计算机模拟在氧化铝生产中的应用

氧化铝生产中的模拟与仿真综述

摘要：氧化铝生产过程中，由于不可避免的涉及到许多复杂的物理化学反应过程、传热、传质过程、各种难以预测的复杂产物,以及反应过程中难以描述的热力学、动力学过程等，此外加上复杂冗长的氧化铝生产工艺流程，和一些迄今为止仍难于解释的学术问题等等，都使得仿真技术在氧化铝生产中发展都受到一定的限制。从诸多文献来看，关于生产工艺方面的论文、著作占多数，而对于实际过程的理论机理描述和过程数值模拟则显得较为缺乏。所有这些都或多或少地造成现在氧化铝生产相对于其他产业技术落后的一个现状。本文试图通过多方面对氧化铝生产仿真技术进行综述，以找到这些地方的薄弱环节。

关键词：氧化铝生产；仿真；

1 研究背景

我国的氧化铝工作者在应用计算机仿真与自动控制技术方面做了很多工作，但到目前为止还没有建立起一个完整的仿真与自动控制体系。首先，大部分的仿真程序其仿真模型大多是建立于对各个工厂的生产数据的拟合的基础之上，而对于生成中的反应过程机理还很少有所涉及，因此许多软件其理论性、适用性、灵活性不强，多半仅仅只是针对某厂需要而定；其次，我们看到诸多的仿真模型，然而其中很多对于过程的描述，仅仅只是一个不完整的、片面的解释，我们在对文献进行考察时也曾发现对于同一个过程，不同的研究者其得出的模型结果往往出入很大，从而使得这些软件的可信度大大降低；再次，这些繁杂的数学模型，大多数仅仅只是对氧化铝生产过程中的一个细小的工序或者一两个反应过程的研究，而几乎没有对整个过程的系统的权威的描述。这是因为：

(1)由于铝土矿资源的限制，我国生产氧化铝的方法大多采用联合法和烧结法，这些方法流程长且复杂，要实现计算机的仿真和自动控制，难度更大。

(2)无论是计算机技术还是氧化铝生产工艺技术，起步晚，发展不成熟。

(3)多年来，我国把大部分精力放在氧化铝生产工艺和技术的改造上，对计算机的仿真与自动控制在氧化铝生产上的应用没有给予足够的重视。

2氧化铝生产中模拟与仿真的国内外研究现状

氧化铝生产主要包括选矿、溶出、稀释、除杂、分解、蒸发等过程，我们按照过程逐步分析总结国内外研究现状。

1)溶出过程

国外在控制方面，Sidrak和Yousry L设计了一种简便,但较为准确的动态仿真模型来通过可能的控制因素对溶出过程进行控制，尤其是对于ak的最优化控制,以使生产成本最小化。Kumage和Yoshio在对拜尔法溶出反应过程中的相平衡情况进行了研究,并用Debye-Hueckel公式和chen氏模型来解释溶液中固相物质和电解质的存在,是三水铝石在溶出过程中的溶解度升高和溶液沸点升高的主要因素,并通过chen模型用Aspen工程软件来对溶出过程进行仿真。对循环母液中硅量指数的控制,一直是拜尔法生产中的一个关键环节。Tizon和Eric对工业拜尔法所用循环母液和高岭石的预脱硅和溶出过程进行了数值模拟,其中主要控制参数为预脱硅时间、A12O3和Na2O浓度以及溶出温度进行了研究，发现造成反应硅溶解度增加主要是溶出过程中高岭石向硅产物的转化率造成的。Champagnie A M和Douglas P L等用Aspen软件对三种拜尔法生产工艺进行了模拟仿真，发现苛性钠浓度在250g/L至350g/L的时候,生产成本大致能平均节省8％,影响很大,而三种不同工艺中,双流法相较更为有利。

随着国外先进技术的引进,特别是一些新兴的强化溶出技术,例如管道化和双流法溶出技术等的引进，使得我国在该方面有了飞速的发展。同时在最近短短几年中，作为溶出技术的副产物仿真技术也得到了相应的重视，而且各大工厂科研院所也在国内及国外一些核心刊物上发表了论文。中南大学应用物理与热能工程系利用k-e双方程湍流模型,对管道化溶出系统中石灰乳与矿浆的混和过程进行了数值模拟,发现适当增加石灰乳在出口处流速,可以缩短两者均匀混和距离。平果氧化铝厂根据实际生产数据及溶出和稀释过程的实际物料平衡，通过回归分析得出了平果铝生产条件下溶出液真实R p

真随溶出进料量和溶出液表观R p表变化的数学模型。这样有助于提高溶出液真实R p

及氧化铝综合回收率。沈阳铝镁设

真

计研究院对法国彼施涅铝公司向山西孝义矿提出的一水硬铝石溶出过程的数学模型，进行了计算机模拟仿真，提出一套降低蒸汽耗量的途径。中铝山西分公司氧化铝三分厂用VisualFoxPro6.0数据库系统来实现高压溶出物料平衡计算的办法，从而解决传统的人工计算方式已不能满足生产和技术设计的需要的问题。2)脱硅除杂过程

