和阴极流出液中NaOH的浓度。经过这段变化，隔膜同周围的电解液达到平衡状态，隔膜的特性趋于稳定，此即成膜过程电解槽流出碱液中的NaOH浓度与食盐分解率和渗透率有关。在隔膜内部靠阴极的一侧，由于OH-迁移和扩散而渗进膜内，靠阳极一侧则渗进溶解Cl2和OH-。由于阳极液向阴极室的流动，阻止了OH-向阳极室的反渗。若阳极液的流速控制适当，从阴极侧渗入的OH-和从阳极室渗入的Cl2和H+物质的量相等，则在膜内就形成了一个中性层，在此条件下的电流效率最大。当阳极液流速过大，Cl2和H+会透过隔膜进入阴极室与NaOH反应，从而降低电流效率。当阳极液流速很低、食盐分解率很高时，会使阴极液中NaOH的浓度过高，使OH-迁移速度增大，且与阳极液中的Cl2反应而生成次氯酸和次氯酸盐，这不仅会影响电流效率，还会由于阴极液中氯盐含量过高而加剧对蒸发器的腐蚀。在工业化的条件下，由于隔膜的面积增大，在制膜过程中很难保证隔膜的均匀性，使各处具有相同的渗透率。所以，在实际操作过程中，隔膜的阳极液的流速均比理论值高，因此工业生产中的实际电流效率不高于95 %。一般情况下，当以NaOH含量为135g/L为基准时，NaOH含量每增加10g/L，可使电流效率下降1.3%。所以严格执行运行过程中的各项工艺指标，才能保证电解槽平稳运行，减小直流电的波动范围，特别是要在制槽工序中严把质量关，对隔膜的吸附制作严格按操作规程执行。新槽投入使用时，成膜一般在7～10天内完成。在此期间，所有电解条件都必须保持稳定，任何激烈的变化都将会破坏其重新达到的动态平衡，特别是大幅电流异动和意外停电，将会给电解槽造成严重的损伤。如果提高电流密度，必然要相应加大通过隔膜的阳极液流量，这就相应地减少了OH-向阳极室的迁移量，因而会提高电流效率。随着电流密度的提高，槽电压也随之升高；但同时从电压降转变而来的热量增多，使槽温升高，从而可降低Cl2在阳极液中的溶解度，减少副反应的发生。

隔膜电解槽是隔膜法电解生产中的主要设备。20世纪60年代后期采用金属阳极之后，既降低了氯的放电电位，又消除了碳粒堵塞隔膜的现象，隔膜电解槽的大型化和延长运转周期创造了条件，采用了扩张金属阳极和改良石棉隔膜两项新技术，电槽耗电量明显降低。图3为MDC-29型隔膜电解槽示意图。此种电解槽是由阳极(组合件)，阴极(组合件)和槽盖三个主要部组成，采用的是扩张金属阳极及改良石棉隔膜。扩张金属阳极(组合件)17是由23排金属阳极(每排2片极)所组成。每片阳极通过钛—铜导电棒与铜底板14用螺栓连接。铜底板上覆盖防护垫片18(约6mm厚的氯丁橡胶)，以隔离腐蚀的阳极液。另由钢底座框架19 23 与底板用螺栓连接作为支架，并增其刚性。有效阳极面积约为29m2。这种阳极是采用一种机械弹性结构，使阳极收缩与扩张，故称为扩张金属阳极。在电槽组装时，将阳极缩紧，使极间距加大，以保护改良石棉隔膜不受损伤。组装后，将阳极放松，以保持较小极间距，可降低电压降0.15~0.2V。其极间距可由隔离棒直径决定。阴极(组合件)系由22排横向排列的阴极网袋

16、以及两端内部两块并列的阴极网片5所组成。所有阴极网上均吸附着改良石棉隔膜。阴极(组合件)置于阳极底板14上。它与阳极底板之间有油灰软填料20隔开。阴极箱13外面环绕一块阴极铜排12，使电流均匀分布。阴极箱13的一侧有氢气出口3及电解液流出管2。阴极面积约为32m2。槽盖10是一个中空的玻璃纤维加强塑料的盖子，它安装在阴极箱13的上部。槽盖顶部有四个开口：盐水入口两个，氯气出口及氯气取样口各一个。槽盖使用螺旋扣及拉紧弹簧11压紧，保持它与阴极之间的密封。阳极液面视镜4安装在槽盖10的前端，供检测阳极液面用。上述阳极、阴极(组合件)及槽盖经组装后形成两个室—阳极室及阴极室，由改良石棉隔膜隔开。电解时，在阳极生成的氯气，通过槽盖氯气出口管流入氯气总管。阴极室由横跨电槽的网袋以及两端侧边的网片所构成，这样就与阴极箱四周形成一个相通的环室。电解时，在阴极生成的氢气，经过阴极箱上的出口流入氢气总管，生成的电解液从阴极箱上的电解液流出管流出，汇入电解液总管。MDC-29型隔膜电解槽技术特性如表3-1所述。

表3-1 MDC-29型隔膜电解槽技术特性

电解槽尺寸：长³宽³高，m 有效阳极面积，m

2.16³1.09³1.80 29 60～80 2.07～2.76 3.70～4.17 96.5

2900～3270(10440～11772)10 1～2 电解槽实际操作电流，KA 阳极电流密度，KA／m 槽电压(包括槽间导板)，V 电流效率，% 直流电耗，KW²h/tCl2(MJ/tCl2)阳极寿命，年 隔膜寿命，年

思考题

1.请用所学的知识分析金川公司电解法制氯碱的电极参数（理论电压、槽电压、超电压、电流效率），说明电极材料对于电解效率的重要作用，简述目前电极材料的发展状况。2.降低能耗和维持氯碱平衡是氯碱工业的两大课题，请思考并查阅相关资料提出自己的见解。

