鄧文濤，付偉岸，袁劍平

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

1 雙向平行流技術(shù)研發(fā)背景

常規(guī)PC 電解工藝技術(shù)起源于1978 年澳大利亞Mount Isa Mines 公司Townsville 冶煉廠[1]。該技術(shù)于2003 年在貴溪200 kt 電解工程上首次引進(jìn)，該電解車間經(jīng)歷了10 年多的不斷優(yōu)化擴(kuò)建調(diào)整，年產(chǎn)陰極銅可達(dá)320 kt。 由于不銹鋼陰極板具有良好的板面平直和垂直度、良好的剛度與韌性，且重復(fù)耐用，電流密度均勻，常規(guī)PC 電解工藝已形成以不銹鋼陰極為中心， 配套陰極剝片機(jī)組、 陽(yáng)極整形加工機(jī)組、 殘極洗滌機(jī)組及專用吊車等多種自動(dòng)化設(shè)備的現(xiàn)代化銅電解精煉技術(shù)模板[2]。

常規(guī)PC 電解工藝的電流密度一般控制為280~330 A/m2[3]，當(dāng)進(jìn)一步提高電流密度時(shí)，將產(chǎn)生嚴(yán)重的濃差極化和陽(yáng)極鈍化等現(xiàn)象,導(dǎo)致陰極銅的質(zhì)量降低。如何提高銅電解電流密度，已成為常規(guī)PC電解工藝技術(shù)發(fā)展瓶頸。為此，中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“中國(guó)瑞林”）聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家科研院所和生產(chǎn)單位，歷經(jīng)數(shù)年摸索和優(yōu)化，研發(fā)出針對(duì)高電流密度電解的雙向平行流工藝新技術(shù)。

雙向平行流技術(shù)原型在中國(guó)瑞林（原南昌有色冶金設(shè)計(jì)研究院）1996 年設(shè)計(jì)的中國(guó)沈新100 kt 銅電解車間應(yīng)用了18 年。 溶液從兩側(cè)邊上口進(jìn)入，循環(huán)量是傳統(tǒng)電解工藝的3 倍，在傳統(tǒng)始極片工藝條件下電流密度仍可達(dá)320 A/m2。 從2014 年8 月起，中國(guó)瑞林在貴溪冶煉廠開展了數(shù)年的生產(chǎn)試驗(yàn)，經(jīng)過不斷的完善和優(yōu)化調(diào)整，得到了在高電流密度條件下，添加劑、電解液循環(huán)流量及平行流給液裝置噴嘴結(jié)構(gòu)等生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)控制參數(shù)。 雙向平行流技術(shù)最大特點(diǎn)是改變了傳統(tǒng)電解液的循環(huán)方式，溶液從集成在電解槽兩側(cè)邊上部的專用溶液通道進(jìn)入，平行進(jìn)入每塊陰極和陽(yáng)極板之間，再向下流動(dòng)，從底部端頭虹吸而出，電流密度可提高至350~380 A/m2，甚至更高，且產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到A 級(jí)銅的標(biāo)準(zhǔn)，其原理詳見圖1[4]。雙向平行流高效電解工藝已于2015 年1 月通過江西省科技廳組織的科學(xué)技術(shù)成果鑒定，鑒定結(jié)論是主要工藝指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[5]。

圖1 雙向平行流技術(shù)原理示意

2 雙向平行流技術(shù)在銅電解工藝中的應(yīng)用進(jìn)展

近幾年雙向平行流技術(shù)在銅電解行業(yè)已掀起一股工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用的熱潮，2015 年8 月開始在赤峰云銅傳統(tǒng)的始極片電解車間生產(chǎn)應(yīng)用，投入兩組10個(gè)雙向平行流電解槽。 與常規(guī)PC 電解工藝相比，電流密度提升至352 A/m2，電耗增加幅度不大，陰極銅化學(xué)成分和表觀質(zhì)量更好，單槽產(chǎn)量可增加30%。

