淺談SysCAD流程仿真模擬軟件在氧化鋁廠的應(yīng)用

楊萬(wàn)喜

（山西復(fù)晟鋁業(yè)有限公司，山西 運(yùn)城 044300）

1 國(guó)內(nèi)氧化鋁工藝技術(shù)發(fā)展背景

我國(guó)氧化鋁工業(yè)從無(wú)到有，從小型化到大型化，取得了很大的成績(jī)，單條線(xiàn)20萬(wàn)噸/年以下的生產(chǎn)線(xiàn)已陸續(xù)轉(zhuǎn)型或是停產(chǎn)，目前國(guó)內(nèi)最大的單條線(xiàn)產(chǎn)能已經(jīng)突破了100萬(wàn)噸/年，我國(guó)的氧化鋁技術(shù)主要有混聯(lián)法工藝，用拜耳法處理高品位鋁土礦，用燒結(jié)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(jié)法生產(chǎn)氧化鋁更好的經(jīng)濟(jì)效果。燒結(jié)法熟料燒成強(qiáng)化技術(shù)，該技術(shù)包括生料漿配料、非飽和配方、石灰配料、生料加煤脫硫技術(shù)和熟料熱工自動(dòng)控制技術(shù)等[1]。因其高能耗已退出了主流工藝路線(xiàn)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)產(chǎn)能在50萬(wàn)噸/年/單線(xiàn)的氧化鋁廠主要以拜耳法工藝路線(xiàn)為主導(dǎo)地位[2]。

近幾年來(lái)，受?chē)?guó)家環(huán)保政策收緊和鋁土礦庫(kù)存緊缺的影響，國(guó)內(nèi)礦石價(jià)格逐年攀升，2019年上半年礦石價(jià)格居高不下，礦石成本快接近制造成本的一半，國(guó)內(nèi)氧化鋁企業(yè)盈利空間急劇下降，絕大部分企業(yè)紛紛尋找出路，國(guó)內(nèi)部分企業(yè)開(kāi)始變更生產(chǎn)線(xiàn)適應(yīng)礦石的供給變化，中國(guó)鋁企的海外投資也進(jìn)一步加大。

