覃海洲

摘 要：近年來我國鋅電解的節(jié)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(fā)展緩慢的顯著問題，直接或間接的影響著我國能源節(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)測三個方面進(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)展和社會生產(chǎn)力水平的提高，能源在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著越來越重要的作用，是一種及其重要的戰(zhàn)略資料，對我國經(jīng)濟(jì)的友好又快發(fā)展意義重大。從數(shù)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(fēng)險大、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)重等問題，能源平衡性遭到嚴(yán)重的破壞，對我國經(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)增長的狀態(tài)，相比國外而言，尤其是美國、德國等經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平高的國家，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。而我國對于其節(jié)能的相關(guān)研究較少，且其生產(chǎn)尚處于初級階段，起步較晚。為了進(jìn)一步提高鋅的電解質(zhì)量與效益，借鑒國外的優(yōu)秀案例與技術(shù)不可忽視，如對于瓦斯直燃器而言，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)品的加工等過程，阻礙了我國經(jīng)濟(jì)友好又快發(fā)展的進(jìn)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(yán)重破壞，該節(jié)能過程面臨嚴(yán)重的危機(jī)，從環(huán)境污染的角度來說，鋅電解過程浪費大量的能源，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)展過程中付出了不少的代價。

二、鋅電解能耗的機(jī)理分析

首先對于鋅電解的工藝過程進(jìn)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(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。隨后在集液槽中會同時出現(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(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(xué)反應(yīng)有陰極反應(yīng)、陽極反應(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(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(jìn)雜質(zhì)的析出。對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)致電流效率的無法升高的一個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極接觸短路的可能性，因此在電解過程中經(jīng)常添加一些膠質(zhì)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(fā)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(fù)面效應(yīng)，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(xiàn)象，導(dǎo)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(jī)理建模

所謂的機(jī)理模型一般是對對象的本質(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。對于鋅的電解過程中雖然雜質(zhì)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(zhì)的凈化過程。再加上雜質(zhì)本身的多樣性與相互作用的復(fù)雜性，因為在建模過程中可以忽略雜質(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程中溫度的變化幅度較少，因此一般不會對能耗產(chǎn)生顯著影響。對于鋅電解能耗的集成預(yù)測模型而言，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)對電流效率預(yù)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(yù)測模型?？梢?，濕法鋅電解過程是一種連續(xù)性強(qiáng)的動態(tài)過程，具有明顯的關(guān)系變量多、過程復(fù)雜、以及不確定因素復(fù)雜的顯著特點。

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)展使得我國鋅電解技術(shù)的掌握越來越深入，本文從鋅電解技術(shù)的發(fā)展趨勢作為切入點，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)者以及社會相關(guān)人士的重視，為鋅電解節(jié)能技術(shù)最佳實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)實意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張義生.鋅濕法冶煉工序流程與影響因素[J].現(xiàn)代國企研究，2017（16）：178179.

[2]曹王劍，陽春華.鋅電解過程節(jié)能降耗優(yōu)化控制技術(shù)[J].計算機(jī)測量與控制，2009，17（12）：24322434+2471.

[3]陳源.鋅濕法冶煉電解過程能耗分析與建模[D].中南大學(xué)，2008.

[4]何靜.清潔生產(chǎn)管理理論在鋅濕法冶煉過程中的應(yīng)用[D].湖南大學(xué)，2005.

[5]吳敏，唐朝暉.鋅濕法冶煉電解過程的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家控制[J].自動化學(xué)報，2001（06）：867869.