电解铜初步设计

第三章电解精炼

3.1 概述

本项目处理的原料为葫芦岛锌业股份有限公司铜熔炼技术改造项目所产的粗铜和外购粗铜、紫杂铜，整个湿法系统由铜电解厂房和净液厂房两大部分组成。

20万t/a铜电解采用不锈钢永久阴极电解工艺。净液车间的净液流程包括一段脱铜电解、生产硫酸铜和二段脱铜电解。

3.2 铜电解车间

3.2.1原料、辅助材料及产品

（1）原料

原料：年处理阳极铜244640.06t/a。其中自产原料产电铜150000t/a,外购粗铜和紫杂铜产电铜50000t/a。

阳极单块重380kg,有效尺寸960×1000mm。

阳极铜成分如表3-1所示。

表3-1 铜阳极板成分表

（2）辅助材料：

硫酸：2000t/a。

盐酸：80～120t/a。

硫脲：6t/a。

明胶：10t/a。

干酪素：6t/a。

（3）产品

阴极铜：200000t/a，含Cu99.9935%

产品质量符合GB/T467-1997 A级铜Cu-CATH-1国家标准。

残极：39143.781t/a,含Cu 99.5% 返回铜熔炼

阳极泥：1000t/a

含Cu 14.31% ,Au 1623.18g/t，Ag 19.63%，送葫芦岛锌业股份有限公司阳极泥处理系统。

3.2.2 工艺流程

3.2.2.1 工艺流程选择

铜电解工艺按阴极的不同类型主要分为传统始极片法和不锈钢永久阴极法。

传统始极片法是通过在由金属钛或者不锈钢制成的阴极（种板）上经过电解反应产出物理外形尺寸、化学成分符合电解具体工艺要求的纯铜薄片（始极片），铜薄片经校平、穿棒等加工、制作后，作为生产系统的阴极使用。在生产过程中，铜离子在由铜薄片制成的阴极上的得到电子后不断沉积、析出，达到一定重量后得到产品阴极铜。葫芦岛锌业股份有限公司北方铜业公司现有的电解铜厂采用就是传统小极板工艺。

不锈钢永久性阴极法是采用不锈钢板制作的阴极，铜离子在阴极上析出，直接产出最终产品阴极铜。阴极铜需从不锈钢极板上剥离，不锈钢阴极可在寿命周期内反复使用，因此废除了种板系统和始极片的加工、制作过程，大大简化了生产工序。由于不锈钢阴极有很好的平直度，电流分布均匀，可以在相对较高的电流密度下进行生产，阴极铜质量稳定。

从2002年以来所建成或在建及拟建的铜电解项目80%均应用不锈钢永久阴极法，由此可见采用永久不锈钢阴极法已成为电解铜精炼生产的一个发展趋势。

铜电解工艺按阳极外形尺寸和重量又分为大极板工艺和小极板工艺。大极板工艺和小极板工艺是相对而言的，通常将阳极单块重量大于300kg的称为大极板，200kg左右的称为小极板。大极板工艺优势明显，相对小极板可采用大跨度的厂房和大型电解槽，单位面积产量高。以相同规模产量比较，通常极板越大，则电解槽数量就越少，厂房占地面积小，设备和操作人员也更少。从上面的分析对比看，大极板工艺无疑是优先选择的方案。

根据葫芦岛锌业股份有限公司的实际情况，本设计选择20万t/a

永久阴极大极板工艺为新建电解项目的建设方案。

3.2.2.2 工艺流程简述

工艺流程详见铜电解工艺流程图453J-3-001-E331-1。

由阳极炉精炼产出的铜阳极板用叉车送至厂区阳极板集中场地，再用叉车运至阳极整形机组，首先在阳极整形机组上进行整形、矫耳、铣耳、排板，然后按极距100mm排板后用电解专用吊车吊入电解槽内进行电解。在电流密度290A/m2、电解液成分为含Cu45g/L、H2SO4180～200g/L及电解液温度为60～65℃的条件下进行电解作业，出槽时阴极吊至阴极剥片机组，经洗涤、剥离、堆垛、称量打包后用叉车运至成品库；剥片后的不锈钢阴极片经排板后由吊车返回电解槽。残极用吊车运至残极洗涤机组处理，经洗涤堆垛后，称量打包，再用叉车送回阳极炉精炼车间。电解液由循环槽经循环泵打至板式换热器加热至65℃左右后进入高位槽。电解液由高位槽经分液包自流至各个电解槽。电解槽供液采用下进给液方式，出液由槽面两端溢流嘴溢出，电解液汇总后返回循环槽。

