保爾沃特鋅大板電積工藝的技術和主要設備

江傳瑜

(保爾沃特冶金技術(北京)有限公司,北京 100027)

保爾沃特鋅大板電積工藝的技術和主要設備

江傳瑜

(保爾沃特冶金技術(北京)有限公司,北京 100027)

中國是個產鋅大國,2009年鋅產量已達 435萬 t。但工廠規模小,電積工藝幾乎都是傳統的小板電積(陰極面積 1.3-1.6 m2),存在廠房占地大、槽數量多、人工剝鋅勞動強度非常大、導致陰極受損、生產成本高等缺點。大陰極板(陰極面積 2.6m2以上)技術克服了小板技術的缺點,具有廠房占地少、生產成本低、產品質量好、自動化水平高、節省勞力、易于改善操作環境等諸多優點。該項技術已在西方礦冶公司得到了很好的應用,鋅產能超過 400多萬 t,是一項值得中國同行重視并大力推廣的技術。

鋅電積;大陰極板技術;多功能吊車;全自動化剝鋅機;陽極拍平機;全自動的工藝控制系統;良好的通風設計;SHG品質鋅

1 前言

受經濟危機的影響,2009年世界金屬鋅年產量較2008年下降了大約 4%,但仍然達到 1118萬 t。相反,中國鋅產量卻不降反增,比 2008年增長了 11.34%,達到435萬 t,占世界鋅產量的38.9%。中國已多年雄踞全球產量第一,對世界鋅市場有著重要影響[1]。

縱觀世界鋅的冶金技術,整體上以濕法工藝為主,如焙燒,浸出 (或直接浸出),凈液 (或萃取),電積,高達 80%以上,而火法工藝并存,如豎罐、鼓風爐 (ISP)、電爐等[2-3]。

中國是個產鋅大國,但鋅電解工藝相對落后,仍主要來自于傳統小陰極板人工剝鋅,主要缺點:

(1)工人體力勞動強度大,工人人數要求多。

(2)極板因人為因素損壞多,壽命短。

(3)因小板生產,每槽極板數只有 40多片,生產需槽數多,廠方占地大。

(4)陰陽極數量一次性投入大,存量資金大。

(5)生產成本高。

2 大陰極板鋅電積技術的優勢[4]

以 3.2m2超大板年產 10萬 t規模為例:

(1)電解槽數明顯減少,廠房占地面積減半。

鋅年產能 (以 t/a計)采用下式計算[6]:

P=N.n.S.D.A.c.t.t.10-6

100,000 t/a=N x 114陰極/槽 x 3.2 m2x 450 A/m2x 1.22 g/Ah x 0.91 x 0.99 x 8760 x 10-6

N=100,000/1580.55=63.26

(注實踐中,各廠依當地實際情況,可能調整至80-100槽。)

而國內某企業同規模鋅電解廠,采用的 1.6m2極板,人工吊車,機械剝鋅,每槽陰極數為 48片,需電解槽數為 400。

可想而知,槽數的減少大大簡化了廠房配置,同時使廠方占地節約 50%左右。見圖 1,采用的 1.6 m2極板,占地約 9800 m2,而采用 3.2 m2極板,占地約 4700 m2。

圖 1 廠房占有地比較

(2)工人勞動強度小,勞動力需求大大減少。

通常,1.3-1.6 m2人工剝片,需 2.5-3.5人力 h/t,而 2.6 m2機械剝片,1.5人力 h/t,3.2m2自動剝片由于完全實現了機械自動化,則只需 0.6-0.8人力 h/t。我國 10萬 t人工剝鋅企業通常需工人 300人左右,而 1.6 m2機械剝鋅也仍需 120-150人,國外 3.2 m2超大板人力分布如下(僅供參考):