3.氯碱工业是腐蚀性很强的行业，请结合金川公司实际情况，简述常见的腐蚀形态和原因，并对其控制和材料选择提出合理措施。

4.影响氯碱制备工艺的主要参数控制是什么，如何影响？要得到46wt%和结晶的NaOH工艺上应该如何实现，需要那些主要设备？

参考文献

1.陈五平.无机化工工艺学——纯碱与烧碱（第二版）.北京：化学工业出版社.1989.2.张爱华.我国氯碱工业的现状和发展趋势.石油化工技术经济.2004，20（2）：40-49.3.刘红，熊丽萍，章家立，刘棉玲.我国氯碱工业的发展概况.华东交通大学学报.2002，19（4）：76-79.4.孟昭仁.氯碱工业离子膜和电槽的进展.化学世界.2001，（3）：166-168.5.王卫东.氯碱工业中隔膜渗透率对电流效率的影响.氯碱工业.2002，（7）17-18.6.徐向红.氯碱工业中耐蚀材料应用概况.新疆大学学报（自然科学版）.2002，19（Sup.）：21-24.7.陈晓霞.世界氯碱工业现状及发展趋势.国际化工信息.2001，（6）：8-10.8.张国民，郑石子，邱文豹.氯碱工业20世纪大事记.中国氯碱.2001，（10）：20-23.25

第3章 电解铜系统

概述

我国是世界上四大文明古国之一，也是最早应用铜的国家之一。我国在夏代就进入青铜时代，商、周是青铜文化的鼎盛时期，这一时期出土的大批文物表明，我国的炼铜技术已处于当时世界的最高水平。在甘肃武威皇娘娘台发现的红铜铜刀和铜锥距今已达4000年。在甘肃马家窑文化遗址发现的青铜刀距今已有5000年历史。在夏代，史书载有禹“以铜为兵”的叙述，说明当时已用铜铸造武器。1976年在湖北大冶铜绿山古矿冶遗址发现了大群炼铜竖炉，表明该遗址是我国已知的先秦时期规模最大、历史最长、遗存最丰富的铜采冶中心。据考证，铜绿山古矿址处于春秋时期，距今已达2500～2700年。该遗址先后出土8座炼铜竖炉，在炉的周围堆放着大量炼铜炉渣和金属铜。竖炉呈椭圆形，床面积约0.2m2，风口比约1.2％，残渣含Cu约0.4％～1.1％，粗铜含Cu平均为90％，炉渣成分为：SiO2 25％～30％、FeO 40％～50％、Fe2O3 4％～13％、CaO 2％～4％、Al2O3 4％～7％。这种炉渣成分与现代炼铜炉渣成分完全相同，即为铁橄榄石炉渣。因渣含铜很低，估计铜的回收率相当高。从残存物分析，该炉处理的是孔雀石之类的氧化矿。我国何时开始用硫化铜矿炼铜，尚无定论，但是在明代出版的《菽园杂记》（陆容编著）中对用硫化铜矿炼铜的过程已有相当详尽的描述，可见在明代或以前，我国已能用火法处理硫化铜矿了。湿法炼铜更是源于我国，古称胆铜法，早在西汉《怀南万毕术》中就有用铁从硫酸铜（胆铜）溶液中置换铜的记载，唐末，五代时此法已用于生产。北宋哲宗时张潜写的《浸铜要略》可以说是世界上最早的湿法炼铜专著。综上所述可知，在古代我国的炼铜技术相当先进，技术上具有特色，一直处于世界前列，成就极为辉煌，这是值得每一个中国人自豪的。但是从明代开始，特别是到了晚清，由于封建制度的腐败，中国沦为半封建半殖民地的社会，现代工业发展受到严重阻碍，从而炼铜工业也渐渐衰退。我国第一个近代铜矿冶炼厂是20世纪30年代沈阳的奉天制炼所（沈阳冶炼厂或沈冶前身），使用的工艺流程是烧结锅烧结－敞开鼓风炉熔炼－真空炉吹炼－电解精炼，生产设备简陋，劳动条件恶劣。直到解放前夕，除沈阳冶炼厂外，仅有上海冶炼厂（简称“上冶”）、昆明冶炼厂（简称“昆冶”）和重庆冶炼厂（简称“重冶”）等几家小的杂铜冶炼厂，可以说炼铜工业已奄奄一息。自中华人民共和国成立后，我国铜工业才逐渐恢复发展起来，不仅沈阳冶炼厂的老式鼓风炉炼铜工艺得到改造，而且在上世纪50年代又在湖北大冶和甘肃白银建成了现代化的反射炉炼铜厂，在云南昆明建成了大型电炉炼铜的云南冶炼厂（现为云南铜业股份有限公司，简称“云南铜业”或“云铜”），从而我国炼铜业向前跨进了 一大步。特别是改革开放以来，我国铜工业像其他工业一样更是发生了翻天覆地的变化。

从现有考古发掘的资料看，西亚地区在世界上是最早应用铜并掌握炼铜技术的地区。伊朗西部的Ali Kosh和Tepe Sialk发现的小铜针、铜锥等距今已有9000年以上历史。在土耳其南部的Amnatoria的查塔尔萤克，发现的炉渣中含有铜粒，这种炉渣距今约有8000～9000年（公元前7000～前6000年）历史，据考证，它可能是已知的最早生产上釉铜器的工场，而且炉渣是铁硅酸盐。在以色列的Timna遗址发现的炼铜炉距今已达6000年（公元前4000年），炉子为碗式炉，深约40cm，直径50cm。炉子周围堆放着炉渣，其成分为SiO2 16%～44%、FeO 22％～43%、CaO 11%～20％，渣中含Cu 2％～11％。从炉渣可见也属硅酸铁（铁橄榄石），与现代的炼铜炉渣成分相近。研究表明，该工场是用加热还原铜氧化矿的方法炼出铜的。从埃及发现的铜件表明它们是公元前5000～前4000年（距今7000～前6000年）的产物。据史料研究，欧洲的炼铜技术是从西亚Amoria经爱琴海和高加索地区传入的。西亚地区大约在公元前3000年左右才发现青铜，直到公元前1800～前1400年左右才在巴基斯坦和塞浦路斯境内出现黄铜。奥地利采用硫化铜矿炼铜大概在公元前1200年左右。到14～15世纪时，欧洲普遍采用“德国法”炼铜，该法是将硫化铜矿全部氧化焙烧成氧化铜，然后在矮竖炉内还原粗铜。1698年英国开始采用反射炉冶炼富铜矿（含Cu 10％～30％），即先在反射炉内焙烧，接着熔炼成铜锍，铜锍破碎后仍用反射炉吹炼成粗铜。真正引起炼铜工艺革命的是19世纪后期，即1880年出现的转炉（贝塞麦特炉）。用转炉吹炼铜锍大大缩短了冶炼周期，使炼铜工业进入到一个新时期。随着工业革命的进行，1865年欧洲出现了电解精炼法，从而使铜的纯度大大提高。从19世纪末到20世纪20年代，鼓风炉熔炼在铜冶炼中一直占相当重要地位。从20世纪20年代到70年代，反射炉熔炼一直占据重要地位。从70年代末开始，由于对环境保护、能源与资源问题认识以及法制的加强，炼铜技术发生了重大变革，使全世界炼铜工业面貌发生了巨大变化，绿色冶金工业的实现将为期不远。