为保证电解液的洁净度，配置了专用的净化过滤器，循环系统每天抽取电解液循环量的30%经净化过滤机后，返回循环系统。根据电解液中铜及杂质的浓度，每天抽取部分电解液送净液工段处理，保证电解系统电解液中铜及杂质浓度不超过极限值。

残阳极出槽时，上清液流入上清液储槽，全部经净化过滤机过滤后返回循环系统；排出的阳极泥浆经溜槽至阳极泥地槽（带搅拌），泵送至阳极泥贮槽，泵送至压滤机压滤，滤液流入上清液贮槽，再经净化过滤机过滤后返回循环系统；滤渣即为阳极泥，送集团公司阳极泥系统集中处理。

为改善车间操作环境，槽面覆盖涤纶布以减少电解液的挥发及保温，厂房设天窗，在循环槽中设置通风管自然排风。

在电解槽周边考虑保温措施，降低能耗。

3.2.3 主要工艺参数

主要技术参数见表3-2：

表3-2 主要工艺技术条件表

3.2.4 冶金计算

（1）金属平衡计算

① 1t阴极需溶解的阳极量：

阳极铜中进入电铜的铜量98%，则有：

（1×99.9935%）÷（1×99.5%×98%）≈1.02547t

②阳极实际需要量：

（1.02547×200000）÷[99.8%×（1-16%）]≈244640.06t/a

③实际溶解阳极量：

（1.02547×200000）÷99.8% ≈205504.85t/a

④残极量：

244640.06×16%=39143.781t/a

⑤阳极泥量：

200000×0.5%=1000 t/a

⑥阳极泥含铜量：

进入阳极泥的铜量占0.07%

205504.85×99.5%×0.07%＝143.13t/a

⑦电解液中铜量：

进入电解液的铜量占1.93%

205504.85×99.5%×1.93%＝3946.41t/a 废电解液的量：

3946.41÷45×103=87698.05m3/a

电解主要金属平衡表见表3-3

表3-3电解金属平衡表

（2）电解热平衡计算

电解热平衡计算结果见表3-4

表3-4 电解热平衡表

3.2.5 主要设备选择

（1）电解槽

电解槽每槽阴极54片，阴极板有效面积为1.03m2，电流密度290A/m2、电流效率96%、电解槽利用率96%，年工作日350d，计算结果如下：

电流强度：290×1.03×2×54=32260A

单槽年生产能力：

1.1852×32259.6×24×350×0.96×10-6=308.32t/a

需电解槽总数：

200000÷308.32÷0.96=675.7个

考虑到工艺配置和生产管理方便，选取电解槽总数为704个。分32组，每组22槽，每两组设短路开关。

（2）电解槽内尺寸的选择

电解槽内尺寸为：

槽宽：1010+2×80=1170mm

槽深：1029+45+326=1400mm

槽长：54×100＋2×220＝5840mm

上式中：1010—阴极片宽(mm)

1029—阴极片长(mm)

80—阴极与电解槽内侧边距离(mm)

326—阴极下底边距槽底距离(mm)

100—同极中心距(mm)

54—槽内阴极数(片)

槽底单面纵向坡度取4%，则电解槽内尺寸为：5840×1170×1400/1600mm。

（3）阳极整形机组：

出装槽作业按每周工作6d，一天最大装阳极量44槽，每槽阳极55块，每天操作时间6h，机组能力为：

55×44÷6=403.3块/h

选用能力为450块/h阳极机组一台，设备国外引进。

阳极整形机组的基本功能应具备：接收、称重、测厚、垂直压耳、阳极板身压平、耳底部接触部位铣耳、耳部侧面铣耳、切屑自动收集，废阳极板剔除、加工后的阳极精确排板、小车运输等。控制系统需留有上位接口，能将相关信息传至车间统一管理。称重装置具备记录单块阳极重量、数据储存和传输功能。阳极准备机组配置要分别满足两个跨生产需要。

