分时供电对长周期锌电积的影响.pdf

2 0 1 1 年1 1 期有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．c n 2 1 D O I 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s m1 0 0 ％7 5 4 5 ．2 0 1 1 ．1 1 ．0 0 6 分时供电对长周期锌电积的影响 李坚1 ’2 ，黄娟1 ，罗永光3 ，孙成余3 ，施哲1 ’2 1 ．昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明6 5 0 0 9 3 I 2 ．云南复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室 培育基地 ，昆明6 5 0 0 9 3 ； 3 ．云南驰宏锌锗股份有限公司，云南曲靖6 5 5 0 1 1 摘要通过控制锌电积的电流密度按用电峰时段3 0 0A ／m 2 ，谷时段6 0 0A ／m 2 及平时段4 8 0A ／m 2 进行 长周期锌电积试验，考察了分时供电对锌电积阴极锌质量、电流效率、直流电单耗及电费的影响，并与工 业生产实际进行对比分析。结果表明，对于年产1 2 万t 锌锭的企业，锌电积生产每年节约电费约21 0 0 万元。 关键词锌电积，分时供电，电流效率；直流电单耗 中图分类号T F 8 1 3文献标识码A文章编号1 0 0 7 - 7 5 4 5 2 0 1 1 1 1 - 0 0 2 1 0 5 E f f e c t so fT i m e S h a r i n gP o w e rS u p p l yo nL o n gP e r i o d Z i n cE l e c t r o w i n n i n g L IJ i a n l ”，H U A N GJ u a n l ，L U OY o n g g u a n 9 3 ，S U NC h e n g - y u 3 ，S H IZ h e l 2 1 ．F a c u l t yo fM e t a l l u r g i c a la n dE n e r g yE n g i n e e r i n g 。K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u m m i n g6 5 0 0 9 3 。C h i n a ； 2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yB r e e d i n gB a s eo fC o m p l e xN o n f e r r o u sM e t a lR e s o u r c e sC l e a n i n gU t i l i z a t i o ni n Y u n n a nP r o v i n c e ．K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ．C h i n a ； 3 ．Y u n n a nC h i h o n gZ n G eC o ．L t d ，Q u j i n g6 5 5 0 1 1 ，Y u n n a n ．C h i n a A b s t r a c t T h ee f f e c t so ft i m e - s h a r i n gp o w e rs u p p l yo nl o n gp e r i o dz i n ce l e c t r o w i n n i n gw e r ei n v e s t i g a t e d ， s u c ha s ，q u a l i t yo fc a t h o d ez i n c ，c u r r e n te f f i c i e n c y ，D Cc o n s u m p t i o na n de l e c t r i cf e e ．C u r r e n td e n s i t yo f z i n ce l e c t r o w i n n i n gw a sc o n t r o l l e do n3 0 0A ／m 2a tp e a kp e r i o d ．6 0 0A ／m 2a tv a l l e yp e r i o da n d4 8 0A ／m 2a t n o r m a lp e r i o dr e s p e c t i v e l y ．