銅電解常規(guī)PC工藝與高電流密度PC工藝的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

羅勁松， 沐亞玲， 李 堅(jiān)

(1.云南銅業(yè)股份有限公司, 云南 昆明 650102； 2.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院, 云南 昆明 650093)

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銅電解常規(guī)PC工藝與高電流密度PC工藝的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

羅勁松1， 沐亞玲1， 李 堅(jiān)2

(1.云南銅業(yè)股份有限公司, 云南 昆明 650102； 2.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院, 云南 昆明 650093)

以云銅銅電解的常規(guī)PC工藝為例，在電解槽個(gè)數(shù)及廠房面積相同的情況下，對(duì)比分析了采用300 A/m2(年產(chǎn)18萬(wàn)t)和400 A/m2(年產(chǎn)24萬(wàn)t)兩種電流密度時(shí)銅電解生產(chǎn)的完全成本。結(jié)果表明，高電流密度PC工藝的完全成本比常規(guī)PC工藝低17.21元/tCu，約低3.5%。從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，高電流密度PC工藝的經(jīng)濟(jì)效益將高于常規(guī)PC工藝。此外，高電流密度PC工藝可以在基本不增加設(shè)備的條件下提高產(chǎn)量及勞動(dòng)生產(chǎn)率，是一項(xiàng)高產(chǎn)能、低成本的強(qiáng)化電解生產(chǎn)技術(shù)。

銅電解； PC工藝； 電流密度； 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

銅電解生產(chǎn)中，電流密度是衡量銅電解生產(chǎn)技術(shù)水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)，合理提高電流密度可挖掘設(shè)備產(chǎn)能、降低生產(chǎn)流程占用的物料及產(chǎn)品、減少流動(dòng)資金占用，可以在基本上不增加設(shè)備的條件下，提高產(chǎn)量及勞動(dòng)生產(chǎn)率。高電流密度生產(chǎn)是提高產(chǎn)能最直接有效的方式，也是銅冶煉企業(yè)追求的目標(biāo)。電解過(guò)程中銅在陰極的電析質(zhì)量遵守法拉第定律：

mCu=1.185 2·I·A·t

(1)

式中：mCu為析出的金屬質(zhì)量，g；I為電流密度，A/m2；A為電極面積，m2；t為時(shí)間，h。

式(1)說(shuō)明，在已有的設(shè)備參數(shù)條件下(電沉積面積A固定)，同等時(shí)間內(nèi)析出的陰極銅的質(zhì)量與電流密度成正比關(guān)系，即提高銅電解產(chǎn)能最有效的途徑就是提高電流密度[1]。然而在20世紀(jì)80年代以前，銅電解采用傳統(tǒng)的始極片工藝，電流密度始終在250 A/m2以下徘徊。此后，永久不銹鋼陰極的廣泛使用，才使電流密度得以提高到280～330 A/m2。無(wú)論是傳統(tǒng)的始極片工藝還是永久不銹鋼陰極電解工藝(Permanent Cathode，簡(jiǎn)稱(chēng)PC工藝)，由于電解液循環(huán)方式的原因，已很難再進(jìn)一步提高電流密度[2]。傳統(tǒng)的上進(jìn)下出或者下進(jìn)上出的循環(huán)方式，在采用高電流密度電解時(shí)會(huì)使陽(yáng)極區(qū)的電解液擴(kuò)散層加厚，導(dǎo)致陽(yáng)極鈍化，而陰極區(qū)電解液中銅離子貧化，極易造成濃差極化、陰極銅長(zhǎng)粒子等問(wèn)題。為了解決以上問(wèn)題，高電流密度PC電解工藝的電解液循環(huán)方式趨向于平行流方式，即利用平行流裝置來(lái)改變電解液在電解槽中的運(yùn)動(dòng)方式，以避免高電流密度電解時(shí)產(chǎn)生陽(yáng)極鈍化和陰極濃差極化等問(wèn)題。近年來(lái)，隨著平行流裝置在銅電解行業(yè)的成功運(yùn)用，采用高電流密度生產(chǎn)陰極銅已工業(yè)化，但是，對(duì)于常規(guī)PC工藝和高電流密度PC工藝的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比研究甚少。本文以云南銅業(yè)股份有限公司電解分廠(簡(jiǎn)稱(chēng)云銅)常規(guī)PC工藝為例，在電解槽個(gè)數(shù)(784個(gè))及廠房面積相同的情況下，分別采用常規(guī)電流密度(300 A/m2)與高電流密度(400 A/m2)進(jìn)行銅電解生產(chǎn)時(shí)對(duì)固定成本、變動(dòng)成本、財(cái)務(wù)費(fèi)用等方面的影響，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，為本公司及同行業(yè)提供借鑒。

