降低銅電解蒸汽單耗的研究與實踐

侯娟奇

（江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

銅電解蒸汽的主要來源有火法冶煉生產過程中產出的余熱蒸汽、動力車間鍋爐供汽及外購電廠蒸汽［1］。通常氣溫高的夏季，工廠蒸汽用量較少，全部使用余熱蒸汽，氣溫低的季節(jié)，工廠蒸汽用量大幅增加，余熱蒸汽供應不足，主要以外購電廠蒸汽補充，動力車間鍋爐蒸汽作為備用。從使用成本來看，動力車間鍋爐蒸汽成本最高，電廠外購蒸汽次之，余熱蒸汽最低。通常余熱蒸汽的使用占主要部分，因此，如何高效使用蒸汽，減少蒸汽浪費往往被忽視。隨著產能的不斷擴大，余熱蒸汽供應缺口越來越大，工廠外購蒸汽量不斷增加，造成工廠成本的上升。電解是工廠蒸汽消耗大戶，降低電解蒸汽消耗，有利于降低工廠的生產成本，提高企業(yè)競爭力。

2 蒸汽消耗影響因素分析

2.1 蒸汽消耗量情況

銅電解生產中，蒸汽消耗主要用于電解液保溫、陰極銅洗滌水加溫、電解液蒸發(fā)過程、硫酸銅濾液加溫、硫酸鎳濾液加溫等。蒸汽消耗不僅受工藝、設備、原料雜質含量的影響較大，氣候和季節(jié)對蒸汽消耗影響也較大。

銅電解各工序及主要設備蒸汽年消耗量及占比見表1。凈化工序電解液蒸發(fā)所需蒸汽占比60%以上，電解工序電解液加熱占比30%，是蒸汽消耗的主要方面。電解液溫度控制相對穩(wěn)定，加熱所需蒸汽受氣溫、設備的保溫性能等影響，一般情況變化不大。凈化工序對電解液進行蒸發(fā)，由于水的汽化潛熱較大，蒸汽消耗量較大。

表 1 電解工序及主要設備蒸汽消耗占比

2.2 蒸汽消耗影響因素分析

電解生產過程中，電解液保持一定溫度，一般情況控制在60～66℃。其熱量來源分為通電時的電流發(fā)熱和蒸汽加熱。電解液凈化工序中，電解液蒸發(fā)消耗蒸汽最大，蒸發(fā)量的大小、比重控制的高低、設備對蒸汽利用率的高低對蒸汽消耗量影響較大。

（1） 電流密度。電流密度越高，電流發(fā)熱就越多，電解液加熱所需蒸汽越少。電流密度過高，有可能導致電解液溫度過高，需要對電解液冷卻降溫［2］，特別是在南方氣溫較高的地區(qū)。

（2）電解系統(tǒng)保溫。電解系統(tǒng)保溫包括電解槽保溫、槽面覆蓋、廠房保溫等，保溫措施做得好，有利于降低蒸汽消耗。電解槽保溫一般采用30mm厚聚氨酯板，槽面覆蓋滌綸布，提高保溫效果，減少槽面水分蒸發(fā)。

（3）陽極銅雜質含量。陽極銅雜質含量高，主要是砷、銻、鉍，所需凈化量大，蒸發(fā)工序所需蒸汽消耗量多。陽極銅鎳含量高，回收硫酸鎳消耗蒸汽也會增加。

陽極銅中氧含量的高低，影響電解液銅離子濃度平衡，進而影響凈化除銅需求。陽極銅中的氧主要以Cu2O形式夾雜于銅晶界中。電解過程中Cu2O在陽極上不進行電化學溶解，一部分沉入電解槽底部進入陽極泥。電解液是稀硫酸體系，一部分Cu2O與硫酸發(fā)生反應，一價銅離子不穩(wěn)定，反生歧化反應，最終生成單質銅和穩(wěn)定的二價銅離子［2］，反應方程式：

Cu2O+H2SO4→CuSO4+Cu+H2O

一般情況下，陽極銅中的氧含量高，電解液中銅離子上升的速度快，平衡電解液中銅離子濃度所需除銅量增加，除銅的主要工藝是蒸發(fā)結晶工序，消耗的蒸汽量隨之增加。統(tǒng)計25個月的實際生產數(shù)據(jù)，繪制陽極銅氧含量與除銅量趨勢圖，如圖1。

