大冶有色300 kt/a銅電解設計與生產(chǎn)實踐

樂安勝， 許 衛(wèi)， 馬登峰， 劉 毅

(大冶有色金屬集團控股有限公司， 湖北 黃石 435005)

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重金屬

大冶有色300 kt/a銅電解設計與生產(chǎn)實踐

樂安勝， 許 衛(wèi)， 馬登峰， 劉 毅

(大冶有色金屬集團控股有限公司， 湖北 黃石 435005)

介紹了大冶有色300 kt/a銅電解項目的工藝方案比較和選取、設備選型、環(huán)境保護、節(jié)能和經(jīng)濟技術指標；簡述了工程投產(chǎn)后的生產(chǎn)實踐。

銅； 電解精煉； 不銹鋼陰極電解

大冶有色300 kt/a銅電解項目包括銅電解精煉、電解液凈化、硫酸鎳、循環(huán)水、道路及管網(wǎng)等。該項目從2011年4月開始可研討論，同年6月初步設計，8月開始施工，2012年10月竣工投產(chǎn)。 廠房屋頂采用不銹鋼板工藝；電解槽采用內(nèi)膽式玻璃電解槽和各種電解液玻璃鋼貯槽全部進行預制；走道過道采用玻璃鋼格柵蓋板；廠房建設進行大開挖。 精細高效地組織建設施工，用時約13個月完成項目建設，具備投產(chǎn)要求。

1 銅電解精煉

1.1 概述

300 kt/a項目可供建設的場地較為狹小，設計時將凈化和硫酸鎳系統(tǒng)覓址另建。電解精煉系統(tǒng)設計以簡練精干為宗旨。

1.2 工藝選擇

目前銅電解工藝有傳統(tǒng)始極片電解法和永久陰極電解法。始極片法電解已有多年生產(chǎn)經(jīng)驗，工藝成熟可靠、易于掌握，特別是采用了機械化和自動化水平高的陰極剝片機組和陽極整形機組后，提高了陽極板的垂直度，穩(wěn)定陰極銅產(chǎn)品的合格率。但制作始極片的工藝較為復雜，而且需要獨立的始極片生產(chǎn)系統(tǒng)，勞動強度大，增加勞動定員。永久陰極電解法采用不銹鋼永久陰極電解，優(yōu)點是電流密度高、陰極周期短、蒸汽耗量低、殘極率低、流程簡單、自動化程度高。缺點在于一次性投資較高，主要是進口不銹鋼永久陰極板、專用行車和機組的費用較高。采用永久陰極電解工藝，雖然不銹鋼陰極極片和機組設備一次性投資較大，但由于其殘極率低、蒸汽單耗少、無始極片生產(chǎn)制作工序和勞動定員少等，目前生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)始極片法低，所以從長遠考慮，永久陰極法生產(chǎn)陰極銅的經(jīng)濟效益明顯優(yōu)于傳統(tǒng)始極片法。永久陰極電解工藝符合電解銅清潔生產(chǎn)標準，代表了21世紀銅電解工藝的發(fā)展趨勢，有利于提高企業(yè)的現(xiàn)代化形象?？紤]到上述兩種工藝的優(yōu)缺點，以及結合本項目規(guī)模、廠址情況和人員狀況等，為提高投資效率，降低生產(chǎn)成本，采用永久陰極電解法工藝[1-3]。

1.3 主要工藝設施和設備選擇

針對大冶有色冶煉廠老電解系統(tǒng)實際生產(chǎn)中的主要問題，在冶煉廠300 kt/a銅精煉項目電解工藝設計、管道配制以及工藝設施和設備選擇時，進行了優(yōu)化和改進。

1.3.1 永久陰極板選擇

永久陰極板主要有三種形式，不同點在于導電棒和夾邊條的形式。一種導電棒是中空不銹鋼棒鍍銅工藝；另外兩種是實心銅棒外包不銹鋼，區(qū)別為注塑夾邊條和塑料包邊夾邊條。不銹鋼棒鍍銅工藝的陰極板需要不定期外送進行維護，從而增加陰極板額外周轉(zhuǎn)量。注塑夾邊條需增加注塑工序，生產(chǎn)維護較復雜?？紤]到實心銅棒外包不銹鋼板工藝與傳統(tǒng)種板系統(tǒng)鈦板工藝相近，包邊夾邊條易于維護，本設計選用銅棒外包不銹鋼塑料包邊夾邊條陰極板。

