30万t/a铜电解净化方案选择及设计

于冰新

(大冶有色金属有限责任公司， 湖北 黄石 435005)

铜电解精炼过程中随着阳极板中铜及砷、锑、铋等杂质的溶出，电解液中的铜及镍、砷、锑、铋等离子浓度也会逐渐增加。为保证电解的正常进行，电解系统每天需抽出部分电解液进行净化处理，以脱除电解液中多余的铜及超过限额的杂质，确保阴极铜质量。目前国内铜电解液净化脱铜工艺主要包括：①脱铜，一般以CuSO4·5H2O或电积生产标准阴极铜脱去；②除As、Sb、Bi，采用方法较多，广泛采用电积法或萃取法[1]。

1 净化脱铜系统工艺方案选择

1.1 脱铜工艺选择

对脱铜来说，目前主要的工艺方法有：生产硫酸铜、传统的直接电积脱铜、旋流电积脱铜等[2-4]。其中生产硫酸铜的方法是以硫酸铜为脱铜的最终产品，优点是硫酸铜可作为返溶的物料方便调节电解系统中的铜含量，但其受限于市场销路不理想。电积脱铜所采用的各种设备基本上与铜电解相同，阴极仍为铜始极片，只有阳极为铅合金。传统的电积脱铜法可以生产出标准阴极铜出售，但在随后的脱杂过程中产出的黑铜含铜较高，出售价格较低，返炉会增加生产成本。旋流电积技术作为一种新型多金属的提纯与分离技术，主要的特点是在高电流密度下，通过溶液的高速旋转消除浓差极化，从而可从低品位的铜溶液中回收金属铜。但此方法出铜操作复杂，自动化程度不高，作业率相对较低。另外相同脱铜量条件下所需设备(电积槽)数量比传统电积多，占地面积大，投资相对较大。目前国内厂家以生产硫酸铜及标准电积铜为主，工艺相对成熟，综合效益较高。大冶原电解净化脱铜就是采用电积脱铜产出标准阴极铜生产工艺，工艺成熟可靠，操作简单 ，便于管理，技术指标稳定。另外由于大冶30万t项目现场场地狭小，在相同脱铜量条件下如采用旋流电积技术则现场面积不够。

近三年来阳极板成分见表1。

从表1可以看出，近三年来阳极板含Cu：99.10%，As：0.09%，Sb：0.07%，Bi：0.02%，Ni：0.13%。阳极板品位相对较低，成分波动较大(最低为98.95%，最高为99.25%)，杂质含量较高。另外不锈钢阴极电解工艺对电解液中的杂质含量要求相对较高，这就需要净化工序能够根据阳极板的波动情况随时应对净液任务的波动。当系统杂质含量较高时，必须加大净液量；同时当系统铜品位较低时，需要以硫酸铜作为返溶物料来调节电解液铜含量。另外设计者想达到随着市场利好可以随时调整产品种类而获得最大效益的目的。

综合以上因素考虑，最终选择了以电积生产标准阴极铜为主，配以真空蒸发硫酸铜为备用的脱铜方案。当净液任务量大时，真空蒸发硫酸铜还可以串在电积标准铜后使用，最大限度实现净液量。本方案对生产的波动适应性强，产出的产品可以根据市场利好随时调整，不仅最大限度地保证了脱铜量的富余，而且使产品具有机动性。

1.2 脱杂工艺选择

目前，脱砷锑铋的方法有：萃取法、共沉淀法、氧化法、诱导法等[5]。前三种方法用于实践较少，只有国外个别厂家采用。诱导法技术采用阶梯式布置电解槽、溶液串联流动并通过主、辅给液的办法，保持溶液中铜的离子浓度在一定范围内，此时砷与铜一起以诱导型合金的形式电解析出。该法砷锑铋的脱除率可达85%以上，脱除率高、处理量大、能耗相对较低，条件控制适当几乎不产出砷化氢气体，环境相对较好。在目前老电解脱杂系统中就采用该工艺，共有2个系列，其中，一系24槽，二系20槽，每系日溶液处理量150～200 m3，铜平均直流电单耗2 000 kW·h/t·Cu，单槽槽压在1.8～2.2 V，该工艺成熟流程简单。

综合以上因素考虑，本次设计采用二段脱铜及诱导法脱砷锑铋工艺。

1.3 工艺流程图

经过论证30万t/a电解项目脱铜净液系统最终采用以电积脱铜为主，真空蒸发生产硫酸铜为辅—诱导脱砷锑铋的生产工艺流程。具体工艺流程见图1。

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脱铜主流程为：电解车间废电解液经过电积脱铜(一段脱铜)产出的标准阴极铜外售，电积后液部分返回电解系统，部分进行诱导脱砷锑铋(二段脱铜)。二段脱铜产出的黑铜(黑铜粉)返回火法系统，脱铜后液部分返回电解车间，其余送稀贵厂硫酸镍车间进行脱镍处理，脱镍后液返回电解车间。 硫酸铜系统作为备用。

