Aspen Plus模擬軟件在礦渣立磨系統(tǒng)工藝性能優(yōu)化中的應(yīng)用

彭林山　葛紀(jì)軍

1. 成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610051；2. 青島科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與化工研究所，山東 青島 260044；3. 青島銀科恒遠(yuǎn)化工過程信息技術(shù)有限公司，山東 青島 260042

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Aspen Plus模擬軟件在礦渣立磨系統(tǒng)工藝性能優(yōu)化中的應(yīng)用

彭林山1葛紀(jì)軍2,3

1. 成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610051；2. 青島科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與化工研究所，山東 青島 260044；3. 青島銀科恒遠(yuǎn)化工過程信息技術(shù)有限公司，山東 青島 260042

利用大型化工流程模擬軟件Aspen Plus建立工藝流程模型可優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，提高研發(fā)效率。用該軟件對(duì)礦渣立磨系統(tǒng)進(jìn)行工藝流程模擬，得出熱煙氣需要量隨原料水分的變化規(guī)律、成品細(xì)度隨磨機(jī)計(jì)算功率的變化規(guī)律和產(chǎn)品粒度分布隨選粉機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，可為優(yōu)化中控操作、故障診斷和企業(yè)效益管理提供參考。

礦渣粉磨系統(tǒng)立磨Aspen Plus

0　引言

Aspen Plus是一個(gè)基于質(zhì)量平衡和能量平衡的生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)，其內(nèi)置數(shù)據(jù)庫包含有8 500種組分物性數(shù)據(jù)，包括有機(jī)物、無機(jī)物、水合物和鹽類，與之配套的也有80余種物性方法。Aspen Plus也幾乎涵蓋了化工領(lǐng)域所有常用的單元操作模型，例如換熱器、精餾塔、破碎機(jī)、選粉機(jī)等，可以對(duì)固、液、汽態(tài)的物料進(jìn)行相關(guān)的模擬。該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，但是在建材行業(yè)應(yīng)用較少。

由于立磨系統(tǒng)是一個(gè)烘干兼粉磨選粉的系統(tǒng)，非常適合粉磨礦渣這種原料水分大、易磨性差、產(chǎn)品粒度要求較細(xì)的物料，例如武安新峰水泥公司的兩條礦渣微粉生產(chǎn)線，采用CRM5633磨機(jī)，年產(chǎn)200萬t S95級(jí)及以上礦渣微粉，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。鑒于Aspen Plus在工藝流程研發(fā)和設(shè)計(jì)方面有出色的表現(xiàn)，筆者將Aspen Plus應(yīng)用于礦渣立磨系統(tǒng)并取得了良好的效果，得出了許多很有價(jià)值的規(guī)律，進(jìn)一步加深了對(duì)工藝流程的理解，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐也具有指導(dǎo)作用，而傳統(tǒng)的以Excel編制的計(jì)算書很難實(shí)現(xiàn)這樣的效果。本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中原料水分、產(chǎn)品細(xì)度波動(dòng)較大的情況，利用該軟件得出了熱煙氣需要量隨原料水分的變化規(guī)律、成品細(xì)度隨磨機(jī)計(jì)算功率的變化規(guī)律和產(chǎn)品粒度分布隨選粉機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，可為優(yōu)化中控操作、故障診斷和企業(yè)效益管理提供參考。

1　流程模型的建立和設(shè)置

1.1流程的建立和流股的設(shè)置

本文以CRM5633立磨配套的礦渣粉磨生產(chǎn)線為對(duì)象建立流程模型（見圖1），MILL為一個(gè)自定義模型，包含了磨機(jī)、選粉機(jī)并兼有烘干功能，將其展開如圖2所示。圖1中包含立磨（MILL單元模型）、袋收塵器（FILTER單元模型）、系統(tǒng)排風(fēng)機(jī)（FAN單元模型），與實(shí)際工藝流程相符。FEED為系統(tǒng)喂料流股，PRODUCT為產(chǎn)品流股，EXHAUST為廢氣流股，且所有流股都顯示了溫度、流率等信息，隨計(jì)算結(jié)果的變化而變化。該流程模型圖亦可作為數(shù)據(jù)流程圖，圖1和圖2顯示的是礦渣原料水分為6%、產(chǎn)量為細(xì)度D90為62.3μm的數(shù)據(jù)流程。

圖2中，F(xiàn)EED流股與循環(huán)流股（RECYCLE）混合后依次經(jīng)過粉磨單元模型（CRM5633）、烘干單元模型（D R Y E R）、選粉單元模型（SEPOR）。粗的固體顆粒（包括實(shí)際立磨的外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)）作為選粉單元模型的回料（RECYCLE），細(xì)的成品固體顆粒隨氣體排出選粉機(jī)。所建立的工藝流程模型符合實(shí)際礦渣生產(chǎn)線的工藝流程的情況。

