镍电积工艺的技术进展分析

朱北平

（云南华联锌铟股份有限公司，云南马关 663701）

镍电积工艺的技术进展分析

朱北平

（云南华联锌铟股份有限公司，云南马关 663701）

对镍电积工艺近年来的技术进展进行了分析，对镍电积工艺的现状和先进技术、理念进行了概括总结。现代的镍电积厂房设计着眼于改善电积厂房操作环境、提高劳动生产率、提高产品质量以及降低能耗的方向发展。国外镍电积生产厂家在镍电积生产上进行了一些有益的技术改进，值得我国的镍电积工艺相关设计、生产人员借鉴。

镍电积；阴极袋；阳极袋；阳极裙罩；酸雾抑制

目前，电镍的生产工艺主要包括硫化镍阳极电解工艺、硫酸体系或氯盐体系镍电积工艺。由于硫化镍电解工艺存在工艺流程复杂、金属直收率低、中间物料返料量大、三废处理流程复杂等缺点，该工艺已经被弃用或逐渐改造替代。从全球范围内电镍的产量（2009年）上来看，电解工艺生产的阴极镍约17.5万t／a，电积工艺生产的阴极镍约23万t／a。近年来新建的电镍项目在精炼阶段均选择了电积工艺，镍电积工艺已逐渐成为电镍的主流生产工艺。本文对镍电积工艺近年来的技术发展进行了分析梳理，从工艺路线、电积工艺技术如工艺设备、生产操作、电积厂房设计等方面，对其现状和先进技术、理念进行了概括总结。

1 几种主要的镍电积工艺

1.1 硫酸盐体系电积

硫酸盐体系的电积工艺，主要应用于以高镍锍或硫化镍钴为原料的硫酸加压浸出-电积工艺、加压氨浸-萃取-电积工艺，以及以氢氧化镍钴为原料的硫酸浸出-萃取-电积工艺中。采用此工艺的生产厂家较为广泛，国内有金川集团有限公司、阜康冶炼厂、浙江华友钴镍材料有限公司、烟台凯实工业有限公司、广西银亿矿冶科技有限公司等，国外有芬兰哈贾瓦塔厂（Harjavalta，Finland）、英美铂业南非勒斯滕堡厂（Anglo American Platinum，Rustenburg， South Africa）等。

由于在电积过程中，阳极反应产生氧气，使得电积液的酸度不断升高。为了避免氢离子在阴极与镍离子竞争放电而降低电流效率，同时避免氢气累积造成危险，因此需要将阳极液和阴极液隔离开。目前国内一般采用阴极袋技术进行生产，即将阴极（镍始极片）置于阴极隔膜袋中。镍阴极液通过管道分别进入每一个阴极袋，维持袋内的液面高于袋外的液面，从而使得阴极液只能从阴极区通过隔膜袋流入阳极区，阻止了阳极区产生的氢离子向阴极迁移。该工艺的原则流程图如图1所示。

图1 硫酸盐体系电积工艺原则流程图

1.2 氯盐体系电积

氯盐体系的电积工艺，主要应用于以高镍锍或硫化镍钴为原料的氯气浸出-电积工艺。目前国内还没有采用此工艺的生产厂家，国外厂家主要有挪威的克里斯安松厂（Kristiansand，Norway）、日本新居滨的住友镍厂（Sumitomo，Niihama Japan）、以及法国勒阿佛尔的艾拉米特镍冶炼厂（Eramet，Le HavreFrance）。

与硫酸盐体系电积不同，氯盐体系电积过程中阳极产生氯气，电解液的酸度基本不发生变化。但由于氯气为高毒性危险气体，必须将其收集，从而避免向电积厂房中逸出，因此该工艺一般采用阳极套袋技术进行生产，即将阳极板置于阳极隔膜袋中。阳极隔膜袋上安装有吸液管，汇总至一个阳极总管，通过阳极液抽风机产生的负压，将袋内的阳极液及氯气吸入阳极液总管内，经气液分离、干燥压缩后，氯气可返回到上游工序循环使用。镍阴极液通过管道进入电积槽，维持阳极袋内液面，从而使电积液只能从袋外的阴极区流入袋内阳极区。该工艺的原则流程图如图2所示。