2 脱铜厂房设计

因30万t/a铜电解现场场地狭小，在净化脱铜总量不变的条件下，一、二段电积脱铜厂房如何选择及布局是设计者所面临的问题。最初，设计有三大焦点，一是一、二段终液含铜浓度为38 g/L还是25 g/L；二是以哪种杂质所需净液体积作为二段净液体积；三是净液脱铜厂房选择及大小电积槽选择。

2.1 净液总量的计算

根据表1中阳极板的品位及主要杂质含量，设计阳极板成分为：Cu:99.10%，As:0.15%，Sb:0.07%，Bi:0.03%，Ni:0.15%。考虑到电解系统的扩建及充分考虑净化系统脱杂任务的波动，按年产阴极铜35万t，产1 t阴极铜需溶解阳极板1.032 t，结合表2中的溶出率等净液量计算条件，分别计算铜及各杂质所需要的电解液净化量。

表2 净液量计算条件

按Cu计算需要净化的电解液量：

Q=(350 000×1.032×99.1%×1.93%×1 000)÷(98%×45×330)=474.71 m3/d

其他元素计算过程类似，净化脱铜及脱杂所需净液量见表3。

表3 净化脱除铜及杂质元素所需要净液量 m3/d

从表3中可以得出：净化脱铜所需净液量为Cu 474.71 m3/d，即每天净化系统需要脱掉金属Cu：474.71 m3/d×(45-0.5) g/L÷1 000=21.124 t。

2.2 一、二段终液含铜成分的确定

国内厂家一般将一段脱铜终液含铜控制在35 g/L以上，二段终液浓度控制在3 g/L以上。大冶为减少净液循环体积，将二段终液含铜浓度确定为0.5 g/L。当一段终液浓度为38 g/L时，一段过流电解液量大，每天一段脱铜液进出1 700 m3以上；二段电积因起点浓度高了，槽数也将增加；同时，由一段分流回主系统的处理后液量也大增。结合现场空间及转液量等问题综合考虑，将一段终液含铜浓度确定为25 g/L。

为了减少一段分流回主系统的处理后液，尽可能提高脱杂量，最终确定以铋的净液体积作为二段电积溶液量即：231 m3/d，考虑到阳极板成分的波动，确保电铜质量，设计二段脱铜净液量为250 m3/d。对应的二段脱铜量为：250 m3/d×(25-0.5)g/L÷1 000=6.125 t；一段脱铜量为：21.124-6.125=14.999 t。即一段脱铜产出的标准阴极铜产量为14.999 t，二段脱铜产出的2#铜及黑铜产量为6.125 t。

2.3 厂址及电积槽型选择

因30万t/a电解项目场地狭小，同时为节省投资和减少工程量，一二段脱铜最初有三种方案设想：方案一：将原电解一系改造成一二段脱铜厂房。电解一系有3 200 mm×1 140 mm电解槽140个(小槽)，本项目需配置64+96=160个槽，面积不够。方案二：改造小板二系，利用现有小槽。该方案缺点是转液距离远管线长不便管理，总产能损失量大约2万t/a。方案三： 在T20位置新建一、二段脱铜厂房，新置5 190 mm×1 180 mm×1 400 mm大板脱铜槽，占地面积刚刚够，但总投资比较大。从发展趋势看，小板电解最终将会被淘汰。小板脱铜的始极片只能将大板的始极片剪切使用，极为不便。另外方案三离30万t/a铜电解现场距离近，便于转液与管理。因此最终选择了方案三，在有限的空间内为确保净液任务量采用高电流密度，一段240 A/m2，二段220 A/m2。

2.4 脱铜槽数的确定与布置

一、二段脱铜理论脱铜量分别为14.999 t/d和6.125 t/d。采用5 190 mm×1 180 mm×1 400 mm的大电积槽，具体槽数计算见表4。

表4 一、二段脱铜槽槽数计算表

结合表4，考虑生产现场的布局及电解槽配置原则，最终选定56个电积脱铜槽，分别布置在一二段厂房的东西端。其中一段脱铜32个电积槽，分四组配置，每组8槽。二段脱铜24个电积槽，分四组阶梯配置，每组6槽。

3 结论

(1)经过论证， 30万t/a铜电解项目净液系统最终选择了电积脱铜(真空蒸发生产硫酸铜)—诱导脱砷锑铋的生产工艺流程。

(2)30万t/a项目净液脱铜总量为21.124 t/d，其中一段脱铜量为14.999 t/d，二段脱铜量为6.125 t/d。一段终液含铜浓度为25 g/L，二段终液含铜浓度为0.5 g/L。

(3)采用高电流密度生产，一段为240 A/m2，二段220 A/m2。

(4)采用56个尺寸为5 190 mm×1 180 mm×1 400 mm的大电积脱铜槽。其中一段脱铜32个电积槽，分四组配置，每组8槽。二段脱铜24个电积槽，分四组阶梯配置，每组6槽。