淺談SysCAD流程仿真模擬軟件在氧化鋁廠的應用

楊萬喜

（山西復晟鋁業有限公司，山西 運城 044300）

1 國內氧化鋁工藝技術發展背景

我國氧化鋁工業從無到有，從小型化到大型化，取得了很大的成績，單條線20萬噸/年以下的生產線已陸續轉型或是停產，目前國內最大的單條線產能已經突破了100萬噸/年，我國的氧化鋁技術主要有混聯法工藝，用拜耳法處理高品位鋁土礦，用燒結法處理低品位鋁土礦，取得比采用單一拜耳法或是單一燒結法生產氧化鋁更好的經濟效果。燒結法熟料燒成強化技術，該技術包括生料漿配料、非飽和配方、石灰配料、生料加煤脫硫技術和熟料熱工自動控制技術等[1]。因其高能耗已退出了主流工藝路線，現在國內產能在50萬噸/年/單線的氧化鋁廠主要以拜耳法工藝路線為主導地位[2]。

近幾年來，受國家環保政策收緊和鋁土礦庫存緊缺的影響，國內礦石價格逐年攀升，2019年上半年礦石價格居高不下，礦石成本快接近制造成本的一半，國內氧化鋁企業盈利空間急劇下降，絕大部分企業紛紛尋找出路，國內部分企業開始變更生產線適應礦石的供給變化，中國鋁企的海外投資也進一步加大。

國內氧化鋁企業已走過65年有余，開始時主要以國企為主體生產氧化鋁，到2003年擴大到民營企業，氧化鋁企業如雨后春筍拔地而起，國內氧化鋁產能快速增加，企業之間出現了對比和競爭，在相對成熟的拜耳法技術上，因為人員之間的流動的關系，技術競爭尤為炙熱，到目前為止，與國外氧化鋁廠相比，我們在數據準確測量，流程數據測算方面還沒有一套有說服力的氧化鋁專業流程類軟件，供以氧化鋁核心的精準流程仿真模型計算，用來工藝流程設計和優化，并指導生產組織。現在通用的還是Excel物料衡算表，可以用來粗略的計算全廠需要的各類物料的質量、流量、控制指標等[3]。在設計時會使用到，到正式投入生產時，就很少在使用，主要是它的編輯難度偏大，迭代公式繁雜，應用范圍小，應用人員主要是各廠的技術骨干，耗時耗力，目前民營企業生產中也很少用到，最重要的是用它來做國外氧化鋁廠設計數據的權威性不足，目前只在國內使用，在國內氧化鋁廠在線實時數據呈現和工廠瓶頸數據測算等數據均不能實現快速準確的判斷和精準的數據支撐。

2 SysCAD流程仿真模擬軟件介紹

SysCAD軟件是有澳大利亞kenwalt公司開發，并應用推廣的一款化工流程軟件，其中涉及了氧化鋁板塊部分，該軟件在國外氧化鋁應用時間較早，據悉，是國際礦物加工領域和冶金領域認可程度最高的大型流程模擬平臺，SysCAD軟件同時具備穩態模擬和動態模擬兩種運算模式，可以模擬氧化鋁廠從最簡單的單元操作到復雜的全廠流程。該平臺擁有豐富的內置單元作業模型，龐大的物性數據庫，涵蓋了化工領域三傳一反的基本操作過程，可以同時處理質量和能量平衡，并能為涉及化學反應的單元過程建立數學模型，對于以創建不同的工藝流程或是改變現有流程為目的項目研究，具有強大的可操作性。因其卓越的建模分析能力，SysCAD軟件在過去的20年間被廣泛應用于世界氧化鋁生產的全過程，逐漸成長為國際通用的、氧化鋁生產工藝流程中不可或缺的重要工具。

截至目前，SysCAD軟件已在世界范圍內擁有多達120個行業用戶，涵蓋了工程公司、氧化鋁廠和高校等相關領域，它的官方網址：http://www.SysCAD.net/，主要應用于氧化鋁工廠的設計和問題診斷的數據支撐，氧化鋁板塊主要分為穩態和動態兩種仿真模型，目前應用最為廣泛的為穩態模型，在國內部分科研院所很早就購買其使用權，做為氧化鋁流程建模軟件，數據測算工具使用。穩態模型是有單獨的模塊授權使用，包括氧化鋁、能量平衡、粒度分級、電廠等模塊可以使用，不過需要購買該公司的授權。流程設計、質量和能量平衡、評估備用流程圖、流程優化、生產損失報告、研究與開發等功能，可以滿足不同工程師快捷方式操作需求，除此之外，還擁有實用的計算工具，可以用于濕法冶金、發電廠、氧化鋁、選礦等的物料衡算、熱量衡算等計算操作。