（4）残极洗涤机组：

同阳极整形机组能力相当，需能力450块/h机组1套，设备为国产。

残极洗涤机组的基本功能应具备：整槽残极的接受、小车运输、洗涤、除雾、风干燥等。控制系统需留有上位接口，能将相关信息传至地面站。残极洗涤机组要满足两个跨生产需要。

（5）电铜洗涤剥离机组：

每周工作6d，每天最大出阴极出槽132槽，每槽阴极54块，每天操作时间8h，选2台且同时工作，机组能力为：

54×132÷（8×2）=445.5块/h

选用能力为500块/h阴极剥离机组两台，设备国外引进。

电铜洗涤剥离机组的基本功能应具备：从电解槽吊来的整槽阴

极的接受、洗涤、沉积铜与不锈钢阴极板分离、取样、堆垛、称重、贴标签、打包、卸料；剥离后的不锈钢阴极检测合格后排列、小车运输，不合格的不锈钢阴极板作为待处理板剔除。机组预留压纹功能的位置，控制系统需留有上位接口，能将重量等信息传至车间统一管理。

（6）电解专用吊车

电解专用吊车最大起重量为起吊整槽阳极板的重量。阳极板重量约380kg/块，每槽阳极板数55块，故专用吊车需荷重为：380×55×10-3= 20.9t

专用吊车的吊架重量为7.5t，所以吊车主钩最大荷重为：

20.9+7.5=28.4t

选择主钩2×16=32t，副钩3.2t,跨度L k=31.5m,带吊具及接液盘电解专用吊车2台，设备国外引进。

（7）电解液循环槽

每个电解槽的溶液量：7.55m3。

电解液循环槽的容积以电解槽内电解液总量的20%考虑，其容积为：7.55×704×0.2=1063m3

因循环槽配置在-3.000地坑内,分为两个系统，考虑到平面配置及配置合理性，选用15000×7000×3000循环槽4台，V有效=285m3/台。

（8）上清液贮槽

每日阳极最大出装槽数为44槽，上清液量约占整个电解槽量的75%，则上清液量为249.15m3/d。

考虑到平面配置及配置合理性，选用15000×7000×3000循环槽2台，V有效=285m3/台。

（9）阳极泥贮槽

每天阳极最大出装槽数44槽，阳极泥量约为整槽溶液量的25%，考虑冲洗水量，取阳极泥浆量为83.05m3

选φ4500（φ6000？）×3000阳极泥贮槽2台，V有效=43m3/台。

（10）电解液循环泵

电解液整个循环量按704槽考虑为：

704×40×60×10-3=1689.6m3

选Q=450m3/h,H=30m立式泵6台，其中2台备用，一系列各3台。（考虑10%的裕量偏小）

（11）电解液过滤泵

每天送过滤的电解液量为电解液循环量的30%，按704槽选择过滤泵，需过滤电解液流量为510m3/h。

故选Q=360m3/h,H=30m卧式泵4台，一系列各2台，一用一备。

（12）板式换热器

根据电解热平衡计算，系统需补充热量为40311417.03kJ/h，蒸汽温度T进=120℃，蒸汽冷凝水温度T出=90℃；电解液进口温度T ℃，电解液的出口温度T出=70℃.

进=52

板式换热器的传热面积为

F=Q/K△t m;(F=Q/3.6K△t m K=1890w/m2. ℃）F—传热面积，m2；

Q—供给的热量,kJ/h;

K—传热系数，6804kJ/（m2〃h〃℃）；

△t m—平均温度差，℃。

按逆流式传热计算：

△t1=120-70=50℃

△t2=90-52=38℃

△t m=(50-38)/ln(50/38)=43.73℃

板式换热器的传热系数K取：6804kJ/（m2〃h〃℃）

F=40311417.03 /(6804×43.73)

=135.48m2

取富裕系数为1.5，实际需要换热器传热面积为：

F=135.48×1.5=203.22m2

取60m2的板式换热器6台，4用2备.

