＊王文喜

（中鋁山西華興鋁業(yè)有限公司 山西 033000）

1.引言

蒸發(fā)生產(chǎn)工藝在氧化鋁拜耳法生產(chǎn)工藝過(guò)程中是關(guān)鍵生產(chǎn)流程之一，承擔(dān)著維持氧化鋁整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中堿平衡和水平衡的重要作用。蒸汽是蒸發(fā)過(guò)程所需熱量的提供者，汽耗是蒸發(fā)過(guò)程中的主要工藝消耗。蒸發(fā)過(guò)程中的蒸汽消耗約占氧化鋁工藝生產(chǎn)過(guò)程總蒸汽消耗的40%～50%；鑒于此流程的消耗占比較高，蒸發(fā)效率的高低直接影響到氧化鋁全工藝流程的能耗和成本指標(biāo)。

蒸發(fā)過(guò)程一般分為單效蒸發(fā)過(guò)程和多效蒸發(fā)過(guò)程，在氧化鋁拜耳法生產(chǎn)工藝流程中，多采用多效蒸發(fā)過(guò)程，且多為多效逆流蒸發(fā)過(guò)程[1]。這種蒸發(fā)過(guò)程工藝設(shè)備多，工藝機(jī)理復(fù)雜，過(guò)程變量多且變量之間具有很強(qiáng)的耦合關(guān)系，這些都為蒸發(fā)過(guò)程的建模研究造成了一定的困難。目前，針對(duì)多效逆流蒸發(fā)過(guò)程，文獻(xiàn)中所建立的過(guò)程模型（包括靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型）僅僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)過(guò)程的模擬和優(yōu)化，而且僅限于計(jì)算機(jī)仿真研究。如文獻(xiàn)[2]針對(duì)氧化鋁生產(chǎn)中的四效蒸發(fā)加三級(jí)閃蒸工藝過(guò)程，建立靜態(tài)機(jī)理模型，從模型的求解結(jié)果來(lái)看，模型的預(yù)測(cè)精度較差，還無(wú)法達(dá)到在氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)的要求水平，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的。文獻(xiàn)[3]對(duì)一個(gè)六效脫鹽蒸發(fā)過(guò)程進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)計(jì)算，得出蒸發(fā)過(guò)程的汽水比和蒸水量，將其應(yīng)用到蒸發(fā)過(guò)程的優(yōu)化計(jì)算中；文獻(xiàn)[4]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型試驗(yàn)計(jì)算；文獻(xiàn)[5-6]利用多元線性回歸法建立模型，計(jì)算五效蒸發(fā)裝置的出口濃度，得到比較好的效果。東北大學(xué)的王永剛[7]依據(jù)多變量、非線性且回路間具有較強(qiáng)耦合性等特點(diǎn)，建立動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了仿真研究，得到較好的效果。從以上文獻(xiàn)可以看出，無(wú)論是蒸發(fā)過(guò)程的靜態(tài)模型還是動(dòng)態(tài)模型，目前僅處于仿真研究階段。從工業(yè)過(guò)程的實(shí)際運(yùn)行出發(fā)，針對(duì)國(guó)內(nèi)某大型氧化鋁廠的六效逆流蒸發(fā)過(guò)程，基于熱量平衡和物料平衡，建立了蒸發(fā)過(guò)程的穩(wěn)態(tài)模型，并在Foxboro公司的I/A系統(tǒng)上進(jìn)行了工業(yè)實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，本文基于物料平衡和熱量平衡所建立的穩(wěn)態(tài)模型，可以用于指導(dǎo)蒸發(fā)過(guò)程的優(yōu)化操作，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

首先，對(duì)六效逆流蒸發(fā)過(guò)程的工藝進(jìn)行了描述，指出了蒸發(fā)過(guò)程的優(yōu)化控制目標(biāo)以及存在的難點(diǎn)；其次，從熱量平衡和物料平衡的角度建立了六效逆流蒸發(fā)過(guò)程的穩(wěn)態(tài)模型，并利用VB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)模型的計(jì)算，通過(guò)OPC通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)DCS控制系統(tǒng)與穩(wěn)態(tài)模型程序之間的數(shù)據(jù)交換；最后，在國(guó)內(nèi)某大型氧化鋁廠進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，對(duì)工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析說(shuō)明了本文所建立的穩(wěn)態(tài)模型具有一定的實(shí)用價(jià)值。

