30萬t/a銅電解凈化方案選擇及設計

于冰新

(大冶有色金屬有限責任公司， 湖北 黃石 435005)

銅電解精煉過程中隨著陽極板中銅及砷、銻、鉍等雜質的溶出，電解液中的銅及鎳、砷、銻、鉍等離子濃度也會逐漸增加。為保證電解的正常進行，電解系統(tǒng)每天需抽出部分電解液進行凈化處理，以脫除電解液中多余的銅及超過限額的雜質，確保陰極銅質量。目前國內銅電解液凈化脫銅工藝主要包括：①脫銅，一般以CuSO4·5H2O或電積生產標準陰極銅脫去；②除As、Sb、Bi，采用方法較多，廣泛采用電積法或萃取法[1]。

1 凈化脫銅系統(tǒng)工藝方案選擇

1.1 脫銅工藝選擇

對脫銅來說，目前主要的工藝方法有：生產硫酸銅、傳統(tǒng)的直接電積脫銅、旋流電積脫銅等[2-4]。其中生產硫酸銅的方法是以硫酸銅為脫銅的最終產品，優(yōu)點是硫酸銅可作為返溶的物料方便調節(jié)電解系統(tǒng)中的銅含量，但其受限于市場銷路不理想。電積脫銅所采用的各種設備基本上與銅電解相同，陰極仍為銅始極片，只有陽極為鉛合金。傳統(tǒng)的電積脫銅法可以生產出標準陰極銅出售，但在隨后的脫雜過程中產出的黑銅含銅較高，出售價格較低，返爐會增加生產成本。旋流電積技術作為一種新型多金屬的提純與分離技術，主要的特點是在高電流密度下，通過溶液的高速旋轉消除濃差極化，從而可從低品位的銅溶液中回收金屬銅。但此方法出銅操作復雜，自動化程度不高，作業(yè)率相對較低。另外相同脫銅量條件下所需設備(電積槽)數量比傳統(tǒng)電積多，占地面積大，投資相對較大。目前國內廠家以生產硫酸銅及標準電積銅為主，工藝相對成熟，綜合效益較高。大冶原電解凈化脫銅就是采用電積脫銅產出標準陰極銅生產工藝，工藝成熟可靠，操作簡單 ，便于管理，技術指標穩(wěn)定。另外由于大冶30萬t項目現(xiàn)場場地狹小，在相同脫銅量條件下如采用旋流電積技術則現(xiàn)場面積不夠。

近三年來陽極板成分見表1。

從表1可以看出，近三年來陽極板含Cu：99.10%，As：0.09%，Sb：0.07%，Bi：0.02%，Ni：0.13%。陽極板品位相對較低，成分波動較大(最低為98.95%，最高為99.25%)，雜質含量較高。另外不銹鋼陰極電解工藝對電解液中的雜質含量要求相對較高，這就需要凈化工序能夠根據陽極板的波動情況隨時應對凈液任務的波動。當系統(tǒng)雜質含量較高時，必須加大凈液量；同時當系統(tǒng)銅品位較低時，需要以硫酸銅作為返溶物料來調節(jié)電解液銅含量。另外設計者想達到隨著市場利好可以隨時調整產品種類而獲得最大效益的目的。

綜合以上因素考慮，最終選擇了以電積生產標準陰極銅為主，配以真空蒸發(fā)硫酸銅為備用的脫銅方案。當凈液任務量大時，真空蒸發(fā)硫酸銅還可以串在電積標準銅后使用，最大限度實現(xiàn)凈液量。本方案對生產的波動適應性強，產出的產品可以根據市場利好隨時調整，不僅最大限度地保證了脫銅量的富余，而且使產品具有機動性。

1.2 脫雜工藝選擇

目前，脫砷銻鉍的方法有：萃取法、共沉淀法、氧化法、誘導法等[5]。前三種方法用于實踐較少，只有國外個別廠家采用。誘導法技術采用階梯式布置電解槽、溶液串聯(lián)流動并通過主、輔給液的辦法，保持溶液中銅的離子濃度在一定范圍內，此時砷與銅一起以誘導型合金的形式電解析出。該法砷銻鉍的脫除率可達85%以上，脫除率高、處理量大、能耗相對較低，條件控制適當幾乎不產出砷化氫氣體，環(huán)境相對較好。在目前老電解脫雜系統(tǒng)中就采用該工藝，共有2個系列，其中，一系24槽，二系20槽，每系日溶液處理量150～200 m3，銅平均直流電單耗2 000 kW·h/t·Cu，單槽槽壓在1.8～2.2 V，該工藝成熟流程簡單。

綜合以上因素考慮，本次設計采用二段脫銅及誘導法脫砷銻鉍工藝。

1.3 工藝流程圖

經過論證30萬t/a電解項目脫銅凈液系統(tǒng)最終采用以電積脫銅為主，真空蒸發(fā)生產硫酸銅為輔—誘導脫砷銻鉍的生產工藝流程。具體工藝流程見圖1。

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脫銅主流程為：電解車間廢電解液經過電積脫銅(一段脫銅)產出的標準陰極銅外售，電積后液部分返回電解系統(tǒng)，部分進行誘導脫砷銻鉍(二段脫銅)。二段脫銅產出的黑銅(黑銅粉)返回火法系統(tǒng)，脫銅后液部分返回電解車間，其余送稀貴廠硫酸鎳車間進行脫鎳處理，脫鎳后液返回電解車間。 硫酸銅系統(tǒng)作為備用。