圖 1 陽極銅氧含量與除銅量趨勢

（4）電解液凈化工藝流程。電解液凈化第一道工序一般是除銅，采用電積除銅工藝，生產電積銅，蒸汽消耗量低，相應電耗增加。采用蒸發(fā)結晶工藝除銅，蒸汽消耗量大，貴冶電解主要采用蒸發(fā)結晶工藝除銅。蒸發(fā)過程一般采用真空蒸發(fā)，配備水噴射器產生真空，冷凝二次蒸汽，噴水溫度一般控制在60℃以下，需要配備冷卻系統(tǒng)對循環(huán)水降溫。蒸發(fā)過程所需熱量可以分為兩部分，第一部分是將電解液從初始溫度加熱到沸點溫度，一般初始溫度50～60℃，真空蒸發(fā)沸點溫度一般80～90℃。第二部分是水汽化所需的熱量。

以蒸發(fā)1m3電解液，進行熱量計算，電解液成分：硫酸20%左右，含有銅、砷、銻、鉍、鎳等離子。電解液比重取1.23，比熱容按20%稀硫酸計算，計算結果如表2 ，從表中可以看出，水汽化所需熱量占90%左右。

表 2 電解蒸發(fā)過程蒸汽用量理論計算

一般單效蒸發(fā)系統(tǒng)如圖2，從圖中可看出，熱量傳遞流程，蒸汽將熱量傳給電解液—二次蒸汽—蒸發(fā)熱水—冷卻循環(huán)水—大氣，蒸發(fā)過程能量流向來看，蒸汽中的大部分熱量，被二次蒸汽帶走，經過多次換熱，最終通過冷卻塔將熱量散發(fā)至大氣環(huán)境中。由于二次蒸汽壓力、溫度較低，利用難度大，未能進行有效利用，蒸汽消耗量大。硫酸鎳工序采用蒸汽蒸發(fā)濃縮，與硫酸銅蒸發(fā)原理一樣，蒸汽消耗量大。采用電蒸發(fā)器，蒸汽消耗量低，相應電耗增加。

圖 2 單效真空蒸發(fā)工藝流程圖

（5）加熱器疏水閥。疏水閥也叫自動排水器或凝結水排放器，其分為蒸汽系統(tǒng)使用和氣體系統(tǒng)使用。疏水器裝在用蒸汽加熱的管路終端，其作用把蒸汽加熱的管道中的冷凝水不斷排放到管道外。大多疏水器可以自動識別汽、水（不包括熱靜力式），從而達到自動阻汽排水的目的。疏水器廣泛應用于石油化工，食品制藥，電廠等行業(yè)，在節(jié)能減排方面起著很大作用。電解液加熱器和蒸發(fā)系統(tǒng)加熱主要采用蒸汽加熱，蒸汽將熱量傳遞給電解液后，變成冷凝水，通過疏水閥排出［3］。從生產實際情況來看，存在以下問題，導致蒸汽泄漏量大。

①疏水閥排水量滿足不了換熱能力，造成為了保證加熱效果，往往打開手動疏水旁通閥，蒸汽直接從疏水旁通閥泄漏出去，蒸汽泄漏量超過10%。特別是蒸發(fā)器等較大的換熱器。

②疏水閥選型不合適。凈化工序蒸發(fā)器疏水閥安裝位置小，選用了熱動力疏水閥，蒸汽泄漏量大，一般超過3%。

③換熱器超負荷運行。為了達到更高的換熱量或者加熱速度，打開疏水旁通閥，造成蒸汽的大量泄漏。

3 MVR蒸發(fā)器

MVR 蒸發(fā)器，是英文 mechanical vapor recompression的簡稱。MVR是重新利用它自身產生的二次蒸汽的能量，從而減少對外界能源的需求的一項技術。蒸發(fā)過程產生的二次蒸汽，經過壓縮機的壓縮，壓力和溫度得以升高，熱焓隨之增加，被送到蒸發(fā)器的加熱室當作加熱蒸汽即生蒸汽使用，使料液維持蒸發(fā)狀態(tài)，而加熱蒸汽本身將熱量傳遞給物料，本身冷凝成水。這樣，原來要廢棄的蒸汽就得到了充分的利用，回收了潛熱，提高了熱效率，大幅減少蒸汽的消耗［4］。

多效蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)器某一效的二次蒸汽不能直接作為本效熱源，只能作為次效或次幾效的熱源。如作為本效熱源必須額外給其能量，使其溫度(壓力)提高。蒸汽噴射泵只能壓縮部分二次蒸汽，而MVR蒸發(fā)器則可壓縮蒸發(fā)器中所有的二次蒸汽。溶液在一個蒸發(fā)器里，通過物料循環(huán)泵在加熱管內循環(huán)。初始蒸汽用新鮮蒸汽在管外給熱，將溶液加熱沸騰產生二次汽，產生的二次汽由渦輪增壓風機吸入，經增壓后，二次汽溫度提高，作為加熱熱源進入加熱室循環(huán)蒸發(fā)。正常啟動后，壓縮機將二次蒸汽吸入，經增壓后變?yōu)榧訜嵴羝瓦@樣源源不斷進行循環(huán)蒸發(fā)。蒸發(fā)出的水分最終變成冷凝水排出。