循环母液中的硅量指数作为拜尔法生产过程中的一个关键性的技术指标，一直受到诸多研究者的关注与重视。减少循环母液中硅含量，就能提高产品氧化铝纯度,同时还能减轻管道与设备结疤状况,减少能量消耗,对于整个生产是有直接重大经济意义的。

Whittington B I和Fletcher B L等对溶出和预脱硅后生成的方钠石和钙霞石进行了试验,并对方钠石中的几种阴离予含量(OH-、Al(OH)4-、Cl-、CO32-、SO42-)进行了研究，并对反应过程机理进行了探讨与仿真。Ho Goen E和Roberston William A在对脱硅产物进行电子显微镜观测的时候,发现由于产物表面上附着的铁氧化物颗粒的影响,使得过程难以进行。随后通过模拟工业过程中的生产程序,利用生成赤泥来达到去处铁氧化物的目的。这样,就为实验室提供了一个对工业生产进行模拟的方案。Duncan A和Groemping M等对拜耳法生产过程中的结疤情况进行了模拟,并建立了沉积模型。认为结疤率与拜耳液中的硅的过饱和度有很大关系,其次是溶液温度,而溶液流动速率在150℃下影响不大,同时指出和以前预想不同的是,赤泥颗粒在高硅铝酸钠溶液中严重影响热导率。Barnes Mark C 和Addai-Mensah Jonas对三种脱硅产物(纯方钠石、纯钙霞石和两态混相体)的结晶动力学进行了模拟，并提出了三种脱硅产物的生成动力学模型，认为通过运用纯方钠石及纯钙霞石的生成动力学模型即可以解决生产脱硅过程中的结晶动力学问题。Smith Peter G和Pennifold Russell进行了对脱硅产物(DSP)的研究,利用Langmuir模型和衰退模型来考察脱硅产物中一些阴离子的含量。预测随着石灰用量的增加，使得脱硅产物中钙霞石成分迅速增加，同时预测了每投入l％的石灰，即可节省3.5％苛性碱，但与实际生产过程数据不符。Whittington Barry和Fallows Timothy在实验室中对氧化铝生产中的高岭土和石灰的反应模型进行了模拟，发现在溶出与脱硅热利用率很低的情况下，脱硅产物的成分不随高岭石和其他反应成分的加入而改变。

上述研究的目的主要是为了解决分解后的铝酸钠溶液在循环时铝硅酸盐在换热器和蒸发器的换热面结垢的问题，其次还涉及到节碱的问题。而国内同样也有许多相关报道。但涉及到模拟仿真技术方面的很少。具有代表性的有以下几篇。中国科学院过程工程研究所对水解条件下铝酸钠溶液中过饱和SiO2稳定性的系统进行了研究，应用结晶成核的动力学理论进一步得出了铝酸钠溶液中超溶解度

的计算公式，填补了国内外对该方向研究的空白。中国长城铝业公司利用二次回归正交设计回归出烧结法生产氧化铝中钠硅渣常压氧化钙水化法脱钠的数学模型。根据数学模型，研究了反应温度、石灰添加量、浆液液固比对钠硅渣脱钠率的影响，并提出工艺的最佳条件。天津大学化工学院考察了铝土矿熟料溶出粗液脱硅加热过程中的结垢行为，并根据液固流化床的防垢机理建立了结垢模型。这些模型可以为我们进行氧化铝生产设计计算以及模拟仿真提供一个很好的平台，同时研究者在工作中所采用的路线有时也是很有借鉴意义的。

3)分解过程

拜尔法生产中的晶种分解是关键工序之一，它对全厂的技术经济指标有着重大作用，其作用点主要集中在对产品质量以及分解率上，而从国内外的报道来看，对产品质量(如粒度、形貌、磨损指数)的论述居多。而对于烧结法中的重要过程碳酸化分解，由于其应用地区仅以我国和俄罗斯为主，同时加上它是一个复杂的多相反应，由此使得对于该方面报道很少。国外，Audet Denis R和Larocque Jacques E对种分产品Al(OH)3的粒度和强度进行了研究，并且得到种分数学模型，认为该模型可以预测种分产品的粒度分布。Theron J L和Escalona S等对种分过程的理论模型进行了校正，使其能够适应工厂生产中的不纯的拜耳种分母液系统，该模型的成功应用得到相关工厂的重视。Smith Peter和Austin Peter引入两种数学模型来解释种分过程诱导期现象，这两种模型都对晶体新旧面的生长率进行了描述，不同的是一个是将生长过程作为重点，而另一个是将生长机理作为重点。Illievski 和White E T认为对Al(OH)3结晶过程的附聚机理的认识存在欠缺，从而阻碍拜尔法种分过程的计算模型的生成。他们利用最近报道的一种尺寸无关机理(size-independent mechanism)来描述种分过程中的粒子数平衡模型，并得到了与实验数据相近的结果。Stephenson Jerry L和Kapraun Chris报道了美铝公司在拜尔法种分过程中所采用的动态模型。这种模型可以预测生产量、晶体粒度分布以及碳酸钠含量。除了对生产热平衡、物料平衡和粒子群平衡的描述外，该模型还可以对颗粒生长和附聚机理作动力学描述，以及成核过程半经验动力学描述。