3.1近20年来国内外铜冶金现状

3.1.1国内铜冶金现状

改革开放20年来，铜冶金和其他有色金属行业一样，取得了长足的进展、同时也存在一些尚待解决的问题。

1980年我国产电铜383.6kt，至2000年达到1370kt，1995～2000年递增率为4.89％。

目前我国铜产量的97%以上由火法冶炼生产。其生产过程由5～6个工序组 27 成：备料，包括物料储存、配料、干燥、混捏与制团等过程；铜精矿焙烧或烧结；铜精矿、焙砂、烧结块熔炼冰铜；冰铜吹炼成粗铜；粗铜火法精炼铸成阳极铜；阳极铜电解精炼成最终产品——电铜。1)物料储存与配料

我国铜冶炼厂熔炼物料全部采用矿仓储存，规模大的储仓采用半地下式，火车从储仓中心进线，两侧卸料。中等规模的亦采用半地下式，火车从一侧进线，单侧卸料。小规模的采用地面储存，汽车进料，铲车倒堆。

除白银有色金属公司第一冶炼厂（简称“白银冶炼厂”或“白银”）采用堆式配料、梭式布料机布料外，其余均采用仓式配料。对于含水在10％以下的粘结性很大的铜精矿，仓式配料下料困难，料流不畅，曾是铜冶炼厂的难题与通病。20世纪80年代后，配料仓下部增设减压吊挂料斗，料仓外设振打装置，内衬塑料板并采用空气炮松散等多项新技术实现了料流通畅，配料连续、精确、稳定，达到了世界同行业先进水平。2)精矿干燥

我国铜冶炼一般都采用圆筒干燥，干燥后精矿含水5％～8％。江西铜业公司贵溪冶炼厂（简称“贵冶”）和金隆铜业有限公司（简称“金隆铜业”或“金隆”）采用气流干燥，干燥精矿含水小于0.3％。贵冶还引进了蒸汽干燥装置。3)炉料混捏

我国用于密闭鼓风炉和澳斯麦特炉熔炼备料。混合炉料加水后在设有螺旋叶片的混捏机中混捏成形，让炉料获得最佳粘性。4)制团

制团用于密闭鼓风炉熔炼备料。精矿需要经预干燥、两次碾压、两次压密、压团和团矿干燥等多道工序，在我国铜冶炼厂中仅有铜陵有色金属公司金昌冶炼厂（简称“铜陵金昌”）一家采用。5)铜精矿焙烧或烧结

20世纪60～70年代只有白银曾采用铜精矿沸腾炉半氧化焙烧，产出焙砂入反射炉熔炼冰铜。80年代后，随着白银熔炼法开发成功。国内再没有采用铜精矿焙烧的工厂。50～60年代，铜陵有色金属公司第一冶炼厂（简称“铜陵一冶”）与沈阳冶炼厂等曾一度采用烧结机处理铜精矿，产出烧结块入鼓风炉熔炼。进入70年代，以生精矿直接加入密闭鼓风炉熔炼，取消了烧结工序。目前只有云铜保留了烧结机生产铜烧结块送电炉熔炼。随着即将建成的艾萨炉取代电炉生产铜锍，烧结机处理铜精矿也将很快被淘汰。6)铜熔炼

我国铜熔炼方法多样，目前生产厂家采用的有以下10种工艺：

A.密闭鼓风炉熔炼生精矿，产出低品位锍。全国现有30多台密闭鼓风炉在生产，生产能力约400kt/a，年产粗铜300kt以上，占我国现阶段粗铜产量的比例最大，达35％左右。密闭鼓风炉的单炉生产能力低，最大的炉子的炉床面积为14.7m2，但产量不超过30kt/a，能耗高达29.31～55.69MJ/(t²粗铜），烟气中S02浓度低，不利于回收制酸，环境污染严重，亟待改造或关闭。生产操作水平较高的有铜陵金昌、铜陵一冶、中条山有色金属公司侯马冶炼厂（简称“侯马冶炼厂”或“侯冶”）、富春江冶炼厂（简称“富冶”）、烟台冶炼厂、葫芦岛东方铜业公司（简称“葫芦岛”或“东方铜业”）、池州冶炼厂、水口山矿务局冶炼厂（简称“水口山）等。

B.闪速炉熔炼。目前被国内铜熔炼采用的工厂有两家：贵冶生产能力为200kt/a，金隆铜业的生产能力为100kt/a。该法工艺成熟，能耗低，锍回收率高，环保条件好。但对原料要求稳定，需要干燥，基建投资较大。闪速熔炼法的铜产量为300kt/a，占我国粗铜产量1/3。贵冶拟扩大生产能力至400kt/a，金隆铜业拟扩大到200kt/a。这两个厂的生产技术居世界先进水平。C.诺兰达炉熔炼，在大冶有色金属公司冶炼厂（简称“大冶”）旧工艺的改造中被采用来取代反射炉，生产能力100kt/a。于1997年建成投产，设计上较国外同类工厂作了多项改进，投产后各项工艺指标均优于国外同类企业。正拟将其产能扩大到150kt/a。