T h ec o m p a r i s o no fe x p e r i m e n t a lr e s u l t sw i t ha c t u a lp r o d u c t i o ns h o w st h a ta b o u t21m i l l i o nR M Be l e c t r i c i t yc o s tw i l lb es a v e di nz i n ce l e c t r o w i n n i n gw i t h12 0k tc a p a c i t y ． K e yw o r d s Z i n ce l e c t r o w i n n i n g ；T i m e - s h a r i n gp o w e rs u p p l y ；C u r r e n te f f i c i e n c y ；D Cc o n s u m p t i o n 锌在世界金属产量和消耗量中居第四位[ 1 ] 。全 球每年将近7 0 0 万t 锌是通过传统的湿法炼锌工艺 即焙烧浸出一净化一电积一熔铸生产出来的。．2 0 0 9 年对国内某大型企业的湿法炼锌生产进行能耗及能 耗分布调研的结果表明，以生产1t 锌锭计，锌电积 工序的能耗占整个湿法炼锌生产能耗的～6 2 ％；电 积生产1t 阴极锌片的直流电单耗为30 0 0 “ - , 32 0 0 k W h ，锌电积工序的用电量占整个湿法炼锌生产 用电量的～8 0 ％，而锌电积过程的直流电耗又占锌 作者简介李坚 1 9 6 3 一 ，女，白族，云南大理人。硕士，教授． 电积工序总用电量的9 7 ％左右，可见在湿法炼锌生 产中，锌电积生产用电成本占相当大的比例。随着 国内经济高速发展，电力紧张局面日益严重。为缓 解社会用电紧张的局面，各省逐步实行丰枯、峰谷用 电分时计价的政策。自2 0 世纪9 0 年代起，株洲冶 炼厂[ z ] 、葫芦岛东北有色金属集团有限公司[ 3 ] 和云 南云冶锌业股份有限公司“3 等企业相继开展了分时 供电锌电积的研究和生产实践；并开展了锌电解电 耗与分时负荷控制的数学模型及优化调度系统的研 究口- 9 ] 。此外，日本的饭岛电锌厂也根据不同的季 万方数据 2 2 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y | ．b g r i m m ．o n 2 0 1 1 年1 1 期 节和时段电价的差异而调整锌电积的电流密度[ 1 0 3 。 云南省水能资源丰富，是全国水电装机比重最 大的省 区 之一，电力供给受季节枯汛变化影响很 大，因此在电价制定方面除了一天具有三时段电价 之分外峰时段 9 0 0 ～1 2 0 0 和1 8 0 0 ～2 3 0 0 、平 时段 7 0 0 “ - 9 0 0 和1 2 0 0 ～1 8 0 0 、谷时段 2 3 0 0 ～次日7 0 0 ，还将1 年中的不同月份按水资源的 丰富程度，分为丰水期 6 ～1 0 月 、枯水期 1 - - - 4 及 1 2 月 和平水期 5 、1 1 月 ，云南省大工业用电 2 2 0 k V 及以上 平水期的平时段基准电价为0 ．4 2 1 元／ k W h 。丰水期电价下浮1 5 ％，枯水期电价上浮 2 0 ％；峰谷电价上、下浮动比例约为5 0 ％，因此，在 枯水期峰时段电价为0 ．7 3 3 元／ k W h ，而丰水期 的谷电价仅为0 ．1 9 7 元／ k W h 。 锌电积生产1t 阴极锌的直流电单耗一般不低 于30 0 0k W h ，一旦实行用电收费按高峰和低谷 区分电价，若生产维持原来电流密度不变 即不按用 电峰谷平调整电流密度 的情况下，电费与平时段的 电费基本持平；但若能充分利用好分时电价的政策， 在谷时段采用高电流密度和峰时段采用低电流密度 进行生产，必将减少锌电积生产的电费支出，为企业 昌 6 0 0 ≤ 嚣4 0 0 斌 脚2 0 0 创造经济效益。 本文针对云南某大型湿法炼锌企业的实际生产 工艺及现有设备，通过小型试验结果与生产实际进 行对比，分析采用分时供电长周期锌电积对用电费 用支出的结余情况，为企业实际开展分时供电长周 期锌电积生产起指导作用。 1试验方法 1 ．I峰谷平三个时段的供电电流密度 考虑到某锌厂的生产实际1 年产锌锭1 2 0k t ， 阴极锌片1 2 1 ．8 2 5k t ，平均月产阴极锌片1 1 ．