（13）电解液过滤器

电解液和上清液分别过滤,选用净化过滤器,每系列最大过滤量按255m3/h。

净化过滤机过滤能力:0.8m3/h〃m2

则净化过滤机的过滤面积：255÷0.8=319m2

选用过滤面积为360m2的净化过滤器2台。

（14）阳极泥压滤机

阳极泥量为3.5t/d考虑，压滤机的压滤定额取10kg/m2〃h，压滤机每天工作8h，计算如下：

需压滤机过滤面积为：3500÷10÷8=43.75m2

选用XAZG100/1000-U型F=100m2 PP材质压滤机4台，2台备用。

3.2.6 主要经济指标

（1）回收率：

表3-5 铜电解回收率表

（2）单耗：

表3-6 铜电解单耗表

3.2.7 工艺配置

车间分为电解主厂房、电解配电系统、电解液循环系统三大部分。

主跨采用双跨结构厂房，主厂房总长度：241.5m,跨度为2×33m。

电解槽操作平台标高为▽4.100,厂房自南向北配置了阳极准备机组、阴极剥片机组、残极洗涤机组、电解槽。电解槽共704个，分32组，每跨16组，组之间留出必要的通道。每组电解槽设一个短路开关。每跨配一台能力为2×16/3.2t,L k=31.5m带接液盘的电解专用吊车，起重机轨面标高为▽10.500。电解槽下区域配置了阳极泥中间槽、阳极泥输送泵等。

硅整流及配电系统在副跨的两侧，跨度为21m。详细配置见电力专业配置图。

电解液循环系统及阳极泥过滤系统配置在主厂房的两侧，分别长18m，跨度为2×33m。底层主要配置循环系统各贮槽、添加剂溶解槽、硫酸和添加剂计量槽，电解液循环槽和上清液贮槽配置在B-C轴线间-3.000的地坑套槽内。阳极泥贮槽、浓密机配置在A-B轴线-3.000的地坑套槽内。高位槽、电解液加热设备、电解液过滤机、阳极泥压滤系统配置在5.000平面及6.500平面。

具体配置详见铜电解车间配置图453J-3-001-E331-5、53J-3-001-E331-6和453J-3-001-E331-7.

3.3 净液车间

3.3.1原料及产品

（1）原料

净液车间的原料主要是来自电解车间的废电解液，经计算废电解液的量为：87698.05m3/a（265.8m3/d），其中含Cu 45g/L，H2SO4180g/L。

（注：净液车间实际处理量为1766.94m3/d，其中大部分为循环量）

（2）产品

净液车间的产品包括一号电铜、硫酸铜及黑铜，详见表3-7。

表3-7 净液车间产品表

3.3.2 工艺流程

3.3.2.1 工艺流程的确定及特点

净液流程的选择与铜阳极中杂质含量、所产副产品的销路、综合经济效益及环境保护等因素有关，本设计按照阳极铜所含杂质量与市场销售情况综合考虑净液流程。

电解液脱铜有电解脱铜法和生产硫酸铜脱铜法，本设计按照两段电解脱铜和生产硫酸铜相结合的工艺考虑。废电解液首先进行一段电解脱铜，一段脱铜槽使用不锈钢阴极和不溶阳极，脱铜过程中严格控制铜浓度从45g/L降至41g/L生产一号电铜。一段脱铜后液大部分返回电解车间，一小部分泵入硫酸铜蒸发器进行蒸发浓缩，蒸发后液泵入硫酸铜水冷结晶槽进行水冷结晶。结晶产物硫酸铜经包装后送成品库，而结晶母液泵入二段脱铜电解槽进行二段脱铜电解。二段脱铜槽使用电解残极（阴极）和不溶阳极，二段电解脱铜砷采取新液与循环液相结合的方法，保持溶液中铜离子的浓度在一定范围内（0.5～3.5g/L），使脱砷过程中砷与铜以砷铜合金的形式电解析出，该法砷锑铋脱除率可达90%以上，脱除率高、处理量大、能耗低。二段脱铜电解后液部分返回电解车间，其余打到电镍厂处理。

