雙向平行流銅電解技術的應用及價值探究

戴 超

平行流技術實質是比較新穎的電解精煉技術，技術實施階段需綜合噴射裝置保證按照預定的軌道和速度實現電解液流動控制，保證對反應速率的良好把控，以最大限度的規避陽極鈍化問題和濃度差問題。電解銅是指通過應用專門的技術工藝，將粗銅進行通電處理而獲得純銅的過程。電解銅在人們的生產和生活中有著良好的應用，在有色金屬領域，其消費價值和應用作用近似于鋁，所以國防工業、建筑工業、化工工業、電氣行業以及機械制造業等多個領域已經廣泛使用。

1 雙向平行流技術概述與發展現狀

1.1 雙向平行流技術理論

平行流技術作為一種比較全新的電解精煉工藝手段，在應用期間可通過輔助裝置保證電解液按照設定的軌道和速度流動到相應的位置，從而確保對反應速率做好良好控制，并保證最大限度的規避陽極鈍化問題和濃度差問題。電解銅期間，要以法拉第定律為依據，對陽極板表面上的沉積銅質量進行計算。沉積銅的質量是電流密度值、時間、極板表面積、法拉第常數、銅離子電荷數的乘積。電解液在進入陰極和陽極板間的時候，以平行的狀態噴射進入，其位置位于陽極板側下部（上部），速度為0.5m/s～2.5m/s，為電解液提供充足的動能。在陽極表面，電解液向下運動，在陰極表面，電解液向上運動，在陽極和陰極之間形成良好的內循環，將濃差極化消除的同時，帶動陽極板表層陽極泥塊以最大的速度沉降，既能夠將陽極鈍化問題消除，還可以將陽極鈍化相膜打破，促使生產朝向更高電流密度發展。高電流在轉化期間所產生的熱能，足以保障電解液處于熱平衡狀態，蒸汽加熱所消耗的能量總體上降低約85%，使得節能效果日臻顯著。

1.2 平行流技術流程

為電解槽供液時選擇循環槽，應經過變頻泵實現，這種處理方法可靈活性的取代電解循環系統中的高位槽（實際生產過程中是泵將電解液打入高位槽，再經過分液包，均勻給電解槽供液，其中分液包上安裝閥，用于排出電解液流入分液包時產生的氣泡），提高供液效率與穩定性。電解槽供液分為兩側給液和側面給液兩種方式，一般的進液裝置的噴嘴流出電解液，在槽面（電解槽）兩端位置對電解液進行匯總處理，并將其返回到循環槽內（上清液槽內，再通過將電解液用精細過濾機過濾后返回循環槽）。在出裝槽作業期間，應用循環電解液壓力和變頻泵設備實現聯鎖，對電解液給液量實施調節，自動化完成電解槽給液調節（可以通過調節分液包出口閥門進行液量調節）。利用平行流裝置準確的對陰極板定位，在電解裝槽階段使用自動電解裝用電解槽間和吊車快速且準確的定位，確保帶有陰極定位器的平行流裝置可以實現自動化生產。

2 銅電解技術方法與措施對比分析

2.1 傳統法銅電解技術

傳統法在中型和小型銅電解生產企業內被廣泛使用，其憑借成熟且可靠的工藝，特別是綜合自動化和機械化水平，使得應用水平獲得全面提高，加工處理陽極和始極片后，可增強陽極板和陰極板垂直度，保證生產完成的陰極銅產品質量達標。始極片制作具有比較復雜的工藝手段，必須搭配獨立的生產系統，可見其生產成本很高，強大的勞動力需求也增加了人力成本支出。雖然技術手段應用了機組，但不能保證始極片質量和平直度，特別是在大極板電解期間較為容易發生短路故障，對陰極銅質量產生影響。隨著銅電解規模化發展，傳統銅電解技術在新建設完成的工廠內基本已經被淘汰。

