某銅冶煉廠電解車間搬遷擴建方案比較

陳 遲

（中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330031）

某銅冶煉廠電解車間搬遷擴建方案比較

陳 遲

（中國瑞林工程技術有限公司，江西 南昌 330031）

由于環保的壓力和企業發展的需要，某銅冶煉廠需在近幾年內完成搬遷擴建。介紹了某銅冶煉廠電解車間的現狀和電解行業背景，比較了三種方案的工藝技術，估算了三種方案的投資和運行成本。結果表明，大極板、雙向平行流、不銹鋼陰極電解方案工藝技術先進，投資和運行成本低，是搬遷擴建工程的推薦方案，符合我國銅冶煉行業創新驅動、節能環保的產業政策。

電解車間；雙向平行流；不銹鋼陰極電解；搬遷擴建；方案比較；產業政策

1 引言

近些年來，我國城市迅速發展，城市規模不斷擴大。一些銅冶煉企業在建成之初位于市郊或城市周邊村鎮，隨著城市的發展這些企業所在的區域已成為城區，且往往毗鄰生活區或商業區。雖然現在的銅冶煉企業大多很重視環保，但生產的過程還是不可避免地對周邊環境造成一定影響；另一方面地處城區也限制了企業的再發展。為此，某銅冶煉廠一直在籌劃遷址擴建事宜，然而搬遷擴建并不是簡單的規模擴張，需在此過程中完成技術的提升，提高企業的競爭力，方案選擇非常關鍵。本文從工藝技術、投資及運行成本幾方面對某冶煉廠電解車間搬遷擴建方案進行比較，為企業決策提供參考。

2 企業及行業現狀

2.1 某冶煉廠電解車間簡介

某冶煉廠現有不銹鋼陰極電解車間于2010年投產，設計能力為陰極銅18萬t/a，采用小極板永久不銹鋼陰極電解工藝，那時選擇小極板工藝，也是考慮到與原有小極板傳統法電解車間的極板規格匹配。電解車間配備2臺陰極剝片機組，1臺陽極整形機組，1臺殘極機組及2臺電解專用吊車，上述設備均為引進設備，目前運行狀況較為良好。

但企業目前地處城區，承受的環保壓力愈來愈大，發展空間受到極大限制，因此工廠搬遷并進行技術升級勢在必行。

2.2 電解行業背景

永久不銹鋼陰極電解工藝［1］目前已在國內銅冶煉行業得到廣泛應用［2-3］，其又分為大極板工藝和小極板工藝，相對大極板工藝，小極板不銹鋼陰極電解工藝應用較少。

隨著不銹鋼陰極電解工藝的普遍應用，在合理范圍內追求高電流密度成為電解工藝發展的趨勢。普通不銹鋼陰極電解技術電流密度一般為280～320A/m2。如果進一步提高電流密度，往往會出現濃差極化、陽極鈍化等現象［4］，導致陰極銅質量達不到高純陰極銅標準。為解決這一難題，中國瑞林研發了具有自主知識產權的雙向平行流高效電解工藝及專用裝置，改進了電解槽內溶液的循環方式，調整了部分電解工藝參數，可以進一步提高電流密度至350～380A/m2，且產品質量達到了高純陰極銅的標準。此項技術已通過江西省科技廳課題鑒定，確定為江西省科學技術成果。

3 建設規模及方案

本項目電解車間規模為陰極銅40萬t/a，需異地選址擴建。針對此電解車間的建設，并考慮原有設備的利舊，有如下三個方案：

方案一：新建40萬t雙向平行流、大極板不銹鋼陰極電解車間，原有主要設備外售；

方案二：新建40萬t大極板（普通）不銹鋼陰極電解電解車間，原有主要設備外售；

方案三：建設40萬t小極板（普通）不銹鋼陰極電解車間，原有主要設備搬遷利舊。

4 電解工藝技術比較

4.1 大、小極板普通不銹鋼陰極電解比較

從以下幾個方面進行比較：

單槽產量：按本項目的普通不銹鋼陰極電解的工藝參數，大極板電解槽產量比小極板多約25%，這意味著建設相同規模的電解車間，大極板方案所需的電解槽和不銹鋼陰極板數量比小極板方案少約25%。