國(guó)內(nèi)氧化鋁企業(yè)已走過(guò)65年有余，開(kāi)始時(shí)主要以國(guó)企為主體生產(chǎn)氧化鋁，到2003年擴(kuò)大到民營(yíng)企業(yè)，氧化鋁企業(yè)如雨后春筍拔地而起，國(guó)內(nèi)氧化鋁產(chǎn)能快速增加，企業(yè)之間出現(xiàn)了對(duì)比和競(jìng)爭(zhēng)，在相對(duì)成熟的拜耳法技術(shù)上，因?yàn)槿藛T之間的流動(dòng)的關(guān)系，技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)尤為炙熱，到目前為止，與國(guó)外氧化鋁廠相比，我們?cè)跀?shù)據(jù)準(zhǔn)確測(cè)量，流程數(shù)據(jù)測(cè)算方面還沒(méi)有一套有說(shuō)服力的氧化鋁專(zhuān)業(yè)流程類(lèi)軟件，供以氧化鋁核心的精準(zhǔn)流程仿真模型計(jì)算，用來(lái)工藝流程設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并指導(dǎo)生產(chǎn)組織?，F(xiàn)在通用的還是Excel物料衡算表，可以用來(lái)粗略的計(jì)算全廠需要的各類(lèi)物料的質(zhì)量、流量、控制指標(biāo)等[3]。在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)使用到，到正式投入生產(chǎn)時(shí)，就很少在使用，主要是它的編輯難度偏大，迭代公式繁雜，應(yīng)用范圍小，應(yīng)用人員主要是各廠的技術(shù)骨干，耗時(shí)耗力，目前民營(yíng)企業(yè)生產(chǎn)中也很少用到，最重要的是用它來(lái)做國(guó)外氧化鋁廠設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的權(quán)威性不足，目前只在國(guó)內(nèi)使用，在國(guó)內(nèi)氧化鋁廠在線(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和工廠瓶頸數(shù)據(jù)測(cè)算等數(shù)據(jù)均不能實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的判斷和精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)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(kāi)發(fā)，并應(yīng)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(guó)外氧化鋁應(yīng)用時(shí)間較早，據(jù)悉，是國(guó)際礦物加工領(lǐng)域和冶金領(lǐng)域認(rèn)可程度最高的大型流程模擬平臺(tái)，SysCAD軟件同時(shí)具備穩(wěn)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)模擬兩種運(yùn)算模式，可以模擬氧化鋁廠從最簡(jiǎn)單的單元操作到復(fù)雜的全廠流程。該平臺(tái)擁有豐富的內(nèi)置單元作業(yè)模型，龐大的物性數(shù)據(jù)庫(kù)，涵蓋了化工領(lǐng)域三傳一反的基本操作過(guò)程，可以同時(shí)處理質(zhì)量和能量平衡，并能為涉及化學(xué)反應(yīng)的單元過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)于以創(chuàng)建不同的工藝流程或是改變現(xiàn)有流程為目的項(xiàng)目研究，具有強(qiáng)大的可操作性。因其卓越的建模分析能力，SysCAD軟件在過(guò)去的20年間被廣泛應(yīng)用于世界氧化鋁生產(chǎn)的全過(guò)程，逐漸成長(zhǎng)為國(guó)際通用的、氧化鋁生產(chǎn)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(nèi)擁有多達(dá)120個(gè)行業(yè)用戶(hù)，涵蓋了工程公司、氧化鋁廠和高校等相關(guān)領(lǐng)域，它的官方網(wǎng)址：http://www.SysCAD.net/，主要應(yīng)用于氧化鋁工廠的設(shè)計(jì)和問(wèn)題診斷的數(shù)據(jù)支撐，氧化鋁板塊主要分為穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種仿真模型，目前應(yīng)用最為廣泛的為穩(wěn)態(tài)模型，在國(guó)內(nèi)部分科研院所很早就購(gòu)買(mǎi)其使用權(quán)，做為氧化鋁流程建模軟件，數(shù)據(jù)測(cè)算工具使用。穩(wěn)態(tài)模型是有單獨(dú)的模塊授權(quán)使用，包括氧化鋁、能量平衡、粒度分級(jí)、電廠等模塊可以使用，不過(guò)需要購(gòu)買(mǎi)該公司的授權(quán)。流程設(shè)計(jì)、質(zhì)量和能量平衡、評(píng)估備用流程圖、流程優(yōu)化、生產(chǎn)損失報(bào)告、研究與開(kāi)發(fā)等功能，可以滿(mǎn)足不同工程師快捷方式操作需求，除此之外，還擁有實(shí)用的計(jì)算工具，可以用于濕法冶金、發(fā)電廠、氧化鋁、選礦等的物料衡算、熱量衡算等計(jì)算操作。

SysCAD軟件主體分物相數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)中有銅、鎳、氧化鋁等多個(gè)有色金屬，建模時(shí)我們需要選好自己需要的數(shù)據(jù)庫(kù)，主要以三水礦的物相為主，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已發(fā)展到將一水礦的物相添加完成，適合國(guó)內(nèi)一水礦建模物相需要，通常我們使用的穩(wěn)態(tài)模型來(lái)進(jìn)行工廠建模，建模中需要用到過(guò)程數(shù)據(jù)單元，該單元分類(lèi)較細(xì)，主要是以數(shù)學(xué)原理來(lái)分類(lèi)，你只需要在對(duì)應(yīng)的下拉菜單中找到你需要的模型就可以了。最后建模時(shí)需要添加反應(yīng)和PID控制器，模擬工廠的控制原理，將實(shí)際的控制邏輯模擬到模型中去，穩(wěn)態(tài)模型現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的為全廠模型。主要是該模型對(duì)每月工廠的生產(chǎn)組織方式具有強(qiáng)力的支撐作用，可以成為常態(tài)化使用。

