江傳瑜

(保爾沃特冶金技術(shù)(北京)有限公司,北京 100027)

保爾沃特鋅大板電積工藝的技術(shù)和主要設(shè)備

江傳瑜

(保爾沃特冶金技術(shù)(北京)有限公司,北京 100027)

中國(guó)是個(gè)產(chǎn)鋅大國(guó),2009年鋅產(chǎn)量已達(dá) 435萬(wàn) t。但工廠規(guī)模小,電積工藝幾乎都是傳統(tǒng)的小板電積(陰極面積 1.3-1.6 m2),存在廠房占地大、槽數(shù)量多、人工剝鋅勞動(dòng)強(qiáng)度非常大、導(dǎo)致陰極受損、生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)。大陰極板(陰極面積 2.6m2以上)技術(shù)克服了小板技術(shù)的缺點(diǎn),具有廠房占地少、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品質(zhì)量好、自動(dòng)化水平高、節(jié)省勞力、易于改善操作環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)已在西方礦冶公司得到了很好的應(yīng)用,鋅產(chǎn)能超過(guò) 400多萬(wàn) t,是一項(xiàng)值得中國(guó)同行重視并大力推廣的技術(shù)。

鋅電積;大陰極板技術(shù);多功能吊車;全自動(dòng)化剝鋅機(jī);陽(yáng)極拍平機(jī);全自動(dòng)的工藝控制系統(tǒng);良好的通風(fēng)設(shè)計(jì);SHG品質(zhì)鋅

1 前言

受經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響,2009年世界金屬鋅年產(chǎn)量較2008年下降了大約 4%,但仍然達(dá)到 1118萬(wàn) t。相反,中國(guó)鋅產(chǎn)量卻不降反增,比 2008年增長(zhǎng)了 11.34%,達(dá)到435萬(wàn) t,占世界鋅產(chǎn)量的38.9%。中國(guó)已多年雄踞全球產(chǎn)量第一,對(duì)世界鋅市場(chǎng)有著重要影響[1]。

縱觀世界鋅的冶金技術(shù),整體上以濕法工藝為主,如焙燒,浸出 (或直接浸出),凈液 (或萃取),電積,高達(dá) 80%以上,而火法工藝并存,如豎罐、鼓風(fēng)爐 (ISP)、電爐等[2-3]。

中國(guó)是個(gè)產(chǎn)鋅大國(guó),但鋅電解工藝相對(duì)落后,仍主要來(lái)自于傳統(tǒng)小陰極板人工剝鋅,主要缺點(diǎn):

(1)工人體力勞動(dòng)強(qiáng)度大,工人人數(shù)要求多。

(2)極板因人為因素?fù)p壞多,壽命短。

(3)因小板生產(chǎn),每槽極板數(shù)只有 40多片,生產(chǎn)需槽數(shù)多,廠方占地大。

(4)陰陽(yáng)極數(shù)量一次性投入大,存量資金大。

(5)生產(chǎn)成本高。

2 大陰極板鋅電積技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[4]

以 3.2m2超大板年產(chǎn) 10萬(wàn) t規(guī)模為例:

(1)電解槽數(shù)明顯減少,廠房占地面積減半。

鋅年產(chǎn)能 (以 t/a計(jì))采用下式計(jì)算[6]:

P=N.n.S.D.A.c.t.t.10-6

100,000 t/a=N x 114陰極/槽 x 3.2 m2x 450 A/m2x 1.22 g/Ah x 0.91 x 0.99 x 8760 x 10-6

N=100,000/1580.55=63.26

(注實(shí)踐中,各廠依當(dāng)?shù)貙?shí)際情況,可能調(diào)整至80-100槽。)

而國(guó)內(nèi)某企業(yè)同規(guī)模鋅電解廠,采用的 1.6m2極板,人工吊車,機(jī)械剝鋅,每槽陰極數(shù)為 48片,需電解槽數(shù)為 400。

可想而知,槽數(shù)的減少大大簡(jiǎn)化了廠房配置,同時(shí)使廠方占地節(jié)約 50%左右。見(jiàn)圖 1,采用的 1.6 m2極板,占地約 9800 m2,而采用 3.2 m2極板,占地約 4700 m2。

