降低铜电解蒸汽单耗的研究与实践

侯娟奇

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

铜电解蒸汽的主要来源有火法冶炼生产过程中产出的余热蒸汽、动力车间锅炉供汽及外购电厂蒸汽［1］。通常气温高的夏季，工厂蒸汽用量较少，全部使用余热蒸汽，气温低的季节，工厂蒸汽用量大幅增加，余热蒸汽供应不足，主要以外购电厂蒸汽补充，动力车间锅炉蒸汽作为备用。从使用成本来看，动力车间锅炉蒸汽成本最高，电厂外购蒸汽次之，余热蒸汽最低。通常余热蒸汽的使用占主要部分，因此，如何高效使用蒸汽，减少蒸汽浪费往往被忽视。随着产能的不断扩大，余热蒸汽供应缺口越来越大，工厂外购蒸汽量不断增加，造成工厂成本的上升。电解是工厂蒸汽消耗大户，降低电解蒸汽消耗，有利于降低工厂的生产成本，提高企业竞争力。

2 蒸汽消耗影响因素分析

2.1 蒸汽消耗量情况

铜电解生产中，蒸汽消耗主要用于电解液保温、阴极铜洗涤水加温、电解液蒸发过程、硫酸铜滤液加温、硫酸镍滤液加温等。蒸汽消耗不仅受工艺、设备、原料杂质含量的影响较大，气候和季节对蒸汽消耗影响也较大。

铜电解各工序及主要设备蒸汽年消耗量及占比见表1。净化工序电解液蒸发所需蒸汽占比60%以上，电解工序电解液加热占比30%，是蒸汽消耗的主要方面。电解液温度控制相对稳定，加热所需蒸汽受气温、设备的保温性能等影响，一般情况变化不大。净化工序对电解液进行蒸发，由于水的汽化潜热较大，蒸汽消耗量较大。

表 1 电解工序及主要设备蒸汽消耗占比

2.2 蒸汽消耗影响因素分析

电解生产过程中，电解液保持一定温度，一般情况控制在60～66℃。其热量来源分为通电时的电流发热和蒸汽加热。电解液净化工序中，电解液蒸发消耗蒸汽最大，蒸发量的大小、比重控制的高低、设备对蒸汽利用率的高低对蒸汽消耗量影响较大。

（1） 电流密度。电流密度越高，电流发热就越多，电解液加热所需蒸汽越少。电流密度过高，有可能导致电解液温度过高，需要对电解液冷却降温［2］，特别是在南方气温较高的地区。

（2）电解系统保温。电解系统保温包括电解槽保温、槽面覆盖、厂房保温等，保温措施做得好，有利于降低蒸汽消耗。电解槽保温一般采用30mm厚聚氨酯板，槽面覆盖涤纶布，提高保温效果，减少槽面水分蒸发。

（3）阳极铜杂质含量。阳极铜杂质含量高，主要是砷、锑、铋，所需净化量大，蒸发工序所需蒸汽消耗量多。阳极铜镍含量高，回收硫酸镍消耗蒸汽也会增加。

阳极铜中氧含量的高低，影响电解液铜离子浓度平衡，进而影响净化除铜需求。阳极铜中的氧主要以Cu2O形式夹杂于铜晶界中。电解过程中Cu2O在阳极上不进行电化学溶解，一部分沉入电解槽底部进入阳极泥。电解液是稀硫酸体系，一部分Cu2O与硫酸发生反应，一价铜离子不稳定，反生歧化反应，最终生成单质铜和稳定的二价铜离子［2］，反应方程式：

Cu2O+H2SO4→CuSO4+Cu+H2O

一般情况下，阳极铜中的氧含量高，电解液中铜离子上升的速度快，平衡电解液中铜离子浓度所需除铜量增加，除铜的主要工艺是蒸发结晶工序，消耗的蒸汽量随之增加。统计25个月的实际生产数据，绘制阳极铜氧含量与除铜量趋势图，如图1。

