氧化鋁生產(chǎn)過程物料和能量平衡計(jì)算模型的開發(fā)及應(yīng)用

于水波，岳 玲，鄢 艷

（東北大學(xué)設(shè)計(jì)研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110000）

近十年來，鋁工業(yè)技術(shù)迅速發(fā)展，整個(gè)行業(yè)的設(shè)備水平、操作方式和設(shè)計(jì)手段都不斷地發(fā)展與進(jìn)步。傳統(tǒng)的氧化鋁物料平衡計(jì)算方法因?yàn)檩敵鲂畔⒘繂我?、設(shè)計(jì)人員對(duì)平衡結(jié)果的后處理工作量大、行業(yè)認(rèn)可度不高等原因，無法滿足國內(nèi)外工程設(shè)計(jì)和指導(dǎo)生產(chǎn)的需要。國際上一流的工程咨詢公司多數(shù)在SysCAD軟件平臺(tái)上開發(fā)模擬氧化鋁廠的工藝流程[1]。

在此平臺(tái)的基礎(chǔ)之上,還需要進(jìn)一步的開發(fā),根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)設(shè)定邊界條件,并在實(shí)際應(yīng)用中不斷檢驗(yàn),氧化鋁生產(chǎn)過程物料和能量平衡計(jì)算模型就是此類型開發(fā)工作的成果。

1 模型的建立

模型建立之前，需要根據(jù)項(xiàng)目的外部條件確定初步的工藝技術(shù)方案。

首先，根據(jù)礦石成分、各種雜質(zhì)的含量和鋁土礦加工實(shí)驗(yàn)報(bào)告推薦的數(shù)據(jù)確定溶出的溫度、停留時(shí)間、是否增加脫硅等方案。

其次，根據(jù)礦石加工報(bào)告中的沉降性能實(shí)驗(yàn)確定赤泥分離設(shè)備；根據(jù)項(xiàng)目外部環(huán)境的要求和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)確定赤泥洗滌的底流含堿量指標(biāo)。

再次，根據(jù)產(chǎn)品的要求確定采用一段或二段分解流程。在分解流程確定后，可根據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)要求的雜質(zhì)水平確定不同的除雜方案。

最后，根據(jù)溶出流程要求的堿濃度和全廠低壓汽耗控制指標(biāo)確定蒸發(fā)片區(qū)方案；根據(jù)產(chǎn)品要求和燃?xì)庀目刂浦笜?biāo)確定焙燒方案。

根據(jù)以上的工藝方案，利用流程模擬的通用模塊，初步建立起氧化鋁廠生產(chǎn)過程物料和能量平衡計(jì)算模型，然后設(shè)置合理的邊界條件和指標(biāo)，采用編程和PID控制手段，得到預(yù)期的適用于項(xiàng)目的計(jì)算結(jié)果。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算模型的物料參數(shù)結(jié)果主要包括以下幾個(gè)部分：

各種流體的物理性質(zhì)；流體的化學(xué)成分：化學(xué)組成，雜質(zhì)含量；氧化鋁生產(chǎn)中的常用指標(biāo)和關(guān)鍵組分參數(shù)。模型的計(jì)算結(jié)果可以實(shí)時(shí)觀察，也可以在流程圖中體現(xiàn)，還通過編程在頁面中顯示或者輸出到Excel中編輯。通過編輯數(shù)據(jù)得到的各種指標(biāo)信息，分析計(jì)算模型輸出的指標(biāo)，判定結(jié)果是否準(zhǔn)確。

如果指標(biāo)偏離正常范圍，應(yīng)判斷可能的影響因素，重新調(diào)整設(shè)備和控制參數(shù)并重新計(jì)算。具體來說，指標(biāo)主要分為兩類。過高或過低的指標(biāo)都有可能是模型定義偏差的體現(xiàn)，主要解決的途徑是結(jié)合理論與生產(chǎn)實(shí)踐分析每個(gè)指標(biāo)的影響因素，重新定義設(shè)備參數(shù)、控制條件、邊界條件并計(jì)算，以求得合理的數(shù)值。

溶出率、溶出Rp、分解率、分解Rp、分解產(chǎn)出率、赤泥洗水量、蒸發(fā)水量、成品附堿、赤泥附堿、赤泥A/S、赤泥N/S、氧化鋁回收率等都是氧化鋁生產(chǎn)中的過程指標(biāo)，分析上述指標(biāo)同樣應(yīng)依據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并考慮設(shè)備、操作方法等外部環(huán)境的限制。

3 模型的應(yīng)用

我國氧化鋁工業(yè)有長達(dá)50年的歷史，在實(shí)際生產(chǎn)中積累了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。氧化鋁生產(chǎn)過程物料和能量平衡計(jì)算模型可以把這些經(jīng)驗(yàn)量化，更好地預(yù)測(cè)和控制生產(chǎn)的流程。例如，傳統(tǒng)的分解工序一般通過調(diào)整分解過程的溫度、固含、精液濃度和停留時(shí)間，來控制分解率、產(chǎn)品粒度。這一過程主要依靠化驗(yàn)室的化驗(yàn)參數(shù)與生產(chǎn)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行后反饋調(diào)節(jié)。計(jì)算模型可以分析在上述條件的變化，對(duì)每個(gè)槽子里的氫氧化鋁產(chǎn)出量、固含的增加量、溫度的變化、粒度的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

某國外項(xiàng)目的工藝方案，計(jì)劃增加長大段固含來提高分解產(chǎn)出率。模型計(jì)算表明，在其他條件一定的條件下，長大段固含對(duì)分解產(chǎn)出率的影響，表明提高長大段固含的確能提高產(chǎn)出率。但提高長大段固含同時(shí)也提高了分解、分級(jí)和種子過濾工段的流量，增大了設(shè)備投資和電耗，并且分解槽內(nèi)流體有細(xì)化的趨勢(shì)。因此靠提高固含來提高產(chǎn)出率的方案需進(jìn)一步進(jìn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。

4 結(jié)語

本次開發(fā)的氧化鋁生產(chǎn)過程物料和能量平衡計(jì)算模型可以輸出更全面的過程和結(jié)果信息，更多的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以在模型中得到量化和體現(xiàn)，更多的現(xiàn)場(chǎng)反饋數(shù)據(jù)可以在模型中得到應(yīng)用。信息量的增大，使設(shè)計(jì)者更加了解氧化鋁廠的工藝流程、指標(biāo)，從而能提供更好的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。減小了設(shè)計(jì)者的計(jì)算工作量。模型的結(jié)果經(jīng)直接輸出和Excel編輯后輸出兩種方式提供給設(shè)計(jì)者之后，設(shè)計(jì)者需要再加工的數(shù)據(jù)變少，從而提高了工作效率。

再次，模型可以通過改變參數(shù)和控制指標(biāo)，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中的可變參數(shù)進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)出改變工藝條件對(duì)流程的影響。實(shí)踐中已證實(shí)可以指導(dǎo)精細(xì)化設(shè)計(jì)，并指導(dǎo)生產(chǎn)操作走向智能化。

氧化鋁生產(chǎn)過程物料和能量平衡計(jì)算模型在多個(gè)國內(nèi)外氧化鋁廠設(shè)計(jì)項(xiàng)目中得到了應(yīng)用。實(shí)踐證明，模型提供的物料和能量平衡計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際，應(yīng)用效果良好，得到了國內(nèi)外同行業(yè)人士的認(rèn)可，大幅提升了設(shè)計(jì)院的技術(shù)實(shí)力和設(shè)計(jì)水平。