双向平行流技术在铜电解工艺中的应用及优势

邓文涛，付伟岸，袁剑平

（中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

1 双向平行流技术研发背景

常规PC 电解工艺技术起源于1978 年澳大利亚Mount Isa Mines 公司Townsville 冶炼厂[1]。该技术于2003 年在贵溪200 kt 电解工程上首次引进，该电解车间经历了10 年多的不断优化扩建调整，年产阴极铜可达320 kt。 由于不锈钢阴极板具有良好的板面平直和垂直度、良好的刚度与韧性，且重复耐用，电流密度均匀，常规PC 电解工艺已形成以不锈钢阴极为中心， 配套阴极剥片机组、 阳极整形加工机组、 残极洗涤机组及专用吊车等多种自动化设备的现代化铜电解精炼技术模板[2]。

常规PC 电解工艺的电流密度一般控制为280~330 A/m2[3]，当进一步提高电流密度时，将产生严重的浓差极化和阳极钝化等现象,导致阴极铜的质量降低。如何提高铜电解电流密度，已成为常规PC电解工艺技术发展瓶颈。为此，中国瑞林工程技术股份有限公司(以下简称“中国瑞林”）联合国内多家科研院所和生产单位，历经数年摸索和优化，研发出针对高电流密度电解的双向平行流工艺新技术。

双向平行流技术原型在中国瑞林（原南昌有色冶金设计研究院）1996 年设计的中国沈新100 kt 铜电解车间应用了18 年。 溶液从两侧边上口进入，循环量是传统电解工艺的3 倍，在传统始极片工艺条件下电流密度仍可达320 A/m2。 从2014 年8 月起，中国瑞林在贵溪冶炼厂开展了数年的生产试验，经过不断的完善和优化调整，得到了在高电流密度条件下，添加剂、电解液循环流量及平行流给液装置喷嘴结构等生产应用技术控制参数。 双向平行流技术最大特点是改变了传统电解液的循环方式，溶液从集成在电解槽两侧边上部的专用溶液通道进入，平行进入每块阴极和阳极板之间，再向下流动，从底部端头虹吸而出，电流密度可提高至350~380 A/m2，甚至更高，且产品质量达到A 级铜的标准，其原理详见图1[4]。双向平行流高效电解工艺已于2015 年1 月通过江西省科技厅组织的科学技术成果鉴定，鉴定结论是主要工艺指标达到国际先进水平[5]。

图1 双向平行流技术原理示意

2 双向平行流技术在铜电解工艺中的应用进展

近几年双向平行流技术在铜电解行业已掀起一股工业化生产应用的热潮，2015 年8 月开始在赤峰云铜传统的始极片电解车间生产应用，投入两组10个双向平行流电解槽。 与常规PC 电解工艺相比，电流密度提升至352 A/m2，电耗增加幅度不大，阴极铜化学成分和表观质量更好，单槽产量可增加30%。

中铝东南铜业有限公司是目前国内首家最大规模双向平行流技术应用的铜冶炼厂，该电解车间的设计充分融合了中国瑞林在双向平行流技术开发和创新的多年经验，并糅合多回路平衡导电技术和酸雾抑制技术等多种先进的电解精炼装备技术。 电解车间于2018 年11 月5 日顺利一次性投产运行，其各项技术经济指标达良好，并已于2019 年4 月实现了达产达标。

历经多年的方案论证和精心设计，南国铜业有限公司一期电解车间已于2019 年4 月14 日顺利投产运行，试生产期间各项工艺技术参数控制平稳，所生产的电铜均达到A 级铜标准。 双向平行流技术推广应用获得众多业主一致的认可和好评，在国内铜电解工艺中的应用情况汇总于表1。

表1 双向平行流技术在国内铜电解工艺中的应用情况

3 双向平行流技术的优势

随着双向平行流技术在各冶炼厂的逐步应用推广，其优势也日益突显。基于冶炼厂现有生产运行状况和各技术经济指标，本文拟对比分析300 kt/a 产能规模铜电解精炼车间分别采用双向平行流技术和常规PC 电解工艺方案在建设投产后1 年内实际发生的资金流出和流入差异[6]，为企业主的方案选择提供参考性的意见。 现金流出主要对比两种方案的固定资产投资和经营成本及流动资金投资。 固定资产投资的对比以厂房建造成本、设备购置和安装费用为主，经营成本的对比以原材料费用、动力能耗成本和职工薪酬为主，流动资金投资的对比以生产运行中电解精炼车间的槽存铜成本、银回收效益及残极重熔成本为主。 现金流入为铜电解精炼厂的阴极铜销售金额，由于两种方案均以年产300 kt/a 合格阴极铜计，忽略阴极铜市场对现金流入的影响，因此，两种方案的现金流入相一致。

3.1 主要技术经济指标

本文只对双向平行流技术方案和常规PC 电解方案有差异性的地方进行详细说明，忽略其相同部分，为凸显两者方案的差异性，结合国内生产规模和气候环境相近的两家铜冶炼厂的生产运营情况，两种方案的主要经济技术指标控制见表2。

表2 主要技术经济指标

3.2 主要设备选型

假定两种方案均为新建厂区，两种方案的电解槽均采用整体树脂槽，年工作时间均按350 d 计，根据2 种方案的工艺技术参数进行设备选型计算和车间配置，主要设备配置情况如表3 所示。

表3 主要设备配置对比

从表3 中可以看出，双向平行流技术比常规PC电解可减少120 台整体树脂电解槽、6 600 块不锈钢阴极板和2 台短路开关，但是在辅助设备如溶液循环泵、板式换热器、专用吊车和电力母线等方面，双向平行流技术方案的设备能力需求较大。

