銅電解凈液系統(tǒng)的技術改造與工藝優(yōu)化

張素霞，李 睿，孫淵君

(1.陜西西安建筑科技大學，陜西 西安 710000;2.甘肅省金昌市金川集團公司，甘肅 金昌 737100)

1 引言

電解液凈化是銅電解精煉必不可少的重要工序，擔負著脫銅、除雜和維持電解系統(tǒng)體積平衡等重任。隨著銅電解工程的規(guī)?；?、大型化，在工程設計中電解系統(tǒng)已多采用大跨度廠房，如33m×2m跨度布置，主跨與附跨之間的距離6m[1]，而凈液系統(tǒng)多以主跨加附跨的設計方案，廠房整體采光、通風差。某銅冶煉廠在新建項目時通過借鑒原有凈化工藝實際生產(chǎn)經(jīng)驗，在新建2.0×105t銅凈化設計過程中，廠房布置、設備配置、工藝方案和技術條件選擇及生產(chǎn)組織和管理等方面均作了多側(cè)面、多角度的優(yōu)化，使得設備設施配置更加合理、物料運輸更為便利、人員作業(yè)環(huán)境更加有利健康。

2 凈液廠房結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計

凈液廠房首次采用大跨度、敞開式(開放式)鋼屋架、雙坡33m跨鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)形式。廠房全長111m，總高17m，是國內(nèi)跨度最大的銅電解凈液廠房。采用該結(jié)構(gòu)廠房使設備設施布局更加合理有序;通風、采光效果良好，屋頂?shù)碾p坡設計使得屋頂不積水，排水較為通暢。凈液廠房結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計為工藝設備的合理配置、改善現(xiàn)場操作環(huán)境奠定了基礎，使得物料運輸更為便利，給生產(chǎn)的連續(xù)運行奠定基礎。

2.1 廠房綜合布置的優(yōu)化設計

凈液廠房平面布置及豎向區(qū)域劃分的特點:平面分為二個區(qū)，生產(chǎn)區(qū)和辦公區(qū)。生產(chǎn)區(qū)為廠房的核心部分，占設計總面積的92%，根據(jù)工序的不同將其配置分為三個區(qū)域，即真空蒸發(fā)區(qū)域、誘導脫銅區(qū)域及電蒸發(fā)區(qū)域，如圖1所示，此配置可充分利用現(xiàn)有空間、設備，且物料運輸便利。豎向上主要分為三層，在滿足工藝條件的情況下，將真空蒸發(fā)高位槽從11.00m平面降至7.50m平面，將兩臺硫酸鎳轉(zhuǎn)運槽及配套的泵從0.00m平面降至－4.20m平面，降低廠房總體高度，減少了工程投資。

圖1 廠房平面區(qū)域圖

2.2 廠房排風系統(tǒng)的改造

銅電解凈液廠房排風系統(tǒng)一般包括自然排風、機械排風。本次改造對兩個排風系統(tǒng)都進行了優(yōu)化，改善職工現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，保證職工身體健康，減輕大氣污染。

(1)自然排風本次改造除采用側(cè)窗、天窗及在外墻設排風軸流風機進行全面通風外，還在廠房頂部橫、縱向安裝自然排風器，對車間內(nèi)的余熱、產(chǎn)生的酸霧和蒸汽進行全面通風。

(2)機械排風本工程除在散發(fā)大量含酸霧廢氣的重溶槽及濃縮器處設有局部密閉排風罩和脫銅電解槽處設不銹鋼支架外包玻璃鋼密閉排風罩以外，對凈液工段所有槽罐、水冷結(jié)晶機、帶式過濾機等設備增加局部密閉排風罩，利用酸霧吸收系統(tǒng)，將含酸霧廢氣、有害氣體收集后，接風管至吸收系統(tǒng)凈化處理后達標排放。

(3)優(yōu)選酸霧吸收塔銅電解酸霧凈化多采用堿液吸收法，其處理酸霧的塔型主要有動力波湍沖塔、填料塔、噴淋塔等，本次改造選用兩級吸收動力波湍沖塔對凈液系統(tǒng)所產(chǎn)酸霧進行凈化處理，本裝置凈化效率高，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境好，凈化排風系統(tǒng)的改造既保證了崗位工人的身體健康又減少了對大氣的污染，提高了環(huán)保本質(zhì)化水平。