2 脫銅廠房設計

因30萬t/a銅電解現(xiàn)場場地狹小，在凈化脫銅總量不變的條件下，一、二段電積脫銅廠房如何選擇及布局是設計者所面臨的問題。最初，設計有三大焦點，一是一、二段終液含銅濃度為38 g/L還是25 g/L；二是以哪種雜質所需凈液體積作為二段凈液體積；三是凈液脫銅廠房選擇及大小電積槽選擇。

2.1 凈液總量的計算

根據表1中陽極板的品位及主要雜質含量，設計陽極板成分為：Cu:99.10%，As:0.15%，Sb:0.07%，Bi:0.03%，Ni:0.15%。考慮到電解系統(tǒng)的擴建及充分考慮凈化系統(tǒng)脫雜任務的波動，按年產陰極銅35萬t，產1 t陰極銅需溶解陽極板1.032 t，結合表2中的溶出率等凈液量計算條件，分別計算銅及各雜質所需要的電解液凈化量。

表2 凈液量計算條件

按Cu計算需要凈化的電解液量：

Q=(350 000×1.032×99.1%×1.93%×1 000)÷(98%×45×330)=474.71 m3/d

其他元素計算過程類似，凈化脫銅及脫雜所需凈液量見表3。

表3 凈化脫除銅及雜質元素所需要凈液量 m3/d

從表3中可以得出：凈化脫銅所需凈液量為Cu 474.71 m3/d，即每天凈化系統(tǒng)需要脫掉金屬Cu：474.71 m3/d×(45-0.5) g/L÷1 000=21.124 t。

2.2 一、二段終液含銅成分的確定

國內廠家一般將一段脫銅終液含銅控制在35 g/L以上，二段終液濃度控制在3 g/L以上。大冶為減少凈液循環(huán)體積，將二段終液含銅濃度確定為0.5 g/L。當一段終液濃度為38 g/L時，一段過流電解液量大，每天一段脫銅液進出1 700 m3以上；二段電積因起點濃度高了，槽數也將增加；同時，由一段分流回主系統(tǒng)的處理后液量也大增。結合現(xiàn)場空間及轉液量等問題綜合考慮，將一段終液含銅濃度確定為25 g/L。

為了減少一段分流回主系統(tǒng)的處理后液，盡可能提高脫雜量，最終確定以鉍的凈液體積作為二段電積溶液量即：231 m3/d，考慮到陽極板成分的波動，確保電銅質量，設計二段脫銅凈液量為250 m3/d。對應的二段脫銅量為：250 m3/d×(25-0.5)g/L÷1 000=6.125 t；一段脫銅量為：21.124-6.125=14.999 t。即一段脫銅產出的標準陰極銅產量為14.999 t，二段脫銅產出的2#銅及黑銅產量為6.125 t。

2.3 廠址及電積槽型選擇

因30萬t/a電解項目場地狹小，同時為節(jié)省投資和減少工程量，一二段脫銅最初有三種方案設想：方案一：將原電解一系改造成一二段脫銅廠房。電解一系有3 200 mm×1 140 mm電解槽140個(小槽)，本項目需配置64+96=160個槽，面積不夠。方案二：改造小板二系，利用現(xiàn)有小槽。該方案缺點是轉液距離遠管線長不便管理，總產能損失量大約2萬t/a。方案三： 在T20位置新建一、二段脫銅廠房，新置5 190 mm×1 180 mm×1 400 mm大板脫銅槽，占地面積剛剛夠，但總投資比較大。從發(fā)展趨勢看，小板電解最終將會被淘汰。小板脫銅的始極片只能將大板的始極片剪切使用，極為不便。另外方案三離30萬t/a銅電解現(xiàn)場距離近，便于轉液與管理。因此最終選擇了方案三，在有限的空間內為確保凈液任務量采用高電流密度，一段240 A/m2，二段220 A/m2。

2.4 脫銅槽數的確定與布置

一、二段脫銅理論脫銅量分別為14.999 t/d和6.125 t/d。采用5 190 mm×1 180 mm×1 400 mm的大電積槽，具體槽數計算見表4。

表4 一、二段脫銅槽槽數計算表

結合表4，考慮生產現(xiàn)場的布局及電解槽配置原則，最終選定56個電積脫銅槽，分別布置在一二段廠房的東西端。其中一段脫銅32個電積槽，分四組配置，每組8槽。二段脫銅24個電積槽，分四組階梯配置，每組6槽。

3 結論

(1)經過論證， 30萬t/a銅電解項目凈液系統(tǒng)最終選擇了電積脫銅(真空蒸發(fā)生產硫酸銅)—誘導脫砷銻鉍的生產工藝流程。

(2)30萬t/a項目凈液脫銅總量為21.124 t/d，其中一段脫銅量為14.999 t/d，二段脫銅量為6.125 t/d。一段終液含銅濃度為25 g/L，二段終液含銅濃度為0.5 g/L。

(3)采用高電流密度生產，一段為240 A/m2，二段220 A/m2。

(4)采用56個尺寸為5 190 mm×1 180 mm×1 400 mm的大電積脫銅槽。其中一段脫銅32個電積槽，分四組配置，每組8槽。二段脫銅24個電積槽，分四組階梯配置，每組6槽。