銅電解電耗因素影響分析及研究

侯娟奇

（1.中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長沙 410012；2. 江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

銅電解生產(chǎn)日常運行成本主要是材料備件、電費及維修費，貴溪冶煉廠電解車間電費占電解日常運行成本的80%以上，降低電耗對降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)營效益及競爭力，有著重要的意義。

影響銅電解電耗的主要因素有極板同極中心距、電流密度、電流效率、槽電壓等。極板同極中心距在設(shè)計時確定，生產(chǎn)過程中一般難以變更。電流密度根據(jù)產(chǎn)量任務(wù)、陰極銅質(zhì)量控制進行調(diào)整。電流效率是體現(xiàn)電解生產(chǎn)技術(shù)和管理水平的綜合性指標。槽電壓影響因素有原料、供電系統(tǒng)、電解液電導(dǎo)率，貴溪冶煉廠電解車間生產(chǎn)實踐研究表明電解液壓降占總壓降的60%～70%［1］，電導(dǎo)率是衡量電解液壓降的重要參數(shù)。電解液的溫度、硫酸濃度、鎳離子濃度等與電解液電導(dǎo)率關(guān)系密切，也是電解過程容易調(diào)整的工藝參數(shù)。本文著重研究電解液條件對電耗的影響。

2 理論研究分析

電解液的電導(dǎo)率是對電解液導(dǎo)電性能的具體表示。電導(dǎo)率越好說明電解液導(dǎo)電性能越好，直流電耗越低。研究指出，在溫度40 ～70℃范圍內(nèi)，電解液主要成分為Cu2+30 ～60g/L、Ni2+0 ～30g/L、H2SO4100 ～200g/L 的條件下，電解液的比電導(dǎo)與其成分及溫度的關(guān)系為［2］：

式中：Cu、Ni、K 分別表示Cu2+、Ni2+和H2SO4的濃度(g/L)；t 為電解液溫度(℃)；γ 為電導(dǎo)率(S/cm)。

影響比電導(dǎo)顯著性的順序為：硫酸濃度＞電解液溫度＞Ni2+濃度＞Cu2+濃度。

提高電解液的溫度，能夠增加各種離子的擴散速度，降低電解液的電阻，從而提高電解液的導(dǎo)電率、降低電解槽的電壓，減少電解過程電能的消耗［3］。經(jīng)實驗測定，電解液在55℃時的導(dǎo)電率幾乎為25℃時的2.5 倍；在50 ～60℃時，溫度每升高1℃，電解液的電阻約減少0.7%。電解液溫度也不宜過高，過高會增加蒸汽消耗，作業(yè)環(huán)境溫度高，夏季容易發(fā)生人員中暑等。

硫酸是銅電解液主要成分之一，含量范圍一般在150 ～200g/l，酸度越高，電解液的導(dǎo)電性越好，因此有采用高酸電解生產(chǎn)的趨勢。電解液中的硫酸含量也不宜過高。硫酸濃度增大，硫酸霧揮發(fā)增加，惡化現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，造成酸霧超標。過高的硫酸濃度，硫酸銅的溶解度下降，嚴重時有結(jié)晶析出的可能，同時電解槽中各區(qū)域離子濃度存在一定差異，部分區(qū)域硫酸濃度過高，造成導(dǎo)電不均勻，對陰極銅質(zhì)量造成嚴重影響，此外過高的硫酸濃度會增加設(shè)備的腐蝕。因此電解液中的硫酸濃度控制也不能過高。

鎳作為有價元素，在電解液中富集回收。電解液電導(dǎo)率隨著鎳離子濃度上升而降低［4］，電解液中鎳離子濃度上升，也會增加電解液的比重和粘度，增加陰極銅質(zhì)量控制難度，因此，應(yīng)盡量降低電解液鎳離子濃度，同時回收有價鎳元素。貴溪冶煉廠電解車間鎳的回收，在電解液凈化工序完成。電解液經(jīng)過蒸發(fā)結(jié)晶除去大部分銅離子，再進行電積除去剩余的銅和雜質(zhì)，最后進行冷凍結(jié)晶得到副產(chǎn)品硫酸鎳。電解液中鎳離子濃度越高，除鎳效率就越高，除鎳電耗就越低。因此，當鎳離子濃度處于一個合理濃度時，電解直流電耗和除鎳電耗之和最低。