殘極率：大極板陽極和小極板陽極的吊耳重量差別不大，所以大極板陽極吊耳占整個極板的重量比較小，即同等條件下大極板電解的殘極率較低。大極板不銹鋼陰極電解的殘極率一般為13%～15%，而小極板一般為14%～17%。本項目陰極銅40萬t/a的規模，按殘極率相差1%，大極板方案的殘極量比小極板少約5600t/a。殘極率低一方面減少了銅在生產過程中的積壓，加速了流動資金的周轉；另一方面減少了殘極返熔量，降低了殘極返熔費用。

極距：原有小極板工藝的極距為95mm，而大極板不銹鋼陰極電解在國內極距一般為100mm。上述三個方案中，小極板方案的極距較小。

電耗：由于小極板方案的極距小，則槽電壓相對大極板方案略低，故電耗也略低。

蒸氣耗量：大極板方案的槽電壓高，由電能產生的熱量略多，蒸汽耗量比小極板方案略低。

相對小極板不銹鋼陰極電解工藝，大極板工藝單槽產量高，相同規模下電解槽數量少，占地面積小，設備及操作人員更少，殘極率等相關指標也更好。大極板方案電耗略高，蒸汽耗量略低，綜合能耗相當。而且就本項目而言，小極板方案需利舊，在設備的拆除、運輸、重新安裝的過程中不確定因素較多，實施的難度較大。綜合上述因素，大極板不銹鋼陰極電解的優勢較為明顯。

4.2 雙向平行流和普通不銹鋼陰極電解對比

單槽產量：雙向平行流、不銹鋼陰極電解（下簡稱雙向平行流電解）的電流密度為350～380A/m2，普通不銹鋼陰極電解為300A/m2，前者單槽產量比后者高16%～25%。

槽內電解液循環：雙向平行流電解采用貼近陰極板面的噴嘴雙向平行進液，溶液分布均勻，經過板間的溶液量達50%～70%，可以快速補充陰極板面溶液中的銅離子，減少濃差極化。而普通不銹鋼陰極電解一般采用下進上出等循環方式，溶液有效利用率僅為15%～20%。

電耗：雙向平行流電解采用上述進液方式，從而使高電流密度電解變為可能。不過電耗也會有所提高，電流密度350A/m2時，交流電耗約410 kW·h/tCu，折合50.4kgce/tCu。普通不銹鋼陰極電解電流密度300 A/m2時，交流電耗約為370 kW·h/ tCu，折合45.5kgce/tCu。

蒸氣耗量：使用雙向平行流電解時，夏季往往不需要使用蒸汽，冬季只需少量蒸汽，加之本項目地處南方，故蒸汽單耗很少，約為0.05t/tCu，折合4.5kgce/tCu。而普通不銹鋼陰極電解的蒸汽單耗約為0.3t/tCu，折合27kgce/tCu。

綜上所述，雙向平行流電解比普通不銹鋼陰極電解單槽產量高，電解液有效利用率高，可以實現高電流密度電解，電耗相對高，蒸汽耗量相對低，折合成標煤后綜合能耗更低，凈液工段能耗也低于《銅冶煉企業單位產品能源消耗限額》（GB 21248-2014）規定的先進值［5］。

上述主要工藝技術參數比較如表1所示。

表1 電解車間主要工藝技術參數比較

除了中國瑞林的雙向平行流技術外，山東陽谷祥光銅業二期工程引進了奧地利的METTOP-BRX平行流電解技術［6-7］。由于采用了高電流密度電解，將電流密度提高至380～420A/m2，提高了單個電解槽產能，減少了電解槽數量，從而減少了電解槽和廠房的投資。但此技術的應用也存在設備費用和專利費用高，電耗高等問題。

中國瑞林的雙向平行流電解技術并不追求絕對的高電流密度，而是要在較高電流密度、合理能耗和較低投資之間尋求平衡。在合理范圍內提高電流密度，在此基礎上減少電解槽數量、不銹鋼板數量和廠房面積以降低投資，將槽電壓和電耗控制在一定范圍。這一理念更符合我國銅冶煉行業技術先進、綠色友好的要求。

5 廠房和設備比較

根據三個方案的工藝參數進行設備選型計算及車間配置，得出電解車間需要的主要設備數量及廠房建筑面積。三個方案的廠房及主要設備比較如表2所示。

表2 廠房及主要設備對比

6 投資與成本估算

6.1 可利舊設備的價值核算

陰極剝片機組、陽極機組、殘極機組、專用吊車、不銹鋼陰極板、整流器、凈化過濾機等原有設備目前運行較為良好，可以利舊。由于大部分是引進設備，購入時價格較高，原價值合計31391.28萬元。若本項目電解車間2017年可以完工，從2010年至2017年按7年折舊考慮，折舊后這部分設備仍然有10516.08萬元的價值，如表3所示。