SysCAD軟件主體分物相數據庫，數據庫中有銅、鎳、氧化鋁等多個有色金屬，建模時我們需要選好自己需要的數據庫，主要以三水礦的物相為主，現在國內已發展到將一水礦的物相添加完成，適合國內一水礦建模物相需要，通常我們使用的穩態模型來進行工廠建模，建模中需要用到過程數據單元，該單元分類較細，主要是以數學原理來分類，你只需要在對應的下拉菜單中找到你需要的模型就可以了。最后建模時需要添加反應和PID控制器，模擬工廠的控制原理，將實際的控制邏輯模擬到模型中去，穩態模型現在應用最廣泛的為全廠模型。主要是該模型對每月工廠的生產組織方式具有強力的支撐作用，可以成為常態化使用。

3 SysCAD軟件在國內氧化鋁廠的應用

近年來，隨著民營企業在氧化鋁行業大量的擴增，粗狂的拜耳法氧化鋁工藝技術已不在神秘，但是各家的工藝技術指標控制水平，短時間內是良莠不齊，但是也是歌舞升平，氧化鋁的價格維持在2700元/噸左右，只要是氧化鋁廠可以開起來，進料生產出氧化鋁就有利潤空間，隨后國內氧化鋁廠年年有新建廠，產能迅速逐年激增，氧化鋁市場價格持續走低，利潤空間也是每年遞減，加之這幾年國家環保政策年年收緊，為了環保能達標，氧化鋁廠對大氣污染二氧化硫排放、氮氧化物排放、粉塵顆粒排放，均進行了環保技改投入，增加了環保運行成本，原材料礦石的價格也是劇增，截止到目前，礦石價格已逼近到600元/噸，只是礦石的成本幾乎是運行成本的一半，氧化鋁廠的利潤空間兩頭均受到了壓縮，利潤空間下滑嚴重，多數企業采取了減產或是停產運行，還有部分企業通過采購三水礦來維持生產連續運行，但是還是處于虧損狀態，均是艱難度日，2019年貴州、廣西受礦石價格的沖擊要比山西、河南小很多，主要是占據了資源優勢，資源為王的主題在2019年表現的淋漓盡致。

KenWalt公司開發的SysCAD仿真模擬軟件進入國內的時間比較早，主要是進入科研研究院較早，大多數用來研究銅、鎳等有色金屬，目前國內氧化鋁科研院里所有三家在使用，東北設計院，沈陽鋁鎂設計院，中科院等單位使用，這三家單位主要是側重于設計，熱量衡算、物料衡算等類型的工作。

錦江集團氧化鋁產業中，氧化鋁板塊成績斐然，共4家氧化鋁企業，技術創新能力在行業首屈一指，是我國最早引SysCAD流程仿真模擬軟件，對企業技術能力進行了更新升級，將氧化鋁技術武裝到牙齒，給企業創造了巨大的經濟效益，SysCAD流程仿真模擬軟件不斷更新升級，緊隨行業裝備水平的發展和技術創新的發展進程，滿足企業對軟件的高端要求，2014年SysCAD軟件由杭州漢奧冶金科技有限公司首創應用于錦江集團企業一水礦生產技術中，也標志著中國的氧化鋁企業使用的先進工具與國際接軌，該軟件同步應用錦江集團的所有氧化鋁企業，特別是復晟鋁業對該軟件的應用最為典型，給企業原有的技術人員帶來了不小的沖擊。

SysCAD流程仿真模擬軟件在2014年應用于山西復晟鋁業，此時復晟鋁業正值新建狀態，技術人員經驗豐富，裝備精良，唯一缺乏的強有力的技術工具硬功夫，用行業信服的數據工具說話，精準并高效完成企業技術完美的升級，使企業快速華麗出現的行業的視野中。在該企業從建廠到技術規范化，每一個環節都可以看到SysCAD軟件發揮著不可小覷的作用。