1 高電流密度下平行流裝置的運(yùn)用

高電流密度PC工藝的電解液循環(huán)方式趨向于采用平行流方式，即通過(guò)特殊裝置使電解液在陰極板的兩面以一定的速度進(jìn)入電解槽，使電解液平行于陰極板板面向上運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)圖1所示)，并在陰陽(yáng)極之間產(chǎn)生自然對(duì)流，陰極附近區(qū)域的電解液向上運(yùn)動(dòng)，陽(yáng)極附近區(qū)域的電解液向下運(yùn)動(dòng)，部分電解液在陰陽(yáng)極之間的區(qū)域內(nèi)近似環(huán)形運(yùn)動(dòng)，使陰極附近銅離子的濃差極化明顯減弱。而陽(yáng)極附近電解液向下流動(dòng)，既加速了陽(yáng)極板邊界層中銅離子的擴(kuò)散，又有利于陽(yáng)極板上脫落的陽(yáng)極泥向下沉降[3]。

圖1 電解槽中電解液平行向上流動(dòng)示意圖

電解液的平行流動(dòng)是通過(guò)平行流裝置(Parallel Flow Device，簡(jiǎn)稱(chēng)PFD)或平行流板(Parallel Flow Plate，簡(jiǎn)稱(chēng)PFP)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采用PFD或PFP后，電解液由泵通過(guò)管道對(duì)PFD或PFP供液，電解液由噴嘴向陰極表面平行方向噴出，以確保電解液的流量、壓力、溫度、組成等符合高電流密度生產(chǎn)的要求。

PFD是一種薄腹型不銹鋼箱體結(jié)構(gòu)，它懸掛在電解槽內(nèi)的一側(cè)，PFD裝置既可以用于新廠的建設(shè)，也可用于老廠的增容改建。PFP是一種整合了樹(shù)脂混凝土整體電解槽與PFD的裝置，即在澆注電解槽時(shí)，就考慮為電解液分布系統(tǒng)留出空間，用這個(gè)空間代替PFD的不銹鋼箱體，裝有PFP的整體樹(shù)脂電解槽更適合于新工廠的建設(shè)。本文旨在討論在云銅現(xiàn)有廠房面積的條件下提高產(chǎn)能，因此，本文的高電流密度PC工藝采用PFD平行流裝置。

2 固定成本對(duì)比分析

云銅常規(guī)PC電解基本建設(shè)投資費(fèi)用為69 303萬(wàn)元，在電解槽個(gè)數(shù)及廠房面積相同的情況下，相對(duì)于常規(guī)PC電解，高電流密度PC電解需要投入平行流裝置?，F(xiàn)階段云銅常規(guī)PC電解共有784個(gè)電解槽，若每個(gè)電解槽安裝一套PFD平行流裝置，共計(jì)需安裝784套。每套約為16 543元，Metto(平行流)許可證費(fèi)用為1 900萬(wàn)元，兩相合計(jì)需投入3 197萬(wàn)元。

高電流密度PC電解直接采用變頻泵向電解槽供液，以滿(mǎn)足PFD噴嘴出口所需的壓力。為了減少電解過(guò)程中的濃差極化等不利因素，電解槽中電解液的流量將隨著電流密度的增大而增加。云銅常規(guī)PC電解中采用懸臂式液下泵配用變頻電機(jī)定量向電解槽供液。電解液流量增大，懸臂式液下泵的配用功率將隨之增大，兩種電流密度下電解液供液參數(shù)如表1所示。

