基于节能降耗的电解液流场及电解槽结构模拟仿真研究进展_籍琪.pdf

第 52 卷 第 2 期2023 年 4 月中国有色冶金China Nonferrous MetallurgyVol 52 No 2Apr 2023冶炼工艺基于节能降耗的电解液流场及电解槽结构模拟仿真研究进展籍琪1，2，陈步明1，2，3，蒋春翔1，2，黄惠1，2，3，郭忠诚1，2，3，何亚鹏1，2，3(1 昆明理工大学 冶金与能源工程学院，云南 昆明650093;2 云南省冶金电极材料工程技术研究中心，云南 昆明650106;3 昆明理工恒达科技股份有限公司，云南 昆明650106)摘要 电解过程中电耗占总能耗比高达 50%以上，而且电解过程是多个物理场与电化学反应的耦合，影响因素复杂，目前通过对物理场和电场进行模拟仿真可以达到优化电耗的目的。本文整理了利用COMSOL Multiphysics、ANSYS 对锌、铜、锰、镍等电解槽内的电解液流速场、离子浓度场、电场等多物理场进行数值模拟仿真方面的文献，并且剖析研究结果，认为电解槽上的能耗取决于槽内多物理场的分布，通过改变电解槽进液方式、阳极材料、电解槽几何形状、温度、极板间距、电极相对大小、极板放置方式等，可以影响电流效率以及能耗;利用仿真软件对电解过程进行数值模拟，能够模拟实际电解加工过程，有利于对工艺进行优化，节约成本。目前的仿真模拟主要集中在电解过程中的工艺参数、电极结构、电解槽结构、电解液流场等内部因素，在控制产品杂质、提高生产率和电流效率、改善表面质量和收集矿泥方面研究成果颇丰，但所建模型偏向理想化，未来应该更加注重与实际相结合，考虑温度、湿度、环境等因素造成的影响，提供更准确的模拟结果。关键词 电解能耗;电解槽结构;电解液流场;模拟仿真;多物理场耦合;电流效率;优化工艺 中图分类号 TF803.2;TP391.99 文献标志码 A 文章编号 1672-6103(2023)02-0007-14DOI:10 19612/j cnki cn11-5066/tf 2023 02 002 收稿日期2022-08-16 第一作者籍琪(1998)，女，山西霍州人，硕士研究生，主要研究方向为湿法炼锌、节能电极材料。通信作者陈步明(1977)，男，博士，教授，主要研究方向为表面工程、金属粉体和冶金电极材料。基金项目国家自然科学基金(51564029)。引用格式籍琪，陈步明，蒋春翔，等 基于节能降耗的电解液流场及电解槽结构模拟仿真研究进展J 中国有色冶金，2023，52(2):7 20电冶金提取是指从金属或合金的化合物水溶液、非水溶液或熔盐中电化学沉积的过程，是一种不通过阳极溶解取代金属离子而从溶解的金属离子中沉积金属的电化学过程1。电冶金提取锌、铜、锰、镍等金属在湿法冶金工业中具有十分重要的地位，世界上绝大多数的锌和锰是用湿法工艺生产的。与火法冶金对比，湿法冶金原料中有价金属的回收利用程度高，且材料的运转较为简易，生产过程较易实现自动化和连续化，有利于提高生产效率。电耗占整个电解工艺过程的 50%以上，而且电解过程是多个物理场与电化学反应的耦合，影响因素复杂。总的来说，电场和物理场的均匀分布是获得各金属电解良好技术经济指标的关键。目前，多个基于有限元分析的软件工具可以对物理场和电场进行模拟仿真。COMSOL Multiphysics通过求解偏微分方程和方程组实现单场和多物理现象的仿真，在任意多物理场耦合分析方面展现出其独到的优势，除能满足大多数类型物理单场和多场仿真需要以外，因其求解器强大，还能利用附加功能模块进行软件功能的扩展，在多物理场时可以很方便地自行加入任意的偏微分方程。软件 ANSYS 在解决热力学和流体等单场以及某些耦合场模拟非常强大，比如结构力学、热传递、流体流动、电磁学以及其相互作用力场等，模拟结果准确有效收敛，然而在ANSYS 不太擅长的物理场，耦合精度差。总体来说，COMSOL Multiphysics 的求解器很强大，多物理场求解时，可以很方便地自行加入任意的偏微方程，其扩展性强于 ANSYS。