2.2 周期反向電流法技術

周期反向電流法技術相比較傳統法具有比較高的槽電壓和電流密度，但是其電流效率有效性不足，電能消耗量高出傳統法30%左右。在能源資源緊張和能源費用支出增加的大背景下，周期反向電流技術的推廣性受到嚴重制約。所以，從上世紀九十年代以來，周期反向電流技術受到各類不良因素的影響而沒有被更進一步被推廣使用。

2.3 永久陰極法技術

永久陰極法技術比較適合在規模較大的銅電解生產單位內應用，這種方法具有小的極距、高電流密度、短陰極周期、低蒸汽耗量、低殘極率、高自動化水平和簡單的流程。這項技術一次性投資相對較大，但是其優點很多，是當前新建設的冶煉廠首先方式之一。

2.4 平行流技術

2011年7月，平行流技術首次在我國正式投入生產，隨著技術更迭和研究成果更新，該技術手段在銅電解領域獲得廣泛推崇，逐漸取代了常規不銹鋼永久陰極電解技術。平行流技術擁有比較昂貴的噴射裝置，設備受腐蝕影響程度高，陽極鈍化情節嚴重，電解液冷卻和電銅容易長氣孔等問題。按照相關研究結果顯示，電極上的擴散層厚度最小化是將極限電流密度提高的嶄新突破口。在生產期間要緊緊圍繞著銅離子濃度、電解液酸度、電解液循環速度以及電解液循環方式等各影響因素，達到常規永久陰極高電流密度電解。高電流密度電解密度值為365A/m2～370A/m2；銅離子（Cu2+）濃度為45g/l～55g/l；硫酸濃度為160g/l～180g/l；Ni離子濃度為≤18g/l；Bi離子濃度為≤0.5g/l；Sb離子濃度為≤0.5g/l；As離子濃度為≤8g/l；電解液溫度值為63℃～67℃；硫脲參數為45g/tCu～55g/tCu；極間距為100mm；循環流量為65L/min～90L/min。

3 雙向平行流技術的應用優勢

在電解銅生產工廠的經營與運轉期間，雙向平行流技術獲得推廣，且以應用優勢得以顯著凸顯。以電解銅現有生產運行現狀為依托，判斷各類生產經濟指標在技術應用中的應用優勢。

3.1 主要經濟技術指標

為對雙向平行流技術方案的應用優勢形成系統且客觀的認識，在分析階段選擇常規PC電解方案作為對比，作出詳細說明。將雙向平行流技術和PC電解方案相同的部分忽略，重點闡述兩者之間的不同，將國內氣候環境相近和生產規模相同的兩家電解銅生產企業運營情況作出比較。常規PC電解技術電流密度值為280A/m2～320A/m2，陽極周期為18d，陰極周期為9d，槽電壓為0.28V～0.35V，槽面作業率為95%，電流效率為＜98.5%，每槽陽極數量為56塊，每槽陰極數量為55塊，殘極率為＞14%，電解液循環速度為30L/min～35L/min，噸銅蒸汽單耗為0.21t，噸銅直流電單耗為280kWh～300kWh，噸銅交流電單耗為330kWh～350kWh。雙向平行流技術電流密度值為350A/m2到400A/m2，陽極周期為16d，陰極周期為8d，槽電壓為0.32V～0.45V，槽面作業率為98%，電流效率為＞98.5%，每槽陽極數量為56塊，每槽陰極數量為55塊，殘極率為13.5%～14%，電解液循環速度為60L/min～90L/min，噸銅蒸汽單耗為0.02tt，噸銅直流電單耗為300kWh～320kWh，噸銅交流電單耗為350kWh～400kWh。

3.2 主要設備選型

假設雙向平行流技術和PC電解技術方案均運用在新生產廠區，使用整體樹脂槽作為電解槽，按照350天作為年工作時間進行計算。按照兩種方案的工藝技術參數計算設備選型，同時做好合理的車間硬件配置。