1.3.2 電解液貯槽選擇

電解車間大型貯電解液槽有循環(huán)槽(低位槽)、高位槽和陽極泥地坑。通常電解車間循環(huán)槽(低位槽)、陽極泥地坑為進行玻璃鋼防腐處理的混凝土池。生產(chǎn)過程中，因電解液壓力以及其溫度變化，出現(xiàn)熱脹冷縮，玻璃鋼層極易發(fā)生空鼓、龜裂，電解液滲漏等現(xiàn)象，滲漏電解液腐蝕混凝土，使其膨脹，擴大腐蝕范圍，最終造成池體結構破損，影響生產(chǎn)正常進行。陽極泥地坑原設計為防腐處理70 m3混凝土池，用壓縮風攪動沉淀抽取陽極泥，產(chǎn)生大量硫酸霧。地坑體積較大，致使成了陽極泥貯槽。這一問題在大冶有色冶煉廠老電解系統(tǒng)表現(xiàn)很突出。考慮到以上原因，本次設計電解液循環(huán)槽(低位槽) 采用槽中槽的結構，即每個系統(tǒng)先建1個36 650×20 600×3 000 mm的混凝土地坑，經(jīng)防腐處理后，循環(huán)槽選用15 000×9 500×3 000 mm 有效容積 363.4 m3的 FRP 密封循環(huán)槽2個，上清夜槽選用15 000×6 000×3 000 mm有效容積230 m3的FRP 貯槽1個，事故槽選用 15 000×4 000×3 000 mm 有效容積153 m3的 FRP 貯槽1個，槽中間留2 000 mm空隙，用管道連接，設兩個地井，供檢修及電解液檢漏用。陽極泥地坑采用耐酸瓷磚壘砌，即澆注φ2 900 mm×3 100 mm的混凝土地坑，進行玻璃鋼防腐處理后，再用耐酸瓷磚壘砌φ2 380 mm×2 900 mm地坑，每個系統(tǒng)均勻分布兩個。地坑使用攪拌漿攪動沉淀，再進行抽取陽極泥，只是起臨時中轉(zhuǎn)作用。

1.3.3 泵的選擇

電解液循環(huán)泵采用了立式長軸離心泵。泵直接置于低位槽上的鋼構平臺上，采用變頻控制。這既解決低位槽空間狹窄，又避免電解液帶氣。

1.3.4 過濾機選擇

以前電解系統(tǒng)壓濾機為板框式明流壓濾機。壓框作業(yè)時高速、高壓的壓縮風從壓濾機出水嘴噴出，大量酸霧逸出，彌散到現(xiàn)場空氣中，對周邊設備和建筑物造成嚴重腐蝕，不符合清潔生產(chǎn)要求。本設計選用了隔膜壓榨暗流壓濾機，利用循環(huán)水進行壓框作業(yè)，濾液經(jīng)密閉管道流回電解液過濾槽，解決了對周邊設備和建筑造成腐蝕的問題。

本項目增設了電解液精細過濾機，用于過濾懸浮于電解液循環(huán)槽中的微小顆粒和絮凝漂浮物，為進一步提高陰極銅質(zhì)量打好基礎。

1.3.5 電解槽選擇

電解槽的材質(zhì)有以下三種選擇，一是傳統(tǒng)的混凝土襯玻璃鋼電解槽，二是呋喃樹脂混凝土電解槽，三是乙烯基樹脂電解槽。三種電解槽的壁厚和壽命比較如表1。

表1 電解槽比較

為降低建設投資，本設計采用混凝土襯玻璃鋼(內(nèi)膽式)電解槽。每16個電解槽進行橫向安裝，外壁進行整體保溫，降低了蒸汽消耗，節(jié)約能耗。 該項目1 024個電解槽分布東西兩個區(qū)，每個區(qū)四列八行。