圖 1 廠房占有地比較

(2)工人勞動(dòng)強(qiáng)度小,勞動(dòng)力需求大大減少。

通常,1.3-1.6 m2人工剝片,需 2.5-3.5人力 h/t,而 2.6 m2機(jī)械剝片,1.5人力 h/t,3.2m2自動(dòng)剝片由于完全實(shí)現(xiàn)了機(jī)械自動(dòng)化,則只需 0.6-0.8人力 h/t。我國(guó) 10萬(wàn) t人工剝鋅企業(yè)通常需工人 300人左右,而 1.6 m2機(jī)械剝鋅也仍需 120-150人,國(guó)外 3.2 m2超大板人力分布如下(僅供參考):

(3)陰陽(yáng)極板投入少,壽命長(zhǎng)。

陰陽(yáng)極板投入相對(duì)大大減少,資金占用量相對(duì)降低。表 2顯示了這種差距。

表 2 陰陽(yáng)極板需求量及資金量需求估算

另外,由于實(shí)行了全自動(dòng)操作,根據(jù)其他生產(chǎn)企業(yè)實(shí)踐,大板陰極壽命可長(zhǎng)達(dá) 2年,而大板陽(yáng)極壽命可長(zhǎng)達(dá) 4年。陰陽(yáng)極板壽命的延長(zhǎng)毫無(wú)疑問(wèn)降低了生產(chǎn)成本。

(4)靈活的產(chǎn)能調(diào)整。

業(yè)主可以根據(jù)鋅精礦的供應(yīng)情況,或者鋅金屬市場(chǎng)的價(jià)格情況,可靈活調(diào)整產(chǎn)量。

①調(diào)整極距,增加極板數(shù)(如比利時(shí)Unmicor)。

②調(diào)整電流密度。

③加長(zhǎng)極板,改變極板面積(如 3.2升至 3.5)。

(5)良好的通風(fēng)設(shè)計(jì)[5]。

電解液的冷卻塔設(shè)于電解車間屋頂,冷卻空氣來(lái)源于電解車間,其余空氣靠自然空氣補(bǔ)充和調(diào)節(jié)。該設(shè)計(jì)一舉兩得,既冷卻了電解液,又強(qiáng)制了車間通風(fēng),減少了車間酸霧的污染。車間酸霧空氣在冷卻塔中與循環(huán)電解液逆向熱交換,酸霧可被液滴捕獲,從而使排入大氣的空氣酸霧含量降低,并完全達(dá)標(biāo)。圖 2展示了保爾沃特的通風(fēng)設(shè)計(jì)理念。

圖 2 良好的通風(fēng)設(shè)計(jì)理念

3 大陰極板鋅電積技術(shù)的發(fā)展歷程[6]

大陰極板鋅電積技術(shù)起源于比利時(shí)的老山鋅廠,該廠在鋅工業(yè)界是廣為人知的,就是大家熟悉的Balen巴倫廠,法語(yǔ)也叫Vieille Montagne-VM老山公司。

1969年前,該廠采用的也是 1.3 m2小板,人工剝鋅,每槽 44片陰極,電流密度只有:320 A/m2。

1969-1972年,由Balen與 VM下屬的梅希姆(MECH I M)冶金化工工程公司的工程技術(shù)人員一道設(shè)計(jì)建設(shè) 2.6m2大板。1972年,2.6 m2大板投產(chǎn),每槽 44片陰極,電流密度 375 A/m2,并建成了世界上第一臺(tái)自動(dòng)剝鋅。

隨后,巴倫廠與梅希姆設(shè)計(jì)公司一道,使極板改為 3.2 m2超大板,1979年投產(chǎn),每槽 86片陰極,電流密度 415 A/m2,簡(jiǎn)化了自動(dòng)剝鋅機(jī),簡(jiǎn)化了自動(dòng)吊車,實(shí)施了陽(yáng)極拍平和清洗。現(xiàn)在該廠每槽陰極片數(shù)為 114片。

值得注意的是,由于公司的重組和戰(zhàn)略調(diào)整,以老山為主體的公司后來(lái)歸屬于 Union Miniere(聯(lián)合礦業(yè)),而今為著名的Umicore(優(yōu)美科)。

當(dāng)時(shí)的梅希姆(MECH I M)冶金化工工程公司的許多專家后來(lái)陸續(xù)加盟于保爾沃特 (PaulWurth)冶金技術(shù)公司,使大板鋅電積技術(shù)繼續(xù)由保爾沃特在全球推廣。當(dāng)然,推廣類似技術(shù)的還有奧圖泰(Outotec)公司,日本三井(MESCO)公司等。