图 1 阳极铜氧含量与除铜量趋势

（4）电解液净化工艺流程。电解液净化第一道工序一般是除铜，采用电积除铜工艺，生产电积铜，蒸汽消耗量低，相应电耗增加。采用蒸发结晶工艺除铜，蒸汽消耗量大，贵冶电解主要采用蒸发结晶工艺除铜。蒸发过程一般采用真空蒸发，配备水喷射器产生真空，冷凝二次蒸汽，喷水温度一般控制在60℃以下，需要配备冷却系统对循环水降温。蒸发过程所需热量可以分为两部分，第一部分是将电解液从初始温度加热到沸点温度，一般初始温度50～60℃，真空蒸发沸点温度一般80～90℃。第二部分是水汽化所需的热量。

以蒸发1m3电解液，进行热量计算，电解液成分：硫酸20%左右，含有铜、砷、锑、铋、镍等离子。电解液比重取1.23，比热容按20%稀硫酸计算，计算结果如表2 ，从表中可以看出，水汽化所需热量占90%左右。

表 2 电解蒸发过程蒸汽用量理论计算

一般单效蒸发系统如图2，从图中可看出，热量传递流程，蒸汽将热量传给电解液—二次蒸汽—蒸发热水—冷却循环水—大气，蒸发过程能量流向来看，蒸汽中的大部分热量，被二次蒸汽带走，经过多次换热，最终通过冷却塔将热量散发至大气环境中。由于二次蒸汽压力、温度较低，利用难度大，未能进行有效利用，蒸汽消耗量大。硫酸镍工序采用蒸汽蒸发浓缩，与硫酸铜蒸发原理一样，蒸汽消耗量大。采用电蒸发器，蒸汽消耗量低，相应电耗增加。

图 2 单效真空蒸发工艺流程图

（5）加热器疏水阀。疏水阀也叫自动排水器或凝结水排放器，其分为蒸汽系统使用和气体系统使用。疏水器装在用蒸汽加热的管路终端，其作用把蒸汽加热的管道中的冷凝水不断排放到管道外。大多疏水器可以自动识别汽、水（不包括热静力式），从而达到自动阻汽排水的目的。疏水器广泛应用于石油化工，食品制药，电厂等行业，在节能减排方面起着很大作用。电解液加热器和蒸发系统加热主要采用蒸汽加热，蒸汽将热量传递给电解液后，变成冷凝水，通过疏水阀排出［3］。从生产实际情况来看，存在以下问题，导致蒸汽泄漏量大。

①疏水阀排水量满足不了换热能力，造成为了保证加热效果，往往打开手动疏水旁通阀，蒸汽直接从疏水旁通阀泄漏出去，蒸汽泄漏量超过10%。特别是蒸发器等较大的换热器。

②疏水阀选型不合适。净化工序蒸发器疏水阀安装位置小，选用了热动力疏水阀，蒸汽泄漏量大，一般超过3%。

③换热器超负荷运行。为了达到更高的换热量或者加热速度，打开疏水旁通阀，造成蒸汽的大量泄漏。

3 MVR蒸发器

MVR 蒸发器，是英文 mechanical vapor recompression的简称。MVR是重新利用它自身产生的二次蒸汽的能量，从而减少对外界能源的需求的一项技术。蒸发过程产生的二次蒸汽，经过压缩机的压缩，压力和温度得以升高，热焓随之增加，被送到蒸发器的加热室当作加热蒸汽即生蒸汽使用，使料液维持蒸发状态，而加热蒸汽本身将热量传递给物料，本身冷凝成水。这样，原来要废弃的蒸汽就得到了充分的利用，回收了潜热，提高了热效率，大幅减少蒸汽的消耗［4］。

多效蒸发过程中，蒸发器某一效的二次蒸汽不能直接作为本效热源，只能作为次效或次几效的热源。如作为本效热源必须额外给其能量，使其温度(压力)提高。蒸汽喷射泵只能压缩部分二次蒸汽，而MVR蒸发器则可压缩蒸发器中所有的二次蒸汽。溶液在一个蒸发器里，通过物料循环泵在加热管内循环。初始蒸汽用新鲜蒸汽在管外给热，将溶液加热沸腾产生二次汽，产生的二次汽由涡轮增压风机吸入，经增压后，二次汽温度提高，作为加热热源进入加热室循环蒸发。正常启动后，压缩机将二次蒸汽吸入，经增压后变为加热蒸汽，就这样源源不断进行循环蒸发。蒸发出的水分最终变成冷凝水排出。

