双向平行流铜电解技术的应用及价值探究

戴 超

平行流技术实质是比较新颖的电解精炼技术，技术实施阶段需综合喷射装置保证按照预定的轨道和速度实现电解液流动控制，保证对反应速率的良好把控，以最大限度的规避阳极钝化问题和浓度差问题。电解铜是指通过应用专门的技术工艺，将粗铜进行通电处理而获得纯铜的过程。电解铜在人们的生产和生活中有着良好的应用，在有色金属领域，其消费价值和应用作用近似于铝，所以国防工业、建筑工业、化工工业、电气行业以及机械制造业等多个领域已经广泛使用。

1.1 双向平行流技术理论

平行流技术作为一种比较全新的电解精炼工艺手段，在应用期间可通过辅助装置保证电解液按照设定的轨道和速度流动到相应的位置，从而确保对反应速率做好良好控制，并保证最大限度的规避阳极钝化问题和浓度差问题。电解铜期间，要以法拉第定律为依据，对阳极板表面上的沉积铜质量进行计算。沉积铜的质量是电流密度值、时间、极板表面积、法拉第常数、铜离子电荷数的乘积。电解液在进入阴极和阳极板间的时候，以平行的状态喷射进入，其位置位于阳极板侧下部（上部），速度为0.5m/s～2.5m/s，为电解液提供充足的动能。在阳极表面，电解液向下运动，在阴极表面，电解液向上运动，在阳极和阴极之间形成良好的内循环，将浓差极化消除的同时，带动阳极板表层阳极泥块以最大的速度沉降，既能够将阳极钝化问题消除，还可以将阳极钝化相膜打破，促使生产朝向更高电流密度发展。高电流在转化期间所产生的热能，足以保障电解液处于热平衡状态，蒸汽加热所消耗的能量总体上降低约85%，使得节能效果日臻显著。

1.2 平行流技术流程

为电解槽供液时选择循环槽，应经过变频泵实现，这种处理方法可灵活性的取代电解循环系统中的高位槽（实际生产过程中是泵将电解液打入高位槽，再经过分液包，均匀给电解槽供液，其中分液包上安装阀，用于排出电解液流入分液包时产生的气泡），提高供液效率与稳定性。电解槽供液分为两侧给液和侧面给液两种方式，一般的进液装置的喷嘴流出电解液，在槽面（电解槽）两端位置对电解液进行汇总处理，并将其返回到循环槽内（上清液槽内，再通过将电解液用精细过滤机过滤后返回循环槽）。在出装槽作业期间，应用循环电解液压力和变频泵设备实现联锁，对电解液给液量实施调节，自动化完成电解槽给液调节（可以通过调节分液包出口阀门进行液量调节）。利用平行流装置准确的对阴极板定位，在电解装槽阶段使用自动电解装用电解槽间和吊车快速且准确的定位，确保带有阴极定位器的平行流装置可以实现自动化生产。

2.1 传统法铜电解技术

传统法在中型和小型铜电解生产企业内被广泛使用，其凭借成熟且可靠的工艺，特别是综合自动化和机械化水平，使得应用水平获得全面提高，加工处理阳极和始极片后，可增强阳极板和阴极板垂直度，保证生产完成的阴极铜产品质量达标。始极片制作具有比较复杂的工艺手段，必须搭配独立的生产系统，可见其生产成本很高，强大的劳动力需求也增加了人力成本支出。虽然技术手段应用了机组，但不能保证始极片质量和平直度，特别是在大极板电解期间较为容易发生短路故障，对阴极铜质量产生影响。随着铜电解规模化发展，传统铜电解技术在新建设完成的工厂内基本已经被淘汰。

2.2 周期反向电流法技术

周期反向电流法技术相比较传统法具有比较高的槽电压和电流密度，但是其电流效率有效性不足，电能消耗量高出传统法30%左右。在能源资源紧张和能源费用支出增加的大背景下，周期反向电流技术的推广性受到严重制约。所以，从上世纪九十年代以来，周期反向电流技术受到各类不良因素的影响而没有被更进一步被推广使用。

2.3 永久阴极法技术

永久阴极法技术比较适合在规模较大的铜电解生产单位内应用，这种方法具有小的极距、高电流密度、短阴极周期、低蒸汽耗量、低残极率、高自动化水平和简单的流程。这项技术一次性投资相对较大，但是其优点很多，是当前新建设的冶炼厂首先方式之一。

2.4 平行流技术

2011年7月，平行流技术首次在我国正式投入生产，随着技术更迭和研究成果更新，该技术手段在铜电解领域获得广泛推崇，逐渐取代了常规不锈钢永久阴极电解技术。平行流技术拥有比较昂贵的喷射装置，设备受腐蚀影响程度高，阳极钝化情节严重，电解液冷却和电铜容易长气孔等问题。按照相关研究结果显示，电极上的扩散层厚度最小化是将极限电流密度提高的崭新突破口。在生产期间要紧紧围绕着铜离子浓度、电解液酸度、电解液循环速度以及电解液循环方式等各影响因素，达到常规永久阴极高电流密度电解。高电流密度电解密度值为365A/m2～370A/m2；
铜离子（Cu2+）浓度为45g/l～55g/l；
硫酸浓度为160g/l～180g/l；
Ni离子浓度为≤18g/l；
Bi离子浓度为≤0.5g/l；
Sb离子浓度为≤0.5g/l；
As离子浓度为≤8g/l；
电解液温度值为63℃～67℃；
硫脲参数为45g/tCu～55g/tCu；
极间距为100mm；
循环流量为65L/min～90L/min。