3 SysCAD軟件在國(guó)內(nèi)氧化鋁廠的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著民營(yíng)企業(yè)在氧化鋁行業(yè)大量的擴(kuò)增，粗狂的拜耳法氧化鋁工藝技術(shù)已不在神秘，但是各家的工藝技術(shù)指標(biāo)控制水平，短時(shí)間內(nèi)是良莠不齊，但是也是歌舞升平，氧化鋁的價(jià)格維持在2700元/噸左右，只要是氧化鋁廠可以開(kāi)起來(lái)，進(jìn)料生產(chǎn)出氧化鋁就有利潤(rùn)空間，隨后國(guó)內(nèi)氧化鋁廠年年有新建廠，產(chǎn)能迅速逐年激增，氧化鋁市場(chǎng)價(jià)格持續(xù)走低，利潤(rùn)空間也是每年遞減，加之這幾年國(guó)家環(huán)保政策年年收緊，為了環(huán)保能達(dá)標(biāo)，氧化鋁廠對(duì)大氣污染二氧化硫排放、氮氧化物排放、粉塵顆粒排放，均進(jìn)行了環(huán)保技改投入，增加了環(huán)保運(yùn)行成本，原材料礦石的價(jià)格也是劇增，截止到目前，礦石價(jià)格已逼近到600元/噸，只是礦石的成本幾乎是運(yùn)行成本的一半，氧化鋁廠的利潤(rùn)空間兩頭均受到了壓縮，利潤(rùn)空間下滑嚴(yán)重，多數(shù)企業(yè)采取了減產(chǎn)或是停產(chǎn)運(yùn)行，還有部分企業(yè)通過(guò)采購(gòu)三水礦來(lái)維持生產(chǎn)連續(xù)運(yùn)行，但是還是處于虧損狀態(tài)，均是艱難度日，2019年貴州、廣西受礦石價(jià)格的沖擊要比山西、河南小很多，主要是占據(jù)了資源優(yōu)勢(shì)，資源為王的主題在2019年表現(xiàn)的淋漓盡致。

KenWalt公司開(kāi)發(fā)的SysCAD仿真模擬軟件進(jìn)入國(guó)內(nèi)的時(shí)間比較早，主要是進(jìn)入科研研究院較早，大多數(shù)用來(lái)研究銅、鎳等有色金屬，目前國(guó)內(nèi)氧化鋁科研院里所有三家在使用，東北設(shè)計(jì)院，沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)院，中科院等單位使用，這三家單位主要是側(cè)重于設(shè)計(jì)，熱量衡算、物料衡算等類(lèi)型的工作。

錦江集團(tuán)氧化鋁產(chǎn)業(yè)中，氧化鋁板塊成績(jī)斐然，共4家氧化鋁企業(yè)，技術(shù)創(chuàng)新能力在行業(yè)首屈一指，是我國(guó)最早引SysCAD流程仿真模擬軟件，對(duì)企業(yè)技術(shù)能力進(jìn)行了更新升級(jí)，將氧化鋁技術(shù)武裝到牙齒，給企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，SysCAD流程仿真模擬軟件不斷更新升級(jí)，緊隨行業(yè)裝備水平的發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展進(jìn)程，滿(mǎn)足企業(yè)對(duì)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(chuàng)應(yīng)用于錦江集團(tuán)企業(yè)一水礦生產(chǎn)技術(shù)中，也標(biāo)志著中國(guó)的氧化鋁企業(yè)使用的先進(jìn)工具與國(guó)際接軌，該軟件同步應(yīng)用錦江集團(tuán)的所有氧化鋁企業(yè)，特別是復(fù)晟鋁業(yè)對(duì)該軟件的應(yīng)用最為典型，給企業(yè)原有的技術(shù)人員帶來(lái)了不小的沖擊。