0 7 5 k t ；2 每年以1 ～4 月的某个月作为检修，则每年锌 电积生产时间为平水期2 个月、丰水期5 个月及枯 水期4 个月，共计1 1 个月；3 生产电流效率～9 0 ％I 4 电解槽4 0 0 个，每槽阴极4 8 片，每片阴极有效沉 积面积1 ．6r f l 2 。经计算可知，锌电积平均电流密度 为4 6 0A ／m 2 。同时考虑到一天不同时段电价的差 异以及企业现有的设备状况，为满足上述生产，通过 计算比较，设计一组按照峰谷平不同时段一电流密 度组合电解方式 图1 ，并与不按峰谷平 全部时段 均采用4 6 0h ／m 2 电流密度 的试验结果进行比较。 l 1 0 0 0 I 1 2 0 0 I 1 4 0 0 I 1 6 0 0 I 1 8 0 0 I 2 0 0 0 I 2 2 0 0 l 0 0 0 I 2 0 0 I 4 0 0 I 6 0 0 I 8 0 0 I 9 0 0l l 0 01 3 0 01 5 0 01 7 0 01 9 i X 2 1 0 02 3 0 0l 0 03 ． 0 05 0 07 ∞9 ．册 电解时间 图1 分时供电锌电积峰谷平时段的电流密度分布 F i g ．1 C u r r e n td e n s i t yd i s t r i b u t i o no fz i n ce l e t r o w i n n i n gu n d e rt i m e s h a r i n gp o w e rs u p p l y 1 ．2 试验设备和装置 试验所用设备有Y B l 7 3 1 A 型稳压直流电源、 L M IC 7 7 电磁隔膜计量泵、B T 3 0 0 一1 F 液体恒流泵， H H - S 2 数显恒温水浴锅、G S M - D E 型智能数显直流 电能表、C L J B - 0 9 型磁力搅拌器等。锌电解槽内部 尺寸为2 1 0m m 1 2 0m m 2 5 0m m ；电解槽内装入 2 块P b - A g 合金阳极和1 块纯铝阴极，阴极有效沉 积尺寸9 5m i n x8 0m m ，单面沉积面积0 ．0 0 751 T 1 2 ； 同极距7 5m m 。在导电线路内串接智能数显直流 电能表对锌电积过程中通过的电流、系统电压进行 实时监测，并对直流电耗进行计量。 1 ．3 试验过程 用分析纯浓硫酸、一水合硫酸锰和七水合硫酸 锌及蒸馏水配制含Z n 2 5 8g ／L 、H 2 S O t1 7 5g ／L 、 M n 2 4g ／L 的锌电解液。用电磁隔膜计量泵向电 解液中连续、定量地补加含Z n 2 1 5 0g ／L 的新液， 以维持比较稳定的H 。S O ．浓度、Z n 抖浓度及酸锌 比；骨胶先制备成一定浓度的水溶液，再用液体恒流 万方数据 2 0 1 1 年1 1 期 有色金属 冶炼部分 h t t p { ／／y s y l ．b g r i m mc n 2 3 泵连续均匀地加入电解槽。锌电积通电起始时间 1 5 0 0 时，电积周期4 8h 。试验所控制的各项工艺 条件与生产实际相近。 2 试验结果及讨论 2 ．1 析出锌量与电流密度和电解时间的关系 不按峰谷平时段4 8h 锌电积所得阴极锌为 3 6 5 ．8g ，前、后2 天的阴极锌分别为1 8 3 ．3g 和 1 8 2 ．5g ，质量相差0 ．4 4 ％ 相对于第1 天 。分时供 电4 8h 锌电积试验周期的析出锌外观见图2 ，析出 锌量与电解时间的关系见图3 。从图3 可见，分时 供电4 8h 锌电积过程前、后2 天阴极锌质量分别为 1 8 6 ．1g 和1 8 5 ．8g ，质量差为0 ．1 6 ％，表明在相同 的工艺条件下，延长锌电积时间至2 天，后l 天的析 出锌质量会略微减少，但减幅小于0 ．5 ％。 图2 分时供电锌电积4 8h 阴极锌外观 F i g ．2 A p p e a r a n c eo fc a t h o d ez i n c a f t e r4 8he l e t r o w i n n i n g m l 3 0 0 ∞ 啦 吾 嚣2 0 0 士 眸 1 l ■J 0 4 8 1 21 6 舯2 42 83 2 3 64 04 44 8 电解时间／h 图3 分时供电锌电积阴极锌■与 电解时间的关系 F i g ．3 C a t h o d ez i n cm a s sV S ．z i n c e l e c t r o w i n n i n gt i m e 2 ．2 电流效率与电流密度和电解时间的关系 不按峰谷平时段4 8h 锌电积前、后2 天的电流 效率分别为9 0 ．