常規PC電解技術方案需要使用規格為S=31.5m；Gn=4×8t/3t的兩臺專用吊車；規格為1010mm×1029mm的46200塊不銹鋼陰極板；20臺短路開關；1680套用于底管和進液彎管的給液裝置；規格為標稱450塊/h的1臺殘疾洗滌機組；規格為Q=500m2/h；H=35m的6臺溶液循環泵；規格為TMY-300×12、10片的450t電力母線；規格為標稱450塊/h的2臺陽極整形加工機組；規格為F=250m2的2臺電解液凈化過濾機；規格為F=80m2的6臺板式換熱器；規格為5840mm×1170mm×1400mm的840臺電解槽；規格為210V，38kA的2臺整流器。

雙向平行流技術方案需要使用規格為S=31.5m；Gn=4×8.5t/3t的4臺專用吊車；規格為1010mm×1029mm的59840塊不銹鋼陰極板；32臺短路開關；1088套用于平行流雙側的給液裝置；規格為標稱450塊/h的1臺殘疾洗滌機組；規格為Q=1180m2/h；H=35m的8臺溶液循環泵；規格為TMY-300×12、12片的470t電力母線；規格為標稱450塊/h的2臺陽極整形加工機組；規格為F=720m2的4臺電解液凈化過濾機；規格為F=180m2的8臺板式換熱器；規格為5840mm×1170mm×1400mm的1088臺電解槽；規格為180V，48kA的2臺整流器。

從各類指標項目對比結果得知，相比較常規PC電解技術而言，雙向平行流技術在應用期間，整體數值電解槽使用量可大規模的減少120臺，短路開關減少2臺，不銹鋼陰極板使用量也減少了6000臺。但是專用吊車、板式換熱器、電力母線、溶液循環泵等設備的設備需求量很大。

3.3 固定資產投資對比

銅電解生產期間，生產企業固定資產主要包含有設備安裝資金、購置設備成本、建造成本支出。按照常規PC電解技術和雙向平行流技術兩種方案主要設備選型，在布置電解車間廠房的時候，其選擇應用的方式為單跨布置方式，在廠房中間配置機組為槽面作業率作出嚴格控制。建設雙向平行流技術的主廠房，其占地面積總共為372.4m×33mm，常規PC電解主廠房建筑面積總共為402.4m×33m。電解車間在建設期間，不僅要配備好陽極泥濃密壓濾、電解液凈化過濾、電解循環槽等設備以外，還需要完成暖通通風間、電力配電室等硬件設備安裝。按照相關工程施工工藝案例為出發點，兩種電解銅工藝技術的附跨配置基本保持相同，所以兩種類型的附跨配置占地面積相差較小。

從設備對比分析結果顯示，電力設備和工藝設備之間的配置差異相對較大，購置單體設備以及安裝單體設備，其資金支出要對市場報價作出綜合分析。雙向平行流技術方案相比較于常規PC電解方案可顯著節省資金支出，建造廠房的成本、購置設備和安裝設備的成本支出也小很多。

3.4 經營成本對比

電解銅生產企業在生產經營期間，其經營成本項目包含有職工薪酬、動力能耗成本、原材料費用支出等。其中，電解銅精煉車間生產所使用的原材料包含有銅陽極板、鹽酸、添加劑以及硫酸，動力成本包含有設備交流電電能消耗、直流電電能消耗、蒸汽能耗。電解銅生產廠家在銅電解階段，可按照其自身生產運行狀況對工作人員數量進行調整，同時各個地區的勞動成本支出也存在差異性，本次方案在研究期間不將職工薪酬差異納入研究范圍。所以，雙向平行流技術和常規PC電解技術方案經營成本作出對比。

常規PC電解方案363kt用量的陽極板，共耗費1631925萬元；142t鹽酸共耗費7.2萬元；36t添加劑共耗費86.4萬元；257t硫酸共耗費3.5萬元。方案實施共計使用2.5×107kWh交流電電能，需要資金投入為1560萬元；共計使用9.0×107kWh直流電電能，需要資金投入5720萬元，63t的蒸汽能耗567萬元。