3.1 在投建時期SysCAD軟件的應用

（1）生產準備及投產期間，該模型對我司的試車投料方案進行了多次的模型核算及論證，依托軟件出具了復晟鋁業試車投料方案，該方案精確到每一工序的液量轉移量，數據全部量化，確保了投產時間的嚴格把控，對液量的儲備和母液的制備滿足了生產組織人員對量化數據和技術指標之間關系的預測性判斷。

（2）在投產時期，還有大部分人員為新員工，有工作經驗的技術人員對新建廠開始運行的系統性全套技術指標也是不夠全面，培訓工作也是重要的一個環節，先后對技術部門選拔的技術人員根據廠情進行了不同形式的培訓工作，達到了可以單獨使用和調整模型，技術人員會根據對KPI指標的需要，改變不同的條件，或是根據礦石的條件，改變不同的KPI指標，系統會得到一整套技術指標，供我們對比分析和使用，同時也投產試車的人員對數據進行量分析，做到指揮心中有數。

（3）SysCAD模型在各企業是具有唯一性的，根據該企業的設備選型及工藝路線在軟件上進行繪制，可以說是微縮版、可以根據需要隨時切換組裝的工廠，滿足工程技術人員的各類需求。復晟鋁業SysCAD流程仿真模型在2014年隨建廠時已同步完成了建模工作，這在國內氧化鋁企業是第一家。

3.2 投料正常以后的應用

該SysCAD流程模擬軟件的應用轉移到了設計后評估、達產達標、系統優化等各項工作中。

（1）設計后評估。企業進入正常生產后，每個工序的設計能力如何，對全廠來講，它是不是薄弱環節，設備是不是在滿負荷運行，都需要我們用量化的流量及對應的指標數據進行評估，特別是蒸發器，每一效的蒸水量是否達到要求值，指標是否完成，均是判斷蒸發器蒸水能力的指標，SysCAD軟件可以細化模擬到上述每一個環節的指標，針對出現問題可以迅速鎖定癥結點，針對性的排查問題，制定相應的解決辦法。

（2）達產達標。新建氧化鋁企業流程打通后，焙燒產出氧化鋁，就意味著投產結束，需要轉移到下一個環節，達產達標，產量達到設計產能，指標包括了大宗單耗指標、動力消耗指標、系統KPI指標均也需要達到設計要求，SysCAD軟件可以模擬不同的指標體系，針對不同的原材料特點，制定出一套完整的更適合工況條件的運行生產計劃，滿足生產組織的需要。

（3）系統指標優化。成本是每個企業永恒的主題，在技術指標優化上，需要我們不斷的去嘗試，嘗試對我們來講也是需要付出成本的，在每個月我司會根據堆場礦石的特點，利用SysCAD軟件制定最經濟的生產計劃，提高運行效率，不再具體的流程盲目的嘗試。如下圖為我司的測試數據。

圖1 技術指標優化成本

（4）全廠換熱設備的清洗管理。氧化鋁廠的換熱主要是溶出、蒸發的換熱對能耗影響最大，SysCAD軟件可以計算出每效和每級的換熱，對判斷蒸發器和溶出機組的運行效率有非常重要的意義。

（5）SysCAD軟件應用于企業技改。隨著近幾年行業環保政策的收緊以及企業利潤空間的一再縮緊，氧化鋁行業節能降耗技改大力推行，節能技改變成了每個企業的主旋律，技改前的論證工作極為重要，過去我們只是核算局部改造的變化，沒有工具去核算它對全局變化后影響，往往造成了技改投用后看不到效果，最后只能妥妥的放在一邊。

SysCAD軟件在我司技改方面發揮的作用最大，企業之間的技術交流比較頻繁，各家都有好的點子，是否可以直接搬過來用，我們不盲從，我司對各家好的點子均在SysCAD模型中進行模擬，對比改造前后對成本的影響，直接對口到公司利潤。成功避免了技改失敗慘淡收場的情況發生。大大提升了技改的成功率。

4 SysCAD流程仿真模擬軟件應用的總結與展望

在氧化鋁行業中，SysCAD軟件的地位享譽國內外，國內企業需要與時俱進提高自己的技術門檻，特別是2018年以來國內企業響應國家一帶一路的國策，在幾內亞、印尼等礦產資源豐富的國家建廠，尋求企業發展，這幾行業走出國門展現實力的表現，國內氧化鋁廠應用該軟件的企業較少，還沒有完全普及，但是我相信在不久的將來，該軟件用應用到行業各企業中去，與國際接軌，提高企業的核心競爭力，這是大勢所趨。