氧化鋁生產過程物料和能量平衡計算模型的開發及應用

于水波，岳 玲，鄢 艷

（東北大學設計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110000）

近十年來，鋁工業技術迅速發展，整個行業的設備水平、操作方式和設計手段都不斷地發展與進步。傳統的氧化鋁物料平衡計算方法因為輸出信息量單一、設計人員對平衡結果的后處理工作量大、行業認可度不高等原因，無法滿足國內外工程設計和指導生產的需要。國際上一流的工程咨詢公司多數在SysCAD軟件平臺上開發模擬氧化鋁廠的工藝流程[1]。

在此平臺的基礎之上,還需要進一步的開發,根據設計經驗和現場生產數據設定邊界條件,并在實際應用中不斷檢驗,氧化鋁生產過程物料和能量平衡計算模型就是此類型開發工作的成果。

1 模型的建立

模型建立之前，需要根據項目的外部條件確定初步的工藝技術方案。

首先，根據礦石成分、各種雜質的含量和鋁土礦加工實驗報告推薦的數據確定溶出的溫度、停留時間、是否增加脫硅等方案。

其次，根據礦石加工報告中的沉降性能實驗確定赤泥分離設備；根據項目外部環境的要求和環保標準確定赤泥洗滌的底流含堿量指標。

再次，根據產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，可根據現有的生產實踐經驗和系統要求的雜質水平確定不同的除雜方案。

最后，根據溶出流程要求的堿濃度和全廠低壓汽耗控制指標確定蒸發片區方案；根據產品要求和燃氣消耗控制指標確定焙燒方案。

根據以上的工藝方案，利用流程模擬的通用模塊，初步建立起氧化鋁廠生產過程物料和能量平衡計算模型，然后設置合理的邊界條件和指標，采用編程和PID控制手段，得到預期的適用于項目的計算結果。

2 計算結果及分析

計算模型的物料參數結果主要包括以下幾個部分：

各種流體的物理性質；流體的化學成分：化學組成，雜質含量；氧化鋁生產中的常用指標和關鍵組分參數。模型的計算結果可以實時觀察，也可以在流程圖中體現，還通過編程在頁面中顯示或者輸出到Excel中編輯。通過編輯數據得到的各種指標信息，分析計算模型輸出的指標，判定結果是否準確。

如果指標偏離正常范圍，應判斷可能的影響因素，重新調整設備和控制參數并重新計算。具體來說，指標主要分為兩類。過高或過低的指標都有可能是模型定義偏差的體現，主要解決的途徑是結合理論與生產實踐分析每個指標的影響因素，重新定義設備參數、控制條件、邊界條件并計算，以求得合理的數值。

溶出率、溶出Rp、分解率、分解Rp、分解產出率、赤泥洗水量、蒸發水量、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中的過程指標，分析上述指標同樣應依據生產實踐經驗并考慮設備、操作方法等外部環境的限制。

3 模型的應用

我國氧化鋁工業有長達50年的歷史，在實際生產中積累了很多寶貴的經驗。氧化鋁生產過程物料和能量平衡計算模型可以把這些經驗量化，更好地預測和控制生產的流程。例如，傳統的分解工序一般通過調整分解過程的溫度、固含、精液濃度和停留時間，來控制分解率、產品粒度。這一過程主要依靠化驗室的化驗參數與生產人員的經驗進行后反饋調節。計算模型可以分析在上述條件的變化，對每個槽子里的氫氧化鋁產出量、固含的增加量、溫度的變化、粒度的變化進行預測。

某國外項目的工藝方案，計劃增加長大段固含來提高分解產出率。模型計算表明，在其他條件一定的條件下，長大段固含對分解產出率的影響，表明提高長大段固含的確能提高產出率。但提高長大段固含同時也提高了分解、分級和種子過濾工段的流量，增大了設備投資和電耗，并且分解槽內流體有細化的趨勢。因此靠提高固含來提高產出率的方案需進一步進行可靠性和經濟性評估。

4 結語

本次開發的氧化鋁生產過程物料和能量平衡計算模型可以輸出更全面的過程和結果信息，更多的設計經驗可以在模型中得到量化和體現，更多的現場反饋數據可以在模型中得到應用。信息量的增大，使設計者更加了解氧化鋁廠的工藝流程、指標，從而能提供更好的設計產品。減小了設計者的計算工作量。模型的結果經直接輸出和Excel編輯后輸出兩種方式提供給設計者之后，設計者需要再加工的數據變少，從而提高了工作效率。

再次，模型可以通過改變參數和控制指標，對生產實踐中的可變參數進行分析，預測出改變工藝條件對流程的影響。實踐中已證實可以指導精細化設計，并指導生產操作走向智能化。

氧化鋁生產過程物料和能量平衡計算模型在多個國內外氧化鋁廠設計項目中得到了應用。實踐證明，模型提供的物料和能量平衡計算結果符合實際，應用效果良好，得到了國內外同行業人士的認可，大幅提升了設計院的技術實力和設計水平。