如今,大板技術(shù)已經(jīng)有了 3.5 m2,3.6 m2的工業(yè)化生產(chǎn)企業(yè)。下圖簡(jiǎn)單列舉了這些大板技術(shù)的應(yīng)用工廠,并說(shuō)明了生產(chǎn)中的有效電解面積。

圖 3 大板的有效面積

4 大陰極板鋅電積技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用及展望

迄今未止,大板或超大板電積技術(shù)已在世界十多家冶煉廠成功應(yīng)用,鋅產(chǎn)量超過(guò) 400多萬(wàn) t。表3列舉了這些企業(yè)并對(duì)未來(lái)可能的大板應(yīng)用進(jìn)行了展望。

5 保爾沃特大陰極板鋅電積技術(shù)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)[9]

1)緊湊的設(shè)計(jì),如圖二示。

兩列電解槽配置,每列 40到 50槽,一端配可逆運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)剝鋅機(jī),兩臺(tái)自動(dòng)吊車各司其職,槽的另一端配陽(yáng)極小車,運(yùn)送陽(yáng)極板到拍平及清洗……

電解液的冷卻塔設(shè)于電解車間屋頂,一舉多得,既冷卻了電解液,又強(qiáng)制了車間通風(fēng),減少了車間酸霧的污染,還減少了占地。

表 3 大板或超大板電積生產(chǎn)企業(yè)及未來(lái)項(xiàng)目[7][8]

電解槽喂液采用密封的喂液管,能使電解液均勻分布到各個(gè)槽中,最大限度地保持電解槽液面高度,有利于剝鋅操作。同時(shí)由于采用管式喂液,喂液管可以輕松布置在廠房中間并置于操作走道的下方。

整個(gè)廠房設(shè)計(jì)緊湊,設(shè)備銜接有效合理。廠房占地僅僅是傳統(tǒng)電解的 50%左右。

圖 4 緊湊優(yōu)化的配置

2)專有設(shè)備的先進(jìn)性。

基于保爾沃特的實(shí)際經(jīng)驗(yàn),保爾沃特設(shè)計(jì)并提供以下專有設(shè)備:

①全自動(dòng)的多功能吊車。

‘②全自動(dòng)的陰極剝片、洗刷和碼垛。

③陽(yáng)極拍平和清洗。

所有設(shè)備均與計(jì)算機(jī)監(jiān)控和中心控制室相連,由 PLC(程序邏輯控制)實(shí)行計(jì)算機(jī)中心管理和控制。

多功能吊車與其他設(shè)備的協(xié)調(diào)一致及集成,在充分考慮到生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、電解槽狀態(tài)、報(bào)警、安全等諸多因素后,完全由中心控制系統(tǒng)指揮。

通過(guò)中心控制室的監(jiān)控屏,生產(chǎn)操作人員可以決定每班的生產(chǎn)計(jì)劃 (計(jì)劃包括諸如每班剝片多少個(gè)槽子,跳過(guò)哪個(gè)槽子,每垛陰極片的片數(shù)等等),并跟蹤實(shí)際操作。

中心控制系統(tǒng)同時(shí)接口其他設(shè)備的 PLC以統(tǒng)一監(jiān)控和報(bào)警。

該中心控制系統(tǒng)還能與其他工藝控制系統(tǒng)(PCS)相連(如硅整流控制系統(tǒng)等),對(duì)全局系統(tǒng)的監(jiān)控將為保證生產(chǎn)產(chǎn)能和效率提供保障。

多功能吊車的主要特征:

①完全自動(dòng)運(yùn)行,在槽子上,剝片機(jī),及陽(yáng)極機(jī)上自動(dòng)定位。

②在安放陰陽(yáng)極板時(shí),能準(zhǔn)確定位,以確保鋅電解質(zhì)量,防止短路。

③采用特殊吊架以抓取陰陽(yáng)極板。

④清洗陰陽(yáng)極板導(dǎo)電頭以確保電流效率。

⑤在吊車運(yùn)輸過(guò)程中,清洗電解鋅片表面。

⑥高強(qiáng)度重型設(shè)計(jì),可靠的系統(tǒng)以確保生產(chǎn)。

鋅陰極剝片機(jī)、洗刷機(jī)的組成和主要特征:

圖 5 保爾沃物自動(dòng)剝鋅機(jī)、洗刷機(jī)、碼垛機(jī)組成示意圖

①完全自動(dòng)運(yùn)行。

②陰極片小刀預(yù)開口,避免了對(duì)陰極板的表面損壞,有利于延長(zhǎng)陰極使用壽命。

③陰極間隔裝置確保剝片后陰極片的等距間隔,從而確保電解鋅片的質(zhì)量。

④鋅片剝離后,在落入碼垛機(jī)時(shí)有緩沖消音系統(tǒng)(噪音控制在 55分貝以下)。

⑤全自動(dòng)碼垛及鋅垛自動(dòng)稱重、轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。

⑥陰極板回電解槽前,陰極板表面清洗系統(tǒng)。

⑦高強(qiáng)度可靠設(shè)計(jì),確保剝鋅機(jī)穩(wěn)定可靠的操作。

陽(yáng)極拍平機(jī),清洗機(jī)的主要特征:

①完全自動(dòng)運(yùn)行。

②有效的表面清洗及拍平,可保證陽(yáng)極使用壽命,減少陽(yáng)極變形,避免短路。

③高強(qiáng)度可靠設(shè)計(jì),確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的操作。

以上設(shè)備均為全自動(dòng)系統(tǒng),配以安全報(bào)警裝置,確保了生產(chǎn)中的設(shè)備及操作人員安全。

圖 6 保爾沃特主要設(shè)備照片或示意圖

6 保爾沃特大陰極板鋅電積技術(shù)的服務(wù)范圍[9]

眾所周知,電解液凈液質(zhì)量是控制產(chǎn)品質(zhì)量的根本,陰陽(yáng)極幾何形狀 (如平整度,垂直度等)是確保工藝參數(shù)的關(guān)鍵。此外,先進(jìn)設(shè)備也是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)工藝的重要手段。

針對(duì)大陰極板鋅電積技術(shù)項(xiàng)目,保爾沃特冶金技術(shù)公司將提供全套系統(tǒng)的服務(wù),內(nèi)容涵蓋:

(1)凈液的咨詢服務(wù)以確保凈液質(zhì)量。

(2)電積車間的 EPCM或 Turnkey工程 (海外項(xiàng)目可提供全部服務(wù))。

但在中國(guó)考慮到設(shè)計(jì)成本因素,保爾沃特的服務(wù)范圍將是靈活的,可協(xié)商的,視國(guó)內(nèi)配套設(shè)計(jì)院,國(guó)內(nèi)業(yè)主的配套能力和要求而定,但通常為確保工藝的最小范圍如下:

(1)工藝的概念及基本設(shè)計(jì) (工藝流程,工藝配置,設(shè)備選擇等等)。

(2)必要的施工圖設(shè)計(jì)如:陰陽(yáng)極制作圖,電解槽槽體,供電母線,槽間導(dǎo)電棒,電解液輸液管,溢流管等。

(3)冷卻塔計(jì)算,通風(fēng)計(jì)算,及配置基本設(shè)計(jì)等。

(4)必要的施工圖條件及設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

(5)以下專有設(shè)備設(shè)計(jì)及供貨:

全自動(dòng)化剝鋅機(jī)(含洗刷機(jī),碼垛機(jī),轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)一體化)。

全自動(dòng)化多功能吊車(含自動(dòng)定位,稱重,陰極清洗)。

陽(yáng)極拍平機(jī)及高壓水清洗陽(yáng)極泥系統(tǒng)。

陰陽(yáng)極夾具(絕緣體)。

槽間導(dǎo)電棒,槽頭導(dǎo)電排,槽間絕緣塊(可選)。

冷卻塔及風(fēng)機(jī)(可選)。

(6)工藝控制系統(tǒng)(PCS)的設(shè)計(jì)及供貨。

(7現(xiàn)場(chǎng)安裝、投產(chǎn)試車指導(dǎo)。

7 在中國(guó)的推廣前景[10]

如開篇所說(shuō),中國(guó)是世界產(chǎn)鋅大國(guó),多年居世界第一位,2009年產(chǎn)金屬鋅達(dá)到 435萬(wàn) t。其中濕法占 80%,約有產(chǎn)能 370萬(wàn) t,火法產(chǎn)能約有 90萬(wàn) t。