表1常規(guī)PC工藝與高電流密度PC工藝供液參數(shù)對(duì)比

項(xiàng)目單位常規(guī)PC工藝高電流密度PC工藝電解液流量L/(min·槽)3580電解液總流量m3/h16463763供液泵流量m3/h360640電機(jī)配用功率kW55160供液泵數(shù)量臺(tái)78供液泵總投資萬(wàn)元105160

電流密度提高以后，總電流隨之增加，云銅常規(guī)PC電解現(xiàn)在所使用的整流設(shè)備和直流橋式大電流隔離開(kāi)關(guān)最高負(fù)載電流為30 kA，784個(gè)電解槽采用兩套整流設(shè)備，總價(jià)格為375萬(wàn)元。在400 A/m2電流密度下，總電流將提高到36.6 kA，整流設(shè)備和直流橋式大電流隔離開(kāi)關(guān)負(fù)載電流將隨之增加。負(fù)載電流為40 kA的整流設(shè)備及直流橋式大電流隔離開(kāi)關(guān)每套價(jià)格約為220萬(wàn)元，784個(gè)電解槽需采用兩套，共計(jì)440萬(wàn)元。常規(guī)PC工藝及高電流密度PC工藝投資成本對(duì)比如表2所示。

表2 常規(guī)PC工藝與高電流密度PC工藝投資費(fèi)用對(duì)比 萬(wàn)元

從表2可見(jiàn)，高電流密度PC電解工藝系統(tǒng)的投資費(fèi)用比常規(guī)PC電解高3 317萬(wàn)元，主要是由于高電流密度PC電解需要投入平行流裝置。

云銅電解分廠所有折舊費(fèi)均按照直線法進(jìn)行計(jì)算，取殘值為5%，使用年限為35年。常規(guī)電流密度PC電解系統(tǒng)投資費(fèi)用為69 783萬(wàn)元，于2010年建成投產(chǎn)；高電流密度PC電解投資費(fèi)用為73 100萬(wàn)元。為了更好地比較兩種電解方式在同一時(shí)期內(nèi)的折舊費(fèi)用，本文假設(shè)兩種電解方式均于2010年投產(chǎn)。因此，常規(guī)電流密度PC電解系統(tǒng)和高電流密度PC電解系統(tǒng)的總折舊費(fèi)用分別為1 894萬(wàn)元和1 984萬(wàn)元，折算到噸銅為：

常規(guī)電流密度PC電解的噸銅折舊費(fèi)用=18 940 000/180 000=105.20元/tCu

高電流密度PC電解的噸銅折舊費(fèi)用=19 840 000/240 000=82.70元/tCu

本文中的固定成本僅包含折舊費(fèi)用，即常規(guī)電流密度PC工藝和高電流密度PC工藝的固定成本分別為105.20元/tCu和82.70元/tCu。后者的固定成本低于前者22.50元/tCu，這主要是由于高電流密度PC電解工藝的產(chǎn)能較高，折算到噸銅的固定成本較少。

3 變動(dòng)成本對(duì)比分析

3.1 人工成本對(duì)比分析

高電流密度PC 工藝同等時(shí)間內(nèi)陰極銅產(chǎn)能更高，但操作人員將相應(yīng)增加。云銅常規(guī)PC工藝現(xiàn)有操作人員(含槽面、機(jī)組、吊車(chē)、叉車(chē)等崗位的操作人員)共計(jì)56人。依據(jù)云銅多年的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，若將電流密度提高，使產(chǎn)量增加以后，操作人員應(yīng)增加至69人。員工人工成本按照11.00萬(wàn)元/(人·年)計(jì)算，常規(guī)PC工藝的年產(chǎn)量為18萬(wàn)t。通過(guò)計(jì)算，在電解槽個(gè)數(shù)不變的情況下，400 A/m2電流密度下的陰極銅年產(chǎn)量為24萬(wàn)t。則人工成本計(jì)算如下：

常規(guī)PC工藝的總?cè)斯こ杀?