SysCAD流程仿真模擬軟件在2014年應(yīng)用于山西復(fù)晟鋁業(yè)，此時(shí)復(fù)晟鋁業(yè)正值新建狀態(tài)，技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)豐富，裝備精良，唯一缺乏的強(qiáng)有力的技術(shù)工具硬功夫，用行業(yè)信服的數(shù)據(jù)工具說(shuō)話(huà)，精準(zhǔn)并高效完成企業(yè)技術(shù)完美的升級(jí)，使企業(yè)快速華麗出現(xiàn)的行業(yè)的視野中。在該企業(yè)從建廠到技術(shù)規(guī)范化，每一個(gè)環(huán)節(jié)都可以看到SysCAD軟件發(fā)揮著不可小覷的作用。

3.1 在投建時(shí)期SysCAD軟件的應(yīng)用

（1）生產(chǎn)準(zhǔn)備及投產(chǎn)期間，該模型對(duì)我司的試車(chē)投料方案進(jìn)行了多次的模型核算及論證，依托軟件出具了復(fù)晟鋁業(yè)試車(chē)投料方案，該方案精確到每一工序的液量轉(zhuǎn)移量，數(shù)據(jù)全部量化，確保了投產(chǎn)時(shí)間的嚴(yán)格把控，對(duì)液量的儲(chǔ)備和母液的制備滿(mǎn)足了生產(chǎn)組織人員對(duì)量化數(shù)據(jù)和技術(shù)指標(biāo)之間關(guān)系的預(yù)測(cè)性判斷。

（2）在投產(chǎn)時(shí)期，還有大部分人員為新員工，有工作經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員對(duì)新建廠開(kāi)始運(yùn)行的系統(tǒng)性全套技術(shù)指標(biāo)也是不夠全面，培訓(xùn)工作也是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，先后對(duì)技術(shù)部門(mén)選拔的技術(shù)人員根據(jù)廠情進(jìn)行了不同形式的培訓(xùn)工作，達(dá)到了可以單獨(dú)使用和調(diào)整模型，技術(shù)人員會(huì)根據(jù)對(duì)KPI指標(biāo)的需要，改變不同的條件，或是根據(jù)礦石的條件，改變不同的KPI指標(biāo)，系統(tǒng)會(huì)得到一整套技術(shù)指標(biāo)，供我們對(duì)比分析和使用，同時(shí)也投產(chǎn)試車(chē)的人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量分析，做到指揮心中有數(shù)。

（3）SysCAD模型在各企業(yè)是具有唯一性的，根據(jù)該企業(yè)的設(shè)備選型及工藝路線(xiàn)在軟件上進(jìn)行繪制，可以說(shuō)是微縮版、可以根據(jù)需要隨時(shí)切換組裝的工廠，滿(mǎn)足工程技術(shù)人員的各類(lèi)需求。復(fù)晟鋁業(yè)SysCAD流程仿真模型在2014年隨建廠時(shí)已同步完成了建模工作，這在國(guó)內(nèi)氧化鋁企業(yè)是第一家。

3.2 投料正常以后的應(yīng)用

該SysCAD流程模擬軟件的應(yīng)用轉(zhuǎn)移到了設(shè)計(jì)后評(píng)估、達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)、系統(tǒng)優(yōu)化等各項(xiàng)工作中。

（1）設(shè)計(jì)后評(píng)估。企業(yè)進(jìn)入正常生產(chǎn)后，每個(gè)工序的設(shè)計(jì)能力如何，對(duì)全廠來(lái)講，它是不是薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)備是不是在滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，都需要我們用量化的流量及對(duì)應(yīng)的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，特別是蒸發(fā)器，每一效的蒸水量是否達(dá)到要求值，指標(biāo)是否完成，均是判斷蒸發(fā)器蒸水能力的指標(biāo)，SysCAD軟件可以細(xì)化模擬到上述每一個(gè)環(huán)節(jié)的指標(biāo)，針對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題可以迅速鎖定癥結(jié)點(diǎn)，針對(duì)性的排查問(wèn)題，制定相應(yīng)的解決辦法。