国内外典型镍电积厂主要工艺参数见表1。

图2 氯盐体系电积工艺原则流程图

表1 国内外典型镍电积厂主要工艺参数

1.3 硫酸盐体系阳极袋电积工艺

传统的硫酸盐体系电积工艺采用阴极袋技术，一个显著的生产问题是，阳极产生的氧气造成大量的酸雾溢出，导致电积车间的劳动环境恶劣。因此，借鉴使用氯盐体系电积工艺的阳极袋技术，将阳极产生的氧气及酸雾通过阳极液管集中收集，可以从源头上解决酸雾问题。使用该技术的另一个优点是，可以循环电积槽内的阴极液，提高电积液电解前后的镍浓度差以及阳极液中的硫酸浓度，减少上游工序的系统流量，减少投资。同时，由于阴极不需要装袋，使得阴极的出装槽操作更顺畅，隔膜袋的破损率降低。由于电积槽内的溶液流通量较大，阴极镍的表面质量可得到改善。该电积工艺的原则流程图如图3所示。西澳的考斯（Cawse）镍厂最早使用了该工艺，之后南非的英美铂业公司进行了该技术的工业化试验，详细地考察了隔膜布的选用、电积液循环流量等参数［2］，博茨瓦纳的塔帝（TaTi）镍项目也采用了这种工艺技术［3］。

图3 硫酸盐体系阳极袋电积工艺原则流程图

1.4 硫酸盐-氯盐混盐体系电积

近年来，有些新建的镍项目采用了硫酸+氯气或盐酸浸出的新工艺处理硫化镍矿，得到的含硫酸镍和氯化镍的混合富镍溶液。因此下游电镍的生产为硫酸盐-氯盐混合体系，采用了阳极袋技术，将阳极产生的氯气和氧气收集，与氯盐体系电积工艺基本一致。淡水河谷公司在加拿大纽芬兰的长港镍电积项目（Long harbour）使用这种电积工艺［4］，目前正在试生产阶段。

2 镍电积工艺设备的技术进展

镍电积工艺技术进步的出发点，主要是围绕着提高劳动生产率、改善操作人员劳动环境以及节能进行的。这些技术发展的研究对象主要包括工艺设备如电积槽、阴极板、阳极板、槽间导电母线、吊车等；电积厂房设计、生产操作优化等。

2.1 工艺设备

2.1.1 电积槽

目前新建的镍电积项目一般采用树脂混凝土材料的电积槽，这种电积槽抗腐蚀性好、基本不需要维护、整体化设计、安装简单、使用寿命长，大大提高了电积车间的生产率，已经广泛应用在铜、锌、镍电解及电积工艺中。对于采用阳极袋技术的镍电积工艺，一般将阳极液收集管预埋在电积槽中。

2.1.2 阳极板

在硫酸镍体系的镍电积工艺中，目前普遍使用的是铅-锡-钙合金轧制的铅阳极。最早的氯盐体系电积工艺使用的是石墨阳极，后来随着氯气电解行业开发使用了涂层的钛阳极，氯盐体系镍电积也使用了该阳极。挪威的克里斯安松厂将涂覆铂族金属的钛阳极应用在镍电积工艺中，至今已经运行了近40年。淡水河谷公司的长港镍电积项目（Long harbour）采用硫酸盐-氯盐混盐电积工艺，也使用这种涂覆铂族金属的钛阳极板［5］。

铜电积工艺研发使用了涂覆铂族金属的钛网阳极。这种网状阳极可以将槽电压降低15%左右，并且在电积生产中不存在铅的问题。一些镍电积厂目前也在研究使用这种涂覆的钛网阳极。低成本的涂覆氧化铅阳极目前也在研究当中。

2.1.3 阴极板

不管是硫酸盐体系还是氯盐体系中，镍电积的商业化生产仍然使用传统的始极片阴极工艺。基于铜电积工艺中使用永久阴极技术的成功经验，一些镍电积厂也开始研究使用永久阴极，以提高镍电积厂的自动化水平，减少电积厂的操作人员数量，减少操作人员在电积车间的曝露时间，提高劳动生产率。