常規(guī)PC工藝的員工人數(shù)×11.00=

56×11=616.00萬(wàn)元

常規(guī)PC工藝的噸銅人工成本=

6 160 000 /180 000=34.22元/tCu

高電流密度PC工藝的總?cè)斯こ杀?高電流密度PC工藝的員工人數(shù)×11.00=

69×11=759.00萬(wàn)元

高電流密度PC工藝的噸銅人工成本=

7 590 000 /240 000=31.63元/tCu

3.2 動(dòng)力費(fèi)用對(duì)比分析

依據(jù)多年生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，云銅銅電解生產(chǎn)中，99%的動(dòng)力費(fèi)用集中于電費(fèi)和蒸汽費(fèi)用，因此，后續(xù)對(duì)動(dòng)力費(fèi)用的對(duì)比分析僅就電費(fèi)和蒸汽費(fèi)用兩部分進(jìn)行。

3.2.1 電費(fèi)對(duì)比分析

銅電解過(guò)程中，電流密度增加，陰陽(yáng)極極化增大，槽電壓隨之增大，電能消耗也隨之增加。電流密度在300～400 A/m2范圍內(nèi)每增加1 A/m2，槽電壓大約增加1 mV。常規(guī)PC電解的電流密度為300 A/m2，高電流密度PC電解的電流密度為400 A/m2，電流密度增加100 A/m2，則槽電壓將增加約100 mV，直流電能的單位消耗按下式計(jì)算[1]：

W=(Ece×1 000) /(η×a)

(2)

式中，W為直流電能的單位消耗，kW·h/tCu；Ece為電解槽的槽電壓，V；η為電流效率，%；a為金屬的電化當(dāng)量，對(duì)于二價(jià)銅為1.186。

根據(jù)云銅的統(tǒng)計(jì)報(bào)表[4]，云銅常規(guī)PC工藝的平均電流效率為98.5%，300 A/m2電流密度下PC工藝的電能單耗為311.48 kW·h/tCu，電單價(jià)為0.50元/kW·h。由于電流密度的差異，高電流密度PC工藝與常規(guī)PC工藝相比多消耗的電能為：

W=(400-300)/(98.5%×1.186)=

85.6 kW·h/tCu

通過(guò)式(2)計(jì)算得出，400 A/m2高電流密度PC工藝的電單耗為397.08 kW·h/tCu。

高電流密度PC工藝的電解液流量加大，泵的輸送功率變大，耗電量隨之增加。通過(guò)計(jì)算，在年運(yùn)行時(shí)間為350天的情況下，常規(guī)PC工藝循環(huán)泵的耗電量為11.48 kW·h/tCu，高電流密度PC工藝循環(huán)泵的耗電量為33.60 kW·h/tCu。將上述計(jì)算所得的直流電成本和循環(huán)泵電耗成本加和得到總電費(fèi)成本，列于表3。

從表3可見(jiàn)，與常規(guī)PC工藝相比，高電流密度PC工藝的電費(fèi)成本較高。

3.2.2 蒸汽費(fèi)用對(duì)比分析

電解銅生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)電解工藝要求，電解液溫度應(yīng)該保持在58～65 ℃之間，當(dāng)?shù)陀诖藴囟确秶鷷r(shí)，需對(duì)電解液進(jìn)行加熱，若高于此溫度，則需對(duì)電解液進(jìn)行冷卻降溫。PC電解過(guò)程中，不銹鋼陰極板在通電過(guò)程中會(huì)有部分電能轉(zhuǎn)換為熱能，這部分熱能可補(bǔ)充部分電解液的熱量。隨著通過(guò)不銹鋼陰極板截面的電流增加，不銹鋼陰極板發(fā)熱量也隨之增加。采用316L不銹鋼陰極板時(shí)，材料的電阻率為0.71 Ω·m，云銅所用不銹鋼陰極板有效沉積尺寸為908 mm×900 mm，根據(jù)歐姆定律：