MVR蒸发系统一般会设计三段预热，不凝气预热、冷凝水预热和生蒸汽预热，达到充分利用热能目的。由于MVR蒸发器有效利用了二次蒸汽潜热及冷凝水热能，可大幅降低蒸汽，相比传统单效蒸发可减少80%以上蒸汽消耗。其工艺流程如图3。

图 3 MVR蒸发器工艺流程图

MVR蒸发器核心设备是蒸汽压缩机，通常采用高速离心压缩机或罗茨压缩机。高速离心压缩机，温升和提高压力效率高，处理能力大，对设备稳定运行要求高；罗茨压缩机适用于蒸水量5t/h以下的蒸汽器中，由于转速低，具有运行稳定可靠，投入成本低等特点。

以蒸发1吨水来对比各种蒸发器能耗及成本情况，电解生产一般采用低压蒸汽，折标煤系数0.1182kgce/kg，电折标煤系数0.1229kgce/kW·h，蒸汽单价按0.18RMB/kg，电单价0.51RMB/kW·h，对比结果如表3。

表3 不同蒸发器主要能耗和运行成本对比

综合能耗方面，单效蒸发最高，MVR蒸发最低。直接运行成本方面电蒸发最高，MVR蒸发最低，是三效蒸发的一半，单效蒸发的五分之一。

4 降低蒸汽单耗对策

4.1 合理组织生产

电流密度高，电解过程电流发热多，在满足产量任务的情况下，冬季宜采用高电流密度。根据产量任务，合理进行安排原料组织及电解生产计划，夏季低电流密度生产，冬季高电流度生产，增加电流发热，减少冬季蒸汽消耗［5］。加强原料组织，避免出现冬季原料短缺，电解降电流或者减槽生产。

4.2 余热利用

电解加热过程，有阴极铜洗涤水的加热，硫酸铜滤液的加热，硫酸镍滤液的加热，电解系统补充水。将加热器冷凝水补入机组洗涤水箱及电解液系统补水。采用蒸发系统热循环水对硫酸铜滤液及硫酸镍滤液进行加温［6］。

4.3 蒸发系统优化改造

采用MVR高效蒸发代替单效蒸发，有效利用蒸发二次蒸汽的热能。除镍工序采用冷冻结晶工艺，能耗最低。采用工艺流程：硫酸铜蒸发结晶—电积除铜除杂—冷冻结晶除镍。冷冻结晶法除镍工艺，电解液硫酸浓度宜控制400g/L以上，因此，合理控制硫酸铜蒸发出液比重，使除镍时达到合理的硫酸浓度。

4.4 疏水系统

更换疏水能力小、蒸汽泄漏量大的不适宜的疏水阀。特别是蒸发系统用汽量大换热器，采用疏水效率高的倒吊桶式疏水阀或者浮球是疏水阀。同时，尽量避免换热设备超负荷运行。

4.5 阳极铜氧含量合理控制

合理控制阳极铜氧含量，不宜过高或过低。过高含氧，电解除铜量增加，增加硫酸铜蒸发结晶工序的蒸汽用量。含氧过低，增加熔炼除氧成本。电解净化除杂过程，首先除去电解液中的铜，因此，应根据电解除杂需求合理控制阳极铜含氧，一般情况，除杂需求量大，可适当增加阳极铜含氧量。除杂需求量少，适当降低阳极铜含氧量，使除铜和除杂所需的蒸发处理量匹配，避免除铜量过大或者过度除铜，造成蒸汽消耗量的额外增加。

5 结论

电解液净化蒸发过程蒸汽消耗占比较大，采用MVR蒸发器，有效利用蒸发产生的二次蒸汽，是节约蒸汽的主要措施，MVR全部取代单效蒸发，电解蒸汽消耗量可减少50%左右。同时，还应通过合理组织生产，利用冷凝水余热，更换漏汽量大的疏水阀，合理控制阳极铜含氧量，避免不必要的蒸汽消耗，可以进一步降低蒸汽消耗量，实现节能降耗，降低企业生产成本。