圖1　主流程模型

大多數(shù)礦渣生產(chǎn)線所用熱源都以煤為燃料，假定煤燃燒后的熱煙氣主要組分為N2、CO2、O2和H2O。對(duì)于礦渣原料，由于其所含礦物組成和結(jié)構(gòu)不盡相同，在Aspen Plus數(shù)據(jù)庫中沒有相應(yīng)的物性數(shù)據(jù)，故將礦渣命名為slag，類型為非常規(guī)物流（nonconventional）。用于熱力學(xué)計(jì)算的物性模型選為ENTHGEN和DNSTYGEN，設(shè)置密度模型（DENGEN）的參數(shù)為1 300 kg/cum，焓模型（DHFGEN，HCGEN）參數(shù)為-15 469 kJ/kg，1.427 kJ/(kg·K)[1]。添加PROXANAL組分屬性來確定SLAG的水分。將物性方法設(shè)置為SOLIDS。

圖2　MILL子流程模型

由于流程模型涉及到非常規(guī)固體及其顆粒分布的相關(guān)計(jì)算，還有熱煙氣的常規(guī)組分，故將流股類型設(shè)置為MIXNCPSD，水分組成為H2O。按照標(biāo)準(zhǔn)篩孔尺寸大小來定義模型的篩的級(jí)配，使模擬結(jié)果的顆粒分布更具有對(duì)比性。對(duì)于進(jìn)料流股的初始值設(shè)置如表1所示。

1.2主要單元模型參數(shù)設(shè)置

表1　進(jìn)料流股初始值

如圖1所示，在主流程模型中，袋收塵（FILTER單元模型）的計(jì)算模型設(shè)置為Solids separator，風(fēng)機(jī)（FAN單元模型）的類型設(shè)置為Compressor-Isentropic，風(fēng)機(jī)出口的氣體流股OUTFAN要分一部分作為循環(huán)風(fēng)。使用SPLITER （FSplit單元模型）將OUTFAN流股分為EXHAUST流股和RECYCGAS流股，設(shè)置參數(shù)為RECYCGAS流股占比初始值為0.3。

在如圖2所示的子流程模型中，名稱為CRM5633的CRUSHER單元模型模擬了使用機(jī)械的方法將固體顆粒破碎粉磨為更小尺寸的固體顆粒，有很多種計(jì)算方法。在粉體工程中，水泥、礦渣微粉的粒度分布往往符合RRSB經(jīng)驗(yàn)分布，故將計(jì)算方法設(shè)置為“規(guī)定產(chǎn)品粒度分布和輸入粉磨功耗”，產(chǎn)品粒度分布方程選擇“Rosin Rammler Sperling Bennet”，均勻性系數(shù)設(shè)置為0.96，輸入功耗為16 kWh/t，邦德功指數(shù)為94.3 MJ/ t（23 kWh /t，F(xiàn)80=100μm），粉磨理論選擇“Rittinger's Law”，該粉磨理論解釋了粉磨過程中顆粒粒度減小和能量消耗之間的關(guān)系，認(rèn)為粉磨物料所消耗的能量與粉碎過程中新生成的表面的面積成正比，表達(dá)式為：

式中：W—輸入功耗；

CR—比例系數(shù)；

dp—粉磨后物料的特征粒徑；

df—粉磨前物料的特征粒徑。

由（1）式可以得出成品的特征粒徑為：

比例系數(shù)CR可由下式得出：

式中：Ei—邦德功指數(shù)，kWh/t；

dB,l—邊界系數(shù)，取值為0.05 mm。

（2）式即為CRM5633單元模型的計(jì)算依據(jù)，在最后進(jìn)行流程計(jì)算時(shí)，會(huì)經(jīng)過反復(fù)的迭代計(jì)算，直至流程計(jì)算收斂。

在圖2中的DRYER單元模型模擬了物料烘干的過程，這里設(shè)置烘干類型為Shortcut，熱負(fù)荷為0，出口物流水分為0.01。該模型的主要作用是在物流平衡和熱平衡的基礎(chǔ)上，設(shè)置和操作slag（NC物流類型）的水分。

SEPOR單元模型模擬了對(duì)固體顆粒選粉分級(jí)的過程，根據(jù)實(shí)際CRM5633立磨內(nèi)置的帶回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的籠型選粉機(jī)相關(guān)參數(shù)，設(shè)置單元模型的計(jì)算方法為sifter model和Impeller wheel Husemann，并設(shè)置選粉機(jī)直徑、高度和葉片大小等相關(guān)參數(shù)，壓力損失設(shè)置為2 000 Pa。

