鋅濕法冶煉電解過(guò)程能耗分析與建模

覃海洲

摘 要：近年來(lái)我國(guó)鋅電解的節(jié)能措施取得了顯著成就，但相比國(guó)外而言，仍然存在起步較晚、發(fā)展緩慢的顯著問(wèn)題，直接或間接的影響著我國(guó)能源節(jié)約的進(jìn)程。本文正是基于此背景，以鋅電解為主要研究對(duì)象，分別從鋅電解能耗的機(jī)理、鋅電解能耗的機(jī)理建模以及鋅電解能耗的模型預(yù)測(cè)三個(gè)方面進(jìn)行逐一論述。

關(guān)鍵詞：鋅濕法冶煉電解；能耗；建模；槽電壓、電流效率

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)生產(chǎn)力水平的提高，能源在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著越來(lái)越重要的作用，是一種及其重要的戰(zhàn)略資料，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的友好又快發(fā)展意義重大。從數(shù)量上來(lái)說(shuō)，我國(guó)的能源總量位居世界前列，但由于能源利用過(guò)程中投資高、風(fēng)險(xiǎn)大、污染嚴(yán)重以及效率低下等原因，導(dǎo)致了能源消耗巨大且環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題，能源平衡性遭到嚴(yán)重的破壞，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了極大的威脅。

一、鋅電解節(jié)能的實(shí)施現(xiàn)狀與必要性分析

鋅的生產(chǎn)加工隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展逐漸呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)的狀態(tài)，相比國(guó)外而言，尤其是美國(guó)、德國(guó)等經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高的國(guó)家，已經(jīng)在鋅的生產(chǎn)領(lǐng)域中有了較多研究，且鋅電解的節(jié)能技術(shù)較為成熟，有一定的借鑒意義。而我國(guó)對(duì)于其節(jié)能的相關(guān)研究較少，且其生產(chǎn)尚處于初級(jí)階段，起步較晚。為了進(jìn)一步提高鋅的電解質(zhì)量與效益，借鑒國(guó)外的優(yōu)秀案例與技術(shù)不可忽視，如對(duì)于瓦斯直燃器而言，利用一定的技術(shù)措施從而達(dá)到有效減少能耗的目的。目前化工產(chǎn)品的加工等過(guò)程，阻礙了我國(guó)經(jīng)濟(jì)友好又快發(fā)展的進(jìn)程在鋅電解過(guò)程中，從能源的供給與需求之間的矛盾來(lái)說(shuō)，供需平衡嚴(yán)重破壞，該節(jié)能過(guò)程面臨嚴(yán)重的危機(jī)，從環(huán)境污染的角度來(lái)說(shuō)，鋅電解過(guò)程浪費(fèi)大量的能源，且與環(huán)境友好型與資源節(jié)約型的原因相悖，因此在發(fā)展過(guò)程中付出了不少的代價(jià)。

二、鋅電解能耗的機(jī)理分析

首先對(duì)于鋅電解的工藝過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，濕法煉鋅過(guò)程中往往將硫酸鋅溶液的電解沉積作為其中的重要工藝過(guò)程，由于該過(guò)程消耗大量電能，因此在很大程度上決定著整個(gè)煉鋅工藝的效益與生產(chǎn)成本的高低。其工藝流程一般都是將中性硫酸鋅溶液進(jìn)行凈化，隨后將其送入集液槽，該過(guò)程往往需要使用相應(yīng)的技術(shù)設(shè)備，如集液泵和冷卻塔。隨后在集液槽中會(huì)同時(shí)出現(xiàn)一定新液與廢液，將兩者混合后得到一定濃度的鋅酸電解液，該電解液的成分有硫酸鋅、硫酸、水以及一些微量雜質(zhì)等，最后將電解液送入電解槽通過(guò)直流電來(lái)完成電解工作。在電解過(guò)程中一般選擇將鉛銀合金板作為陽(yáng)極而將純鋁板作為陰極。電解槽一般選用長(zhǎng)方形的槽子，其規(guī)模與數(shù)量一般都是根據(jù)選擇的電解參數(shù)以及生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)行確定的，不同的電解參數(shù)需要配備不同的電解槽。而陰極板數(shù)量以及極間距決定電解槽的長(zhǎng)度，陰極板的面積決定電解槽的寬度以及深度。