国内在种分方面，中南大学化学化工学院对某氧化铝厂种分车间实际生产数

的测定及其与据据的进行分段线性拟合所得的模型，可以用来确定种分过程R

peq

降温制度的关系。中南大学化学化工学于2001年根据现场生产数据推导出了原铝酸钠溶液种分首槽温度控制预报准理论模型，可根据生产工艺条件要求计算出首

槽温度的预报值。此外又于2002年经过引用一些新的参变量，对该模型进行修正，现已基本能够正确预测现场生产过程。贵州工业大学冶金系对某厂工业铝酸钠溶液分解过程进行了实验，并由实验结果得到铝酸钠溶液分解过程的数值模型。中国长城铝业公司利用计算流体力学(CFD)软件对空气搅拌式种分槽内流场进行三维数值模拟，并与实践结果吻合的很好。在碳分方面，中南大学冶金学院对铝酸钠溶液碳酸化分解过程的动力学进行了研究，认为整个碳酸化分解过程是受Al(OH)3析出过程控制，仍然遵循种分机理，而CO3仅作为调节Al(OH)3过饱和度之用。

4)蒸发部分

国外主要对拜尔法生产蒸发过程中的非线性控制系统(nonlinear control strategies)有较多的报道。To L C和Tade M O于1995年在Maple V.3软件对非线性控制系统中的线性化的输入、输出模式、一般模型控制模式和Su-Hunt-Meyer转换模式进行了阐述。后来又于1998年对以前的非线性控制系统进行了校正，使得系统更具稳定。Kam kiew M和Tade Moses O于1999年也对该系统进行过仿真模拟，并着重对封闭回路的单一输入/单一输出控制器对比多回路单一输入/单一输出控制器进行比较，认为封闭回路控制器操作更为简洁。次年，他们又对蒸发器中的非线性控制系统进行了模拟，认为利用多重输入/多重输出控制系统也比多回路的单一输入/单一输出控制系统更为优越。

国内有关文献很少。中南工业大学有色冶金系对氧化铝生产中的蒸发系统进行了计算机模拟。根据模型分析了进料量、结疤厚度、真空度等因素对蒸发系统的影响，得出了与现场生产数据相一致的结果。贵阳铝镁设计院对蒸发过程进行了分析模拟，对于不同组分浓度以及杂质浓度的分解母液来选取不同的蒸发流程和蒸发器，该模型可用于减少结疤以及优化流程。

5)其他部分

近年来我国各铝矿山为适应氧化铝厂对原矿供矿的要求，稳定供矿质量，减少采矿基建费用，充分利用边尾矿和民工矿，提高铝矿山自身的经济效益。而科学的配矿方法势在必行。沈阳铝镁设计研究院对我国铝土矿石配矿技术进行系统的阐述，并详细介绍了配矿设计计算及配矿方法，为配矿方案的模型化作了很好的研究基础。平果铝业公司建立了库存矿石的品位数据库及供矿管理系统软件，

的计算来确定配矿过程并应用于生成管理中。并且根据对平果铝土矿溶出平衡R

pe

的最佳R

。中国有色金属工业沈阳公司亦对计算机配矿管理系统进行了简要的介

p

绍，使得配矿过程可以进行有效地量化管理。而针对现在铝酸钠溶液的成分分析主要采用的人工分析的方法的诸多不利，铝酸钠溶液成分浓度在线测定方法也逐渐引起了多方面的重视。东北大学先后于1996年和2004年报道了对铝酸钠溶液成分浓度在线测定系统数学模型的建立与求解问题。中国长城铝业公司亦对铝酸钠溶液化学成分的在线测定系统进行了探讨。在计算机软件的设计模拟方面，前面许多文献都有过相关论述，很大一部分都是利用计算机程序编程，对实际工业过程进行仿真，最后利用仿真结果来预测工业过程，有些程序已经设计为软件，运用于工业生产的各个部分。

3发展前景’

氧氧化铝行业的竞争也就是氧化铝生产成本的竞争，如何降低生产成本一直是各厂决策层的头等大事。由于生产工艺的日益完善，氧化铝行业的改善与提高的范围越来越窄。即使如此，氧化铝工作者纷纷在此范围内寻找新突破点。当生产工艺的改进取得实验成功后，就要将其进行工业实验。氧化铝工艺的局部改进，常常会对氧化铝厂的其它工序产生影响，而这种影响在未进行实验之前是未知的。如果进行工业实验，实验的进行势必对现行的工业生产产生波动，而这种波动正是氧化铝生产所应避免的。因此如何能在进行工业实验之前预测实验将对生产中各工序的影响及其影响程度，以便采取有效的措施来预防与避免将要带来的负面影响，是一件非常有实际意义的事。模拟与仿真氧化铝生产过程，能很好地解决这一问题。而我国到目前为止还没有建立起一套完整的对氧化铝生产过程的模拟与仿真系统，这就是机遇所在。我们应当吸收国外模拟与仿真软件的开发经验，结合我国的实际生产工艺，开发适合我国氧化铝工艺的模拟与仿真软件。

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