2.3 廢水的循環(huán)回收利用

凈液系統(tǒng)真空蒸發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生的酸性廢水原設計為通過管網(wǎng)直接排入污水處理站，未得到回收利用，同時增加了廢水處理量與成本。為減少生產(chǎn)過程中酸性廢水排放量，在冷凝水輸送泵出口管道上加裝旁通管，并將此管道沿一、二樓四周墻壁敷設至整個現(xiàn)場，把廢水通過冷凝水旁通管道引至脫銅電解槽、燙洗槽代替新水進行刷槽作業(yè)，不再排入廢水處理站處理。(刷槽后的廢水進入地坑，與電解液一起由泵送入溶液儲罐，經(jīng)壓濾后回收。)

3 凈化工藝技術改造與設備選型的優(yōu)化

3.1 真空蒸發(fā)工序

(1)在進入板式蒸發(fā)器前增設減溫減壓裝置，延長板式蒸發(fā)器板片使用壽命。在真空蒸發(fā)生產(chǎn)過程中，進入板式蒸發(fā)器的蒸汽是未經(jīng)任何處理的過飽和蒸汽[2]，蒸汽直接通過板式蒸發(fā)器，對溶液進行加溫，使得板式蒸發(fā)器膠條長期受到高溫灼蝕，板片經(jīng)受高壓汽錘侵蝕，導致板式蒸發(fā)器板片短期內(nèi)就會發(fā)生內(nèi)漏現(xiàn)象，膠條頻繁損壞，嚴重影響生產(chǎn)的連續(xù)性和高效性，給備品備件及檢修費用方面造成了很重的負擔[3]。

利用汽水中和、凝結(jié)水循環(huán)使用的原理研制出一種減溫減壓裝置[4。裝置的基本結(jié)構(gòu)為:在汽水混合器的一側(cè)連接一次蒸汽進汽管，正對另一側(cè)連接冷凝水進水管并在管頭處裝設噴嘴，上端為經(jīng)減溫減壓后的二次蒸汽出口，底端安裝凝結(jié)水排空管由閥門控制，為了進一步實現(xiàn)自動控制操作，在一次蒸汽總管和冷凝水進水管上安裝了自動調(diào)節(jié)電磁閥，達到了溫度和壓力在設定范圍內(nèi)能夠自動調(diào)節(jié)的目的。

減溫減壓裝置應用于生產(chǎn)后，實用效果顯著，通過板式蒸發(fā)器的蒸汽溫度和壓力自動控制在設定范圍內(nèi)，延長了板式蒸發(fā)器的使用壽命，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益，同時大大提高了真空蒸發(fā)的生產(chǎn)效率。

(2)蜂窩夾套式水冷結(jié)晶機的應用凈液系統(tǒng)水冷結(jié)晶機原為內(nèi)置不銹鋼盤管冷卻，使槽體內(nèi)溶液溫度始終保持在技術條件范圍內(nèi)，溶液循環(huán)方式采用上進液下出液的工藝原理，由于是高溫和高酸的溶液，使得水冷結(jié)晶槽內(nèi)溶液的溫度不平衡，不銹鋼盤管時常暴露在溶液外面，受高酸、高溫溶液腐蝕，導致不銹鋼盤管在短期內(nèi)就會發(fā)生內(nèi)漏現(xiàn)象，更換頻繁，嚴重影響了生產(chǎn)的連續(xù)性和高效性，同時給備品備件及檢修費用方面造成了很重的負擔。

本次凈液系統(tǒng)改造硫酸銅、硫酸鎳結(jié)晶機均采用具有優(yōu)異的機械性能和產(chǎn)熱性能的蜂窩夾套式水冷結(jié)晶機[5]。該設備采用內(nèi)置冷卻水套的蜂窩夾套式冷卻結(jié)構(gòu)形式，沿筒體外壁軸向設置螺旋導流板，內(nèi)置雙層槳葉攪拌器，采用帶變頻器的硬齒面減速機。此外，結(jié)晶機攪拌傳動裝置還配備變頻器，在生產(chǎn)過程中，可根據(jù)工藝條件隨時對攪拌速度進行調(diào)整，保證攪拌和冷卻的均勻性，從而避免了硫酸銅、硫酸鎳溶液在冷卻過程中結(jié)晶成團堵塞下液口的現(xiàn)象。