南非的英美铂业公司镍电积厂中，使用了钛材料的永久阴极、以及类似于铜电积生产的阴极剥片机组，并在2011年进行了试生产。挪威克里斯安松的镍电积厂则使用另一种永久阴极系统，生产“镍圆”或“镍冠”。这种永久阴极系统使用的是一种特殊设计的阴极，在阴极上蒙上橡胶或涂漆。这种阴极工艺在硫酸盐体系和氯盐体系中都可以使用。淡水河谷的长港镍电积厂，计划大规模地使用这种设计并提高其自动化水平［5］。

2.1.4 槽间导电板

目前国内镍电积使用的槽间导电板较为简单，通过在铜排导电板上放置剪切出接触面的玻璃钢绝缘片进行电接触。这种导电板最大的优点是简单易用，但其缺点是极板排列间距不均匀，极板导电棒与铜排母板的接触面较小，电阻较大。

受益于铜电积工艺槽间导电板的技术发展，国外的镍电积工艺中，槽间导电板也开始借鉴使用已经在铜电积工艺普遍使用的双接触式导电板。其主要特点是阳极（以及阴极）的导电棒两端都与导电板相接触。其优点是可以将电流更平均地分配到每块极板，有利于获得质量更均匀的阴极、更少的短路并降低电耗。由于这种设计使得电流在极板之间的分配更加均衡，因此可以采用更高的电流密度，电流效率也更高。据披露，使用这种形式的导电板，电流效率可以提高1%左右［2］。

2.1.5 多功能吊车

镍电积厂房中多功能吊车是非常重要的设备，主要用于阴阳极的出装槽和运送。目前国内的镍电积厂自动化程度普遍不高，使用的吊车均为手动操作。

南非的英美铂业公司镍电积厂采用电积槽加盖技术以解决酸雾问题，采用了自动化吊车技术，利用机械、激光或是照相等方法进行精准定位，指引吊车定位电积槽，进行出装槽作业。使用这种快速和精准的吊车系统，可以有效控制极板间距，能够提高电积的电流效率和时间效率。

2.2 电积厂房设计优化

电积厂房的设计优化方向主要是减小厂房占地面积，加强通风以减少酸雾、改善操作环境。

2.2.1 电积槽相邻配置

传统的镍电积厂房，电积槽采用成对配置的方式，即两个一组，两组之间留出一定距离的通道。这种设计的主要原因是，电积作业时需要周期性地更换阴极袋、对导电排进行清洁擦拭以及检查通电情况，两边有过道的设计有利于日常维护操作；其次，由于镍电积槽电压较高，在电流强度较大时，采用双槽短路的模式比较安全。主要缺陷是，电积厂房占地较大、且成对电积槽之间的导电母线用量较大，增加投资成本。

采用硫酸盐体系电积工艺的西澳考斯镍电积厂、以及博茨瓦纳塔帝镍项目均采用了相邻配置的电积槽配置模式［3］。这两个项目均使用阳极袋工艺，其阳极液收集管预埋在树脂混凝土电积槽内；该配置的缺点是出装槽时的短路操作较复杂、对系统的整体电流效率有一定的影响。

2.2.2 电积车间通风

由于镍电积工艺需要在60～65℃之间进行电积操作，国内严寒地区的湿法车间一般都利用天窗自然排风或屋顶风机排风，不设计机械送风系统，以减少能耗。因此在冬季操作时，电积车间的含酸湿气不能有效地排出，导致车间酸雾严重、环境较差，车间内行车轨道结露造成行车运行不稳定，厂房外墙、外窗及屋顶出现结露现象、腐蚀严重。

在国外，电积车间普遍采用横流式（cross flow）机械通风设计，一般做法是在厂房一侧墙上设置机械送风口，在另一侧墙上设置通风风机，对车间进行强制置换通风，并对排出的空气（含酸雾）进行酸雾洗涤后排空。