中鋁東南銅業(yè)有限公司是目前國(guó)內(nèi)首家最大規(guī)模雙向平行流技術(shù)應(yīng)用的銅冶煉廠，該電解車間的設(shè)計(jì)充分融合了中國(guó)瑞林在雙向平行流技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新的多年經(jīng)驗(yàn)，并糅合多回路平衡導(dǎo)電技術(shù)和酸霧抑制技術(shù)等多種先進(jìn)的電解精煉裝備技術(shù)。 電解車間于2018 年11 月5 日順利一次性投產(chǎn)運(yùn)行，其各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)良好，并已于2019 年4 月實(shí)現(xiàn)了達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。

歷經(jīng)多年的方案論證和精心設(shè)計(jì)，南國(guó)銅業(yè)有限公司一期電解車間已于2019 年4 月14 日順利投產(chǎn)運(yùn)行，試生產(chǎn)期間各項(xiàng)工藝技術(shù)參數(shù)控制平穩(wěn)，所生產(chǎn)的電銅均達(dá)到A 級(jí)銅標(biāo)準(zhǔn)。 雙向平行流技術(shù)推廣應(yīng)用獲得眾多業(yè)主一致的認(rèn)可和好評(píng)，在國(guó)內(nèi)銅電解工藝中的應(yīng)用情況匯總于表1。

表1 雙向平行流技術(shù)在國(guó)內(nèi)銅電解工藝中的應(yīng)用情況

3 雙向平行流技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

隨著雙向平行流技術(shù)在各冶煉廠的逐步應(yīng)用推廣，其優(yōu)勢(shì)也日益突顯?；谝睙拸S現(xiàn)有生產(chǎn)運(yùn)行狀況和各技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，本文擬對(duì)比分析300 kt/a 產(chǎn)能規(guī)模銅電解精煉車間分別采用雙向平行流技術(shù)和常規(guī)PC 電解工藝方案在建設(shè)投產(chǎn)后1 年內(nèi)實(shí)際發(fā)生的資金流出和流入差異[6]，為企業(yè)主的方案選擇提供參考性的意見。 現(xiàn)金流出主要對(duì)比兩種方案的固定資產(chǎn)投資和經(jīng)營(yíng)成本及流動(dòng)資金投資。 固定資產(chǎn)投資的對(duì)比以廠房建造成本、設(shè)備購(gòu)置和安裝費(fèi)用為主，經(jīng)營(yíng)成本的對(duì)比以原材料費(fèi)用、動(dòng)力能耗成本和職工薪酬為主，流動(dòng)資金投資的對(duì)比以生產(chǎn)運(yùn)行中電解精煉車間的槽存銅成本、銀回收效益及殘極重熔成本為主。 現(xiàn)金流入為銅電解精煉廠的陰極銅銷售金額，由于兩種方案均以年產(chǎn)300 kt/a 合格陰極銅計(jì)，忽略陰極銅市場(chǎng)對(duì)現(xiàn)金流入的影響，因此，兩種方案的現(xiàn)金流入相一致。

3.1 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

本文只對(duì)雙向平行流技術(shù)方案和常規(guī)PC 電解方案有差異性的地方進(jìn)行詳細(xì)說明，忽略其相同部分，為凸顯兩者方案的差異性，結(jié)合國(guó)內(nèi)生產(chǎn)規(guī)模和氣候環(huán)境相近的兩家銅冶煉廠的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)情況，兩種方案的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)控制見表2。

表2 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3.2 主要設(shè)備選型

假定兩種方案均為新建廠區(qū)，兩種方案的電解槽均采用整體樹脂槽，年工作時(shí)間均按350 d 計(jì)，根據(jù)2 種方案的工藝技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)備選型計(jì)算和車間配置，主要設(shè)備配置情況如表3 所示。

表3 主要設(shè)備配置對(duì)比

從表3 中可以看出，雙向平行流技術(shù)比常規(guī)PC電解可減少120 臺(tái)整體樹脂電解槽、6 600 塊不銹鋼陰極板和2 臺(tái)短路開關(guān)，但是在輔助設(shè)備如溶液循環(huán)泵、板式換熱器、專用吊車和電力母線等方面，雙向平行流技術(shù)方案的設(shè)備能力需求較大。