2　設(shè)計(jì)規(guī)定和靈敏度的設(shè)置

Aspen Plus為了方便用戶控制和分析流程模型，提供了許多有用的工具，這里使用了Design Specs（設(shè)計(jì)規(guī)定）、Calculator（計(jì)算器）和靈敏度分析（Sensitivity）。Design Specs可以為某個(gè)流程變量指定一個(gè)期望值，并同時(shí)需要選擇操縱變量來滿足指定的期望值，這個(gè)操縱變量可以是一個(gè)單元模型輸入?yún)?shù)或者是進(jìn)料物料的相關(guān)參數(shù)[2]。根據(jù)實(shí)際情況，CRM5633立磨出口工況風(fēng)量為560 000 cum/hr左右，溫度為90 ℃左右，故將圖2中的TOSEPOR流股的體積流率的期望值設(shè)置為(560 000±8 000)cum/hr；并且設(shè)置DRYER的廢氣溫度的期望值為(90±1.5)℃。操縱變量選擇圖1中SPLITER單元模型RECYCGAS流股的分率和HOTGAS流股的體積流率。Aspen Plus根據(jù)上述設(shè)計(jì)規(guī)定的設(shè)置，進(jìn)行一定次數(shù)迭代計(jì)算直到滿足期望值為止。

在Aspen Plus中Calculator也稱為Fortran模塊，用戶可以編寫Aspen Plus可執(zhí)行的Fortran程序，用于在使用輸入變量前計(jì)算和設(shè)定它們（前饋控制），從一個(gè)文件中讀取輸入數(shù)據(jù)等功能。這里使用Calculator來計(jì)算當(dāng)原料水分變化時(shí)的喂料量，即FEED流股的流率。

靈敏度分析（Sensitivity）是一種進(jìn)行工況研究的最有用的工具之一，可以用它來改變一個(gè)或多個(gè)流程變量并研究該變化對(duì)其他流程變量的影響，用戶改變的變量稱為操縱變量，需要觀察的變量稱作采集變量。本文用該工具研究了熱煙氣需要量隨原料水分的變化規(guī)律、成品細(xì)度隨磨機(jī)計(jì)算功率的變化規(guī)律和產(chǎn)品粒度分布隨選粉機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

3　模擬結(jié)果分析

礦渣作為煉鐵的副產(chǎn)物，具有水分含量變化大的特點(diǎn)，新產(chǎn)生的礦渣水分可高達(dá)16%以上，而經(jīng)過長期堆放的礦渣水分在2%～3%之間，這對(duì)礦渣立磨熱平衡計(jì)算和中控操作都會(huì)產(chǎn)生較大的影響，故本文利用Aspen Plus軟件中的靈敏度分析工具研究了在產(chǎn)品產(chǎn)量不變的情況下，熱煙氣需要量、立磨入口風(fēng)溫和循環(huán)風(fēng)比例隨原料水分的變化規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。

圖3　原料水分對(duì)熱煙氣需要量、立磨入口風(fēng)溫的影響

從圖3可以看出，隨著原料水分的增加，熱煙氣需要量和磨機(jī)入口溫度逐漸增加，原料水分與兩者都有一定的線性關(guān)系，當(dāng)原料水分增加到20%時(shí)，立磨入口風(fēng)溫就高達(dá)260 ℃，極有可能對(duì)立磨的機(jī)械部件帶來損傷；再者，由于磨內(nèi)通風(fēng)量有一定的范圍，如果原料水分過高，需要的熱煙氣量也過高，磨內(nèi)通風(fēng)量超出范圍，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算錯(cuò)誤，這也量化地說明了立磨的烘干能力是有限的。

圖3還給出了循環(huán)風(fēng)比例隨原料水分的變化規(guī)律，該規(guī)律是基于冷風(fēng)閥完全關(guān)閉時(shí)得出的結(jié)果，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了節(jié)約用煤，降低生產(chǎn)成本往往需要關(guān)閉冷風(fēng)閥，并調(diào)節(jié)循環(huán)風(fēng)閥和廢氣風(fēng)閥的開度，此時(shí)該結(jié)果就很具有借鑒和參考價(jià)值。

