銻鹽除鈷過程電位混合智能控制方法

01研究背景濕法煉鋅是當(dāng)今世界最主流的鋅冶煉方法，其產(chǎn)量占到全球鋅產(chǎn)量的85%以上。濕法煉鋅工藝主要由焙燒、浸出、凈化、電解等四道工序組成。其中，浸出工序的主要作用是將含鋅物料（鋅精礦、鋅浸出渣等）中的固態(tài)鋅溶解到溶液中。浸出液除鋅離子之外通常還包含有銅、鈷、鎘、鎳等雜質(zhì)離子。這些雜質(zhì)離子會在電解工序造成包括降低電流效率、降低鋅粉純度、腐蝕陰極，乃至于影響生產(chǎn)安全等一系列不良影響。因此，在浸出與電解工序之間，需要通過凈化工序?qū)㈦s質(zhì)離子濃度降低到電解工序可接受的程度。鋅粉置換法是凈化工序最常見的方法，其基本原理是使用鋅粉將銅、鈷、鎘、鎳等雜質(zhì)離子從溶液中置換出來。由于不同雜質(zhì)離子的濃度和性質(zhì)不同，凈化工序也通常被分為除銅、除鈷和除鎘三道子工序。鈷離子是雜質(zhì)離子中最難被去除的離子，除鈷子工序也因此成為了凈化過程的最關(guān)鍵工序。02研究方法鈷離子的置換沉積可以用化學(xué)方程式（1）表示：該過程在沒有催化劑催化的情況下反應(yīng)緩慢，因為鋅粉表面很容易被鋅離子水解生成的所覆蓋，阻礙鈷離子發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。鋅離子的水解反應(yīng)如式（2）、式（3）所示。為解決這個問題，通常會選擇向溶液中加入金屬鹽類進(jìn)行催化。結(jié)合工序特點，銅離子是催化劑的最佳選擇。但單獨的銅離子催化作用有限，需要與銻鹽或砷鹽配合使用。少量銻鹽或者砷鹽沉積在銅電極表面上即可以將其活化，顯著提升鈷置換沉積的速率。需要注意的是，砷鹽會導(dǎo)致凈化過程析出砷化氫氣體，砷化氫氣體對人體是劇毒，危險性極大。因此，部分鋅冶煉廠會選擇使用銻鹽。

在銅離子和銻離子的催化下，鈷離子的沉積發(fā)生在由鋅-銅-銻組成的微電池表面，以式（4）、式（5）所示的可逆半電池反應(yīng)的形式進(jìn)行。發(fā)生在鋅-銅-銻微電池表面的電化學(xué)反應(yīng)直接決定鈷離子的去除效率，掌握電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行情況就可以更好地管控除鈷反應(yīng)的進(jìn)行。然而，常規(guī)的手段很難及時把控電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行情況。現(xiàn)有的人工和自動化驗方法都存在檢測離子單一、檢測時間長和檢測間隔大等問題，無法滿足智能控制的需要。氧化還原電位（OxidationReductionPotential，ORP）是用于檢測溶液中所有物質(zhì)表現(xiàn)出的宏觀氧化還原性的綜合性指標(biāo)。ORP體現(xiàn)的是混合溶液宏觀上給出或得到電子的能力。ORP的數(shù)值越負(fù)，代表混合溶液的還原能力越強(qiáng)，意味著以鈷離子為代表的雜質(zhì)離子越容易被還原沉積?？梢詫RP視作一種體現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行速率的技術(shù)指標(biāo)。凈化除鈷過程關(guān)注的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是鋅粉消耗量，質(zhì)量指標(biāo)是出口鈷離子濃度，兩者都是越低越好。鋅粉添加量越大，ORP就越低，除鈷速率也會相應(yīng)提高。濕法煉鋅工藝要求凈化工序的鈷離子出口濃度低于一定的閾值，在滿足出口指標(biāo)的情況下，需要合理減少鋅粉消耗量，以降低生產(chǎn)成本?；谝陨显颍疚奶岢隽艘惶捉Y(jié)合了電位優(yōu)化設(shè)定、電位補償調(diào)整和電位穩(wěn)定控制等三個模塊的混合智能控制框架，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，這里將電位優(yōu)化設(shè)定和電位補償調(diào)整整合為了電位優(yōu)化設(shè)定和調(diào)節(jié)。電位優(yōu)化設(shè)定模塊根據(jù)入口條件為不同的凈化槽分配合理的氧化還原電位設(shè)定值；電位補償調(diào)整模塊根據(jù)運行過程中的實際情況對電位設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)反應(yīng)環(huán)境的變化；電位穩(wěn)定控制模塊負(fù)責(zé)調(diào)整凈化槽的鋅粉添加量，使電位實際值與設(shè)定值之間的差距盡可能小，變化盡可能平穩(wěn)。圖1整體控制方案03研究結(jié)果以冶煉廠A的凈化除鈷工序為對象展開生產(chǎn)實踐，選取并展示了部分有代表性的生產(chǎn)數(shù)據(jù)（應(yīng)冶煉廠A的保密要求，后續(xù)所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過了統(tǒng)一的縮放處理）。圖2展示了人工控制期間的鋅粉添加總量、1#槽氧化還原電位以及出口鈷離子濃度化驗值的數(shù)據(jù)變化，圖3展示了自動控制期間相關(guān)數(shù)據(jù)的變化，表1展示了兩種控制方式在不同指標(biāo)上的表現(xiàn)。1#凈化槽是凈化除鈷工序的最后一個凈化槽，其氧化還原電位與鋅粉添加總量、出口的鈷離子濃度之間的聯(lián)系較為緊密，展示這三組數(shù)據(jù)有一定的代表意義。

(a)鋅粉添加示意圖(b)電位波動示意圖(c)出口離子質(zhì)量濃度示意圖圖2人工控制效果(a)鋅粉添加示意圖(b)電位波動示意圖(c)出口離子質(zhì)量濃度示意圖圖3自動控制效果表1人工與自動控制方式的指標(biāo)對比圖3展示了第二天自動控制時的數(shù)據(jù)，可以看出，自動控制系統(tǒng)會根據(jù)電位的變化以每化驗周期（2小時）24次的頻率對鋅粉添加量做出調(diào)整，有效抑制了電位的波動。自動控制時的電位波動方差只有人工控制期間的19.58%。表2展示了八月份的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，前兩周為人工控制，后兩周為自動控制，兩個生產(chǎn)區(qū)間的產(chǎn)量基本相同?？梢钥闯?，文中提出的自動控制方案實現(xiàn)了100%的出口濃度達(dá)標(biāo)率，較人工控制高出2.98%。在鋅粉消耗上，自動控制方式平均每小時消耗鋅粉428.95kg，較人工控制減少了4.9%。表2八月份人工與自動控制方式生產(chǎn)效果對比04研究結(jié)論本文提出的基于三維模糊規(guī)則的模糊控制方案實現(xiàn)了氧化還原電位的穩(wěn)定控制，電位的波動幅度較人工控制期間減少了80.42%；基于案例推理和模糊規(guī)則的電位補償調(diào)整方案成功檢測到了生產(chǎn)過程的工況變化，電位的補償調(diào)整有效減少了出口濃度超標(biāo)現(xiàn)象，在自動控制期間達(dá)到了100%達(dá)標(biāo)率；基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和粒子群優(yōu)化算法的電位優(yōu)化設(shè)定在保證出口鈷離子濃度合格的條件下實現(xiàn)了更少的鋅粉消耗，較人工控制相比減少了4.9%。總體來說，本研究設(shè)計