MVR蒸發(fā)系統(tǒng)一般會設計三段預熱，不凝氣預熱、冷凝水預熱和生蒸汽預熱，達到充分利用熱能目的。由于MVR蒸發(fā)器有效利用了二次蒸汽潛熱及冷凝水熱能，可大幅降低蒸汽，相比傳統(tǒng)單效蒸發(fā)可減少80%以上蒸汽消耗。其工藝流程如圖3。

圖 3 MVR蒸發(fā)器工藝流程圖

MVR蒸發(fā)器核心設備是蒸汽壓縮機，通常采用高速離心壓縮機或羅茨壓縮機。高速離心壓縮機，溫升和提高壓力效率高，處理能力大，對設備穩(wěn)定運行要求高；羅茨壓縮機適用于蒸水量5t/h以下的蒸汽器中，由于轉速低，具有運行穩(wěn)定可靠，投入成本低等特點。

以蒸發(fā)1噸水來對比各種蒸發(fā)器能耗及成本情況，電解生產一般采用低壓蒸汽，折標煤系數(shù)0.1182kgce/kg，電折標煤系數(shù)0.1229kgce/kW·h，蒸汽單價按0.18RMB/kg，電單價0.51RMB/kW·h，對比結果如表3。

表3 不同蒸發(fā)器主要能耗和運行成本對比

綜合能耗方面，單效蒸發(fā)最高，MVR蒸發(fā)最低。直接運行成本方面電蒸發(fā)最高，MVR蒸發(fā)最低，是三效蒸發(fā)的一半，單效蒸發(fā)的五分之一。

4 降低蒸汽單耗對策

4.1 合理組織生產

電流密度高，電解過程電流發(fā)熱多，在滿足產量任務的情況下，冬季宜采用高電流密度。根據(jù)產量任務，合理進行安排原料組織及電解生產計劃，夏季低電流密度生產，冬季高電流度生產，增加電流發(fā)熱，減少冬季蒸汽消耗［5］。加強原料組織，避免出現(xiàn)冬季原料短缺，電解降電流或者減槽生產。

4.2 余熱利用

電解加熱過程，有陰極銅洗滌水的加熱，硫酸銅濾液的加熱，硫酸鎳濾液的加熱，電解系統(tǒng)補充水。將加熱器冷凝水補入機組洗滌水箱及電解液系統(tǒng)補水。采用蒸發(fā)系統(tǒng)熱循環(huán)水對硫酸銅濾液及硫酸鎳濾液進行加溫［6］。

4.3 蒸發(fā)系統(tǒng)優(yōu)化改造

采用MVR高效蒸發(fā)代替單效蒸發(fā)，有效利用蒸發(fā)二次蒸汽的熱能。除鎳工序采用冷凍結晶工藝，能耗最低。采用工藝流程：硫酸銅蒸發(fā)結晶—電積除銅除雜—冷凍結晶除鎳。冷凍結晶法除鎳工藝，電解液硫酸濃度宜控制400g/L以上，因此，合理控制硫酸銅蒸發(fā)出液比重，使除鎳時達到合理的硫酸濃度。

4.4 疏水系統(tǒng)

更換疏水能力小、蒸汽泄漏量大的不適宜的疏水閥。特別是蒸發(fā)系統(tǒng)用汽量大換熱器，采用疏水效率高的倒吊桶式疏水閥或者浮球是疏水閥。同時，盡量避免換熱設備超負荷運行。

4.5 陽極銅氧含量合理控制

合理控制陽極銅氧含量，不宜過高或過低。過高含氧，電解除銅量增加，增加硫酸銅蒸發(fā)結晶工序的蒸汽用量。含氧過低，增加熔煉除氧成本。電解凈化除雜過程，首先除去電解液中的銅，因此，應根據(jù)電解除雜需求合理控制陽極銅含氧，一般情況，除雜需求量大，可適當增加陽極銅含氧量。除雜需求量少，適當降低陽極銅含氧量，使除銅和除雜所需的蒸發(fā)處理量匹配，避免除銅量過大或者過度除銅，造成蒸汽消耗量的額外增加。

5 結論

電解液凈化蒸發(fā)過程蒸汽消耗占比較大，采用MVR蒸發(fā)器，有效利用蒸發(fā)產生的二次蒸汽，是節(jié)約蒸汽的主要措施，MVR全部取代單效蒸發(fā)，電解蒸汽消耗量可減少50%左右。同時，還應通過合理組織生產，利用冷凝水余熱，更換漏汽量大的疏水閥，合理控制陽極銅含氧量，避免不必要的蒸汽消耗，可以進一步降低蒸汽消耗量，實現(xiàn)節(jié)能降耗，降低企業(yè)生產成本。