硫酸镍蒸发过程中结垢成因与预防：杂质离子（钙、镁、铁）控制策略

在硫酸镍蒸发过程中，结垢问题主要由溶液中的杂质离子（如钙、镁、铁）在蒸发浓缩时因过饱和析出并附着于设备表面形成，其控制策略需从源头杂质去除、工艺参数优化、设备设计改进、防垢剂应用及定期清洗维护五个维度综合实施，具体分析如下：

一、结垢成因分析

1. 杂质离子过饱和析出
   硫酸镍溶液中若含有钙（Ca²?）、镁（Mg²?）、铁（Fe³?）等杂质离子，在蒸发浓缩过程中，随着水分蒸发，这些离子的浓度逐渐升高，当超过其溶解度时，会以硫酸钙（CaSO?）、碳酸钙（CaCO?）、氢氧化铁（Fe(OH)?）等形式结晶析出，附着在加热管内壁形成垢层。

2. pH值波动影响

   • 碱性条件下，钙、镁离子易与碳酸根（CO?²?）结合生成碳酸钙/镁垢；
   • 酸性条件下，硫酸根（SO?²?）与钙离子结合生成硫酸钙垢（如二水石膏CaSO?·2H?O），且高温下可能转化为更难去除的硬石膏（CaSO?·0.5H?O）。

3. 温度与流速因素

   • 加热管表面温度过高会导致局部过饱和度增大，加速结晶成核；
   • 溶液流速过低时，杂质在传热面滞留时间延长，易沉积形成垢层。

二、杂质离子控制策略

1. 源头杂质去除：预处理技术

• 化学沉淀法：
  通过投加碳酸钠（Na?CO?）、氢氧化钠（NaOH）等试剂，使钙、镁离子形成碳酸钙、氢氧化镁沉淀，再通过过滤或沉降分离。例如：
  • 钙去除：加入碳酸钠生成CaCO?沉淀（反应式：Ca²? + CO?²? → CaCO?↓）；
  • 镁去除：加入氢氧化钠生成Mg(OH)?沉淀（反应式：Mg²? + 2OH? → Mg(OH)?↓）。
    缺点：氟盐沉淀法（如氟化钠）虽除钙镁效果好，但会引入新杂质（如Na?），且产生含氟废水，处理成本高。
• 高选择性分离技术：
  • 离子交换树脂：采用螯合树脂（如CH-93树脂）选择性吸附钙、镁离子，避免引入新杂质。例如，某新能源项目通过CH-93树脂将碳酸氢锂溶液中的钙镁含量从100mg/L降至1mg/L以下。
  • 膜分离技术：利用纳滤（NF）或反渗透（RO）膜截留二价离子（Ca²?、Mg²?），允许一价离子（如Na?、K?）通过，实现高效分离。

2. 工艺参数优化

• pH调控：
  • 初始pH控制在2-4，蒸发过程中补加硫酸（H?SO?）防止Ni(OH)?生成，终点pH控制在1.5-2.0，减少铁离子水解生成Fe(OH)?沉淀。
  • 酸性条件可抑制碳酸盐垢生成，但需避免pH过低导致设备腐蚀。
• 温度控制：
  • 采用低温蒸发技术（如MVR蒸发器），控制蒸发温度<80℃，减少硫酸钙垢的生成风险。
  • 避免局部过热，通过强制循环流速>2.5m/s，维持湍流状态，冲刷加热管内壁。
• 浓缩倍数控制：
  • 避免过度浓缩导致杂质离子过饱和，通过在线浓度监测仪实时调整蒸发终点。

3. 设备设计改进

• 强制循环蒸发器：
  • 优选FC强制循环蒸发器，通过高速循环（流速>2m/s）冲刷加热管内壁，延缓晶体附着。
  • 底部设计60°锥形结构+反冲洗口，应对盐类瞬时结晶风险，避免盐类沉积堵塞。
• 防垢涂层与材质选择：
  • 加热管内壁采用抛光处理或特殊涂层（如PTFE），降低污垢粘附率。
  • 针对腐蚀性介质（如含氯离子），选用钛材、哈氏合金等耐腐蚀材料。

4. 防垢剂应用

• 阻垢剂添加：
  • 投加聚丙烯酸类阻垢剂（添加量50-100ppm），通过螯合作用干扰盐分析出，延缓垢层形成。
  • 针对硫酸钙垢，可选用专用阻垢剂（如森纳斯蒸发器阻垢剂），其阻垢性能是普通阻垢剂的5倍以上。

5. 定期清洗维护

• 在线清洗（CIP）：
  • 定期注入酸溶液（如硝酸）在线清洗，溶解硫酸盐垢层；或采用碱洗（如氢氧化钠）溶解硅垢。
  • 脉冲式清洗：通过周期性注入高压流体冲刷加热管，破坏垢层结构。
• 停机检修：
  • 建立维护日历，定期检查密封件、泵阀状态，更换易损件；停机时对蒸发室、管路进行深度检测，避免隐蔽性积垢。