電解液中銅離子濃度是保證陰極銅質(zhì)量的重要參數(shù)之一，生產(chǎn)過程中，根據(jù)陰極銅質(zhì)量調(diào)整銅離子濃度，盡可控制穩(wěn)定，減少波動。雖然降低銅離子濃度有利于提高電解液電導(dǎo)率，一般情況下，為了確保陰極銅質(zhì)量穩(wěn)定，銅離子濃度不宜過低。

3 電耗影響因素試驗分析

3.1 電解液電導(dǎo)率測試及分析

3.1.1 電解液溫度

開展電解液溫度與電導(dǎo)率關(guān)系的試驗，試驗方法：取電解生產(chǎn)系統(tǒng)中的電解液120ml，檢測儀器采用電導(dǎo)率儀，型號是梅特勒-托利多S7-Field Kit，電極InLab738 ISM，初始電解液溫度45.8℃，自然冷卻，每分鐘測量一次電導(dǎo)率，溫度降低至35.1℃，繼續(xù)自然冷卻至室溫，再測量一次電導(dǎo)率，根據(jù)溫度和電導(dǎo)率變化趨勢計算溫度線性補償系數(shù)［5］，確定溫度補償系數(shù)。

其中 S 為電導(dǎo)率，mS/cm；T 為電解液溫度，℃。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制曲線圖，如圖1。

圖 1 電解液電導(dǎo)率與溫度趨勢圖

從圖1 中可以看出電解液的電導(dǎo)率與溫度呈正比，在25～70℃可近似按線性關(guān)系處理，根據(jù)公式1 計算，得出線性溫度補償系數(shù)平均值0.981%，作為其它檢測時的溫度補償系數(shù)。

3.1.2 電解液硫酸濃度

用電導(dǎo)率儀測試電解液硫酸濃度與電導(dǎo)率關(guān)系。試驗方法：取生產(chǎn)系統(tǒng)電解液1000ml，檢測電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，加入濃硫酸，每次使電解液硫酸濃度提高3g/l 左右，每次化驗硫酸濃度，檢測電導(dǎo)率，使用溫度補償，補償至25℃下的電導(dǎo)率，消除溫度對電導(dǎo)率的影響，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制曲線圖，如圖2。

圖 2 電解液電導(dǎo)率與硫酸濃度趨勢圖

根據(jù)圖2 可以看出電解液電導(dǎo)率隨著硫酸濃度的增加而上升。硫酸濃度在170～230g/L，近似按線性關(guān)系處理。

3.1.3 電解液鎳離子濃度

用電導(dǎo)率儀測試電解液鎳離子濃度與電導(dǎo)率關(guān)系。試驗方法：取鎳離子濃度低的種板系統(tǒng)電解液1000ml，初始鎳離子濃度3g/L 左右，加入硫酸鎳結(jié)晶，每次使電解液鎳離子濃度提高3g/L 左右，加熱電解液，使硫酸鎳充分溶解，并保持溫度在60～65℃，檢測電導(dǎo)率，根據(jù)實驗一溫度補償系數(shù)，計算出63℃的電導(dǎo)率，化驗每個樣鎳離子濃度，數(shù)據(jù)如下

圖 3 電解液電導(dǎo)率與鎳離子濃度趨勢圖

根據(jù)圖3 以看出電解液電導(dǎo)率隨著鎳離子濃度的增加而下降，鎳離子濃度在2～25g/L 之間，近似按線性關(guān)系處理。

3.2 電導(dǎo)率與直流電單耗的定量關(guān)系

電解液的電導(dǎo)率與電阻率呈反比，根據(jù)電導(dǎo)率可以計算出電解液電阻率，進而推算出電流發(fā)熱的變化，確定電導(dǎo)率與電單耗的定量關(guān)系。以電解二系列為例進行計算，計算參數(shù)如下：電流強度為33600A；陰陽極間平均距離為2.99cm；單槽有效通電面積為1112616cm2；每平方厘米通電電流為0.0302A/cm2；每小時單槽產(chǎn)量為0.039t；電阻公式為1/電導(dǎo)率×1000×2.99；電流發(fā)熱公式=I2R。