在电解铜生产工厂的经营与运转期间，双向平行流技术获得推广，且以应用优势得以显著凸显。以电解铜现有生产运行现状为依托，判断各类生产经济指标在技术应用中的应用优势。

3.1 主要经济技术指标

为对双向平行流技术方案的应用优势形成系统且客观的认识，在分析阶段选择常规PC电解方案作为对比，作出详细说明。将双向平行流技术和PC电解方案相同的部分忽略，重点阐述两者之间的不同，将国内气候环境相近和生产规模相同的两家电解铜生产企业运营情况作出比较。常规PC电解技术电流密度值为280A/m2～320A/m2，阳极周期为18d，阴极周期为9d，槽电压为0.28V～0.35V，槽面作业率为95%，电流效率为＜98.5%，每槽阳极数量为56块，每槽阴极数量为55块，残极率为＞14%，电解液循环速度为30L/min～35L/min，吨铜蒸汽单耗为0.21t，吨铜直流电单耗为280kWh～300kWh，吨铜交流电单耗为330kWh～350kWh。双向平行流技术电流密度值为350A/m2到400A/m2，阳极周期为16d，阴极周期为8d，槽电压为0.32V～0.45V，槽面作业率为98%，电流效率为＞98.5%，每槽阳极数量为56块，每槽阴极数量为55块，残极率为13.5%～14%，电解液循环速度为60L/min～90L/min，吨铜蒸汽单耗为0.02tt，吨铜直流电单耗为300kWh～320kWh，吨铜交流电单耗为350kWh～400kWh。

3.2 主要设备选型

假设双向平行流技术和PC电解技术方案均运用在新生产厂区，使用整体树脂槽作为电解槽，按照350天作为年工作时间进行计算。按照两种方案的工艺技术参数计算设备选型，同时做好合理的车间硬件配置。

常规PC电解技术方案需要使用规格为S=31.5m；
Gn=4×8t/3t的两台专用吊车；
规格为1010mm×1029mm的46200块不锈钢阴极板；
20台短路开关；
1680套用于底管和进液弯管的给液装置；
规格为标称450块/h的1台残疾洗涤机组；
规格为Q=500m2/h；
H=35m的6台溶液循环泵；
规格为TMY-300×12、10片的450t电力母线；
规格为标称450块/h的2台阳极整形加工机组；
规格为F=250m2的2台电解液净化过滤机；
规格为F=80m2的6台板式换热器；
规格为5840mm×1170mm×1400mm的840台电解槽；
规格为210V，38kA的2台整流器。

双向平行流技术方案需要使用规格为S=31.5m；
Gn=4×8.5t/3t的4台专用吊车；
规格为1010mm×1029mm的59840块不锈钢阴极板；
32台短路开关；
1088套用于平行流双侧的给液装置；
规格为标称450块/h的1台残疾洗涤机组；
规格为Q=1180m2/h；
H=35m的8台溶液循环泵；
规格为TMY-300×12、12片的470t电力母线；
规格为标称450块/h的2台阳极整形加工机组；
规格为F=720m2的4台电解液净化过滤机；
规格为F=180m2的8台板式换热器；
规格为5840mm×1170mm×1400mm的1088台电解槽；
规格为180V，48kA的2台整流器。

从各类指标项目对比结果得知，相比较常规PC电解技术而言，双向平行流技术在应用期间，整体数值电解槽使用量可大规模的减少120台，短路开关减少2台，不锈钢阴极板使用量也减少了6000台。但是专用吊车、板式换热器、电力母线、溶液循环泵等设备的设备需求量很大。

3.3 固定资产投资对比

铜电解生产期间，生产企业固定资产主要包含有设备安装资金、购置设备成本、建造成本支出。按照常规PC电解技术和双向平行流技术两种方案主要设备选型，在布置电解车间厂房的时候，其选择应用的方式为单跨布置方式，在厂房中间配置机组为槽面作业率作出严格控制。建设双向平行流技术的主厂房，其占地面积总共为372.4m×33mm，常规PC电解主厂房建筑面积总共为402.4m×33m。电解车间在建设期间，不仅要配备好阳极泥浓密压滤、电解液净化过滤、电解循环槽等设备以外，还需要完成暖通通风间、电力配电室等硬件设备安装。按照相关工程施工工艺案例为出发点，两种电解铜工艺技术的附跨配置基本保持相同，所以两种类型的附跨配置占地面积相差较小。