D.电炉熔炼。云铜于20世纪50年代建厂时，原料含钙镁高，设计的炉渣成分(MgO+CaO)达到30％，熔点高，因而采用了电炉熔炼工艺。设计能力为30kt/a,进入本世纪年产粗铜已达140kt；由于原料成分变化、能耗高和环保条件差，正在改为艾萨熔炼，到2005年，将达到250kt/a电解铜的规模。

E.白银炉熔炼。这是我国自行开发的熔池熔炼法。1980年运行至今，工艺指标与其他熔池熔炼方法不相上下。现有50m2和100m2的白银炉各一台，总生产能力达100kt/a,由于原料供应不足，目前年产粗铜80kt左右。

F.澳斯麦特/艾萨熔炼。侯马冶炼厂采用澳斯麦特炉熔炼，生产粗铜36kt/a, 于1999年10月建成投产，生产能力现已超过设计指标，熔炼炉扩产潜力很大。G.氧气顶吹熔炼。金川有色金属公司第一冶炼厂（以下简称“金川铜系统”或“金川”），把俄罗斯北方镍公司的氧气顶吹喷射熔炼技术用于处理镍铜高锍浮选分离的产品二次铜精矿，直接生产粗铜，产量为28kt/a。

H.反射炉熔炼。大冶原用270m2大型反射炉熔炼生精矿，年产粗铜60kt。诺兰达炉投产后，反射炉虽仍在维持生产，但所担负的生产任务日渐减小，不久将退出生产。另外湖南麻阳铜厂建有32m2反射炉一台，年产铜2000t。I.离析法。广东铜业公司采用离析法处理难选氧化铜矿。离析窑外径为3.6m，29 长50m，配有90m2熔炼反射炉，年产电铜5000t。

J.水口山（氧气底吹）法熔炼。由水口山矿务局等国内多家单位研究成的底吹试验炉已经进入商业生产，年产粗铜2kt。该工艺已在江西戈阳建设年产粗铜20kt的生产厂，并已出口越南建厂。7)锍吹炼

A.P-S转炉吹炼。我国大型冶炼厂都采用P-S转炉吹炼铜锍。近20年来，P-S转炉吹炼技术有了很大提高。在炉口烟罩密封、提高炉寿、自动捅风眼机、DCS过程控制、富氧吹炼、增加产量、余热利用、提高送风时率和硫回收率等方面，与国外同类企业比，水平不相上下。

B.连续吹炼炉吹炼。国内密闭鼓风炉炼铜的小型冶炼厂，多采用我国自行开发的连续吹炼炉吹炼铜锍。

C.澳斯麦特炉吹炼。侯马冶炼厂采用的澳斯麦特炉吹炼，是一种全新的吹炼方法每8小时单炉产粗铜44t,已经超过设计指标。喷枪寿命目前只有24h,有待提高口

D.卡尔多炉吹炼。金川铜系统早先运用它来吹炼含Cu为68％－70％的高镍铜精矿，目前用来对氧气顶吹炉产出的高镍粗铜进行脱镍。炉温高，镍渣不会在炉内粘结堵塞。炉子为2540mm³3980mm，年产粗铜22kt。8)粗铜火法精炼

A.回转炉精炼。我国大型铜企业采用回转炉精炼粗铜。B.反射炉精炼。多数中小型铜冶炼企业，采用反射炉精炼粗铜。9)阳极浇铸

国内大型铜冶炼厂的阳极浇铸都采用圆盘浇铸机，小型铜厂多采用直线浇铸机。圆盘浇铸机国内有8种规格，其直径为6m、7.4m、7.8m、8.6m、9.4m、10.5m、11m以及16.6m等。阳极规格国内无统一标准，不规范，大体可分为大型阳极板和小型阳极板两种。10)电解精炼

20世纪80～90建设的年产10kt电铜 的两个大型电解铜（车间）厂，贵冶和金隆铜业采用了大型阳极板。其他厂家，单个电解车间的设计能力均在5kt/a电铜以下，都采用小型阳极板。上述两家大型电解铜厂均引进了国外成套机组、机械化水平与国外同类先进企业相当。

国内尚无采用不锈钢永久阳极生产的厂家，这是铜业电解技术与国外差距之所在。11)湿法炼铜

湿法冶炼铜产量占世界矿铜产里的20％左右，在我国不足3％。虽然陆续建 30 成了近200个湿法炼铜厂，其生产规模约为年产几百吨或几千吨，尚无年产万吨以上的生产厂。

我国十分重视湿法炼铜技术的研究开发，进行了大量的工业、半工业试验和实验室的研究工作。如在江西德兴铜矿进行了年产电铜2000t规模的低品位硫化铜矿细菌浸出工业化试验研究；云南东川进行了年产电铜500t规模的高碱性石铜矿的氨浸半工业试验研究；山西中条山铜矿峪进行了年产电铜500t规模的难选低品位氧化铜矿地下溶浸半工业试验研究；黑龙江多宝山进行了高寒地区堆浸试验研究；针对西藏玉龙铜矿，我国进行了高海拔地区氧化铜浸出试验。这些工作为我国湿法炼铜的大规模开发创造了有利条件，湿法炼铜即将在我国取得突破性进展。

总结近20年来，我国铜冶炼产量增长迅速，技术上新老并存，规模上大中小并举。国内铜资源供应不足，一半以上依靠进口，生产工艺以火法为主，湿法炼铜处于大发展趋势。在火法炼铜中，密闭鼓风炉、闪速炉和熔池熔炼就产量而言是三分天下。各地区有关部门规划新建或改扩建现有铜冶炼厂积极性很高，铜冶炼工业发展势态看好。在提高产品附加值，尤其是精、细与特殊用途方面的铜材料方而还需要付出大的努力。3.1.2国外铜冶金现状