目前国内的一些寒冷地区的镍电积厂也对此类问题进行了技术改造，基本上以机械通风为主，车间操作环境得到一定改善。

2.3 生产操作

2.3.1 酸雾抑制

国内镍电积工厂对抑制酸雾的常规做法一般是，厂房设天窗进行自然通风，同时考虑机械通风设计，电积生产时在电解液表面覆盖塑料小球等。一些新建的镍电积厂已经采用了在电积槽上内置通风口，槽面覆盖毡布，利用风机进行强制通风的设计。

国外，南非的英美铂业公司镍电积厂借鉴铜电积工艺的做法，在电积槽面加玻璃钢槽盖，利用风机将槽内酸雾抽至酸雾洗涤塔，洗涤后排空。西澳考斯镍电积厂、博茨瓦纳塔帝镍电积项目则使用阳极袋技术，同时在厂房内设置横流式机械通风以解决酸雾问题［6］。

美国专利披露了一种阳极裙罩（Anode Skirt）技术，用于抑制酸雾［7］。阳极裙罩示意图如图4所示。这种阳极裙罩的特点是，在阳极板四周安装一个口袋形状的罩子，罩子上部高出电积槽液面，底部开放或封口。这种设计没有阳极液抽吸系统，因此仍然要与阴极袋套袋技术配合使用。阳极裙套用亲水的纤维材料制作，气体和溶液可以穿透该材料。阳极产生的酸雾被限制在该裙套上部的空间内，氧气气泡携带的微小液滴在重力作用及通过裙套的过程中，形成较大液滴而被捕集返回到电积液中，产生的氧气则溢出到空气中，达到抑制酸雾的目的。但目前尚未见有该设计在工业生产上大规模应用的报道。

图4 阳极裙罩示意图

2.3.2 电解液添加剂

在大多数的电积工艺过程中均添加了一些电解液添加剂，以改善阴极的纯度或表观质量。镍电积电解液一般使用硼酸和月桂基磺酸钠。硼酸主要是作为缓冲剂，保持电解液的pH值稳定。月桂基磺酸钠的主要作用则是通过降低阴极产生的氢气气泡在镍板上的界面张力，使其溢出至空气中，从而防止在阴极镍表面产生坑点［2］。但是国内的镍电积厂中较少使用月桂基磺酸钠。

2.3.3 短路监测

极板间的短路监测对于电积生产的节能有重要意义，是一项关键的操作手段。国内镍电积厂通常在生产过程中通过人工打火检查进行短路监测。

在铜电解和铜电积工艺中，一般使用高斯计，在吊车上安装红外线热监测技术（IR），或手持式红外线热追踪仪进行短路监测。近年来出现了槽电压在线检测技术，并在铜电解工艺上成功应用，现在也应用与铜和锌电积生产。该技术可测量单个电积槽的槽电压和温度，对于高电流密度下的生产和电解液流量波动较大的工况下尤为适用。近期，该技术也在镍电积生产中进行了试用，用以监测隔膜袋的破损。通过监测电积槽的槽电压，还可以对即将发生短路的电积槽进行预测分析［2］。

3 结 论

现代的镍电积设计着眼于减少操作人员曝露在有害酸雾环境中的风险，提高劳动生产率、提高产品质量以及降低能耗的方向发展。通过借鉴使用其它重金属电积工艺的一些进步技术，可以进一步提高生产效率、减少酸雾、降低能耗。国外的一些技术改进已经得到生产实践的证明，值得我国的镍电积工艺相关设计、生产人员借鉴。

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Review for DevelopMent of Nickel Electrowinning Process

ZHU Bei-ping
（Hualian Zinc and IndiuMin Yunnan Co.，Ltd.，Maguan 663701，China）

The developmentof nickel electrowinning process during the past several years is reviewed and the current status，the advanced technology and idea is summarized.The modern nickel electrowinning process design focus on improving the tank house operational environment，productivity，product quality and decreasing the energy cost. Oversea nickel electrowining plants performed some beneficial technology updateswhich could be worthy being used for reference to our nickel electrowinning design and operating personnel.

nickel electrowinning；cathode bag；anode bag；anode shield；acid mist abatement

TF803.2+7

A

1003-5540（2016）03-0049-05

2016-04-28

朱北平（1969-），女，高级工程师，主要从事锌湿法冶金研究工作。