铜电解净液系统的技术改造与工艺优化

张素霞，李 睿，孙渊君

(1.陕西西安建筑科技大学，陕西 西安 710000;2.甘肃省金昌市金川集团公司，甘肃 金昌 737100)

1 引言

电解液净化是铜电解精炼必不可少的重要工序，担负着脱铜、除杂和维持电解系统体积平衡等重任。随着铜电解工程的规模化、大型化，在工程设计中电解系统已多采用大跨度厂房，如33m×2m跨度布置，主跨与附跨之间的距离6m[1]，而净液系统多以主跨加附跨的设计方案，厂房整体采光、通风差。某铜冶炼厂在新建项目时通过借鉴原有净化工艺实际生产经验，在新建2.0×105t铜净化设计过程中，厂房布置、设备配置、工艺方案和技术条件选择及生产组织和管理等方面均作了多侧面、多角度的优化，使得设备设施配置更加合理、物料运输更为便利、人员作业环境更加有利健康。

2 净液厂房结构的优化设计

净液厂房首次采用大跨度、敞开式(开放式)钢屋架、双坡33m跨钢筋混凝土排架结构形式。厂房全长111m，总高17m，是国内跨度最大的铜电解净液厂房。采用该结构厂房使设备设施布局更加合理有序;通风、采光效果良好，屋顶的双坡设计使得屋顶不积水，排水较为通畅。净液厂房结构的优化设计为工艺设备的合理配置、改善现场操作环境奠定了基础，使得物料运输更为便利，给生产的连续运行奠定基础。

2.1 厂房综合布置的优化设计

净液厂房平面布置及竖向区域划分的特点:平面分为二个区，生产区和办公区。生产区为厂房的核心部分，占设计总面积的92%，根据工序的不同将其配置分为三个区域，即真空蒸发区域、诱导脱铜区域及电蒸发区域，如图1所示，此配置可充分利用现有空间、设备，且物料运输便利。竖向上主要分为三层，在满足工艺条件的情况下，将真空蒸发高位槽从11.00m平面降至7.50m平面，将两台硫酸镍转运槽及配套的泵从0.00m平面降至－4.20m平面，降低厂房总体高度，减少了工程投资。

图1 厂房平面区域图

2.2 厂房排风系统的改造

铜电解净液厂房排风系统一般包括自然排风、机械排风。本次改造对两个排风系统都进行了优化，改善职工现场作业环境，保证职工身体健康，减轻大气污染。

(1)自然排风本次改造除采用侧窗、天窗及在外墙设排风轴流风机进行全面通风外，还在厂房顶部横、纵向安装自然排风器，对车间内的余热、产生的酸雾和蒸汽进行全面通风。

(2)机械排风本工程除在散发大量含酸雾废气的重溶槽及浓缩器处设有局部密闭排风罩和脱铜电解槽处设不锈钢支架外包玻璃钢密闭排风罩以外，对净液工段所有槽罐、水冷结晶机、带式过滤机等设备增加局部密闭排风罩，利用酸雾吸收系统，将含酸雾废气、有害气体收集后，接风管至吸收系统净化处理后达标排放。

(3)优选酸雾吸收塔铜电解酸雾净化多采用碱液吸收法，其处理酸雾的塔型主要有动力波湍冲塔、填料塔、喷淋塔等，本次改造选用两级吸收动力波湍冲塔对净液系统所产酸雾进行净化处理，本装置净化效率高，现场作业环境好，净化排风系统的改造既保证了岗位工人的身体健康又减少了对大气的污染，提高了环保本质化水平。

2.3 废水的循环回收利用

净液系统真空蒸发系统产生的酸性废水原设计为通过管网直接排入污水处理站，未得到回收利用，同时增加了废水处理量与成本。为减少生产过程中酸性废水排放量，在冷凝水输送泵出口管道上加装旁通管，并将此管道沿一、二楼四周墙壁敷设至整个现场，把废水通过冷凝水旁通管道引至脱铜电解槽、烫洗槽代替新水进行刷槽作业，不再排入废水处理站处理。(刷槽后的废水进入地坑，与电解液一起由泵送入溶液储罐，经压滤后回收。)