3.3 固定资产投资对比

固定资产投资主要包括厂房建造成本、设备购置和安装费用，根据2 种方案的主要设备选型，电解车间主厂房均采用单跨布置，机组配置于厂房中间，便于控制槽面作业率。 双向平行流技术主厂房的建筑占地面积为372.4 m×33 m，常规PC 电解主厂房的建筑占地面积为402.4 m×33 m。 电解车间附跨除了用于配置电解循环槽、电解液净化过滤及阳极泥浓密压滤等设备，还有电力配电室和暖通通风间，根据相关工程应用案例,两种工艺方案的附跨配置大体相同，因此，附跨占地面积相差不大。

根据主要设备配置对比表3 中工艺设备和电力设备配置差异，单体设备的购置和安装费用参考相关建设项目的市场报价。 双向平行流技术方案比常规PC 电解方案可节省固定资产投资1 190 万元，其中厂房建造成本可节省590 万元， 设备购置和安装费用可节省600 万元。

3.4 经营成本对比

经营成本主要包括原材料费用、动力能耗成本和职工薪酬，其中电解精炼车间的原材料包括铜阳极板、添加剂、硫酸和盐酸，动力成本包括蒸汽能耗和电耗（直流电耗和设备交流电耗）成本。 由于各冶炼厂往往根据自身生产运行状况调整劳动定员，且各地劳动成本不尽相同，本次方案对比忽略职工薪酬差异。 因此，两种方案的经营成本对比见表4。

表4 经营成本对比

从表4 中可以看出，年产300 kt 规模下两种方案原材料成本是相同的，但是动力能耗上有较大差异，双向平行流技术方案的蒸汽能耗远低于常规PC电解，综合电耗略高于常规PC 电解方案，设备交流电耗较高的主要原因是为满足双向平行流技术的溶液循环量需求，溶液循环泵设备负荷较大。 因此，双向平行流技术比常规PC 电解可节省经营成本约20万元。

3.5 流动资金投资对比

电解车间流动资金投资主要包括槽存铜成本、电解车间副产品及中间产品效益。 槽存铜是指维持电解车间正常生产所需的累积铜量，主要为电解槽内阳极板含铜量及电解液中含铜量。 电解车间生产运行时减少槽存铜量可降低流动资金投资成本。 电解车间副产品是指阳极泥。 由于阳极泥富含贵金属金、银，电解车间生产运行时常通过降低阴极铜中的含银量来间接提高银的回收率。 电解车间中间产品是指阳极板经电解精炼后的残阳极。残极经残极洗涤机组处理后由叉车送至火法熔炼车间精炼炉重熔。因此，降低电解车间残极量可降低冶炼厂流动资金投资成本。

1）槽存铜成本。 双向平行流技术方案采用高电流密度电解，采用的电解槽数量少，槽存阳极铜和电解液少。 两种方案的槽存铜成本对比见表5。

表5 槽存铜成本对比

从表5 中可以看出，双向平行流技术比常规PC电解方案可减少槽存铜量2 234.5 t，减少流动资金投资成本11 172.5 万元，每年可节省流动资金周转利息547 万元。

2）银回收效益。 提高贵金属在电解精炼过程中的回收率，对于提高铜冶炼厂资源利用率及经济效益有着重要意义，金、银的回收率也是铜冶炼厂重要技术经济指标。降低阴极铜的含银率可间接提高银的回收率，应用双向平行流技术的电解槽内溶液自上而下流动，与阳极泥沉降方向保持一致，不易使阳极泥在电解液中翻腾漂浮。 根据冶炼厂化验数据反馈，双向平行流技术方案的阴极铜含银量为4×10-6~5×10-6，常规PC 电解方案阴极铜含银量为9×10-6~10×10-6。 忽略铜精矿中银含量变化对贵金属车间银回收的影响，按照300 kt 产能规模，双向平行流技术比常规PC电解方案每年可间接实现增加1.5 t 回收银，价值约550 万元。

3）残极重熔效益。 根据两种方案的主要技术经济指标表2，双向平行流技术方案的残极率比常规PC 电解低1.5%，按照300 kt 产能规模，每年可少产出4 500 t 残极，铜冶炼厂因此可节省重熔成本约10 万元。 此外，4 500 t 残极占用流动投资成本2.3亿元， 双向平行流技术方案每年可节省流动资金周转利息1 000 万元。

4 结论

按300 kt 产能规模，采用双向平行流技术方案，可比常规PC 电解工艺方案节省固定资产投资1 190万元，经营成本20 万元，减少流动资金投资约3 亿元，每年可节省流动资金周转利息1 550 万元。 两种方案的现金流量对比分析充分突显双向平行流技术优势如下：1）电解槽采用双喷嘴双向平行上部进液，下部出液，槽内电解液分布均匀，溶液温差小，电流密度高，单槽产能大。 2）槽内电解液自上而下流动，与阳极泥沉降方向保持一致，不易使阳极泥在电解液中翻腾漂浮，阴极铜银含量可降低60%。3）双向平行流技术方案电解厂房占地面积小，适用于铜电解精炼厂的扩建和改造。 4）双向平行流技术蒸汽单耗低，综合能耗优于常规PC 电解工艺。 5）双向平行流技术槽存铜成本低、残极量少，固定资产投资较少。6）双向平行流技术充分利用高电流密度、合理能耗和减少投资三者之间的平衡，在合理范围内提高电流密度，减少设备用量并缩短厂房建筑面积，从而降低项目整体投资和加快流动资金周转，是我国铜电解行业发展应用的新方向。