6.2 工程費用比較

三種方案的工程費用及折舊設備價值比較如表4所示。

表3 可利舊設備的折舊

表4 工程費用比較萬元

隨著不銹鋼陰極電解設備的國產化，減少了設備購置費，三個方案的不銹鋼陰極電解車間投資相比以往工程都大幅降低。

由于設備利舊，方案三在設備購置上費用較少。但該方案廠房面積較大，建筑工程費用較高；設備總量多，安裝費用較高；利舊設備雖省去了購置費，但拆卸、運輸、整修仍然需要一定費用。綜合上述費用，雖然方案三利用了相當多的原有設備，但其工程費用也只比方案一低1414萬元，比方案二低4879萬元。

方案一、方案二中這部分可利舊設備外售給其他公司使用，使其繼續發揮使用價值，同時也能獲得較為可觀的銷售收入。這部分設備折舊后的價值約為10516萬元，雖然實際銷售收入可能略低于其價值，但一定會大于方案一、方案二工程費用和方案三的差值。也就是說方案一、二的實際投資額比方案三更低。

由于廠房面積小，電解槽數量少、不銹鋼陰極板用量少等因素方案一比方案二工程費用少約3465萬元。即方案一雙向平行流電解的實際投資額最低。

6.3 可比加工成本估算

方案一雙向平行流電解的職工人數少，薪酬總額低；電解槽、不銹鋼板的設備

表5 可比加工成本估算比較

量少，折舊費和修理費低；雖然動力成本比較高，但合計可比加工成本還是最低的。

三種方案的可比加工成本估算如表5所示。

7 結論

綜合上述比較，考慮利舊設備的折舊價值，相對小極板不銹鋼電解方案，大極板不銹鋼陰極電解方案實際投資額低、可比加工成本也更低。

而采用了雙向平行流技術的不銹鋼陰極電解方案，不但工藝先進，代表了電解技術的發展方向，而且可以進一步減少建設投資，可比加工成本也略低。故建議將方案一：新建40萬t雙向平行流、大極板不銹鋼陰極電解車間作為推薦方案。此方案在規模擴大的同時提升了工藝技術，符合我國銅冶煉行業創新驅動、節能環保的產業政策，如采用此方案有望進一步提高企業的競爭力。

［1］姚素平.永久陰極銅電解技術述評［J］.有色冶金設計與研究， 2000，21（3）：11-20.

［2］趙欣.銅電解新技術的應用［J］.有色冶金設計與研究， 2008， 29（4）：8-13.

［3］吳斌， 趙榮升， 李敬忠.金隆永久不銹鋼工藝電解生產實踐［J］.銅業工程， 2012（4）：5-9.

［4］GB 21248-2014， 銅冶煉企業單位產品能源消耗限額［S］.

［5］朱祖澤， 賀家齊.現代銅冶金學［M］.北京：科學出版社， 2003.

［6］周松林.高強化銅電解精煉新工藝與生產實踐［J］.有色金屬（冶煉部分）， 2013（2）：1-3.

［7］吳繼烈， Andreas Filzwieser.高電流密度銅電解技術的理論及實踐［J］.有色金屬（冶煉部分）， 2014（2）：8-13.

Comparison of Schemes on Relocation and Expansion for the Electrolytic Shop of a Copper Smelter

CHEN Chi
（China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang 330031， Jiangxi， China）

Due to the pressure of environmental protection and development of enterprise， a copper factory needs to complete the relocation and expansion in the next few years.The present situation of the electrolysis plant and the background of electrolysis industry are introduced.The technology of the three schemes are compared.The investment and operating costs of the three schemes are estimated.The results show that the technology of large plate stainless steel cathode electrolysis with both sides parallel flow is advanced，the investment and operation cost is low.It is a recommended plan for the relocation and expansion project.And also， the scheme conforms to China's copper industry policy， which is innovation driven， energy saving and environmental.

electrolysis plant；both sides parallel flow；stainless steel cathode electrolysis；relocation and expansion；comparison of schemes；industrial policy

TF08

A

1009-3842（2015）06-0022-04

2015-08-03

陳遲（1984-），男，安徽安慶人，工程師，主要從事銅冶煉的設計和研究。E-mail： chenchi@nerin.com