3.2 電蒸發(fā)除鎳工序的改造

對電蒸發(fā)前液進行預熱，縮短終液溫度達到沸點的時間，提高蒸發(fā)效率。在電熱蒸發(fā)工序?qū)ｉT設計制作給液量裝置，確保給液量準確計量。在電蒸發(fā)生產(chǎn)過程中，原設計電蒸發(fā)高位槽內(nèi)的溶液是通過閥門控制直接進入電蒸發(fā)釜，這種方法無法檢測到進液量的大小，崗位人員憑感覺調(diào)整。因電蒸發(fā)的生產(chǎn)是開啟正常后釜內(nèi)溶液邊進邊出，如果進液量太小，蒸發(fā)效率較低，且蒸發(fā)出的溶液含酸較高[6];相反進液量太大，蒸發(fā)釜內(nèi)溫度達不到要求，酸度較低，分離效果較差，嚴重影響溶液的凈化處理量和產(chǎn)出硫酸鎳的質(zhì)量，因此設計制作給液量調(diào)節(jié)裝置，將給液盒裝入電蒸發(fā)給液管道閥門之后，通過調(diào)整溶液流過圓孔的數(shù)量來控制給液量的大小。進入電蒸發(fā)的溶液流量可控，在開車時根據(jù)不同溫度設定不同的流液孔數(shù)，大大提高電蒸發(fā)的效率，確保了溶液雜質(zhì)量的脫除，提高了產(chǎn)出硫酸鎳的質(zhì)量。

4 提高適應高雜陽極板的技術措施

(1)改善電解性質(zhì)。影響電解液比重的主要是硫酸和金屬離子濃度，因此可通過降低電解液主金屬銅離子濃度來降低電解液比重，有利于減小電解液的粘度，降低Cu2+、H2SO4的波動幅度，將Cu2+控制在45 ～50g/l，酸度170 ～180g/l，在保持電解液導電性的基礎上降低電解液的比重和粘度，利于陽極泥的沉降，減少陽極泥對陰極銅質(zhì)量的影響。

(2)調(diào)整添加劑配比模式，由高膠低脲改為低膠高脲，降低溶液粘度，降低懸浮顆粒粘附幾率，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。

(3)電解液中懸浮物增多時，提高Larox處理量，根據(jù)壓差情況及時更換濾布，加強電解液的過濾，提高電解液的潔凈度。

(4)進一步提升陽極板和始極片加工質(zhì)量，提高懸垂度，減少燒板量，降低陽極泥沉降過程對陰極銅質(zhì)量的影響。

(5)積極開展電解液自凈化試驗研究，通過提高電解液中總As含量，降低Sb和Bi含量，實現(xiàn)自凈化，以此改善電解液性能，提高工藝對原料的適應性。

(6)進一步優(yōu)化真空蒸發(fā)深度脫銅，母液含銅降低至25g/l以下，為誘導脫銅脫雜創(chuàng)造條件，提高As、Sb、Bi的脫除率。

5 試生產(chǎn)以來的工藝指標情況

通過凈化工藝技術改造及優(yōu)化設備選型，自投產(chǎn)以來，各項工藝指標大幅度得到提升，真空蒸發(fā)效率達到40%以上，超過了設計指標36%[7]，硫酸銅結(jié)晶率達到60%以上，超過原工藝約6%;電蒸發(fā)脫鎳能力由原來的0.60m3/h·臺提高至0.70m3/h·臺以上。

6 結(jié)論

(1)充分借鑒原有凈化系統(tǒng)生產(chǎn)流程，對廠房結(jié)構(gòu)進行重新設計，首次采用大跨度、敞開式(開放式)鋼屋架設計方案，合理布置設備設施，為工藝生產(chǎn)提供了良好的設備配置和操作環(huán)境，使得物料運輸更為便利。

(2)對凈液廠房排風系統(tǒng)進行優(yōu)化，在廠房頂部橫、縱向增設自然排風器，對凈液工段所有槽罐、水冷結(jié)晶機、帶式過濾機等設備增加局部密閉排風罩，將含廠房內(nèi)部余熱、酸霧廢氣等有害氣體收集后，接風管至吸收系統(tǒng)凈化處理后達標排至室外，改善職工現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，保證職工身體健康，減輕大氣污染。

(3)采用先進的廢氣吸收裝置兩級動力波湍沖塔[8]對凈液系統(tǒng)所產(chǎn)酸霧進行凈化處理。同時對真空蒸發(fā)等產(chǎn)出的酸性廢水進行回收利用，真正提高了環(huán)保本質(zhì)化水平。

(4)在生產(chǎn)實踐中針對高雜質(zhì)原料凈化脫除率低的問題，優(yōu)化凈化系統(tǒng)中兩個重要工序的生產(chǎn)工藝，提高雜質(zhì)脫除率，提升適應高雜銅陽極板的能力。

(5)隨著銅電解凈化脫雜效率和處理能力的提高，在保持現(xiàn)有溶液凈化量的前提下，減少了真空蒸發(fā)、電蒸發(fā)的開車時間，相應降低了水、電、汽的消耗，節(jié)約了能源，并隨著凈化設備設施開動率的降低，原、輔材料的消耗亦相應下降，降低了凈化脫雜的成本。

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