3.3.2.2工艺流程简述

工艺流程详见净液工艺流程图453J-3-001-E331-2。

铜电解精炼车间的废电解液经计量（1766.94m3/d）送至净液车间废电解液贮槽，泵送至高位槽并经加热至45℃后，自流至一段脱铜电解槽进行脱铜电解。在一段脱铜电解槽内电解液含铜由45 g/L

降至41 g/L，得到的产品为一级电铜，作为产品出售。

一段脱铜后液大部分将返回电解车间，一小部分电解液泵至硫酸铜强制循环蒸发系统的管道中，电解液在板式蒸发器组中进行蒸发浓缩。蒸发后液由循环泵送至水冷结晶槽水冷结晶，结晶浆液由水冷结晶槽自流至硫酸铜离心机进行离心分离，分离出的硫酸铜经包装机包装后送成品库，结晶母液则自流至结晶母液贮槽。

结晶母液泵送至二段脱铜高位槽加热至60℃后自流至二段脱铜槽进行二段脱铜电解，在脱除铜的同时脱除砷、锑、铋等元素。在二段脱铜时，当电解液铜离子浓度降至≤1 g/L时，电解液中的杂质As 会以AsH3毒性气体的形式析出。为了避免AsH3气体的析出，二段脱铜采用新液和循环液相结合的供液方式，通过控制新液、循环液和排出液的流量,使砷尽量呈固体形态电解沉积于黑铜中。黑铜大部分呈粉末状沉积于槽底，定期清槽。清出的黑铜泥浆经板框压滤机压滤后产出黑铜粉，黑铜粉含铜65%左右，返回铜熔炼车间处理或出售。二段脱铜电解反应过程产生的酸雾、AsH3等有害气体由槽面通风罩抽出经通风专业吸收后排放。另外，二段脱铜槽周边设AsH3气体检测装置，当AsH3气体的浓度超过0.3mg/m3时自动报警，停止电解，待处理正常后方可继续生产。

二段脱铜后液部分返回电解车间，其余送电镍厂处理。

具体流程详见铜净液车间设备连接图453J-3-001-E331-4。

3.3.3主要工艺参数

净液流程分为一段脱铜电解、生产硫酸铜及二段脱铜电解工序。主要工艺参数分别见表3-8、3-9和3-10。

表3-8 一段电解脱铜主要工艺技术条件

表3-9 硫酸铜真空蒸发、水冷结晶主要工艺技术条件

表3-10 二段电解脱铜主要工艺技术条件

3.3.4冶金计算

3.3.

4.1 净液量的确定

净液量是根据阳极铜的成分、铜及各种杂质进入电解液的百分数、铜及有害杂质在电解液中的允许含量来计算的。

阳极板中铜及杂质进入电解液的百分数及杂质在电解液中的允许含量如表3-11所示。

表3-11 铜和杂质进入电解液百分数及杂质在电解液中允许含量表

脱除各元素所需要的最小电解液净化量见表3-12。

表3-12 脱除铜和杂质所需净液量表

按铜离子的量来计算。二段脱铜及砷锑铋的量应按砷离子的量来计算。为了生产一号电铜，控制一段脱铜45g/L到41g/L，经过计算，最终确定一段脱铜电解实际溶液量1766.94m3/d。考虑阳极铜中杂质含量变化的原因，取一段脱铜后液中120.0m3/d去生产硫酸铜和进行二段脱铜电解。二段脱铜终液中33.52m3/d返回电解车间，其余泵入电镍厂。

净液车间各工序用液量如表3-13。

表3-13 净液车间净液量表

采用一段电解脱铜、真空蒸发结晶硫酸铜及二段脱铜净液工艺。

其中一段脱铜45g/L至41g/L，生产1号电铜：

1号电铜含铜量：（45-41）×583090.72×10-3=2332.36t/a

1号电铜产量：2332.36÷99.95%=2333.53t/a

一段脱铜后液中120m3/d生产硫酸铜，生产硫酸铜的操作条件：蒸发前液密度 1.24t/m3，蒸发后液密度 1.4t/m3，硫酸铜高酸结晶率为40%，粗硫酸铜品位：23%。则计算：