1980年世界铜的总产量为9290kt，至1999年达14261.9kt年平均递增率为2.26％。全世界约有110个铜冶炼厂，火法冶炼仍占主导地位。但随着各国政府对环保要求的日益严格，以及化学采矿就地溶浸、堆浸、细菌浸出、溶剂萃取等技术的工业化进展，湿法炼铜价格成本大幅度下降，发展迅速，成为近年来世界铜冶炼发展的重要特点之一。1994～1999年世界萃取－电积铜的产量年平均递增率达22.38％。其中以智利和美国发展最快，产量最高。1999年智利萃取电积铜产量达136kt，占世界湿法炼铜总产量的近60％。

世界火法炼铜的发展有以下特点：

1)由于生产的锍品位低、能耗高、烟气SO2浓度低、不利于回收制酸、排放后造成大气污染等缺点，传统的鼓风炉、反射炉和电炉熔炼已逐渐被淘汰。2)20世纪60～70年代迅速发展的闪速炉熔炼，近20年来增长速度放慢，但世界上已有的48座铜熔炼闪速炉的铜产量居各种火法炼铜工艺之首。近年来闪速炉开发中央可调喷嘴及常温高富氧熔炼技术，大大提高了闪速炉的能力，单台炉铜产量一般可达300～400kt/a,日本佐贺关1996年将原有两台闪速炉改成一台，年产铜45kt，成为世界上单台处理能力最大的闪速熔炼炉。美国Kennecott铜公司Utah冶炼厂闪速熔炼系统的制酸尾气中的SO2浓度已经低到100ppm，硫的利用率高达99.95％，成为了火法炼铜的清洁工厂的样板。

3)近20年来，新开发的各种熔池熔炼和强化熔炼工艺发展较快。据不完全统计，诺兰达炉先后建有6台套装置，现有三台套在生产。特尼恩特炉建有11台套运行，年产铜1200kt。澳斯麦特／艾萨熔炼炉有6台套在生产，还有3台套在建设中。顶吹喷射熔炼炉有2台套在生产。三菱熔炼法有4台套装置在生产。俄罗斯有三套瓦纽柯夫熔炼装置在生产。旋涡顶吹熔炼炉据KHD公司介绍在世界上已建设三台套。

4)这些工艺的共同特点是都采用富氧或工业氧，熔炼强度高，能耗低，对原料要求不严格，单位投资低，烟气含SO2浓度高，有利于制酸回收，环保条件好但有些工艺技术不如闪速熔炼成熟可靠，尚处在发展完善之中采用这类工艺的设计规模一般都在100～200kt²Cu /a。

5)铜锍吹炼目前仍以P-S转炉为主，其缺点是间断作业。连续吹炼技术是铜冶炼发展的方向。日本三菱连续吹炼最早用于生产。1995年，美国Kennecott公司Utah冶炼厂年产280kt铜的一台连续闪速吹炼炉投产。1999年澳大利亚Olympic Dam年产粗铜200kt的闪速炉投产。加拿大诺兰达公司回转式连续吹炼炉、澳斯麦特公司的连续吹炼炉以及三菱连续吹炼炉技术在20世纪90年代后期已被多个工厂采用来替代P-S转炉吹炼。

6)对铜的火法精炼阳极炉，除一些小厂仍用反射炉外，普遍采用回转式阳极炉，最大炉子达350t。奥托昆普的双包定量自动阳极浇铸机水平最高，被世界各大铜厂普遍采用。

电解普遍采用大型极板。澳大利亚的艾萨和加拿大的Kidd永久阴极电解技术，推广较快，两者技术大同小异，其共同特点是采用多项专用机组，机械化、自动化水平高，劳动生产率高。电解槽结构最近推广聚合物混凝土整体铸造，耐酸性能好，槽壁薄，强度高，维修量小，使用寿命长。全球都在为节能、环保、高生产率、降低成本而相继对旧铜厂进行改造，扩大生产能力。3.1.3铜电解精炼概述

铜的火法精炼一般能产出含铜99.0％～99.8％的粗铜产品，但仍然不能满足电气工业对铜的性质的要求，其他工业也需要使用精铜。因此现代几乎所有的粗铜都经过电解精炼，以除去火法精炼难于除去的杂质。铜的电解精炼，是将火法精炼的铜浇铸成阳极板，用纯铜薄片作为阴极片，相间地装入电解槽中，用硫酸铜和硫酸的水溶液作电解液，在直流电的作用下，阳极上的铜和电位较负的贱金属溶解进入溶液，而贵金属和某些金属（如硒、碲）不溶，成为阳极泥沉于电解槽底。溶液中的铜在阴极上优先析出，而其他电位较负的贱金属不能在阴极上析出，留于电解液中，待电解液定期净化时除去。这样，阴极上析出的金属铜纯度很高，称为阴极铜或电解铜，简称电铜。

含有贵金属和硒、碲等稀有金属的阳极泥，作为铜电解的一种副产品另行处理，以便从中回收金、银、硒、碲等元素。在电解液中逐渐积累的贱金属杂质，当其达到一定的浓度后，会妨碍电解过程的正常进行。例如，增加电解液的电阻和密度，使阳极泥沉降速度减慢，甚至在阴极上与铜一起共同放电，影响阴极铜的质量，因此必须定期定量地抽出净化，并相应地向电解液中补充新水和硫酸。抽出的电解液在净化过程中，常将其中的铜、镍等有价元素以硫酸盐的形态产出，硫酸则返回电解系统重复使用。

在铜电解车间，通常设有几百个甚至上千个电解槽，每一个直流电源串联其中的若干个电解槽成为一个系统。所有的电解槽中的电解液必须不断循环，使电解槽内的电解液成分均匀。在电解液循环系统中，通常设有加热装置，以将电解液加热至一定的温度。

3.1.4工业纯铜的主要性能及应用

自然界的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。自然铜及氧化铜矿的储量少，现在世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的，这种矿石含铜量极低，一般在2%～3%左右。金属铜，原子量63.54，比重8.92，熔点1083℃。铜冶金技术的发展经历了漫长的过程，但至今铜的冶炼仍以火法冶炼为主，其产量约占世界铜产量的85%，现代湿法冶炼的技术正在逐步推广，湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本大大降低。1)工业纯铜的性能