3 净化工艺技术改造与设备选型的优化

3.1 真空蒸发工序

(1)在进入板式蒸发器前增设减温减压装置，延长板式蒸发器板片使用寿命。在真空蒸发生产过程中，进入板式蒸发器的蒸汽是未经任何处理的过饱和蒸汽[2]，蒸汽直接通过板式蒸发器，对溶液进行加温，使得板式蒸发器胶条长期受到高温灼蚀，板片经受高压汽锤侵蚀，导致板式蒸发器板片短期内就会发生内漏现象，胶条频繁损坏，严重影响生产的连续性和高效性，给备品备件及检修费用方面造成了很重的负担[3]。

利用汽水中和、凝结水循环使用的原理研制出一种减温减压装置[4。装置的基本结构为:在汽水混合器的一侧连接一次蒸汽进汽管，正对另一侧连接冷凝水进水管并在管头处装设喷嘴，上端为经减温减压后的二次蒸汽出口，底端安装凝结水排空管由阀门控制，为了进一步实现自动控制操作，在一次蒸汽总管和冷凝水进水管上安装了自动调节电磁阀，达到了温度和压力在设定范围内能够自动调节的目的。

减温减压装置应用于生产后，实用效果显著，通过板式蒸发器的蒸汽温度和压力自动控制在设定范围内，延长了板式蒸发器的使用寿命，创造了可观的经济效益，同时大大提高了真空蒸发的生产效率。

(2)蜂窝夹套式水冷结晶机的应用净液系统水冷结晶机原为内置不锈钢盘管冷却，使槽体内溶液温度始终保持在技术条件范围内，溶液循环方式采用上进液下出液的工艺原理，由于是高温和高酸的溶液，使得水冷结晶槽内溶液的温度不平衡，不锈钢盘管时常暴露在溶液外面，受高酸、高温溶液腐蚀，导致不锈钢盘管在短期内就会发生内漏现象，更换频繁，严重影响了生产的连续性和高效性，同时给备品备件及检修费用方面造成了很重的负担。

本次净液系统改造硫酸铜、硫酸镍结晶机均采用具有优异的机械性能和产热性能的蜂窝夹套式水冷结晶机[5]。该设备采用内置冷却水套的蜂窝夹套式冷却结构形式，沿筒体外壁轴向设置螺旋导流板，内置双层桨叶搅拌器，采用带变频器的硬齿面减速机。此外，结晶机搅拌传动装置还配备变频器，在生产过程中，可根据工艺条件随时对搅拌速度进行调整，保证搅拌和冷却的均匀性，从而避免了硫酸铜、硫酸镍溶液在冷却过程中结晶成团堵塞下液口的现象。

3.2 电蒸发除镍工序的改造

对电蒸发前液进行预热，缩短终液温度达到沸点的时间，提高蒸发效率。在电热蒸发工序专门设计制作给液量装置，确保给液量准确计量。在电蒸发生产过程中，原设计电蒸发高位槽内的溶液是通过阀门控制直接进入电蒸发釜，这种方法无法检测到进液量的大小，岗位人员凭感觉调整。因电蒸发的生产是开启正常后釜内溶液边进边出，如果进液量太小，蒸发效率较低，且蒸发出的溶液含酸较高[6];相反进液量太大，蒸发釜内温度达不到要求，酸度较低，分离效果较差，严重影响溶液的净化处理量和产出硫酸镍的质量，因此设计制作给液量调节装置，将给液盒装入电蒸发给液管道阀门之后，通过调整溶液流过圆孔的数量来控制给液量的大小。进入电蒸发的溶液流量可控，在开车时根据不同温度设定不同的流液孔数，大大提高电蒸发的效率，确保了溶液杂质量的脱除，提高了产出硫酸镍的质量。