雙向平行流技術方案363kt用量的陽極板，共耗費1631925萬元；142t鹽酸共耗費7.2萬元；36t添加劑共耗費86.4萬元；257t硫酸共耗費3.5萬元。方案實施共計使用2.8×107kWh交流電電能，需要資金投入為1780萬元；共計使用9.3×107kWh直流電電能，需要資金投入5912萬元，15kt的蒸汽能耗135萬元。

從經營成本對比中可以看的出來，在電解銅年產400kt的規模下，雙向平行流技術和常規PC電解技術原材料成本支出是保持相同的，但是從動力能耗方面作出比較，卻存在的十分明顯的差異。雙向平行流技術方案的蒸汽能耗成本支出，遠遠的低于常規PC電解，綜合電能消耗量比常規PC電解方案略高一籌。設備交流電電能消耗的原因，主要是為了符合雙向平行流技術溶液循環量的基本需求，設備具有比較大的負荷。所以，相比較常規PC電解技術而言，雙向平行流技術電解成本節省很多。

3.5 流動資金投資對比

電解車間流動資金投資成本分為中間產品效益、電解車間副產品和槽存銅成本。槽存銅是指在正常的生產經營期間，電解車間所需要的銅量累積，主要分為電解槽內陽極板含銅量和電解液中的含銅量。電解車間在生產經營期間，若是可降低槽存銅的數量，便可以顯著削減流動資金成本支出，使得投資成本下降。電解車間副產品主要是指陽極泥，陽極泥含有銀元素和金元素等物質，在電解生產階段，為提高銀回收含量可選擇降低陰極銅含銀量。電解車間中間產品主要是指電解精煉陽極板后獲得殘陽極。經殘極洗滌劑組處理后，殘極經過叉車運輸到火法熔煉車間精煉爐內進行重新熔煉。所以，想要降低工廠流動資金投資成本，可降低電解車間殘極量。

槽存銅成本支出。雙向平行流技術方案選擇高電流密度電解方案，可降低電解槽數量、電解液用量和槽存陽極銅。兩種技術方案在應用階段，常規PC電解技術電解液的含銅量為39t，需要成本支出195萬元，槽內陽極板含銅量為17875t，需要成本支出89375萬元；雙向平行流技術方案的電解液含銅量為34.5t，需要成本支出172.5萬元，槽內陽極板的含銅量為15645t，需要資金支出為78225萬元。相比較常規PC電解技術，雙向平行流技術可降低槽存銅量和流動資金支出，每年可大量削減資金周轉利息。

銀回收效益。在銅電解精煉期間提高貴金屬回收率，對提高經濟效益、增強銅冶煉廠資源回收利用效率等，均具有積極意義。金回收率和銀回收率也是衡量電解銅技術經濟指標的關鍵。降低陰極銅含銀量，可間接的增加銀回收率，電解槽內溶液在雙向平行流技術的影響下，呈自上而下流動，與陽極泥沉降方向保持良好的一致性，不會在使用期間使陽極泥在電解液中出現漂浮翻騰的現象。基于銅電解廠試驗數據顯示，應用雙向平行流技術陰極銅含量為4×10-6～5×10-6，常規PC電解技術陰極銅含量為9×10-6～10×10-6。按照300kt產能規模，常規PC電解方案相對于雙向平行流技術，可減少1.5t銀回收量，價值大約為550萬元。

4 結語

平行流技術是一種高效、先進的新型銅電解工藝技術，對提高效率和產能有著十分積極作用。同時在生產實踐期間存在部分問題，比如電解液設置參數不當、陰極銅結晶粗糙等問題，這些問題的出現會為平行流技術發展造成一定程度的影響。在加工期間也會因為操作不當導致問題，實踐效果和生產數據為優化技術提供重要數據資料。