氧化铝生产过程物料和能量平衡计算模型的开发及应用

于水波，岳 玲，鄢 艳

（东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 110000）

近十年来，铝工业技术迅速发展，整个行业的设备水平、操作方式和设计手段都不断地发展与进步。传统的氧化铝物料平衡计算方法因为输出信息量单一、设计人员对平衡结果的后处理工作量大、行业认可度不高等原因，无法满足国内外工程设计和指导生产的需要。国际上一流的工程咨询公司多数在SysCAD软件平台上开发模拟氧化铝厂的工艺流程[1]。

在此平台的基础之上,还需要进一步的开发,根据设计经验和现场生产数据设定边界条件,并在实际应用中不断检验,氧化铝生产过程物料和能量平衡计算模型就是此类型开发工作的成果。

1 模型的建立

模型建立之前，需要根据项目的外部条件确定初步的工艺技术方案。

首先，根据矿石成分、各种杂质的含量和铝土矿加工实验报告推荐的数据确定溶出的温度、停留时间、是否增加脱硅等方案。

其次，根据矿石加工报告中的沉降性能实验确定赤泥分离设备；根据项目外部环境的要求和环保标准确定赤泥洗涤的底流含碱量指标。

再次，根据产品的要求确定采用一段或二段分解流程。在分解流程确定后，可根据现有的生产实践经验和系统要求的杂质水平确定不同的除杂方案。

最后，根据溶出流程要求的碱浓度和全厂低压汽耗控制指标确定蒸发片区方案；根据产品要求和燃气消耗控制指标确定焙烧方案。

根据以上的工艺方案，利用流程模拟的通用模块，初步建立起氧化铝厂生产过程物料和能量平衡计算模型，然后设置合理的边界条件和指标，采用编程和PID控制手段，得到预期的适用于项目的计算结果。

2 计算结果及分析

计算模型的物料参数结果主要包括以下几个部分：

各种流体的物理性质；流体的化学成分：化学组成，杂质含量；氧化铝生产中的常用指标和关键组分参数。模型的计算结果可以实时观察，也可以在流程图中体现，还通过编程在页面中显示或者输出到Excel中编辑。通过编辑数据得到的各种指标信息，分析计算模型输出的指标，判定结果是否准确。

如果指标偏离正常范围，应判断可能的影响因素，重新调整设备和控制参数并重新计算。具体来说，指标主要分为两类。过高或过低的指标都有可能是模型定义偏差的体现，主要解决的途径是结合理论与生产实践分析每个指标的影响因素，重新定义设备参数、控制条件、边界条件并计算，以求得合理的数值。

溶出率、溶出Rp、分解率、分解Rp、分解产出率、赤泥洗水量、蒸发水量、成品附碱、赤泥附碱、赤泥A/S、赤泥N/S、氧化铝回收率等都是氧化铝生产中的过程指标，分析上述指标同样应依据生产实践经验并考虑设备、操作方法等外部环境的限制。

3 模型的应用

我国氧化铝工业有长达50年的历史，在实际生产中积累了很多宝贵的经验。氧化铝生产过程物料和能量平衡计算模型可以把这些经验量化，更好地预测和控制生产的流程。例如，传统的分解工序一般通过调整分解过程的温度、固含、精液浓度和停留时间，来控制分解率、产品粒度。这一过程主要依靠化验室的化验参数与生产人员的经验进行后反馈调节。计算模型可以分析在上述条件的变化，对每个槽子里的氢氧化铝产出量、固含的增加量、温度的变化、粒度的变化进行预测。

某国外项目的工艺方案，计划增加长大段固含来提高分解产出率。模型计算表明，在其他条件一定的条件下，长大段固含对分解产出率的影响，表明提高长大段固含的确能提高产出率。但提高长大段固含同时也提高了分解、分级和种子过滤工段的流量，增大了设备投资和电耗，并且分解槽内流体有细化的趋势。因此靠提高固含来提高产出率的方案需进一步进行可靠性和经济性评估。

4 结语

本次开发的氧化铝生产过程物料和能量平衡计算模型可以输出更全面的过程和结果信息，更多的设计经验可以在模型中得到量化和体现，更多的现场反馈数据可以在模型中得到应用。信息量的增大，使设计者更加了解氧化铝厂的工艺流程、指标，从而能提供更好的设计产品。减小了设计者的计算工作量。模型的结果经直接输出和Excel编辑后输出两种方式提供给设计者之后，设计者需要再加工的数据变少，从而提高了工作效率。

再次，模型可以通过改变参数和控制指标，对生产实践中的可变参数进行分析，预测出改变工艺条件对流程的影响。实践中已证实可以指导精细化设计，并指导生产操作走向智能化。

氧化铝生产过程物料和能量平衡计算模型在多个国内外氧化铝厂设计项目中得到了应用。实践证明，模型提供的物料和能量平衡计算结果符合实际，应用效果良好，得到了国内外同行业人士的认可，大幅提升了设计院的技术实力和设计水平。