在礦渣微粉生產(chǎn)實(shí)踐中，通常需要提高選粉機(jī)轉(zhuǎn)速來獲得比表面積更高、顆粒粒度更細(xì)的產(chǎn)品，本文研究了在產(chǎn)量不變的情況下，選粉機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)產(chǎn)品粒度、磨機(jī)計(jì)算功率等系統(tǒng)參數(shù)的影響，結(jié)果如圖4、5所示。從圖4中可以看出，隨著選粉機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，產(chǎn)品D90下降明顯，說明選粉機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)產(chǎn)品的細(xì)度影響較大，但是隨著選粉機(jī)轉(zhuǎn)速大于5 600 r/h時(shí)，再提高選粉機(jī)轉(zhuǎn)速，產(chǎn)品細(xì)度下降幅度變緩，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)來說顯得不經(jīng)濟(jì)，并且會(huì)縮短選粉機(jī)的壽命。再者，隨著選粉機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，磨機(jī)計(jì)算功率也逐漸增加，對(duì)于該流程模型而言，這是由于CRUSHER單元模型的參數(shù)設(shè)置為輸入功耗，根據(jù)式（2），當(dāng)CRUSHER單元模型的進(jìn)料流股（TOMILL，如圖2所示）粒度變化不大時(shí)，進(jìn)入選粉機(jī)的固相流股（COARSE）的粒度變化也不大，當(dāng)選粉機(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，產(chǎn)品粒度變細(xì)，由于產(chǎn)量不變，故選粉機(jī)喂料量增加，循環(huán)負(fù)荷增加，通過CRUSHER單元模型物料流率增加，故磨機(jī)的計(jì)算功率增加。在生產(chǎn)實(shí)踐中，表現(xiàn)為提高了選粉機(jī)轉(zhuǎn)速，產(chǎn)品細(xì)度變細(xì)，在保證相同產(chǎn)量的情況下，磨機(jī)需要消耗更多的功率來粉磨物料，而利用該結(jié)果可以量化說明上述關(guān)系。

圖4　選粉機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)產(chǎn)品D90和磨機(jī)計(jì)算功率的影響

選粉機(jī)轉(zhuǎn)速的變化不僅使得產(chǎn)品粒度分布改變，也使得選粉機(jī)的選粉效率、循環(huán)負(fù)荷發(fā)生改變。圖5顯示了選粉機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)其進(jìn)出物流粒度的影響。從圖5中可以看出選粉機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)產(chǎn)品細(xì)度影響相對(duì)較大，選粉機(jī)喂料粒度變化不大。根據(jù)圖5的數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出不同選粉機(jī)轉(zhuǎn)速下，選粉機(jī)的選粉效率（45μm）和循環(huán)負(fù)荷，如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著選粉機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，選粉效率降低，循環(huán)負(fù)荷增加，即在保持產(chǎn)量不變、選粉機(jī)喂料粒度不變時(shí)，選粉機(jī)的選粉效率與循環(huán)負(fù)荷成反比，這時(shí)因?yàn)檫x粉機(jī)轉(zhuǎn)速越高，小于45μm的顆粒進(jìn)入成品的機(jī)會(huì)越少，選粉效率越低，由于產(chǎn)量不變故循環(huán)負(fù)荷就越高，這也說明模擬計(jì)算出的結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)踐相吻合。

圖5　選粉機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)其進(jìn)出物流粒度的影響

圖6　選粉機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)選粉效率和循環(huán)負(fù)荷的影響

4　結(jié)束語

模擬結(jié)果給出了磨機(jī)功率和產(chǎn)品粒度之間等量化關(guān)系和相關(guān)規(guī)律，在設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝參數(shù)來建立流程模型，利用該流程模型就可以推演出更多較為可靠的系統(tǒng)工藝參數(shù)，十分有利于研發(fā)設(shè)計(jì)、老生產(chǎn)線的優(yōu)化和改造。上述模擬結(jié)果和分析僅作為例子來說明Aspen Plus強(qiáng)大的模擬計(jì)算功能，該模型仍然有許多有價(jià)值的規(guī)律可以挖掘。

在實(shí)際生產(chǎn)中，也可以利用該軟件來進(jìn)行故障診斷，預(yù)測相關(guān)的工藝參數(shù)，從而縮短調(diào)試周期，穩(wěn)定生產(chǎn)，并可以為企業(yè)提升管理效益做出正確的決策提供參考。

Aspen Plus軟件的CRUSHER單元模型可以設(shè)置多種形式來模擬不同的粉磨工藝，甚至用戶可以根據(jù)粉磨動(dòng)力學(xué)原理自定義選擇函數(shù)和破碎函數(shù)[3]來模擬計(jì)算更貼合實(shí)際的粉磨工藝，故該軟件同樣可以為其他粉磨流程建立模型，例如帶輥壓機(jī)的水泥粉磨車間等。Aspen Plus軟件的應(yīng)用也將越來越廣泛。

[1] 韓洪興.機(jī)械粉碎礦渣微粉顆粒性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究[D].安徽理工大學(xué), 2011.

[2] 孫蘭義. 化工流程模擬實(shí)訓(xùn)--Aspen Plus教程[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

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TQ172.632

B

1008-0473(2016)03-0066-05DOI編碼：10.16008/j.cnki.1008-0473.2016.03.011

2016-02-25）