本文整理了利用 COMSOL Multiphysics、ANSYS对电解槽内的电解液流速场、离子浓度场、电场等多物理场进行数值模拟仿真方面的文献，并且剖析研究结果，对能够优化调控电解过程的物理场进行总结，以期对相关企业电解工艺的优化提供参考。1湿法冶金电解能耗机理分析电沉积是湿法冶金的一个重要工艺，在电解过程中会直接消耗大量电能，在很大程度上影响着企业的生产成本。电解能耗一般是指电解所消耗的电能，可以用电解直流电单耗来表示，电解直流电单耗定义为每生产 1 t 金属(析出金属)所消耗的直流电量1，计算公式见式(1)。W=实际消耗直流电量阴极金属产量=V槽q1 000(1)式中:W 为直流电能的单位消耗，kW h/t;V槽为槽电压(即直流电通过 1 个电解槽的电压降)，V;为电流效率，%。由上式可得，湿法冶炼的电解能耗与电流效率成反比，与槽电压成正比。因此，在生产实践中，尽可能提高电流效率，同时降低槽电压，以确保降低电能消耗。电流效率和槽电压受溶液中的金属含量和酸含量影响较大，随着电解液中锌、铜、锰和镍含量的增加及电解液中酸含量的降低，溶液的比电阻增大，导致槽电压升高，但这时电流效率会增加;阴极板电流密度对电流效率和槽电压也有影响，电流密度增加对提高电流效率有利，但由于电解液电阻的电压与电流密度成正比，所以电流密度的增加会导致槽电压上升;电解液的温度降低有利于电流效率的提高，但槽电压会随着温度的升高而降低;提升电解液的纯度有利于增加电流效率并降低槽电压;增加电解周期，会导致析出金属片增厚，产品的表面粗糙度增加并长出树枝状的疙瘩，增大了阴、阳极板之间接触短路的可能性，实际电流密度会有所降低，使得槽电压和电流效率下降;在电解液中添加适量表面活性剂可使析出的金属表面平整、光滑、致密，从而提高电流效率，降低单位电耗。如上所述，同时提高电流效率和降低槽电压的因素经常互相矛盾，因此，需在保证产品质量的前提下辨证分析问题，尽可能采取同时满足降低槽电压和提高电流效率的技术条件，以达到降低电能消耗的目的。2各金属物理场特性分析2.1锌电积多物理场特性湿法炼锌已成为目前锌提取冶金的主导技术，其产量占总量的 80%以上。但湿法炼锌普遍能耗较高，总能耗的 75%左右发生在锌电积过程中2，电积过程中电解槽的涂层脱落和阴极弹性网失去弹性等情况会导致电极性能老化、电解槽极距增大，甚至电柱腐蚀，进一步引起电流分布不均匀，能耗高达2 450 2 500 kW h/t 以上。降低锌电积过程的能耗是湿法炼锌节能和提高经济效益的关键，诸多学者通过提高电流效率和降低槽电压来减少能耗，措施包括采用合理的电流密度、酸锌比、电解液温度、高纯度电解液、表面活性剂，还有缩小电极间 距等3 6。除此之外，电解液流场的均匀分布和阳极板材料及结构的设置也是影响能耗的重要因素。锌电积过程中，电流从阳极传递到阴极，产生电化学反应，金属锌沉积在阴极上;同时，阳极处产生大量微气泡形式的氧气，阴极表面产生氢气。电解槽一般选用长方形槽，其规模与数量一般根据选择的电解参数以及生产规模确定，不同的电解参数需要配备不同的电解槽。锌电积过程中，电解液循环流动的情况影响电解过程的稳定性，进而也会影响电流效率的提高及能耗的降低;此外，采用传统 Pb 合金阳极板的电积过程能耗较高，通过改进阳极板材料与结构，可以降低锌电解槽能耗。因此可以通过模拟仿真软件，观察并改进电解液循环流动情况和阳极板材料与结构，可以提高电流效率，降低能耗。2.1.1电解液流场的影响在锌电积过程中，能耗受阴极表面离子浓度场和电解液流场影响。电解液流速高，会使锌离子浓度升高、氢离子浓度降低，从而提高电流效率，降低能耗。此外，电解液循环流动的情况对电解操作过程的稳定进行影响重大，而持续稳定的生产又是提高电流效率、降低能耗的基础，所以有必要对工业上使用的锌电解槽内部的电解液流动情况进行分析研究。8中 国 有 色 冶 金冶炼工艺王建伟等7 采用物理模型和数学模型相结合的方法研究运行中的锌电解槽中的电解液流动情况，发现电解槽的角部存在流速很小的回流，极其容易形成死区。