4 提高适应高杂阳极板的技术措施

(1)改善电解性质。影响电解液比重的主要是硫酸和金属离子浓度，因此可通过降低电解液主金属铜离子浓度来降低电解液比重，有利于减小电解液的粘度，降低Cu2+、H2SO4的波动幅度，将Cu2+控制在45 ～50g/l，酸度170 ～180g/l，在保持电解液导电性的基础上降低电解液的比重和粘度，利于阳极泥的沉降，减少阳极泥对阴极铜质量的影响。

(2)调整添加剂配比模式，由高胶低脲改为低胶高脲，降低溶液粘度，降低悬浮颗粒粘附几率，稳定产品质量。

(3)电解液中悬浮物增多时，提高Larox处理量，根据压差情况及时更换滤布，加强电解液的过滤，提高电解液的洁净度。

(4)进一步提升阳极板和始极片加工质量，提高悬垂度，减少烧板量，降低阳极泥沉降过程对阴极铜质量的影响。

(5)积极开展电解液自净化试验研究，通过提高电解液中总As含量，降低Sb和Bi含量，实现自净化，以此改善电解液性能，提高工艺对原料的适应性。

(6)进一步优化真空蒸发深度脱铜，母液含铜降低至25g/l以下，为诱导脱铜脱杂创造条件，提高As、Sb、Bi的脱除率。

5 试生产以来的工艺指标情况

通过净化工艺技术改造及优化设备选型，自投产以来，各项工艺指标大幅度得到提升，真空蒸发效率达到40%以上，超过了设计指标36%[7]，硫酸铜结晶率达到60%以上，超过原工艺约6%;电蒸发脱镍能力由原来的0.60m3/h·台提高至0.70m3/h·台以上。

6 结论

(1)充分借鉴原有净化系统生产流程，对厂房结构进行重新设计，首次采用大跨度、敞开式(开放式)钢屋架设计方案，合理布置设备设施，为工艺生产提供了良好的设备配置和操作环境，使得物料运输更为便利。

(2)对净液厂房排风系统进行优化，在厂房顶部横、纵向增设自然排风器，对净液工段所有槽罐、水冷结晶机、带式过滤机等设备增加局部密闭排风罩，将含厂房内部余热、酸雾废气等有害气体收集后，接风管至吸收系统净化处理后达标排至室外，改善职工现场作业环境，保证职工身体健康，减轻大气污染。

(3)采用先进的废气吸收装置两级动力波湍冲塔[8]对净液系统所产酸雾进行净化处理。同时对真空蒸发等产出的酸性废水进行回收利用，真正提高了环保本质化水平。

(4)在生产实践中针对高杂质原料净化脱除率低的问题，优化净化系统中两个重要工序的生产工艺，提高杂质脱除率，提升适应高杂铜阳极板的能力。

(5)随着铜电解净化脱杂效率和处理能力的提高，在保持现有溶液净化量的前提下，减少了真空蒸发、电蒸发的开车时间，相应降低了水、电、汽的消耗，节约了能源，并随着净化设备设施开动率的降低，原、辅材料的消耗亦相应下降，降低了净化脱杂的成本。

[1]张春发.铜电解精炼车间设计方案探讨[J].CLUB俱乐部，2011(8):54－56.

[2]朱祖泽，贺家齐.现代铜冶金学[M].北京科学出版社，2003:561－563.

[3]白天.板式真空蒸发器组自动控制系统[M].有色冶金设计与研究，2005(1):82－83，89.

[4]高军，向天龙.一种蒸汽的减温减压装置[J].CN201147644，2008:11－12.

[5]蒋家羚，林兴华，杨火生.螺旋板式蜂窝点冷却夹套反应器的开发[J].化工机械，21(1):31.

[6]肖炳瑞.粗硫酸镍生产工艺的优化[J].铜业工程，2007(2):23.

[7]徐媛卿，吴晓光.铜电解净液系统硫酸铜脱铜工艺改进[J].铜业工程，2011(6):48－50.

[8]李锦瑜.酸洗废气净化系统设计[J].广州大学市政技术学院课程设计，2012(5):25.