樂安勝， 許 衛(wèi)， 馬登峰， 劉 毅

(大冶有色金屬集團(tuán)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(shè)計與生產(chǎn)實(shí)踐

樂安勝， 許 衛(wèi)， 馬登峰， 劉 毅

(大冶有色金屬集團(tuán)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(xiàng)目的工藝方案比較和選取、設(shè)備選型、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能和經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)；簡述了工程投產(chǎn)后的生產(chǎn)實(shí)踐。

銅； 電解精煉； 不銹鋼陰極電解

大冶有色300 kt/a銅電解項(xiàng)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(xiàng)目從2011年4月開始可研討論，同年6月初步設(shè)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(jìn)行預(yù)制；走道過道采用玻璃鋼格柵蓋板；廠房建設(shè)進(jìn)行大開挖。 精細(xì)高效地組織建設(shè)施工，用時約13個月完成項(xiàng)目建設(shè)，具備投產(chǎn)要求。

1 銅電解精煉

1.1 概述

300 kt/a項(xiàng)目可供建設(shè)的場地較為狹小，設(shè)計時將凈化和硫酸鎳系統(tǒng)覓址另建。電解精煉系統(tǒng)設(shè)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(yàn)，工藝成熟可靠、易于掌握，特別是采用了機(jī)械化和自動化水平高的陰極剝片機(jī)組和陽極整形機(jī)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(fù)雜，而且需要獨(dú)立的始極片生產(chǎn)系統(tǒng)，勞動強(qiáng)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(diǎn)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(diǎn)在于一次性投資較高，主要是進(jìn)口不銹鋼永久陰極板、專用行車和機(jī)組的費(fèi)用較高。采用永久陰極電解工藝，雖然不銹鋼陰極極片和機(jī)組設(shè)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(yuǎn)考慮，永久陰極法生產(chǎn)陰極銅的經(jīng)濟(jì)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(biāo)準(zhǔn)，代表了21世紀(jì)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。考慮到上述兩種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，以及結(jié)合本項(xiàng)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(shè)施和設(shè)備選擇

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

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(diǎn)在于導(dǎo)電棒和夾邊條的形式。一種導(dǎo)電棒是中空不銹鋼棒鍍銅工藝；另外兩種是實(shí)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(jìn)行維護(hù)，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(hù)較復(fù)雜。考慮到實(shí)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(hù)，本設(shè)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(jìn)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(kuò)大腐蝕范圍，最終造成池體結(jié)構(gòu)破損，影響生產(chǎn)正常進(jìn)行。陽極泥地坑原設(shè)計為防腐處理70 m3混凝土池，用壓縮風(fēng)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?？紤]到以上原因，本次設(shè)計電解液循環(huán)槽(低位槽) 采用槽中槽的結(jié)構(gòu)，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(shè)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(jìn)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(jìn)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(gòu)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(jī)選擇

以前電解系統(tǒng)壓濾機(jī)為板框式明流壓濾機(jī)。壓框作業(yè)時高速、高壓的壓縮風(fēng)從壓濾機(jī)出水嘴噴出，大量酸霧逸出，彌散到現(xiàn)場空氣中，對周邊設(shè)備和建筑物造成嚴(yán)重腐蝕，不符合清潔生產(chǎn)要求。本設(shè)計選用了隔膜壓榨暗流壓濾機(jī)，利用循環(huán)水進(jìn)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(shè)備和建筑造成腐蝕的問題。

本項(xiàng)目增設(shè)了電解液精細(xì)過濾機(jī)，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(jìn)一步提高陰極銅質(zhì)量打好基礎(chǔ)。

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(shè)投資，本設(shè)計采用混凝土襯玻璃鋼(內(nèi)膽式)電解槽。每16個電解槽進(jìn)行橫向安裝，外壁進(jìn)行整體保溫，降低了蒸汽消耗，節(jié)約能耗。 該項(xiàng)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(xiàng)目采用先進(jìn)的工藝流程和工藝設(shè)備，自動控制方面采用先進(jìn)的控制策略和控制設(shè)備，自動化水平優(yōu)于國內(nèi)同行業(yè)先進(jìn)水平。采用技術(shù)先進(jìn)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(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障狀態(tài)均進(jìn)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(hù)和與PLC的通訊等功能。

1.5 環(huán)境保護(hù)

1.5.1 廢氣治理

所有電解液貯槽進(jìn)行密閉罩收集產(chǎn)生的酸霧，并進(jìn)行吸收，吸收后液返回電解系統(tǒng)。在車間左右兩側(cè)各設(shè)置4臺環(huán)保風(fēng)機(jī)和1臺酸霧淋洗塔，系統(tǒng)風(fēng)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(jī)組及殘極洗滌機(jī)組等處各選用酸霧淋洗塔 1臺，系統(tǒng)風(fēng)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(shè)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(fēng)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(fù)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(shè)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(yùn)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(shè)備均不屬于高噪聲設(shè)備，并且均設(shè)置在廠房內(nèi)，因此對廠界的噪聲貢獻(xiàn)值可滿足《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》GB12348—2008中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)限值的要求。

1.6 節(jié)能

(1)銅電解精煉設(shè)計，選用大板不銹鋼永久陰極，配以陽極板整形機(jī)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(zhǔn)確度，減少短路，創(chuàng)造良好條件，得以增產(chǎn)降耗；

(2)設(shè)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(jī)組、殘極機(jī)組和電解系統(tǒng)補(bǔ)水，減少蒸汽和水；

(6)電解精煉工藝在設(shè)備選擇上均選用節(jié)能設(shè)備，如泵類等；

(7)全部使用節(jié)能型照明燈具；

(8)主要運(yùn)行設(shè)備選用變頻調(diào)速，如風(fēng)機(jī)、水泵等。

2 電解車間生產(chǎn)實(shí)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(shù)攻關(guān)，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(shí)踐及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)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(jī)組調(diào)試期間損壞大量不銹鋼板且未及時進(jìn)行修復(fù)，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(shù)參數(shù)、陽極泥二次過濾、進(jìn)行陰極板校正和陽極質(zhì)量攻關(guān)等一系列措施，到2014年5月30萬噸項(xiàng)目陰極銅產(chǎn)量、質(zhì)量以及相關(guān)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求?，F(xiàn)將2014年5月主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與設(shè)計要求對比列于表2。

表2 2014年5月主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與

3 存在不足

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

(2) 廠房主進(jìn)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(yuǎn)，轉(zhuǎn)液工作量較大。

4 結(jié)語

綜上所述，大冶有色300 kt/a銅電解項(xiàng)目從2011年4月可研討論，同年7月開始初步設(shè)計， 8月開始施工建設(shè)，大量采用新工藝技術(shù)，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(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。大冶有色300 kt/a銅電解項(xiàng)目工藝成熟可靠，工藝設(shè)施和設(shè)備配置適宜，清潔節(jié)能環(huán)保。

[1] 北京有色冶金設(shè)計研究總院編.重有色金屬冶煉設(shè)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(xué)出版社,2003.

[3] 李寶文.侯馬冶煉廠50 kT/A銅電解設(shè)計與生產(chǎn)實(shí)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(shù)工作。

2014-- 09-- 16

2014-- 10-- 26

TF811

B

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