3.3 固定資產(chǎn)投資對(duì)比

固定資產(chǎn)投資主要包括廠房建造成本、設(shè)備購(gòu)置和安裝費(fèi)用，根據(jù)2 種方案的主要設(shè)備選型，電解車間主廠房均采用單跨布置，機(jī)組配置于廠房中間，便于控制槽面作業(yè)率。 雙向平行流技術(shù)主廠房的建筑占地面積為372.4 m×33 m，常規(guī)PC 電解主廠房的建筑占地面積為402.4 m×33 m。 電解車間附跨除了用于配置電解循環(huán)槽、電解液凈化過濾及陽(yáng)極泥濃密壓濾等設(shè)備，還有電力配電室和暖通通風(fēng)間，根據(jù)相關(guān)工程應(yīng)用案例,兩種工藝方案的附跨配置大體相同，因此，附跨占地面積相差不大。

根據(jù)主要設(shè)備配置對(duì)比表3 中工藝設(shè)備和電力設(shè)備配置差異，單體設(shè)備的購(gòu)置和安裝費(fèi)用參考相關(guān)建設(shè)項(xiàng)目的市場(chǎng)報(bào)價(jià)。 雙向平行流技術(shù)方案比常規(guī)PC 電解方案可節(jié)省固定資產(chǎn)投資1 190 萬(wàn)元，其中廠房建造成本可節(jié)省590 萬(wàn)元， 設(shè)備購(gòu)置和安裝費(fèi)用可節(jié)省600 萬(wàn)元。

3.4 經(jīng)營(yíng)成本對(duì)比

經(jīng)營(yíng)成本主要包括原材料費(fèi)用、動(dòng)力能耗成本和職工薪酬，其中電解精煉車間的原材料包括銅陽(yáng)極板、添加劑、硫酸和鹽酸，動(dòng)力成本包括蒸汽能耗和電耗（直流電耗和設(shè)備交流電耗）成本。 由于各冶煉廠往往根據(jù)自身生產(chǎn)運(yùn)行狀況調(diào)整勞動(dòng)定員，且各地勞動(dòng)成本不盡相同，本次方案對(duì)比忽略職工薪酬差異。 因此，兩種方案的經(jīng)營(yíng)成本對(duì)比見表4。

表4 經(jīng)營(yíng)成本對(duì)比

從表4 中可以看出，年產(chǎn)300 kt 規(guī)模下兩種方案原材料成本是相同的，但是動(dòng)力能耗上有較大差異，雙向平行流技術(shù)方案的蒸汽能耗遠(yuǎn)低于常規(guī)PC電解，綜合電耗略高于常規(guī)PC 電解方案，設(shè)備交流電耗較高的主要原因是為滿足雙向平行流技術(shù)的溶液循環(huán)量需求，溶液循環(huán)泵設(shè)備負(fù)荷較大。 因此，雙向平行流技術(shù)比常規(guī)PC 電解可節(jié)省經(jīng)營(yíng)成本約20萬(wàn)元。

3.5 流動(dòng)資金投資對(duì)比

電解車間流動(dòng)資金投資主要包括槽存銅成本、電解車間副產(chǎn)品及中間產(chǎn)品效益。 槽存銅是指維持電解車間正常生產(chǎn)所需的累積銅量，主要為電解槽內(nèi)陽(yáng)極板含銅量及電解液中含銅量。 電解車間生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)減少槽存銅量可降低流動(dòng)資金投資成本。 電解車間副產(chǎn)品是指陽(yáng)極泥。 由于陽(yáng)極泥富含貴金屬金、銀，電解車間生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)常通過降低陰極銅中的含銀量來間接提高銀的回收率。 電解車間中間產(chǎn)品是指陽(yáng)極板經(jīng)電解精煉后的殘陽(yáng)極。殘極經(jīng)殘極洗滌機(jī)組處理后由叉車送至火法熔煉車間精煉爐重熔。因此，降低電解車間殘極量可降低冶煉廠流動(dòng)資金投資成本。