(3)陰陽極板投入少,壽命長。

陰陽極板投入相對大大減少,資金占用量相對降低。表 2顯示了這種差距。

表 2 陰陽極板需求量及資金量需求估算

另外,由于實行了全自動操作,根據其他生產企業實踐,大板陰極壽命可長達 2年,而大板陽極壽命可長達 4年。陰陽極板壽命的延長毫無疑問降低了生產成本。

(4)靈活的產能調整。

業主可以根據鋅精礦的供應情況,或者鋅金屬市場的價格情況,可靈活調整產量。

①調整極距,增加極板數(如比利時Unmicor)。

②調整電流密度。

③加長極板,改變極板面積(如 3.2升至 3.5)。

(5)良好的通風設計[5]。

電解液的冷卻塔設于電解車間屋頂,冷卻空氣來源于電解車間,其余空氣靠自然空氣補充和調節。該設計一舉兩得,既冷卻了電解液,又強制了車間通風,減少了車間酸霧的污染。車間酸霧空氣在冷卻塔中與循環電解液逆向熱交換,酸霧可被液滴捕獲,從而使排入大氣的空氣酸霧含量降低,并完全達標。圖 2展示了保爾沃特的通風設計理念。

圖 2 良好的通風設計理念

3 大陰極板鋅電積技術的發展歷程[6]

大陰極板鋅電積技術起源于比利時的老山鋅廠,該廠在鋅工業界是廣為人知的,就是大家熟悉的Balen巴倫廠,法語也叫Vieille Montagne-VM老山公司。

1969年前,該廠采用的也是 1.3 m2小板,人工剝鋅,每槽 44片陰極,電流密度只有:320 A/m2。

1969-1972年,由Balen與 VM下屬的梅希姆(MECH I M)冶金化工工程公司的工程技術人員一道設計建設 2.6m2大板。1972年,2.6 m2大板投產,每槽 44片陰極,電流密度 375 A/m2,并建成了世界上第一臺自動剝鋅。

隨后,巴倫廠與梅希姆設計公司一道,使極板改為 3.2 m2超大板,1979年投產,每槽 86片陰極,電流密度 415 A/m2,簡化了自動剝鋅機,簡化了自動吊車,實施了陽極拍平和清洗。現在該廠每槽陰極片數為 114片。

值得注意的是,由于公司的重組和戰略調整,以老山為主體的公司后來歸屬于 Union Miniere(聯合礦業),而今為著名的Umicore(優美科)。

當時的梅希姆(MECH I M)冶金化工工程公司的許多專家后來陸續加盟于保爾沃特 (PaulWurth)冶金技術公司,使大板鋅電積技術繼續由保爾沃特在全球推廣。當然,推廣類似技術的還有奧圖泰(Outotec)公司,日本三井(MESCO)公司等。

如今,大板技術已經有了 3.5 m2,3.6 m2的工業化生產企業。下圖簡單列舉了這些大板技術的應用工廠,并說明了生產中的有效電解面積。

圖 3 大板的有效面積

4 大陰極板鋅電積技術的工業化應用及展望

迄今未止,大板或超大板電積技術已在世界十多家冶煉廠成功應用,鋅產量超過 400多萬 t。表3列舉了這些企業并對未來可能的大板應用進行了展望。

5 保爾沃特大陰極板鋅電積技術的設計特點[9]

1)緊湊的設計,如圖二示。

兩列電解槽配置,每列 40到 50槽,一端配可逆運轉的自動剝鋅機,兩臺自動吊車各司其職,槽的另一端配陽極小車,運送陽極板到拍平及清洗……

電解液的冷卻塔設于電解車間屋頂,一舉多得,既冷卻了電解液,又強制了車間通風,減少了車間酸霧的污染,還減少了占地。

表 3 大板或超大板電積生產企業及未來項目[7][8]

電解槽喂液采用密封的喂液管,能使電解液均勻分布到各個槽中,最大限度地保持電解槽液面高度,有利于剝鋅操作。同時由于采用管式喂液,喂液管可以輕松布置在廠房中間并置于操作走道的下方。

整個廠房設計緊湊,設備銜接有效合理。廠房占地僅僅是傳統電解的 50%左右。

圖 4 緊湊優化的配置

2)專有設備的先進性。

基于保爾沃特的實際經驗,保爾沃特設計并提供以下專有設備:

①全自動的多功能吊車。

‘②全自動的陰極剝片、洗刷和碼垛。

③陽極拍平和清洗。

所有設備均與計算機監控和中心控制室相連,由 PLC(程序邏輯控制)實行計算機中心管理和控制。

多功能吊車與其他設備的協調一致及集成,在充分考慮到生產計劃調度、電解槽狀態、報警、安全等諸多因素后,完全由中心控制系統指揮。

通過中心控制室的監控屏,生產操作人員可以決定每班的生產計劃 (計劃包括諸如每班剝片多少個槽子,跳過哪個槽子,每垛陰極片的片數等等),并跟蹤實際操作。

中心控制系統同時接口其他設備的 PLC以統一監控和報警。

該中心控制系統還能與其他工藝控制系統(PCS)相連(如硅整流控制系統等),對全局系統的監控將為保證生產產能和效率提供保障。

多功能吊車的主要特征:

①完全自動運行,在槽子上,剝片機,及陽極機上自動定位。

②在安放陰陽極板時,能準確定位,以確保鋅電解質量,防止短路。

③采用特殊吊架以抓取陰陽極板。

④清洗陰陽極板導電頭以確保電流效率。

⑤在吊車運輸過程中,清洗電解鋅片表面。

⑥高強度重型設計,可靠的系統以確保生產。

鋅陰極剝片機、洗刷機的組成和主要特征:

圖 5 保爾沃物自動剝鋅機、洗刷機、碼垛機組成示意圖

①完全自動運行。

②陰極片小刀預開口,避免了對陰極板的表面損壞,有利于延長陰極使用壽命。

③陰極間隔裝置確保剝片后陰極片的等距間隔,從而確保電解鋅片的質量。

④鋅片剝離后,在落入碼垛機時有緩沖消音系統(噪音控制在 55分貝以下)。

⑤全自動碼垛及鋅垛自動稱重、轉運系統。

⑥陰極板回電解槽前,陰極板表面清洗系統。

⑦高強度可靠設計,確保剝鋅機穩定可靠的操作。

陽極拍平機,清洗機的主要特征:

①完全自動運行。

②有效的表面清洗及拍平,可保證陽極使用壽命,減少陽極變形,避免短路。

③高強度可靠設計,確保系統穩定可靠的操作。

以上設備均為全自動系統,配以安全報警裝置,確保了生產中的設備及操作人員安全。

圖 6 保爾沃特主要設備照片或示意圖

6 保爾沃特大陰極板鋅電積技術的服務范圍[9]

眾所周知,電解液凈液質量是控制產品質量的根本,陰陽極幾何形狀 (如平整度,垂直度等)是確保工藝參數的關鍵。此外,先進設備也是實現先進工藝的重要手段。

針對大陰極板鋅電積技術項目,保爾沃特冶金技術公司將提供全套系統的服務,內容涵蓋:

(1)凈液的咨詢服務以確保凈液質量。

(2)電積車間的 EPCM或 Turnkey工程 (海外項目可提供全部服務)。

但在中國考慮到設計成本因素,保爾沃特的服務范圍將是靈活的,可協商的,視國內配套設計院,國內業主的配套能力和要求而定,但通常為確保工藝的最小范圍如下:

(1)工藝的概念及基本設計 (工藝流程,工藝配置,設備選擇等等)。

(2)必要的施工圖設計如:陰陽極制作圖,電解槽槽體,供電母線,槽間導電棒,電解液輸液管,溢流管等。

(3)冷卻塔計算,通風計算,及配置基本設計等。

(4)必要的施工圖條件及設計指導。

(5)以下專有設備設計及供貨:

全自動化剝鋅機(含洗刷機,碼垛機,轉運機一體化)。

全自動化多功能吊車(含自動定位,稱重,陰極清洗)。

陽極拍平機及高壓水清洗陽極泥系統。

陰陽極夾具(絕緣體)。

槽間導電棒,槽頭導電排,槽間絕緣塊(可選)。

冷卻塔及風機(可選)。

(6)工藝控制系統(PCS)的設計及供貨。

(7現場安裝、投產試車指導。

7 在中國的推廣前景[10]