工业纯铜又称紫铜，呈玫瑰红色。它分为两大类，一类为含氧铜，另一类为无氧铜。由于有良好的导电性、导热性和塑性，并兼有耐蚀性和焊接性，它是化工、船舶和机械工业中的重要材料。

工业纯铜的导电性和导热性在64种金属中仅次于银。冷变形后，纯铜的导电率变化小，形变80%后导电率下降不到30%，故可在冷加工状态用作导电材料。杂质元素都会降低其导电性和导热性，尤以磷、硅、铁、钛、铍、铝、锰、砷等影响最强烈；形成非金属夹杂物的硫化物、氧化物、硅酸盐等影响较小，不溶的铅、铋等金属夹杂物影响也不大。

铜的电极电位较正，在许多介质中都耐蚀，可在大气、淡水、水蒸气及低速海水等介质中工作。铜与其他金属接触时成为阴极，而其他金属及合金多为阳极，并发生阳极腐蚀，为此需要镀锌保护。铜的另一个特性是无磁性，常用来制造不受磁场干扰的磁学仪器。铜有极高的塑性，能承受很大的变形量而不发生破裂。2)工业纯铜的应用

铜被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。铜在电气、电子工业中应用最广，用量最

大，占总消费量一半以上，用于各种电缆和导线，电机和变压器的绕组，开关以及印刷线路板等。在机械和运输车辆制造中，用于制造工业阀门和配件、仪表、滑动轴承、模具、热交换器和泵；在化学工业中广泛引用于制造真空器、蒸馏锅、酿造锅等；在国防工业中用于制造子弹、炮弹、枪炮零件等，每生产100万发子弹，需要铜13～14t；在建筑工业中，用作各种管道、管道配件、装饰器件等。

3.2电解铜的工艺流程图（如图3-1）

阳极板添加剂浸泡洗涤种板，成品电解槽阴极铜入 库废铜皮，空气，蒸汽中和槽中和后液水冷结晶离心分离结晶硫酸铜补充液返电解系统残极返火法一次脱铜成本铜电解后液过滤加热阳极泥一次脱铜后液真空蒸发蒸发后液二次脱铜海绵铜二次脱铜后液冷冻结晶离心分离冷冻母液粗硫酸镍返精制硫酸镍车间结晶母液 图3-1 电解铜的工艺流程图

3.3电解铜生产系统

电解铜生产系统主要分两个区：电解生产区与净化区。

3.3.1电解生产区

电解生产区由五个小系统构成，电解一、二、三生产系统为老系统，主要生产电解小极板，电解四、五生产系统为新系统，主要生产电解大极板。该系统主要生产产品为阴极铜、残极、阳极泥与老液。1)电解生产区主要生产设备

（1）电解槽：主要由电解液、阳极板、阳极与阴极组成。

● 电解槽是由混凝土铸成，槽内外用聚酯玻璃钢丝和布贴上。● 槽底有大堵与小堵：大堵用来放出阳极泥，小堵用来放出清夜。● 上进下出式电解槽：进液弯头在槽表面，槽内出口有导流板。下进上出式电解槽：进液弯头在槽底，槽上面出液有溢口。

（2）集液槽：用于收集电解槽的电解液。（3）循环大泵：用于传递溶液。（4）加热器：即板式加热器（换热器）。

（5）高位槽：利用高度差原理供电解液给电解槽（在电解液进入高位槽之前需加温）。

（6）分液包：即缓冲槽，缓冲液体流速并分液至电解槽。

（7）压滤机：主要分三种：过滤溶液压滤机，进口压滤机与过滤阳极泥压滤机。

（8）阳极泡洗槽（9）阴极铜泡洗槽

（10）动力设备：普通吊车与专用吊车（专门供电解槽作业用）

（11）连动加工机组：分为阳极加工机组、始极片加工机组、铜棒机组、阴极铜滚洗机组与残极冲洗机组。2)电解的原料

（1）阳极板：含量为98%的粗铜。

（2）始极片：其作为生产电解槽的阴极，由一张铜皮，一个铜棒和两个耳朵组成。此铜皮由钛种板上剥离下来。

电解液在电解槽中的走向分为上进下出式与下进上出式

上进下出式优点：槽内溶液中杂质沉降好，阳极泥形成的比较多，能够保证液面温度。缺点：溶液补充不好，漂浮物不易排出。下进上出式优点：溶液补充好，漂浮物容易排出。缺点：不利于槽内溶液中杂质的沉降，阳极泥形成的少。

阳极需用开水泡洗并且须加160g/L的酸（硫酸或盐酸）以便氧化除去阳极板上的杂质。阳极由于铜被氧化成铜离子重量逐渐减轻，由原来的320～350公斤减至70公斤左右，变为残极。大约20天左右即需要换一回阳极板。

由钛种板上剥离下来的铜皮，须经过对辊压纹、剪切、钉耳平压制成铜始极片，作为生产槽的阴极。铜始极片由于沉积时间短，刚度差，因此下槽前必须进行适当的机械加工及表面处理，剪切成形后的始极片再用钉耳机钉上双耳。下槽时应垂直放入，同极间距为100mm，以便加工和防止短路触电。

阴极是由直流电将铜离子还原成铜，吸附于阴极板上，使8公斤左右的阴极板变为140多公斤，大约10天左右即需要换一回阴极板。

交流电经过硅整流后变为直流电以便提供生产应用。单个槽内为并联，槽与槽之间为串联。3)电解技术条件：

(1)直流电：8000A～20000A(2)溶液：硫酸根离子：160～180g/L ；铜离子：45～52 g/L；镍离子：＜18g/L。

(3)电解液温度：60～65℃ 3．3.2净化系统

净化系统用于除去老液中镍、砷、锑、硫等杂质，使得到含铜较高的溶液。净化系统由净化一系统，净化二系统两个系统构成。净化一系统为老系统，主要处理小极板；净化二系统为新系统，主要处理大极板。净化系统主要生产产品为阴极铜、残极、阳极泥与老液。净化系统设备