从设备对比分析结果显示，电力设备和工艺设备之间的配置差异相对较大，购置单体设备以及安装单体设备，其资金支出要对市场报价作出综合分析。双向平行流技术方案相比较于常规PC电解方案可显著节省资金支出，建造厂房的成本、购置设备和安装设备的成本支出也小很多。

3.4 经营成本对比

电解铜生产企业在生产经营期间，其经营成本项目包含有职工薪酬、动力能耗成本、原材料费用支出等。其中，电解铜精炼车间生产所使用的原材料包含有铜阳极板、盐酸、添加剂以及硫酸，动力成本包含有设备交流电电能消耗、直流电电能消耗、蒸汽能耗。电解铜生产厂家在铜电解阶段，可按照其自身生产运行状况对工作人员数量进行调整，同时各个地区的劳动成本支出也存在差异性，本次方案在研究期间不将职工薪酬差异纳入研究范围。所以，双向平行流技术和常规PC电解技术方案经营成本作出对比。

常规PC电解方案363kt用量的阳极板，共耗费1631925万元；
142t盐酸共耗费7.2万元；
36t添加剂共耗费86.4万元；
257t硫酸共耗费3.5万元。方案实施共计使用2.5×107kWh交流电电能，需要资金投入为1560万元；
共计使用9.0×107kWh直流电电能，需要资金投入5720万元，63t的蒸汽能耗567万元。

双向平行流技术方案363kt用量的阳极板，共耗费1631925万元；
142t盐酸共耗费7.2万元；
36t添加剂共耗费86.4万元；
257t硫酸共耗费3.5万元。方案实施共计使用2.8×107kWh交流电电能，需要资金投入为1780万元；
共计使用9.3×107kWh直流电电能，需要资金投入5912万元，15kt的蒸汽能耗135万元。

从经营成本对比中可以看的出来，在电解铜年产400kt的规模下，双向平行流技术和常规PC电解技术原材料成本支出是保持相同的，但是从动力能耗方面作出比较，却存在的十分明显的差异。双向平行流技术方案的蒸汽能耗成本支出，远远的低于常规PC电解，综合电能消耗量比常规PC电解方案略高一筹。设备交流电电能消耗的原因，主要是为了符合双向平行流技术溶液循环量的基本需求，设备具有比较大的负荷。所以，相比较常规PC电解技术而言，双向平行流技术电解成本节省很多。

3.5 流动资金投资对比

电解车间流动资金投资成本分为中间产品效益、电解车间副产品和槽存铜成本。槽存铜是指在正常的生产经营期间，电解车间所需要的铜量累积，主要分为电解槽内阳极板含铜量和电解液中的含铜量。电解车间在生产经营期间，若是可降低槽存铜的数量，便可以显著削减流动资金成本支出，使得投资成本下降。电解车间副产品主要是指阳极泥，阳极泥含有银元素和金元素等物质，在电解生产阶段，为提高银回收含量可选择降低阴极铜含银量。电解车间中间产品主要是指电解精炼阳极板后获得残阳极。经残极洗涤剂组处理后，残极经过叉车运输到火法熔炼车间精炼炉内进行重新熔炼。所以，想要降低工厂流动资金投资成本，可降低电解车间残极量。

槽存铜成本支出。双向平行流技术方案选择高电流密度电解方案，可降低电解槽数量、电解液用量和槽存阳极铜。两种技术方案在应用阶段，常规PC电解技术电解液的含铜量为39t，需要成本支出195万元，槽内阳极板含铜量为17875t，需要成本支出89375万元；
双向平行流技术方案的电解液含铜量为34.5t，需要成本支出172.5万元，槽内阳极板的含铜量为15645t，需要资金支出为78225万元。相比较常规PC电解技术，双向平行流技术可降低槽存铜量和流动资金支出，每年可大量削减资金周转利息。

银回收效益。在铜电解精炼期间提高贵金属回收率，对提高经济效益、增强铜冶炼厂资源回收利用效率等，均具有积极意义。金回收率和银回收率也是衡量电解铜技术经济指标的关键。降低阴极铜含银量，可间接的增加银回收率，电解槽内溶液在双向平行流技术的影响下，呈自上而下流动，与阳极泥沉降方向保持良好的一致性，不会在使用期间使阳极泥在电解液中出现漂浮翻腾的现象。基于铜电解厂试验数据显示，应用双向平行流技术阴极铜含量为4×10-6～5×10-6，常规PC电解技术阴极铜含量为9×10-6～10×10-6。按照300kt产能规模，常规PC电解方案相对于双向平行流技术，可减少1.5t银回收量，价值大约为550万元。

平行流技术是一种高效、先进的新型铜电解工艺技术，对提高效率和产能有着十分积极作用。同时在生产实践期间存在部分问题，比如电解液设置参数不当、阴极铜结晶粗糙等问题，这些问题的出现会为平行流技术发展造成一定程度的影响。在加工期间也会因为操作不当导致问题，实践效果和生产数据为优化技术提供重要数据资料。