7 ％和9 0 ．3 ％，相差0 ．4 个百分点， 平均9 0 ．5 ％。分时供电4 8h 锌电积前、后2 天的电 流效率分别为9 2 ．1 ％和9 1 ．8 ％，相差0 ．3 个百分 点，平均电流效率9 1 ．9 ％。电流效率与电流密度和 电解时间的关系见图4 。 窖 哥 袋 培 删 电样时间／h 图4 分时供电锌电积电流效率与电流密度和 电解时间的关系 F i g ．4R e l a t i o n s h i pb e t w e e nc u r r e n te f f i c i e n c y a n dz i n ce l e c t r o w i n n i n gt i m eu n d e rd i f f e r e n t c u r r e n td e n s i t y 从图4 可见，在4 8h 锌电积周期内，控制电流 密度为3 0 0A ／m 2 的电流效率9 0 ．5 ％～9 1 ．8 ％，平 均9 1 ．2 ％；电流密度4 8 0A ／m 2 的电流效率8 7 ．5 ％ ～9 1 ．1 ％，平均8 9 ．5 ％；电流密度6 0 0 A ／m 2 的电流 效率9 3 ．9 ％～9 4 ．6 ％，平均9 4 ．2 ％。可见，控制 6 0 0A ／m 2 的电流密度，锌电积的电流效率比低电流 密度时更高，说明高电流密度对于抑制析氢的竞争 反应是比较显著的。此外，延长锌电积时间至2 天， 后1 天的电流效率较前1 天下降了0 ．2 ～0 ．3 个百 分点。 2 ．3 槽电压与电流密度和电解时间的关系 不按峰谷平时段4 8h 锌电积的槽电压为2 ．9 2 ～3 ．0 6V 本试验系统 。分时供电4 8h 锌电积周 期的槽电压与电流密度和电解时间的关系见图5 。 图5 可见，控制电流密度为6 0 0A ／m 2 时，本试 验槽电压达3 ．】2 ～3 ，】3V ；电流密度为4 8 0A ／m 2 时，槽电压为2 ．9 8 ～3 ．0 8V ；电流密度为3 0 0A ／m 2 时，槽电压为2 ．8 6 ～2 ．8 8V 。 2 ．4 锌电积直流电耗与电流密度和电解时间的关 系 不按峰谷平时段4 8h 锌电积的吨锌平均电耗 为28 9 4k W h ，前、后2 天分别为28 9 1k W h 和 万方数据 - 2 4 -有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 1 年1 1 期 3 l 芝 善枷 颦 图5 分时供电锌电积的槽电压与电流密度 和电解时间的关系 F i g ．5R e l a t i o n s h i pb e t w e e nc e l lv o l t a g ea n d z i n ce l e c t r o w i n n i n gt i m eu n d e rd i f f e r e n t c u r r e n td e n s i t y 28 9 7k W h 。分时供电4 8h 锌电积的吨锌平均电 耗为28 4 5k W h ，前、后2 天分别为28 7 5k W h 和28 1 5k W h ，相差6 0k W h ，折合2 ．1 0 ％。直 流电单耗与电流密度和电解时间的关系见图6 。从 试验结果看，延长锌电积时间后，直流电单耗略为降 低。另外，按峰谷平时段操作的直流电单耗比不按 峰谷平时段操作的要低约5 0k W - h 。 硪∥il 篱广乳k 一} i {1 3 0 0 } 瞳m l i | ”鼍”27 2 5 l {{l{‘；{ ； [ 腻4 8 ㈦。L “ M m 4 8 0 A ／m 2 6 9 4 { 酎髓 l “ ，’”r 二』 一} 船悬I _ } 面一 图6 分时供电锌电积的直流电单耗与 电流密度和电解时间的关系 F i g ．6R e l a t i o n s h i pb e t w e e nD Cc o n s u m p t i o n a n dz i n ce l e c t r o w i Ⅱn i n gt i m eu n d e rd i f f e r e n t c u r r e n td e n s i t y 2 ．5 锌电积的电费与电流密度和电解时间的关系 以试验周期各时段的耗电量与相应时段的电价 综合计算出丰水期、枯水期及平水期电积析出1t 阴极锌的电费，结果如图7 所示。 图7 分时供电锌电积的吨锌电费与电流密度 和电解时间的关系 F i g ．