1)脱铜槽：主要用于脱铜提镍

●平槽沿，材料一般为花岗岩（防酸）、电解材质、环氧树脂、呋喃及钢筋混凝土（抗砸）。

● 其阳极为不溶性铅阳极板，阴极为铜始极片，溶液为硫酸铜溶液。反应过程中通直流电，溶液中的铜离子越来越少，在阴极析出海绵铜。

● 脱铜槽与电解槽的区别：脱铜槽阳极为不溶性铅阳极板，电解槽阳极为可溶性阳极板。2)诱导脱铜槽：

● 诱导脱铜槽为阶梯式，逐级除砷、锑、铋，属间歇式生产。● 诱导脱铜槽不向外排液，属于环保操作。

● 当铜离子浓度低时，砷、锑、铋吸附在阴极上脱掉，铜离子和杂质一起出来，形成黑铜。当铜离子浓度高时，则形成海绵铜。

● 诱导脱铜槽槽面需盖布：起防止酸雾挥发与保湿作用。

3)真空蒸发釜

液体在高温高压下加热，再利用温差浓缩、结晶机、带式过滤机等，在真空

作用下，提供吸力，使料中的水分除去，使小车不断循环运动。4)电蒸发槽

1³1m，三根电极，2000～4000直流电，干烧使溶液浓缩成粘稠液，也可用结晶机处理溶液，二者作用相同。区别在于结晶机处理量小，蒸发速度慢，耗电量小，适于小批量生产。电蒸发槽处理量大，蒸发速度快，耗电量大，适于大批量生产。5)带式过滤机

用于粘稠液的运输。运输过程中风机吸干粘稠液中的水分，得到160g/L的老酸，渣被隔在布外，液体进入袋内，通过内通道流出。浓缩镍离子时，老酸也同时被浓缩，浓度达1700g/L。6)中和槽（造液槽）

中和槽（造液槽）起提高铜离子浓度的作用。将老液离心，在老酸中加入废铜皮，用风机搅拌以便提供氧气使铜氧化成铜离子，再用蒸汽加温（采用蛇形盘式管），随后加上老液中的铜离子以便提高铜离子浓度，造出的液用泵打入电解槽。造液时，老液开槽加工业水；如用清水开槽，工业水中则需加硫酸。3.3.3净化产品

海绵铜、粗结晶硫酸铜、粗结晶硫酸镍。

思考题

1.我国铜资源的主要分布情况及主要生产企业概况。

2.火法生产铜的主要工艺如何？并详细了解铜阳极生产的工艺流程及主要设备。

3.金川公司电解法精炼铜的电极材料是什么？过程中的重要工艺参数有哪些？ 4.电解生产槽与种板槽的区别是什么？它们的电解液成分是否一样？ 5.铜电解液净化的主要方法是什么？

6.铜电解的阳极泥的主要成分是什么？试分析确定阳极泥分离提纯的工艺。

参考文献

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第4章 电解镍系统

概述

金属镍是元素周期表第Ⅷ族铁磁金属之一，原子序数28，原子量58.71，熔点1453±1℃，沸点2800℃。纯镍具有银白色的光泽，当其与水蒸气及空气中的氧作用时，镍表面上形成一层NiO薄膜，可防止进一步氧化。镍有三种氧化物：即氧化亚镍（NiO）,四氧化三镍（Ni3O4）及三氧化二镍（Ni2O3）。镍类似铁和钴，在50～100℃温度下，镍和一氧化碳可以生成一种低沸点化合物，此化合物叫羰基镍。

镍与铂、钯相似，具有高度的化学稳定性，加热到700～800℃时仍不氧化。镍在化学试剂（碱液和其它试剂）中稳定。镍系磁性金属，具有良好的韧性，有足够的机械强度，能经受各种类型的机械加工（压延、压磨、焊接等）。

纯镍特别是镍合金在国民经济中获得广泛的应用。镍具有良好的磨光性能，故纯镍用于镀镍技术中，特别值得指出的是纯镍还用在雷达、电视、原子工业，远距离控制等现代新技术中，在火箭技术中，超级的镍或镍合金用作高温结构材料。

4.1世界镍工业现状

4.1.1资源的种类及分布

世界镍工业资源有三类，即：氧化镍矿、硫化镍矿和海底含镍锰结核。氧化镍矿中含有大量铁氧化物而成红褐色的被称为红土矿。由于它埋藏不深甚至还露出地表，所以最早发现和利用。氧化镍矿中还含有钴，其含量的高低也决定着矿床的开采价值。硫化镍矿一般都含有铜、钴和贵金属，但其含量的高低，不同产地的硫化镍矿床有很大差异。如加拿大汤普逊矿、澳大利亚西部硫化镍矿含铜量很低，我国新疆哈拉通克镍含铜量比镍量高得多，俄罗斯诺里尔斯克镍矿中含铂族金属很高，加拿大萨特伯里镍矿含铂族金属也较高，而我国金川镍矿含铂族金属很低。海底锰结核直径1～20 mm，含多种金属成分，主要是锰和铁。镍、铜、钴的含量分别为0.1%～2.3%、0.1%～2.0%、0.05%～1.6%。

氧化镍矿主要分布在地球赤道附近和地球南北回归线以内的国家和地区，海底锰结核也主要分布在南北回归线以内的大洋海底。而硫化镍矿则主要分布在地球南北高纬度地区, 如南美的巴西、澳洲的西南部、南部非洲，北欧北美以及中国的东北、西北地区。世界上最大的硫化镍矿床，俄罗斯的诺里尔斯克和加拿大的威西斯湾则分别处于大约北纬68°和57°的地区。