表3常規(guī)PC工藝與高電流密度PC工藝的用電對(duì)比

項(xiàng)目單位常規(guī)PC工藝高電流密度PC工藝兩者差額電解的電單耗kW·h/tCu311.48397.08-85.60循環(huán)泵的電單耗kW·h/tCu11.4833.60-22.12總的電單耗kW·h/tCu322.96430.68-107.72總的電費(fèi)成本元/tCu161.48215.34-53.86

R=ρL/S

(3)

式中，ρ為物質(zhì)的電阻率，Ω·m；L為長(zhǎng)度，m；S為導(dǎo)體截面積，m2。

計(jì)算得到不銹鋼陰極板的電阻為0.000 22 Ω。在300 A/m2的電流密度下，運(yùn)用焦耳定律：

Q=I2Rt

(4)

式中，Q為發(fā)熱量，J；I為通過(guò)導(dǎo)體的電流，A；R為導(dǎo)體電阻，Ω；t為通電時(shí)間，s。

通過(guò)計(jì)算，由于不銹鋼陰極通電發(fā)熱，高電流密度PC工藝每生產(chǎn)1 t陰極銅將比常規(guī)PC工藝節(jié)約蒸汽0.12 GJ。根據(jù)云銅生產(chǎn)報(bào)表統(tǒng)計(jì)[4]，電流密度為300 A/m2的PC工藝的蒸汽單耗為0.64 GJ/tCu，則400 A/m2高電流密度PC工藝的蒸汽單耗應(yīng)為0.52 GJ/tCu。蒸汽單價(jià)按照80.70元/GJ 計(jì)算，則300 A/m2電流密度PC工藝的蒸汽費(fèi)用為51.65元/tCu，而400 A/m2高電流密度PC工藝的蒸汽費(fèi)用為41.96元/tCu。

將電費(fèi)和蒸汽費(fèi)用進(jìn)行加和，即可得到兩種電解方式的動(dòng)力費(fèi)用，見(jiàn)表4。

表4 常規(guī)PC工藝與高電流密度PC工藝的動(dòng)力費(fèi)用對(duì)比 元/tCu

3.3 變動(dòng)成本對(duì)比分析

變動(dòng)成本主要包含銅電解生產(chǎn)的人工成本和所需的動(dòng)力費(fèi)用。常規(guī)電流密度PC工藝和高電流密度PC工藝的變動(dòng)成本對(duì)比列于表5。

表5 常規(guī)PC工藝與高電流密度PC工藝的變動(dòng)成本對(duì)比 元/tCu

4 財(cái)務(wù)費(fèi)用對(duì)比分析

財(cái)務(wù)費(fèi)用主要是指銅電解生產(chǎn)過(guò)程中，陰極和陽(yáng)極等原材料在生產(chǎn)流程中滯留所引起的費(fèi)用(如利息支出、匯兌損失等)。在高電流密度下，銅物料的周轉(zhuǎn)速度更快，流程占用的材料和費(fèi)用將顯著降低。由于銅冶煉屬于資金密集型企業(yè)，因此銅物料的周轉(zhuǎn)速度加快可大幅降低財(cái)務(wù)費(fèi)用。相對(duì)于300 A/m2電流密度的銅電解生產(chǎn)，在400 A/m2電流密度條件下，銅、金、銀的周轉(zhuǎn)速度將提高約33%，而財(cái)務(wù)費(fèi)用將降低約25%。以2015年3月12日上海有色網(wǎng)提供的金屬平均價(jià)格為參考，銅(含稅)、金(免稅)和銀(含稅)單價(jià)分別為41 960元/t、232.65元/g和3 400元/kg，銀行年利率按照5.35%計(jì)算，云銅常規(guī)PC工藝的噸銅財(cái)務(wù)費(fèi)用為145.17元/tCu，則高電流密度PC工藝的噸銅財(cái)務(wù)費(fèi)用為108.88元/tCu。