硫酸铜含铜量：120×330×41×40%×98%=636.45t/a

硫酸铜产量： 636.45÷23%=2767.18t/a

硫酸铜结晶母液全部进入二段脱铜电解生产黑铜，最终含铜0.45g/L的溶液部分打到电镍厂处理。黑铜产量计算：

黑铜含铜量：67.44m3/d×330×(43.8-0.45)=964.61t/a

黑铜产量：964.61÷65%=1484.01t/a

1号电铜和硫酸铜直接出售，黑铜出售或返回熔炼车间。

3.3.

4.3 金属平衡

金属平衡见表3-14所示。

表3-14 净液金属平衡表

3.3.5主要设备选择

主要设备选择如下：

（1）脱铜电解槽选择

已知条件：日处理溶液量： 1766.94m3/d

一段脱铜量： 2332.36t/a

二段脱铜量： 964.61t/a

脱铜槽规格： 5900×1200×1400mm

阴极规格： 1010×1029mm

一段电流强度： 200×1×2×54=21600A

二段电流强度： 200×1×2×40=16000A

电解槽利用率 96%

一段脱铜电解槽：

单槽生产能力：1.1852×21600×24×96%×330×90%×10-6=175.18t/a。

需电解槽数：2332.36÷175.18=13.3 个。

考虑到发展一段选取20个脱铜槽。

二段脱铜电解槽：

单槽生产能力：1.1852×16000×24×96%×330×55%×10-6=79.30t/a 需电解槽数：964.61÷79.30=12.2个。

考虑到发展二段选取20个脱铜槽。

（2）电解液高位槽

一段脱铜溶液流量50L/min〃槽，高位槽容积按3min循环量计：20×3×50×10-3=3.0m3

选用φ1600×1600mm 有效容积3.22m3的高位槽1个。

二段脱铜液循环量30L/min〃槽，高位槽容积按3min循环量计：20×3×30×10-3=1.8m3

选用φ1500×1200mm 有效容积2.12m3的高位槽1个。

（3）脱铜电解液加热器

根据热平衡计算，一段、二段脱铜需供给的热量分别为12.65GJ/h 和4.53GJ/h；蒸汽温度120℃，蒸汽冷凝水温度90℃；一段电解液

进口温度23℃，电解液出口温度45℃，二段电解液进口温度40℃，出口温度60℃。按逆流式传热计算：

△t m1=[(120-45)-(90-23)]÷ln[(120-45)/(90-23)]＝70.92℃

△t m2=[(120-60)-(90-40)]÷ln[(120-60)/(90-40)]＝49.33℃

换热器的传热系数取6804kJ/（m2〃h〃℃）,则

F1＝12.65×106÷（6804×70.92）＝26.2m2

F2＝4.53×106÷（6804×49.33）＝13.5m2

考虑富余，选择换热面积分别为40 m2和20m2的板式换热器作为一段和二段脱铜电解液的加热器。

（4）硫酸铜真空蒸发器组

已知条件：日处理溶液量120.0m3，蒸发量48.0m3/d，蒸发强度取45kg/m2〃h,日操作时数取22h，则需蒸发釜的加热面积为：48×103÷45÷22=48.5m2

选取蒸发面积为60m2的真空蒸发机组1套。

（5）硫酸铜水喷射真空泵

根据冷凝器及硫酸铜结晶过滤槽的抽气量计算，选用RPP-80-400型水力喷射真空机1台，每台抽气量Q=400m3/h

（6）硫酸铜水冷结晶槽

蒸发后送结晶溶液量72m3/d ，结晶操作周期8h，槽体容积利用系数取80%，则需结晶槽容积为：

V=72×8÷24÷0.8=30.0m3

考虑富余，选用φ2500×3000有效容积15.6m3不锈钢结晶槽3台。

（7）起重机

选用Q=10t，L k=16.5m地面操纵电动单梁起重机2台，分别用于脱铜电解和生产硫酸铜。

其它设备详见工程设备明细表。

3.3.6 主要经济指标

3.3.6.1 回收率：

年工作日 330d