4.1.2世界镍的生产工艺

世界镍的生产原料目前主要来自陆地的硫化镍矿和氧化镍矿。

硫化镍矿的处理一般都经过选矿，只有个别的或少量的高品位硫化镍矿不经过选矿而直接进行熔炼。选矿时可根据原料的性质、冶炼工艺、环保等要求分别选出镍精矿、铜精矿、镍铜混合精矿和磁黄铁矿。现在世界上所有从硫化镍生产镍的工厂都是选出镍铜混合精矿。

硫化镍精矿的熔炼目前世界上主要采用电炉和闪速炉。鼓风炉熔炼现仅见于我国的一些小厂。镍精矿熔炼产出的镍锍都需经吹炼处理。吹炼方式也是大多数工厂采用的是卧式转炉吹炼。20世纪90年代中期奥托昆普公司研究开发出闪速吹炼，取代了转炉富氧吹炼。磨浮分离法处理高品镍时，得到3个产品即：镍精矿、铜精矿和合金。俄罗斯的主要镍厂、中国主要的镍厂都采用这一方法。氧化镍经还原熔炼铸成阳极板进行电解精炼，目前世界上只有俄罗斯的北方镍公司和诺里尔斯克的纳杰什金斯克冶炼厂采用。镍精矿经熔炼得到硫化镍阳极进行电解精炼的工厂，国外有汤普逊厂、日本的志村精炼厂，国内有金川公司二冶炼厂和四川成都镍精炼厂。

氧化镍矿的处理工艺可分为两大类：火法和湿法。火法工艺大致又可分为还原熔炼和硫化熔炼。前者的产品主要为镍铁，后者的产品为高冰镍。笔者认为采用硫化熔炼所得到产品的处理更具灵活性，随着材料工业技术发展对镍原料要求的提高，硫化熔炼更具有好的前景。还原熔炼和硫化熔炼均可采用电炉或鼓风炉。湿法工艺也分为两类：一是加压氨浸，二是加压酸浸。加压酸浸适合处理含钴的氧化镍矿，有利于钴的回收。加压氨浸钴的浸出率低，不利于钴的回收，适宜处理含钴低或不含钴的氧化镍矿。加压酸浸工艺得到的镍钴硫化物(古巴毛亚厂的最终产品)，一般再经过加压酸浸，然后经过萃取分离镍钴，得到的镍钴溶液采用电积或氢还原的方法分别得到阴极镍、阴极钴或镍粉、钴粉。

4.2我国镍工业的现状

4.2.1镍资源的状况

世界镍矿储量丰富，主要集中分布在古巴、加拿大、俄罗斯、新喀里多尼亚、中国、印度尼西亚、南非、澳大利亚等国，可满足世界较长远的需求，按目前世界镍产量水平计算，静态储量的可采年限在50年以上。另外海底锰结核中还有巨大的潜在镍资源。

截至1992年底，我国保有镍金属储量823万t，其中工业储量386万t，占总储量67%，勘探程度比较高。储量分布相当集中，约有62%储量集中在甘肃金昌市白家咀子5km范围地段内，其中又有78%储量集中在长约3km地段的2号矿

区深部。目前我国可利用的镍金属储量，90%集中在金川。我国镍矿资源以硫化镍矿和富矿为主，硫化镍矿占总储量的79.6%，含镍品位大于1%的富矿占总储量的64.5%。但我国镍矿埋藏比较深，只有红旗岭1号矿体和白家咀子1号矿区浅部适合于露天开采，储量仅占全国总储量的10%。

全国现有镍矿区86处，已经开发利用矿区19处，主要有金川、红旗岭、喀拉通克、通化赤柏松、通化溧河川、青海拉水峡、云南金平、云南元江、四川冷水菁等镍矿，保有储量占全国总储量的61.9%，可供规划利用矿区10处，保有储量占全国总储量的6.7%，暂难利用矿区57处，保有储量占全国总储量的31.4%，这部分资源主要是红土型镍矿(占总储量的9.6%)，难选氧化矿和硅酸镍矿(占总储量的4.4%)，以及低品位硫化镍矿(占总储量的17.4%)。今后重点找矿地区主要是新疆哈密的黄山，穹塔格和塔里木盆地北缘，甘肃金川外围地区。4.2.2我国镍工业现状

建国前镍工业在我国是空白，1955年我国镍工业才开始起步，经过40多年建设，国家累计对镍工业固定资产投资34亿元，到1995年已形成镍采选冶综合能力（自产原料）3.63万t，冶炼综合能力4.36万t，我国镍工业已初具规模。

进入80年代，我国镍产量迅速增长，1980年达到1万t水平。1985年突破2万t , 1992年突破3万t，1995年达到3.89万t水平。1995年与1980年相比，年均递增率达到8.5%。金川有色金属公司1959年开始建设，1964年投产，到1969年一期工程采选冶主流程陆续建成，形成年产镍万t生产能力。1970年开始一期扩建工程，1980年镍产量首次突破万t，1985年镍产量又突破2万t。1988年开始二期工程建设，1994年基本建成，1995年形成年产高冰镍11.2万t，电解镍3.3万t,粗铜2.7万t，电解铜1.5万t 的生产能力，目前已成为我国最大的镍钴生产基地和铂族金属提炼中心。

吉林镍业公司始建于1960年，与金川同时上马，目前建成富家矿600t/d和大岭矿500t/d两座矿山，现有高冰镍的生产能力4000t，氧化镍生产能力1000t左右。

新疆喀拉通克铜镍矿是1980 年建设的企业，现已建成投产一期工程，日产特富矿250t，年产高冰镍能力7285t，并建成阜康镍冶炼厂，年产镍能力2000t。

最早建设的陕西商南镍矿和四川会理镍矿，因资源枯竭，前者已闭坑；后者转移开采四川盐边冷水箐镍矿，原有冶炼厂还在继续生产，处理外购矿。镍冶炼企业还有成都电冶厂(电解镍生产能力3200t/a)和重庆冶炼厂（电解镍生产能力1500t/a）。目前我国共有镍冶炼及合金产品64种，其中冶炼产品9种，合金4种，化合物14 种。至今我国的氧化镍和硅酸镍资源尚未开发利用。因而没有镍铁和烧结氧化镍产品，这与国外产品结构明显不同。