苏寅彪2 和 LI 等8 对运行中的锌电解槽中电解液的单相流动和气液流动进行了详细数值模拟，并提出用电极间有效流速(IEF)来定量评价电解液的流动特性，发现入口位置对 IEF 影响较大。WANG 等9 采用三维数学模型模拟电解液以 5 种进液方式在锌电解槽中的流量和停留时间分布(TD)，并进行相应的锌电积试验，研究不同进液方式对电解液流动的影响，试验结果如表 1 所示。结果表明，改变进液方式可以有效提高电流效率。试验所用的锌电解槽结构如图 1 所示。表 1锌电解槽的 5 种进液方式和电流效率Table 1Five liquid feeding methods and currentefficiency of zinc electrolytic cell方案进液方式电流效率/%0#89.850#，1#96.840#，2#98.900#，3#97.980#，4#90.10图 1锌电解槽结构Fig 1Structure of zinc electrolytic cell结果显示，4 种新型进液方式相较于传统进液方案在电流效率上均有不同程度的提升，进液方案的电流效率最高，可提升到 98.90%。该试验表明，通过改变进液方式能够改善阳极和阴极之间的流速场，可以实现电解液在阳极和阴极之间流动的强化，有利于将锌离子输送到阴极，同时释放反应热，是提升电流效率的有效方法。邓亦梁等10 利用多物理场耦合仿真模拟软件COMSOL Multiphysics 对锌电解槽进行数值模拟，主要模拟电解液流场、电场、电解能耗和电流效率的分布情况。研究结果表明，阴极板上方的电解液流动方向是斜向下的，且斜向下流速会随着与入口距离的加大而迅速下降。阴极板下方的电解液流动方向是斜向上的，且斜向上流速不会随着入口距离的加大而变化，基本上保持稳态。同时，发现了阴极板表面存在一部分“流动死区”，使锌离子浓度和电流效率变低，能耗升高，极易引发“返溶烧板”现象，这是由电解液相向流动造成的结果。还发现降低电解液流速会使锌离子浓度和电流效率变低，氢离子浓度升高，反之，升高电解液流速会使锌离子浓度和电流效率升高，氢离子浓度和能耗变低，这表明锌电解能耗受阴极表面离子浓度场和电解液流场影响。Zhang 等11 利用 COMSOL Multiphysics 软件建立了基于 Nernst-Plank 方程和电极析气反应动力学的锌电积综合模型，该模型计算得到的锌电解槽内的流场显示出了流体流场的产生过程。气泡在阳极表面产生，由于浮力作用，气泡开始上升;上升过程中，气泡加速并与更多的气泡结合，速度和动量同时增加，并在顶部接近最大值;气泡与电解质溶液之间的相互作用产生类似的流体场，不同的是，当气泡到达电解液的顶表面时，大部分气泡被释放到周围环境中，表面受入口处液体的影响，被强制改变方向，向下运动，剩余的气泡与流体电解液之间相互作用，产生漩涡，下部的流体速度要比上部慢得多。上述研究结果表明，锌电解能耗受阴极表面锌离子浓度场和电解液流场影响，通过模拟仿真模型可以直观观察到电解液流场流动情况，通过改变进液方式等(表 1 中 进液方案)可以改善电流效率和能耗。2.1.2阳极板材料与结构的影响电积过程中阳极板材料与结构直接影响电解槽内电场分布以及电沉积过程能耗，因此降低锌电解槽能耗的最重要途径是改进阳极板材料与结构。由于使用传统 Pb 合金阳极板在电积过程中易使阴极受到 Pb 的污染，增加能耗，已有研究者开发了新型阳极，包括可电催化涂层阳极(DSA)、多元Pb 合金阳极和多孔阳极等12。这 3 种新型阳极材料的优点分别是可降低槽电压、提升铅基合金阳极的机械强度、降低阳极电位和槽电压，但仍然存在电极制造成本高、性能不能满足工业需求、导电和力学92023 年 4 月第 2 期籍琪等:基于节能降耗的电解液流场及电解槽结构模拟仿真研究进展性能较差的缺点。为此，LI 等13 通过采用金属芯板和多孔层的阳极结