鋅濕法冶煉電解過程能耗分析與建模

覃海洲

摘 要：近年來我國鋅電解的節能措施取得了顯著成就，但相比國外而言，仍然存在起步較晚、發展緩慢的顯著問題，直接或間接的影響著我國能源節約的進程。本文正是基于此背景，以鋅電解為主要研究對象，分別從鋅電解能耗的機理、鋅電解能耗的機理建模以及鋅電解能耗的模型預測三個方面進行逐一論述。

關鍵詞：鋅濕法冶煉電解；能耗；建模；槽電壓、電流效率

隨著經濟的發展和社會生產力水平的提高，能源在我國經濟發展中扮演著越來越重要的作用，是一種及其重要的戰略資料，對我國經濟的友好又快發展意義重大。從數量上來說，我國的能源總量位居世界前列，但由于能源利用過程中投資高、風險大、污染嚴重以及效率低下等原因，導致了能源消耗巨大且環境污染嚴重等問題，能源平衡性遭到嚴重的破壞，對我國經濟的可持續發展構成了極大的威脅。

一、鋅電解節能的實施現狀與必要性分析

鋅的生產加工隨著經濟發展逐漸呈現指數增長的狀態，相比國外而言，尤其是美國、德國等經濟發展水平高的國家，已經在鋅的生產領域中有了較多研究，且鋅電解的節能技術較為成熟，有一定的借鑒意義。而我國對于其節能的相關研究較少，且其生產尚處于初級階段，起步較晚。為了進一步提高鋅的電解質量與效益，借鑒國外的優秀案例與技術不可忽視，如對于瓦斯直燃器而言，利用一定的技術措施從而達到有效減少能耗的目的。目前化工產品的加工等過程，阻礙了我國經濟友好又快發展的進程在鋅電解過程中，從能源的供給與需求之間的矛盾來說，供需平衡嚴重破壞，該節能過程面臨嚴重的危機，從環境污染的角度來說，鋅電解過程浪費大量的能源，且與環境友好型與資源節約型的原因相悖，因此在發展過程中付出了不少的代價。

二、鋅電解能耗的機理分析

首先對于鋅電解的工藝過程進行簡要分析，濕法煉鋅過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程，由于該過程消耗大量電能，因此在很大程度上決定著整個煉鋅工藝的效益與生產成本的高低。其工藝流程一般都是將中性硫酸鋅溶液進行凈化，隨后將其送入集液槽，該過程往往需要使用相應的技術設備，如集液泵和冷卻塔。隨后在集液槽中會同時出現一定新液與廢液，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等，最后將電解液送入電解槽通過直流電來完成電解工作。在電解過程中一般選擇將鉛銀合金板作為陽極而將純鋁板作為陰極。電解槽一般選用長方形的槽子，其規模與數量一般都是根據選擇的電解參數以及生產規模進行確定的，不同的電解參數需要配備不同的電解槽。而陰極板數量以及極間距決定電解槽的長度，陰極板的面積決定電解槽的寬度以及深度。

鋅電解過程中的主要化學反應有陰極反應、陽極反應及鋅電解的總化學反應。影響鋅電解能耗的主要因素可以從影響電流效率方面進行分析。對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。一般來說，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低會或多或少的增加硫酸的相對濃度，從而導致陰極附近的鋅離子濃度濃差極化現象的出現。陰極板的面積電流逐步升高，會有利于提高電流效率。但在此過程中需要配合適宜的溫度條件，溫度過高或過低都會阻礙電流效率的提升。另外，增加面積電流會同時將電解液的電阻電壓降一定程度的加大，從而促進雜質的析出。對于電解液的影響效應而言，主要是隨著溫度的升高，氫的超電壓也會隨之降低，從而增加了析出鋅的反溶液。一般認為電流效率的最適宜溫度為38℃～42℃。其次，導致電流效率的無法升高的一個原因是析出鋅表面較為粗糙導致陰極表面積增加，很大程度上加大了陰陽極接觸短路的可能性，因此在電解過程中經常添加一些膠質以及活性劑如動物膠，從而增加析出鋅表面的光滑度，防止陰陽極接觸短路狀況的發生。電解過程析出周期過長或過短都會造成鋅電解過程的負面效應，若周期過長則會降低實際電流目的，從而加重了新的返榕現象，導致電解過程浪費更多的能源。但周期過短則會加大剝鋅的難度，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間為宜。

三、鋅電解能耗的機理建模

所謂的機理模型一般是對對象的本質性描述，在深入分析相關生產工藝機理的前提下進一步建立相應的熱量平衡、動力學以及熱力學等的方程式模型，想要合理進行機理建模首先需要機理分析。對于鋅的電解過程中雖然雜質對能耗具有顯著影響，但最深層次的問題則是主要依賴于雜質的凈化過程。再加上雜質本身的多樣性與相互作用的復雜性，因為在建模過程中可以忽略雜質的影響。其次一般選擇40℃的建模環境，主要是由于鋅電解過程中溫度的變化幅度較少，因此一般不會對能耗產生顯著影響。對于鋅電解能耗的集成預測模型而言，相比傳統的機理模型而言，主要是采用了支持向量機建模的方法，這種模型具有顯著的高度非線性映射能力，主要是合理對輸入的訓練樣本進行分析，從而根據不同類型建立起相應的鋅電解電流效率的支持向量機模型。目前能夠達到濕法煉鋅工業對電流效率預測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測模型。可見，濕法鋅電解過程是一種連續性強的動態過程，具有明顯的關系變量多、過程復雜、以及不確定因素復雜的顯著特點。

四、小結

互聯網技術的發展以及經濟全球化的深入發展使得我國鋅電解技術的掌握越來越深入，本文從鋅電解技術的發展趨勢作為切入點，從鋅電解能耗原理以及模型構建做了深入的研究與討論，旨在引起各位專家學者以及社會相關人士的重視，為鋅電解節能技術最佳實踐模式研究提出自己的建議。望可最大程度發揮本論文的理論與現實意義。

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