中國(guó)產(chǎn)鋅企業(yè)相對(duì)分散,超過(guò) 10萬(wàn) t產(chǎn)能的大型企業(yè)只有株冶,葫蘆島,中金嶺南,云南馳宏,白銀等十幾家,其余規(guī)模小,裝備相對(duì)落后。

中國(guó)的鋅電積經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,某些工藝指標(biāo)已相當(dāng)先進(jìn),比如電耗 (2950-3050 K Wh/t鋅片),電流效率(91-92%),且產(chǎn)品鋅質(zhì)量也可達(dá)到SHG品質(zhì)。但是至今為止,只有云南馳宏 (曲靖)、株冶、丹霞、巴彥淖爾采用了機(jī)械或自動(dòng)剝鋅,其余都是傳統(tǒng)小陰極板人工剝鋅。云南馳宏會(huì)澤,呼倫貝爾,江西銅業(yè)等正在建設(shè)大板電積。

中國(guó)是個(gè)高速發(fā)展的國(guó)家,目前勞動(dòng)力成本相對(duì)較低,但這不能長(zhǎng)久,由于一個(gè)家庭一個(gè)孩的計(jì)劃生育政策,人工剝鋅將面臨著很難招到工人,勞動(dòng)力的成本必將快速增長(zhǎng),企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到這些挑戰(zhàn)。

展望未來(lái),中國(guó)將計(jì)劃通過(guò)技術(shù)改造,或新建項(xiàng)目,保守估計(jì),產(chǎn)能增加將超過(guò) 100萬(wàn) t。自動(dòng)化、高效低成本、環(huán)保的鋅電解生產(chǎn)是眾望所歸,大陰極板鋅電積技術(shù)將有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

REFERENCES

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[2] 蔣繼穆.我國(guó)鋅冶煉現(xiàn)狀.2001年第八屆全國(guó)鉛鋅生產(chǎn)技術(shù)及產(chǎn)品應(yīng)用學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.01-04.

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[9] 江傳瑜.保爾沃特冶金技術(shù) (北京)有限公司的冶金技術(shù)及特點(diǎn).云南昆明 -2007年中國(guó)首屆熔池熔煉技術(shù)及裝備專題研討會(huì)論文集:119-124.

[10] 江傳瑜.漫談鋅冶金的技術(shù)發(fā)展.內(nèi)蒙赤峰 -2008年中國(guó)礦冶新技術(shù)與節(jié)能論壇論文集:131-144.

PaulW urth Zn LARCATH Technology and Equipment

J I ANG Chuan-yu
(PaulWurthMetal Technology(Beijing)Co.,Ltd,Beijing,100027,China)

China is the biggest Zn producer in the world with total Zn production of 4.35 million tons in 2009.But almost all the Zn production come from s mall Zn plantswith the traditional Zn electro-winning process by s mall size cathode technology(Cathode size range between 1.3-1.6 m2)and manual operation for cathode stripping.The disadvantages are obvious such as land required much bigger,cells numbermuch more,manual operation for cathodes stripping-very intensive labor required,and may cause serious damage of cathode electrodes,higherOPEX.In order to improve and avoid such shortcomings,the Large Cathode(LARCATH, Cathode Size is above 2.6m2)Technology has been developed and concludedwith the followingmerits-smaller land,lower CAPEX, lowerOPEX,higher quality of Zn(SHG),lessman power,easier and better ventilation etc.TheLARCATH technology has beenwell applied in western mining&metal companies in the last few decadeswith total Zn productivity over 3 million tons.This technology is drawingmore attentions in China and should be highly promoted to future application in the Zn Industry.

Zn electro-winning;Large Size Cathode Technology(LARCATH);Multi-functional crane;fully auto-stripping machine;anode flatteningmachine;PCSAutomation Platform;Good ventilation system;SHG quality Zn

book=34,ebook=146

TF813

C

1009-3842(2010)03-0034-06

2010-05-30

江傳瑜(1964-),男,漢族,江西南康市人,碩士,1983年畢業(yè)于東北大學(xué)有色金屬冶金專業(yè),教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事有色金屬冶金的工程設(shè)計(jì)、咨詢、及冶金裝備現(xiàn)代化的研究和推動(dòng)工作,E-mail:chuanyuj@hotmail.com