如開篇所說,中國是世界產鋅大國,多年居世界第一位,2009年產金屬鋅達到 435萬 t。其中濕法占 80%,約有產能 370萬 t,火法產能約有 90萬 t。

中國產鋅企業相對分散,超過 10萬 t產能的大型企業只有株冶,葫蘆島,中金嶺南,云南馳宏,白銀等十幾家,其余規模小,裝備相對落后。

中國的鋅電積經過幾十年的發展,某些工藝指標已相當先進,比如電耗 (2950-3050 K Wh/t鋅片),電流效率(91-92%),且產品鋅質量也可達到SHG品質。但是至今為止,只有云南馳宏 (曲靖)、株冶、丹霞、巴彥淖爾采用了機械或自動剝鋅,其余都是傳統小陰極板人工剝鋅。云南馳宏會澤,呼倫貝爾,江西銅業等正在建設大板電積。

中國是個高速發展的國家,目前勞動力成本相對較低,但這不能長久,由于一個家庭一個孩的計劃生育政策,人工剝鋅將面臨著很難招到工人,勞動力的成本必將快速增長,企業已經意識到這些挑戰。

展望未來,中國將計劃通過技術改造,或新建項目,保守估計,產能增加將超過 100萬 t。自動化、高效低成本、環保的鋅電解生產是眾望所歸,大陰極板鋅電積技術將有廣闊的推廣應用前景。

REFERENCES

[1] 鈕因健.2009年中國有色金屬工業狀況.云南昆明 -低碳經濟條件下重有色冶金技術的發展論文集.2010年中國有色金屬學會重冶學委會.

[2] 蔣繼穆.我國鋅冶煉現狀.2001年第八屆全國鉛鋅生產技術及產品應用學術年會論文集.01-04.

[3] 張樂如.鉛鋅冶煉新技術.2006.

[4] 江傳瑜,葛明.大陰極板鋅電積技術的優勢和特點.2007年世界有色金屬,青海西寧 -2007年中國有色金屬工業高層研討會論文集:33-36.

[5] 江傳瑜.鋅電積的清潔生產.江西貴溪 -2007年全國重有色冶煉生產工藝、節能減排及綜合利用研討會論文集:109-116.

[6] 梅光貴,王德潤,周敬元,王輝.濕法煉鋅學.2001.

[7] 包曉波,黃其興.世界鋅技術經濟.1996.

[8] 陳維東.國外有色冶金工廠 -鉛鋅篇.1987.

[9] 江傳瑜.保爾沃特冶金技術 (北京)有限公司的冶金技術及特點.云南昆明 -2007年中國首屆熔池熔煉技術及裝備專題研討會論文集:119-124.

[10] 江傳瑜.漫談鋅冶金的技術發展.內蒙赤峰 -2008年中國礦冶新技術與節能論壇論文集:131-144.

PaulW urth Zn LARCATH Technology and Equipment

J I ANG Chuan-yu
(PaulWurthMetal Technology(Beijing)Co.,Ltd,Beijing,100027,China)

China is the biggest Zn producer in the world with total Zn production of 4.35 million tons in 2009.But almost all the Zn production come from s mall Zn plantswith the traditional Zn electro-winning process by s mall size cathode technology(Cathode size range between 1.3-1.6 m2)and manual operation for cathode stripping.The disadvantages are obvious such as land required much bigger,cells numbermuch more,manual operation for cathodes stripping-very intensive labor required,and may cause serious damage of cathode electrodes,higherOPEX.In order to improve and avoid such shortcomings,the Large Cathode(LARCATH, Cathode Size is above 2.6m2)Technology has been developed and concludedwith the followingmerits-smaller land,lower CAPEX, lowerOPEX,higher quality of Zn(SHG),lessman power,easier and better ventilation etc.TheLARCATH technology has beenwell applied in western mining&metal companies in the last few decadeswith total Zn productivity over 3 million tons.This technology is drawingmore attentions in China and should be highly promoted to future application in the Zn Industry.

Zn electro-winning;Large Size Cathode Technology(LARCATH);Multi-functional crane;fully auto-stripping machine;anode flatteningmachine;PCSAutomation Platform;Good ventilation system;SHG quality Zn

book=34,ebook=146

TF813

C

1009-3842(2010)03-0034-06

2010-05-30

江傳瑜(1964-),男,漢族,江西南康市人,碩士,1983年畢業于東北大學有色金屬冶金專業,教授級高級工程師,主要從事有色金屬冶金的工程設計、咨詢、及冶金裝備現代化的研究和推動工作,E-mail:chuanyuj@hotmail.com