（2）達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。新建氧化鋁企業(yè)流程打通后，焙燒產(chǎn)出氧化鋁，就意味著投產(chǎn)結(jié)束，需要轉(zhuǎn)移到下一個(gè)環(huán)節(jié)，達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)，產(chǎn)量達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能，指標(biāo)包括了大宗單耗指標(biāo)、動(dòng)力消耗指標(biāo)、系統(tǒng)KPI指標(biāo)均也需要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，SysCAD軟件可以模擬不同的指標(biāo)體系，針對(duì)不同的原材料特點(diǎn)，制定出一套完整的更適合工況條件的運(yùn)行生產(chǎn)計(jì)劃，滿(mǎn)足生產(chǎn)組織的需要。

（3）系統(tǒng)指標(biāo)優(yōu)化。成本是每個(gè)企業(yè)永恒的主題，在技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化上，需要我們不斷的去嘗試，嘗試對(duì)我們來(lái)講也是需要付出成本的，在每個(gè)月我司會(huì)根據(jù)堆場(chǎng)礦石的特點(diǎn)，利用SysCAD軟件制定最經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)計(jì)劃，提高運(yùn)行效率，不再具體的流程盲目的嘗試。如下圖為我司的測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖1 技術(shù)指標(biāo)優(yōu)化成本

（4）全廠換熱設(shè)備的清洗管理。氧化鋁廠的換熱主要是溶出、蒸發(fā)的換熱對(duì)能耗影響最大，SysCAD軟件可以計(jì)算出每效和每級(jí)的換熱，對(duì)判斷蒸發(fā)器和溶出機(jī)組的運(yùn)行效率有非常重要的意義。

（5）SysCAD軟件應(yīng)用于企業(yè)技改。隨著近幾年行業(yè)環(huán)保政策的收緊以及企業(yè)利潤(rùn)空間的一再縮緊，氧化鋁行業(yè)節(jié)能降耗技改大力推行，節(jié)能技改變成了每個(gè)企業(yè)的主旋律，技改前的論證工作極為重要，過(guò)去我們只是核算局部改造的變化，沒(méi)有工具去核算它對(duì)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(fā)揮的作用最大，企業(yè)之間的技術(shù)交流比較頻繁，各家都有好的點(diǎn)子，是否可以直接搬過(guò)來(lái)用，我們不盲從，我司對(duì)各家好的點(diǎn)子均在SysCAD模型中進(jìn)行模擬，對(duì)比改造前后對(duì)成本的影響，直接對(duì)口到公司利潤(rùn)。成功避免了技改失敗慘淡收?qǐng)龅那闆r發(fā)生。大大提升了技改的成功率。

4 SysCAD流程仿真模擬軟件應(yīng)用的總結(jié)與展望

在氧化鋁行業(yè)中，SysCAD軟件的地位享譽(yù)國(guó)內(nèi)外，國(guó)內(nèi)企業(yè)需要與時(shí)俱進(jìn)提高自己的技術(shù)門(mén)檻，特別是2018年以來(lái)國(guó)內(nèi)企業(yè)響應(yīng)國(guó)家一帶一路的國(guó)策，在幾內(nèi)亞、印尼等礦產(chǎn)資源豐富的國(guó)家建廠，尋求企業(yè)發(fā)展，這幾行業(yè)走出國(guó)門(mén)展現(xiàn)實(shí)力的表現(xiàn)，國(guó)內(nèi)氧化鋁廠應(yīng)用該軟件的企業(yè)較少，還沒(méi)有完全普及，但是我相信在不久的將來(lái)，該軟件用應(yīng)用到行業(yè)各企業(yè)中去，與國(guó)際接軌，提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，這是大勢(shì)所趨。