锌湿法冶炼电解过程能耗分析与建模

覃海洲

摘 要：近年来我国锌电解的节能措施取得了显著成就，但相比国外而言，仍然存在起步较晚、发展缓慢的显著问题，直接或间接的影响着我国能源节约的进程。本文正是基于此背景，以锌电解为主要研究对象，分别从锌电解能耗的机理、锌电解能耗的机理建模以及锌电解能耗的模型预测三个方面进行逐一论述。

关键词：锌湿法冶炼电解；能耗；建模；槽电压、电流效率

随着经济的发展和社会生产力水平的提高，能源在我国经济发展中扮演着越来越重要的作用，是一种及其重要的战略资料，对我国经济的友好又快发展意义重大。从数量上来说，我国的能源总量位居世界前列，但由于能源利用过程中投资高、风险大、污染严重以及效率低下等原因，导致了能源消耗巨大且环境污染严重等问题，能源平衡性遭到严重的破坏，对我国经济的可持续发展构成了极大的威胁。

一、锌电解节能的实施现状与必要性分析

锌的生产加工随着经济发展逐渐呈现指数增长的状态，相比国外而言，尤其是美国、德国等经济发展水平高的国家，已经在锌的生产领域中有了较多研究，且锌电解的节能技术较为成熟，有一定的借鉴意义。而我国对于其节能的相关研究较少，且其生产尚处于初级阶段，起步较晚。为了进一步提高锌的电解质量与效益，借鉴国外的优秀案例与技术不可忽视，如对于瓦斯直燃器而言，利用一定的技术措施从而达到有效减少能耗的目的。目前化工产品的加工等过程，阻碍了我国经济友好又快发展的进程在锌电解过程中，从能源的供给与需求之间的矛盾来说，供需平衡严重破坏，该节能过程面临严重的危机，从环境污染的角度来说，锌电解过程浪费大量的能源，且与环境友好型与资源节约型的原因相悖，因此在发展过程中付出了不少的代价。

二、锌电解能耗的机理分析

首先对于锌电解的工艺过程进行简要分析，湿法炼锌过程中往往将硫酸锌溶液的电解沉积作为其中的重要工艺过程，由于该过程消耗大量电能，因此在很大程度上决定着整个炼锌工艺的效益与生产成本的高低。其工艺流程一般都是将中性硫酸锌溶液进行净化，随后将其送入集液槽，该过程往往需要使用相应的技术设备，如集液泵和冷却塔。随后在集液槽中会同时出现一定新液与废液，将两者混合后得到一定浓度的锌酸电解液，该电解液的成分有硫酸锌、硫酸、水以及一些微量杂质等，最后将电解液送入电解槽通过直流电来完成电解工作。在电解过程中一般选择将铅银合金板作为阳极而将纯铝板作为阴极。电解槽一般选用长方形的槽子，其规模与数量一般都是根据选择的电解参数以及生产规模进行确定的，不同的电解参数需要配备不同的电解槽。而阴极板数量以及极间距决定电解槽的长度，阴极板的面积决定电解槽的宽度以及深度。

锌电解过程中的主要化学反应有阴极反应、阳极反应及锌电解的总化学反应。影响锌电解能耗的主要因素可以從影响电流效率方面进行分析。对于影响电流效率的因素主要有阴极板的电流密度、电解液的锌酸浓度、电解液的温度、添加剂的使用、电解周期。一般来说，电流效率随着电解液锌含量的降低以及酸含量的增加而降低，反之则升高，主要是由于锌含量若是过低会或多或少的增加硫酸的相对浓度，从而导致阴极附近的锌离子浓度浓差极化现象的出现。阴极板的面积电流逐步升高，会有利于提高电流效率。但在此过程中需要配合适宜的温度条件，温度过高或过低都会阻碍电流效率的提升。另外，增加面积电流会同时将电解液的电阻电压降一定程度的加大，从而促进杂质的析出。对于电解液的影响效应而言，主要是随着温度的升高，氢的超电压也会随之降低，从而增加了析出锌的反溶液。一般认为电流效率的最适宜温度为38℃～42℃。其次，导致电流效率的无法升高的一个原因是析出锌表面较为粗糙导致阴极表面积增加，很大程度上加大了阴阳极接触短路的可能性，因此在电解过程中经常添加一些胶质以及活性剂如动物胶，从而增加析出锌表面的光滑度，防止阴阳极接触短路状况的发生。电解过程析出周期过长或过短都会造成锌电解过程的负面效应，若周期过长则会降低实际电流目的，从而加重了新的返榕现象，导致电解过程浪费更多的能源。但周期过短则会加大剥锌的难度，且缩短了阴极板的使用寿命。因此，一般的工厂将析出周期控制在一天的时间为宜。

三、锌电解能耗的机理建模

所谓的机理模型一般是对对象的本质性描述，在深入分析相关生产工艺机理的前提下进一步建立相应的热量平衡、动力学以及热力学等的方程式模型，想要合理进行机理建模首先需要机理分析。对于锌的电解过程中虽然杂质对能耗具有显著影响，但最深层次的问题则是主要依赖于杂质的净化过程。再加上杂质本身的多样性与相互作用的复杂性，因为在建模过程中可以忽略杂质的影响。其次一般选择40℃的建模环境，主要是由于锌电解过程中温度的变化幅度较少，因此一般不会对能耗产生显著影响。对于锌电解能耗的集成预测模型而言，相比传统的机理模型而言，主要是采用了支持向量机建模的方法，这种模型具有显著的高度非线性映射能力，主要是合理对输入的训练样本进行分析，从而根据不同类型建立起相应的锌电解电流效率的支持向量机模型。目前能够达到湿法炼锌工业对电流效率预测精度要求的模型仍然很少，最为典型的模型为分段电流效率的预测模型。可见，湿法锌电解过程是一种连续性强的动态过程，具有明显的关系变量多、过程复杂、以及不确定因素复杂的显著特点。

四、小结

互联网技术的发展以及经济全球化的深入发展使得我国锌电解技术的掌握越来越深入，本文从锌电解技术的发展趋势作为切入点，从锌电解能耗原理以及模型构建做了深入的研究与讨论，旨在引起各位专家学者以及社会相关人士的重视，为锌电解节能技术最佳实践模式研究提出自己的建议。望可最大程度发挥本论文的理论与现实意义。

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