5 完全成本對(duì)比分析

通過(guò)以上分析，將各項(xiàng)費(fèi)用匯總于表6，以便更直觀地對(duì)比兩種電流密度下銅電解生產(chǎn)工藝的成本差異。

從表6的數(shù)據(jù)可知：

(1)高電流密度PC工藝的基本建設(shè)投資費(fèi)用較高，但由于高電流密度PC工藝的產(chǎn)能較高，使得高電流密度PC工藝的折舊費(fèi)用比常規(guī)PC工藝低22.50元/tCu。

(2)兩種不同電流密度條件下所產(chǎn)生的變動(dòng)成本差異較大，主要是由于高電流密度的電耗較高所致，而兩者所產(chǎn)生的人工成本和蒸汽成本差距則較小。

表6 常規(guī)PC工藝和高電流密度PC工藝的完全成本對(duì)比 元/tCu

(3)高電流密度PC工藝的財(cái)務(wù)費(fèi)用比常規(guī)PC工藝低36.29元/tCu，主要是由于電流密度提高以后，金屬物料的運(yùn)轉(zhuǎn)速度加快，從而較大幅度地降低了財(cái)務(wù)費(fèi)用。

(4)高電流密度PC工藝的完全成本比常規(guī)PC工藝低17.21元/tCu，即在電解槽個(gè)數(shù)及廠房面積相同的情況下，每生產(chǎn)1 t陰極銅，前者比后者能減少約3.5%的完成成本。

6 結(jié)論

以云銅常規(guī)PC工藝為例，在電解槽個(gè)數(shù)(784個(gè))及廠房面積相同的情況下，對(duì)分別采用常規(guī)電流密度(300 A/m2)和高電流密度(400 A/m2)進(jìn)行銅電解生產(chǎn)時(shí)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明高電流密度PC工藝的完全成本比常規(guī)PC工藝低17.21元/tCu，這為本公司及同行在選定銅電解生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)合理的電流密度提供相應(yīng)的參考數(shù)據(jù)。此外，高電流密度電解生產(chǎn)可以在基本上不增加設(shè)備的條件下提高產(chǎn)量及勞動(dòng)生產(chǎn)率。據(jù)現(xiàn)有的高電流密度銅電解生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，兩種電流密度條件下生產(chǎn)出的陰極銅在質(zhì)量方面并無(wú)明顯差異，均能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。因此，高電流密度PC工藝是一項(xiàng)高產(chǎn)能、低成本的強(qiáng)化電解技術(shù)，在銅冶煉企業(yè)具有很好的應(yīng)用前景。

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

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[3] 周松林. 高強(qiáng)化銅電解精煉新工藝與生產(chǎn)實(shí)踐[J]. 有色金屬(冶煉部分)，2013，(2)：1-4.

[4] 云南銅業(yè)股份有限公司冶煉加工總廠相關(guān)財(cái)務(wù)和生產(chǎn)報(bào)表[Z]，2015.02.

Contrast of economy between conventional PC technology and high current density PC technology in copper electrolysis

LUO Jin-song， MU Ya-ling， LI Jian

Based on the conventional PC technology of copper electrolysis in Yunnan Copper Industry Co., Ltd. the complete cost of copper electrolysis is contrasted and analyzed which used two electric current density of 300 A/m2(180 000 tCu /a) and 400 A/m2(240 000 tCu /a)respectively with the same electrolytic cell number and workshop area. The results show that the complete cost of high current density PC technology is 17.21 yuan/tCu lower than the conventional PC technology, about 3.5% lower. The economic benefits of high current density PC technology is better than those of conventional PC technology. In addition, high current density PC technology can improve the output and labor productivity without increasing equipment basically, and it is an enhanced electrolytic production technology with high capacity and low cost.

copper electrolysis; PC technology; current density; contrast of economy

羅勁松(1976-)，男，山西長(zhǎng)治人，高級(jí)工程師。

2015-08-11

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1672-6103(2016)03-0025-05