1）槽存銅成本。 雙向平行流技術(shù)方案采用高電流密度電解，采用的電解槽數(shù)量少，槽存陽(yáng)極銅和電解液少。 兩種方案的槽存銅成本對(duì)比見表5。

表5 槽存銅成本對(duì)比

從表5 中可以看出，雙向平行流技術(shù)比常規(guī)PC電解方案可減少槽存銅量2 234.5 t，減少流動(dòng)資金投資成本11 172.5 萬(wàn)元，每年可節(jié)省流動(dòng)資金周轉(zhuǎn)利息547 萬(wàn)元。

2）銀回收效益。 提高貴金屬在電解精煉過程中的回收率，對(duì)于提高銅冶煉廠資源利用率及經(jīng)濟(jì)效益有著重要意義，金、銀的回收率也是銅冶煉廠重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。降低陰極銅的含銀率可間接提高銀的回收率，應(yīng)用雙向平行流技術(shù)的電解槽內(nèi)溶液自上而下流動(dòng)，與陽(yáng)極泥沉降方向保持一致，不易使陽(yáng)極泥在電解液中翻騰漂浮。 根據(jù)冶煉廠化驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋，雙向平行流技術(shù)方案的陰極銅含銀量為4×10-6~5×10-6，常規(guī)PC 電解方案陰極銅含銀量為9×10-6~10×10-6。 忽略銅精礦中銀含量變化對(duì)貴金屬車間銀回收的影響，按照300 kt 產(chǎn)能規(guī)模，雙向平行流技術(shù)比常規(guī)PC電解方案每年可間接實(shí)現(xiàn)增加1.5 t 回收銀，價(jià)值約550 萬(wàn)元。

3）殘極重熔效益。 根據(jù)兩種方案的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表2，雙向平行流技術(shù)方案的殘極率比常規(guī)PC 電解低1.5%，按照300 kt 產(chǎn)能規(guī)模，每年可少產(chǎn)出4 500 t 殘極，銅冶煉廠因此可節(jié)省重熔成本約10 萬(wàn)元。 此外，4 500 t 殘極占用流動(dòng)投資成本2.3億元， 雙向平行流技術(shù)方案每年可節(jié)省流動(dòng)資金周轉(zhuǎn)利息1 000 萬(wàn)元。

4 結(jié)論

按300 kt 產(chǎn)能規(guī)模，采用雙向平行流技術(shù)方案，可比常規(guī)PC 電解工藝方案節(jié)省固定資產(chǎn)投資1 190萬(wàn)元，經(jīng)營(yíng)成本20 萬(wàn)元，減少流動(dòng)資金投資約3 億元，每年可節(jié)省流動(dòng)資金周轉(zhuǎn)利息1 550 萬(wàn)元。 兩種方案的現(xiàn)金流量對(duì)比分析充分突顯雙向平行流技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：1）電解槽采用雙噴嘴雙向平行上部進(jìn)液，下部出液，槽內(nèi)電解液分布均勻，溶液溫差小，電流密度高，單槽產(chǎn)能大。 2）槽內(nèi)電解液自上而下流動(dòng)，與陽(yáng)極泥沉降方向保持一致，不易使陽(yáng)極泥在電解液中翻騰漂浮，陰極銅銀含量可降低60%。3）雙向平行流技術(shù)方案電解廠房占地面積小，適用于銅電解精煉廠的擴(kuò)建和改造。 4）雙向平行流技術(shù)蒸汽單耗低，綜合能耗優(yōu)于常規(guī)PC 電解工藝。 5）雙向平行流技術(shù)槽存銅成本低、殘極量少，固定資產(chǎn)投資較少。6）雙向平行流技術(shù)充分利用高電流密度、合理能耗和減少投資三者之間的平衡，在合理范圍內(nèi)提高電流密度，減少設(shè)備用量并縮短廠房建筑面積，從而降低項(xiàng)目整體投資和加快流動(dòng)資金周轉(zhuǎn)，是我國(guó)銅電解行業(yè)發(fā)展應(yīng)用的新方向。