1.4 自動控制系統(tǒng)

該項目采用先進的工藝流程和工藝設備，自動控制方面采用先進的控制策略和控制設備，自動化水平優(yōu)于國內(nèi)同行業(yè)先進水平。采用技術先進的分散控制系統(tǒng)(DCS)。DCS 控制系統(tǒng)采用集中控制方式，儀控和電控共用一個控制系統(tǒng)，所有檢測的工藝參數(shù)、電動設備的運行狀態(tài)和故障狀態(tài)均進入控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、模擬量控制、順序控制、聯(lián)鎖保護和與PLC的通訊等功能。

1.5 環(huán)境保護

1.5.1 廢氣治理

所有電解液貯槽進行密閉罩收集產(chǎn)生的酸霧，并進行吸收，吸收后液返回電解系統(tǒng)。在車間左右兩側各設置4臺環(huán)保風機和1臺酸霧淋洗塔，系統(tǒng)風量L=50 000 m3/(h·臺)，采用循環(huán)水噴淋吸收酸霧，外排廢氣分別通過 2 個大于 15 m，且高于周圍建筑物3 m的排氣筒排放，吸收后的循環(huán)液返回電解系統(tǒng)。

電解廠房的陰極剝片機組及殘極洗滌機組等處各選用酸霧淋洗塔 1臺，系統(tǒng)風量L=20 000 m3/(h·臺)，采用循環(huán)水噴淋吸收酸霧，吸收效率大90%。分別通過 3 個大于15 m，且高于周圍建筑物3 m的排氣筒排放，吸收后的循環(huán)液返回電解系統(tǒng)。

凈化廠房一、二段脫銅電解槽面設置密閉罩收集產(chǎn)生的酸霧和砷化氫氣體，廢氣經(jīng)酸霧洗滌塔凈化。共選用酸霧淋洗塔 2臺，系統(tǒng)風量L=50 000 m3/h·臺，采用循環(huán)堿液噴淋吸收酸霧，吸收效率大于90%。分別通過兩個大于15 m，且高于周圍建筑物 3 m的排氣筒排放，吸收后的循環(huán)液輸送至備料廢水處理系統(tǒng)。

1.5.2 廢水治理與排放

工程總用水量56 666 m3/d,其中：新水量2 404 m3/d，生活水量11 m3/d，循環(huán)水量54 251 m3/d，工程中水的重復利用率為96.4%。工程排水量為359 m3/d，其中一般生產(chǎn)廢水351 m3/d，主要為循環(huán)冷卻水排水及設備沖洗水，屬潔凈廢水，排入廠區(qū)生產(chǎn)排水管道統(tǒng)一處理后回用；生活排水8 m3/d，經(jīng)化糞池處理后排至廠區(qū)生活污水管網(wǎng)。

1.5.3 固體廢物處置

電解廠房產(chǎn)生的陽極泥、黑銅、殘極均為中間產(chǎn)品，外運處理提煉回收金屬，工程無固體廢物產(chǎn)生。

1.5.4 噪聲控制

電解廠房內(nèi)的各種設備均不屬于高噪聲設備，并且均設置在廠房內(nèi)，因此對廠界的噪聲貢獻值可滿足《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準》GB12348—2008中Ⅲ類標準限值的要求。

1.6 節(jié)能

(1)銅電解精煉設計，選用大板不銹鋼永久陰極，配以陽極板整形機組，提高極板的質(zhì)量，提高電解槽中陰陽極懸掛的垂直度和極板間等距離的準確度，減少短路，創(chuàng)造良好條件，得以增產(chǎn)降耗；