鋅電解過(guò)程中的主要化學(xué)反應(yīng)有陰極反應(yīng)、陽(yáng)極反應(yīng)及鋅電解的總化學(xué)反應(yīng)。影響鋅電解能耗的主要因素可以從影響電流效率方面進(jìn)行分析。對(duì)于影響電流效率的因素主要有陰極板的電流密度、電解液的鋅酸濃度、電解液的溫度、添加劑的使用、電解周期。一般來(lái)說(shuō)，電流效率隨著電解液鋅含量的降低以及酸含量的增加而降低，反之則升高，主要是由于鋅含量若是過(guò)低會(huì)或多或少的增加硫酸的相對(duì)濃度，從而導(dǎo)致陰極附近的鋅離子濃度濃差極化現(xiàn)象的出現(xiàn)。陰極板的面積電流逐步升高，會(huì)有利于提高電流效率。但在此過(guò)程中需要配合適宜的溫度條件，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)阻礙電流效率的提升。另外，增加面積電流會(huì)同時(shí)將電解液的電阻電壓降一定程度的加大，從而促進(jìn)雜質(zhì)的析出。對(duì)于電解液的影響效應(yīng)而言，主要是隨著溫度的升高，氫的超電壓也會(huì)隨之降低，從而增加了析出鋅的反溶液。一般認(rèn)為電流效率的最適宜溫度為38℃～42℃。其次，導(dǎo)致電流效率的無(wú)法升高的一個(gè)原因是析出鋅表面較為粗糙導(dǎo)致陰極表面積增加，很大程度上加大了陰陽(yáng)極接觸短路的可能性，因此在電解過(guò)程中經(jīng)常添加一些膠質(zhì)以及活性劑如動(dòng)物膠，從而增加析出鋅表面的光滑度，防止陰陽(yáng)極接觸短路狀況的發(fā)生。電解過(guò)程析出周期過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都會(huì)造成鋅電解過(guò)程的負(fù)面效應(yīng)，若周期過(guò)長(zhǎng)則會(huì)降低實(shí)際電流目的，從而加重了新的返榕現(xiàn)象，導(dǎo)致電解過(guò)程浪費(fèi)更多的能源。但周期過(guò)短則會(huì)加大剝鋅的難度，且縮短了陰極板的使用壽命。因此，一般的工廠將析出周期控制在一天的時(shí)間為宜。

三、鋅電解能耗的機(jī)理建模

所謂的機(jī)理模型一般是對(duì)對(duì)象的本質(zhì)性描述，在深入分析相關(guān)生產(chǎn)工藝機(jī)理的前提下進(jìn)一步建立相應(yīng)的熱量平衡、動(dòng)力學(xué)以及熱力學(xué)等的方程式模型，想要合理進(jìn)行機(jī)理建模首先需要機(jī)理分析。對(duì)于鋅的電解過(guò)程中雖然雜質(zhì)對(duì)能耗具有顯著影響，但最深層次的問(wèn)題則是主要依賴于雜質(zhì)的凈化過(guò)程。再加上雜質(zhì)本身的多樣性與相互作用的復(fù)雜性，因?yàn)樵诮＿^(guò)程中可以忽略雜質(zhì)的影響。其次一般選擇40℃的建模環(huán)境，主要是由于鋅電解過(guò)程中溫度的變化幅度較少，因此一般不會(huì)對(duì)能耗產(chǎn)生顯著影響。對(duì)于鋅電解能耗的集成預(yù)測(cè)模型而言，相比傳統(tǒng)的機(jī)理模型而言，主要是采用了支持向量機(jī)建模的方法，這種模型具有顯著的高度非線性映射能力，主要是合理對(duì)輸入的訓(xùn)練樣本進(jìn)行分析，從而根據(jù)不同類型建立起相應(yīng)的鋅電解電流效率的支持向量機(jī)模型。目前能夠達(dá)到濕法煉鋅工業(yè)對(duì)電流效率預(yù)測(cè)精度要求的模型仍然很少，最為典型的模型為分段電流效率的預(yù)測(cè)模型?？梢?jiàn)，濕法鋅電解過(guò)程是一種連續(xù)性強(qiáng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，具有明顯的關(guān)系變量多、過(guò)程復(fù)雜、以及不確定因素復(fù)雜的顯著特點(diǎn)。

四、小結(jié)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)全球化的深入發(fā)展使得我國(guó)鋅電解技術(shù)的掌握越來(lái)越深入，本文從鋅電解技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)作為切入點(diǎn)，從鋅電解能耗原理以及模型構(gòu)建做了深入的研究與討論，旨在引起各位專家學(xué)者以及社會(huì)相關(guān)人士的重視，為鋅電解節(jié)能技術(shù)最佳實(shí)踐模式研究提出自己的建議。望可最大程度發(fā)揮本論文的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

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