通過計算，可得出陰極銅直流電耗與電解液主要條件定量關(guān)系如下。

（1）溫度每上升1℃，電耗下降1.050kW·h/t 銅；

（2）硫酸濃度每上升1g/L，電耗下降0.456kW·h/t 銅；

（3）鎳離子濃度每下降1g/L，電耗下降1.000kW·h/t 銅。

3.3 工業(yè)試驗平臺試驗分析

通過電導(dǎo)率試驗，檢測電解液電導(dǎo)率變化，推算出電解液溫度、酸度、鎳離子濃度與電耗的定量關(guān)系，利用貴溪冶煉廠電解車間銅電解工業(yè)實驗平臺，對試驗理論計算數(shù)據(jù)進行驗證。由于電解液溫度、硫酸濃度根據(jù)陰極銅質(zhì)量調(diào)整，且在較小范圍調(diào)整，鎳作為有價元素應(yīng)盡可除去，測試周期長，因此本次工業(yè)試驗重點測試鎳離子濃度對電耗的影響。

3.3.1 試驗方法

保持電解液其它成分及工藝條件穩(wěn)定，調(diào)整電解液鎳含量變化，計算對應(yīng)噸銅直流電耗，研究電單耗與鎳濃度之間的關(guān)系。電解液其它主要工藝條件見表1。

表 1 電解液其它主要工藝條件

試驗過程中，盡可能保持這些工藝參數(shù)及添加劑穩(wěn)定。試驗平臺共有20 個電解槽，電解液總體積175m3。噸銅凈液量按現(xiàn)有二系列經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取0.24m3/t 銅，每天需倒出電解液4.5m3，濃硫酸加入量約1t/d。試驗過程根據(jù)實際數(shù)據(jù)，調(diào)整凈液量和加酸量。

調(diào)整鎳離子濃度，按鎳濃度每增加2g/L 開展電耗試驗。每批次試驗完成后，快速將電解液濃度提高2g/L，每次需要補入鎳量約0.35t，粗硫酸鎳約1.94t，或者倒出一部電解液體積，補充硫酸、硫酸銅及水，保持其他成分穩(wěn)定，降低電解液鎳離子濃度2g/L。

3.3.2 工業(yè)試驗數(shù)據(jù)分析

統(tǒng)計每批電度量和陰極銅產(chǎn)量，計算電耗，制作趨勢圖，如圖4。根據(jù)工業(yè)試驗數(shù)據(jù)分析，電解液鎳離子濃度每降低1g/L，陰極銅直流電單耗平均下降1.55kW·h/t。

圖 4 電解直流電耗與鎳離子濃度趨勢

4 除鎳電耗及綜合電耗分析

4.1 除鎳電耗分析

目前貴冶電解車間采用冷凍結(jié)晶法除鎳工藝，其主要能耗為電。根據(jù)溶解度原理，電解液鎳離子濃度越高，冷凍結(jié)晶效率就越高，能耗就越低，反之，能耗就越高［6］。根據(jù)近幾年生產(chǎn)實際除鎳數(shù)據(jù)，電解液平均含鎳12g/L，計算了不同鎳濃度下除鎳工序效率和除鎳電耗，除鎳電耗按每生產(chǎn)1t 陰極銅，除鎳所需電度量。

圖5 除鎳電耗與鎳離子濃度趨勢

4.2 電解直流電耗分析

近幾年陰極銅電解直流電耗340kW·h/t，電解液鎳離子濃度每降低1g/L，根據(jù)電解液電導(dǎo)率計算，直流電耗下降1.0kW·h/t。根據(jù)通過電解工業(yè)試驗平臺數(shù)據(jù)計算，直流電耗下降1.55kW·h/t。電導(dǎo)率只能反映電解液變化對電耗的影響，不能反映電解液鎳濃度變化對銅在陽極上的溶解及陰極的析出影響，同時結(jié)合歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，工業(yè)試驗平臺更能反映鎳離子濃度對電耗的影響，因此，以工業(yè)試驗平臺數(shù)據(jù)，計算不同鎳濃度下電解直流電耗，如圖6。

圖6 直流電耗與鎳離子濃度趨勢

4.3 綜合電耗分析

根據(jù)電解液鎳離子濃度對除鎳電耗和電解直流電耗的影響，得出電解綜合電耗，如圖7。從趨勢圖可以看出，以目前除鎳工藝，電解液鎳離子濃度控制在9g/L 附近，綜合電耗最低。

圖 7 綜合電耗與鎳離子濃度趨勢

5 結(jié)語

通過理論分析和試驗研究，得出電解液溫度、主要成分與直流電單耗的定量關(guān)系，確定了目前貴冶除鎳工藝條件下，電解液最佳鎳離子濃度為9g/L，綜合電耗最低（直流電單耗和除鎳電耗之和），為降低銅電解電力生產(chǎn)成本提供依據(jù)。