(2)設計增加對電解工藝條件的在線監(jiān)控，諸如電解液循環(huán)、電解液溫度、添加劑加入速度等，降低濃差極化，使電流效率保持在96%以上；

(3)采取降低蒸汽消耗的措施：如電解槽外壁粘貼絕熱性能優(yōu)良的隔熱層，降低熱能輻射損失；電解槽面覆蓋滌綸布，減少電解液蒸發(fā)；

(4)高位槽、循環(huán)槽做成封閉式，回流軟管全部捆扎處理，減少跑冒及熱量流失；

(5)蒸汽冷凝水直接用于剝片機組、殘極機組和電解系統(tǒng)補水，減少蒸汽和水；

(6)電解精煉工藝在設備選擇上均選用節(jié)能設備，如泵類等；

(7)全部使用節(jié)能型照明燈具；

(8)主要運行設備選用變頻調(diào)速，如風機、水泵等。

2 電解車間生產(chǎn)實踐

2.1 電解生產(chǎn)簡述

電解車間于2012年10月建成投入試生產(chǎn)。由于受投產(chǎn)時間緊，凈化系統(tǒng)有一定的滯后，陰陽極質(zhì)量等因素影響，投產(chǎn)初期陰極銅的質(zhì)量不穩(wěn)定。隨著工藝控制和操作水平的提高，以及開展一系列技術攻關，到2013年2月生產(chǎn)正常，2013年5月22日陰極銅通過上海金屬交易所注冊成功。

2.2 生產(chǎn)實踐及主要技術經(jīng)濟指標情況

總的看來，生產(chǎn)初期主要存在以下問題：

(1) 由于投產(chǎn)使用粗硫酸銅配制電解液混入大量雜質(zhì)，初期電解液質(zhì)量較差；

(2) 凈化系統(tǒng)投產(chǎn)滯后半年，生產(chǎn)中電解液較少量的開路，致使雜質(zhì)不斷累積；

(3) 陰極機組調(diào)試期間損壞大量不銹鋼板且未及時進行修復，陽極質(zhì)量較差，致使電流效率較低；

(4) 電解液循環(huán)量、溫度、添加劑等工藝參數(shù)的摸索，其間陰極銅表面析出粗糙，板面粒子多，表面沒有金屬光澤，韌性較差。

針對以上問題，采取優(yōu)化技術參數(shù)、陽極泥二次過濾、進行陰極板校正和陽極質(zhì)量攻關等一系列措施，到2014年5月30萬噸項目陰極銅產(chǎn)量、質(zhì)量以及相關技術經(jīng)濟指標達到設計要求?，F(xiàn)將2014年5月主要技術經(jīng)濟指標與設計要求對比列于表2。

表2 2014年5月主要技術經(jīng)濟指標與

3 存在不足

(1) 附跨與主廠房之間4 m連接通道中鋪設大量工藝管道，存在一定的環(huán)保隱患，投產(chǎn)后進行大量改造維護。

(2) 廠房主進液和回流管道為主干分布，不利于系統(tǒng)小修 。

(3) 凈化廠房與電解廠房分布較遠，轉(zhuǎn)液工作量較大。

4 結語

綜上所述，大冶有色300 kt/a銅電解項目從2011年4月可研討論，同年7月開始初步設計， 8月開始施工建設，大量采用新工藝技術，精密高效地組織施工，2012年10月竣工投產(chǎn)，2013年5月22日陰極銅通過上海金屬交易所注冊，2014年5月達產(chǎn)達標。大冶有色300 kt/a銅電解項目工藝成熟可靠，工藝設施和設備配置適宜，清潔節(jié)能環(huán)保。

[1] 北京有色冶金設計研究總院編.重有色金屬冶煉設計手冊：銅鎳卷[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1996．

[2] 朱祖澤,賀家齊.現(xiàn)代銅冶金[M].北京:科學出版社,2003.

[3] 李寶文.侯馬冶煉廠50 kT/A銅電解設計與生產(chǎn)實踐[J].銅業(yè)工程，2007，(1):40-42.

Design and production practice of 300 kt/a copper electrolytic refining in Daye Nonferrous

YUE An-sheng, XU Wei, MA Deng-feng, LIU Yi

The paper introduces the process options and comparison, equipment selection, environmental protection, energy conservation, technical and economic indexes of 300 kt/a electrolytic refining project in Daye Nonferrous, and describes the production practice after project being put into operation．

copper；electrolytic refining; stainless steel cathode

樂安勝(1983—)，男，湖北大冶人，冶金工程師，從事冶金生產(chǎn)技術工作。

2014-- 09-- 16

2014-- 10-- 26

TF811

B

1672-- 6103(2015)04-- 0007-- 03