METSIM软件在冶炼烟气制酸工艺设计中的应用

蔡 旺，袁爱武

（长沙有色冶金设计研究院有限公司，湖南长沙 410019）

METSIM是一款多用途的冶金化工工艺过程模拟软件。该软件旨在帮助工程师进行复杂的冶金化工工艺过程中质量与能量平衡计算，从而使工艺的复杂性、用户时间和计算机资源利用得到合理优化，提高设计水平和工作效率。目前，METSIM在国内外冶金化工行业拥有大量用户，是使用较为广泛的冶金化工流程模拟软件之一，并在镍、钴、铜、铅、稀土等金属的冶炼项目工艺设计阶段成功运用[1-4]。该软件也可应用于冶炼烟气制酸工艺。

1 模型建立

根据METSIM软件的建模思路，建立一个合适的冶炼烟气制酸工艺METSIM模型，主要包括以下步骤：

1）绘制符合生产过程的工艺流程图。工艺流程图应当在开始建立模型之前基本确定，包括工艺过程中物流的走向和初步选用的生产设备。

2）选定冶炼烟气制酸工艺流程涉及的化学物质。在基本确定工艺流程图之后，开始搭建模型。从METSIM软件自带的物性数据库中选择工艺流程中所涉及的所有化学物质。

3）依据确定的工艺流程图建立对应的计算模型。根据工艺流程图，在模型中建立对应的设备模块，并通过物流线将所有设备模块连接形成整体的计算模型。

4）添加设备和物流的名称。为提高模型的可阅读性，计算模型建立后通常给每个设备及物流输入相应的名称以便模型的修改调整。

5）根据生产实际情况，在设备模块中添加设备参数，以及所涉及的化学反应方程式。

6）设置过程控制器，并设定所需要控制的过程参数值。

7）模型检查。计算模型建立后，根据物流先后次序对模型中的设备模块逐一测试，从而找出模型建立过程中可能存在的错误。

8） 检验模型计算结果。计算模型运行无问题后，再对计算结果进行检查。检查内容包括关键技术参数指标是否符合实际情况、产品是否与正常值偏差很大等。

按照上述流程分生产工序建立冶炼烟气制酸工艺计算模型。

工艺流程界面如图1~3所示。

图1 净化工序流程

图2 干吸工序流程

图3 转化工序流程

由图1~3可以看出：按照冶炼烟气制酸流程建立的计算模型包括动力波洗涤器、气体冷却塔、电除雾器、干吸塔、SO2鼓风机、换热器、转化器等主体工艺设备。通过在各设备模型中输入发生的各种化学反应，以及利用过程控制器设定过程控制参数，可计算出由烟气净化到达标排放过程中各种烟气制酸的工艺数据。

2 模型计算结果

以某185 kt /a硫酸工程项目为例，冶炼烟气制酸净化工序采用一级动力波洗涤器—填料塔—二级动力波洗涤器—两级电除雾器稀酸洗涤净化流程，转化干吸工序采用ⅢⅠ-ⅣⅡ、“3+1”两次转化工艺。利用上述建立的冶炼烟气制酸模型计算得到的部分结果见表1。

表1 模型计算部分结果

3 模型验证

计算模型的可靠性是模型能够进行实际工程应用的重要前提。在可靠性验证过程中，按上述实例中的烟气条件，将METSIM软件与《CINF硫酸工艺设计计算软件》（长沙有色冶金设计研究院有限公司拥有自主知识产权的硫酸工艺计算软件，已应用于国内诸多工程设计）进行对比验证，同时与工程实际运行数据进行比较。部分关键技术数据计算结果对比见表2。

表2 部分关键技术数据计算结果对比

由表2可以看出：采用METSIM软件建立的冶炼烟气制酸计算模型得到的结果与《CINF硫酸工艺设计计算软件》、实际生产数据基本一致。由此说明METSIM软件应用于冶炼烟气制酸工艺工程设计完全适合。

4 METSIM在工程设计应用中的不足

METSIM软件针对冶金化工工艺过程设计了较为齐全的工艺设备模块，且拥有灵活的逻辑控制系统，并通过内部严谨的计算程序，使工艺设计简捷、合理和准确。该软件的优势主要体现在建模简捷、计算准确、自动收敛、运算耗时短等方面。但是，在实际运用过程中也发现以下问题：

1）软件自带的物性数据库不够完善。物性数据是整个工艺计算模型的基础，物性数据库的完整性和准确性决定了工艺计算模型的便捷性和可靠性。目前，软件自带数据库中缺少部分化学物质的物理化学数据，如亚硫酸锌(ZnSO3)、液态汞(Hg)等，需要工艺设计者查阅相关物性手册并在软件物性数据库中进行自定义，因而耗费时间。另外，软件自带的物性数据库中w(H2SO4)99%硫酸在190~230 ℃的热力学数据不是很准确，导致模型误差增大。因此，其热力学数据库还有较大的完善空间。

2）模型调试过程不够智能。在模型调试过程中经常会报出错误，但是软件系统对错误类型提示信息不够明确，且不会提供模型修改建议，这就需要工程设计人员具有丰富的工艺专业知识以及模型调试经验，这显然增加了初学者的学习难度，并在一定程度上限制了软件的推广应用。

3）软件协同设计能力有待提高。大型冶金化工工程的工艺流程通常较为繁杂，计算工作量甚大，实际工作需要多名工程设计人员协同合作进行计算。METSIM软件尽管提供了merge功能有助于合并不同工艺设计者的计算模型，但因不同设计者存在运算习惯不同、物质数据库选择不同、物流或设备模块编号不同等各种原因，将计算模型最终整合较为困难，整合后的计算结果易出现混乱，从而降低了模型的可靠性和实用性。

5 结语

通过运用METSIM软件对冶炼烟气制酸项目进行工艺设计计算，得到了详尽、准确的工程计算结果，极大地提高了工程设计人员的工作质量和效率，为工程设计后续工作奠定了坚实的基础。随着国家“一带一路”战略的不断深化落实，国内工程公司逐渐走向海外工程设计市场，深受国外业主认可的冶金化工工艺计算软件METSIM将越来越受到冶金化工工艺设计人员的青睐。