7 R e l a t i o n s h i pb e t w e e ne l e c t r i c i t y c h a r g e sa n dz i n ce l e c t r o w i n n i n gt i m eu n d e r d i f f e r e n tc u r r e n td e n s i t y 当不按峰谷平时段 锌电积周期4 8h 均采用 4 6 0A ／m 2 电流密度 进行操作时，丰、枯、平时期4 8 h 周期锌电积的平均电费分别为10 5 0 元、14 4 5 元、12 2 0 元，可见在4 6 0A ／m 2 电流密度下，枯水期 锌电积电费比丰水期高了近4 0 0 元、比平水期高 2 2 0 元。不按峰谷平时段进行操作时，平水期峰、 谷、平时段锌电积生产1t 锌的电费分别是15 3 0 元、10 5 0 元和5 7 0 元，峰时段的吨锌电费几乎是谷 时段的3 倍。 图7 所示分时供电锌电积，丰、枯、平时期4 8h 周期的平均电费分别为9 0 4 元、l2 3 8 元、10 4 7 元， 可见按峰谷平分时供电后，枯水期锌电积电费比丰 水期高约3 3 0 元、比平水期高约1 9 0 元，差额减小。 而且按峰谷平时段操作的分时供电锌电积丰、枯、平 时期4 8h 周期的平均电费比不按峰谷平时段操作 时分别下降1 4 6 元、2 0 7 元和1 7 2 元。虽然采用高 电流密度时的直流电单耗有所增加，但由于日用电 的分时计价，使采用高电流密度的谷时段的电费有 较大程度的降低，因此总的电费有所下降。 将两种操作方式锌电积试验结果折算成锌电积 生产时的电耗、电费及电费结余，结果列于表1 。 从表1 可见，按照峰谷平时段进行锌电积操作， 将使锌电积生产过程每年节约电费21 0 0 万元左 右，电费下降约1 4 ％。因此，在设备硬件及操作技 术条件允许的情况下，按照峰谷平时段进行锌电积 操作将使企业获得较好的经济效益。 3结论 对年产1 2 万t 锌锭的生产企业，按照云南现行 3 3 2 2 2 2 2 暑．；毒蜒哥哥蹭删毒寻冒 万方数据 2 0 1 1 年1 1 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 5 对大工业用电的分时计价，采取峰时段3 0 0A ／m 2 、 谷时段6 0 0A ／m 2 、平时段4 8 0A ／m 2 进行锌电积操 作，将可能使锌电积生产过程每年节约电费21 0 0 万元左右，电费下降约1 4 ％。 表1阴极锌电耗计算结果 T a b l e1C a l c u l a t i o nr e s u l t so fe n e r g yc o n s u m p t i o no fc a t h o d ez i n c 参考文献 [ 1 ] 章小鸽，仲海峰，程东妹，等．锌的腐蚀与电化学[ M ] ．北 京冶金工业出版社，2 0 0 8 ． [ 2 3 黄忠民．株洲冶炼厂锌电解节能实践[ J ] ．有色冶金节 能，2 0 0 0 4 4 6 - 4 7 ． [ 3 ] 董润忠，贾乙东。张维林．锌电解中移风填谷送电制度 的实践[ J ] ．有色冶金节能，2 0 0 6 3 4 3 4 5 ． [ 4 ] 张会林，韩永刚，冯玉蓉，等．分时供电过程中锌电解电 流的优化控制[ C ] l ／首届中国西部有色金属科技论坛， 2 0 0 5 ． [ 5 ] 勇刚，桂卫华，阳春华．基于改进粒子群优化的锌电解 分时供电优化[ J ] ．计算机工程与应用．2 0 0 7 ，4 3 4 3 2 2 1 2 2 3 ‘2 4 0 ． [ 6 ] 桂卫华。王雅琳。阳春华，等．基于模拟退火算法的锌电 解过程分时供电优化调度[ J ] ．控制理论与应用，2 0 0 1 ， 1 8 1 1 2 7 - 1 3 0 ． [ 7 ] 李勇刚，桂卫华，阳春华．基于神经网络算法的锌电解过 程分时供电优化调度系统的研究[ c ] ／／中国控制会议论 文集，辽宁大连，2 0 0 1 5 8 9 - 5 9 3 ． [ 8 ] 王俊年，申群太，周少武．基于微粒群优化算法的锌电 解分时供电优化调度[ J ] ．信息与控制，2 0 0 7 ，3 6 5 ； 5 6 2 5 6 7 ． [ 9 ] 阳春华，桂卫华，吴同茂．锌电解过程的专家优化控制 [ J ] ．中南工业大学学报，1 9 9 8 。2 9 3 8 3 3 8 5 ． [ 1 0 ] 铅锌冶金学编委会．铅锌冶金学[ M ] ．北京科学出 版社，2 0 0 3 ． 万方数据