2.六效逆流蒸發(fā)工藝過(guò)程

六效逆流蒸發(fā)系統(tǒng)是氧化鋁生產(chǎn)工藝中流程最復(fù)雜的部分之一，該過(guò)程由六個(gè)降膜管式蒸發(fā)器串接而成。來(lái)自蒸發(fā)原液槽的蒸發(fā)原液，分別由六效蒸發(fā)器和四效蒸發(fā)器進(jìn)入蒸發(fā)系統(tǒng)，其中由四效蒸發(fā)器進(jìn)入的蒸發(fā)原液，經(jīng)循環(huán)泵打入四效加熱室濃縮后通過(guò)過(guò)料泵打入三效蒸發(fā)器，同樣的三效蒸發(fā)器對(duì)四效蒸發(fā)器來(lái)料液蒸發(fā)后依次進(jìn)入二效、一效，進(jìn)料經(jīng)一效蒸發(fā)器分離室后依次經(jīng)過(guò)1～4級(jí)自蒸發(fā)器，最后經(jīng)四級(jí)自蒸發(fā)器的出料泵打入堿液均勻調(diào)配槽；由六效蒸發(fā)器進(jìn)入的蒸發(fā)原液，經(jīng)循環(huán)泵打入六效加熱室濃縮后通過(guò)過(guò)料泵打入五效蒸發(fā)器，五效蒸發(fā)器分離室的排料進(jìn)入堿液均勻調(diào)配槽，兩路經(jīng)過(guò)蒸發(fā)濃縮后的堿液，在加入新堿后，配制成質(zhì)量濃度合格的蒸發(fā)母液，保證溶出的效果。

圖1 蒸發(fā)過(guò)程流程圖

由物料平衡關(guān)系可得到：

由熱量平衡關(guān)系可得到：

氧化鋁蒸發(fā)過(guò)程所采用的降膜蒸發(fā)器一般都是采用新蒸汽進(jìn)行加熱。新蒸汽首先依次進(jìn)入三級(jí)蒸發(fā)器，各效的二次蒸汽分別進(jìn)入下一效蒸發(fā)器作為加熱源使用，充分利用二次蒸汽的熱源，提高能源利用效率；同時(shí)為了充分利用閃蒸器的二次蒸汽熱源，一閃到四閃的二次蒸汽分別作為二效到五效蒸發(fā)器的加熱源，最后六效的二次蒸汽進(jìn)入冷凝器。為了充分利用冷凝水閃蒸的熱量，大部分氧化鋁廠的蒸發(fā)過(guò)程中一效冷凝水的二次蒸汽重新作為熱源進(jìn)入一效。加熱蒸汽的冷凝水可以用作鍋爐用水或洗滌用水。

拜耳法氧化鋁的蒸發(fā)過(guò)程設(shè)備多，描述過(guò)程的變量眾多，且變量之間具有強(qiáng)耦合性，是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)不確定的強(qiáng)非線性的工業(yè)過(guò)程[9-10]。以實(shí)際氧化鋁蒸發(fā)過(guò)程關(guān)鍵工藝指標(biāo)為研究目標(biāo)，建立六效逆流蒸發(fā)加四級(jí)閃蒸蒸發(fā)系統(tǒng)的機(jī)理模型并進(jìn)行計(jì)算求解，得到各級(jí)蒸發(fā)器和閃蒸罐的出口濃度和蒸水量，進(jìn)一步得到出口濃度和總蒸水量，以此得出的數(shù)據(jù)供現(xiàn)場(chǎng)操作人員及時(shí)了解生產(chǎn)狀況，達(dá)到操作人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控關(guān)鍵的過(guò)程工藝參數(shù)，及時(shí)調(diào)整工藝操作參數(shù)，最終達(dá)到此工藝流程的節(jié)能降耗目的。

3.蒸發(fā)過(guò)程穩(wěn)態(tài)模型

(1)管式降膜蒸發(fā)器機(jī)理模型

管式降膜蒸發(fā)器是蒸發(fā)過(guò)程中的主要設(shè)備[11-12]，主要有加熱室和分離室兩部分組成，其中加熱室主要是用于完成管外蒸汽與管內(nèi)料液之間的熱交換，以縮短料液在蒸發(fā)器內(nèi)的加熱時(shí)間，被蒸發(fā)后的汽液混合物流至底部并進(jìn)入分離室；分離室主要用于汽液混合物的分離，達(dá)到熱能循環(huán)利用的效果，降低熱能消耗指標(biāo)。管式降膜蒸發(fā)器示意圖如圖2所示。

圖2 管式降膜蒸發(fā)器示意圖

(2)自蒸發(fā)器機(jī)理模型

自蒸發(fā)器充分利用高溫料液和高壓力對(duì)料液進(jìn)行熱能吸收，再通過(guò)壓差變化降低壓力讓料液中的水分快速閃蒸，達(dá)到回收二次蒸汽，減少汽耗的目的。

由物料平衡關(guān)系可得到：

由熱量平衡關(guān)系可得到：

(3)冷凝水罐機(jī)理模型

蒸發(fā)過(guò)程中加熱后的蒸汽通過(guò)熱能轉(zhuǎn)換將蒸汽轉(zhuǎn)換為冷凝水暫存到冷凝水罐中，在冷凝水罐中以汽與水的混合狀態(tài)存在，其中的部分蒸汽返回到降膜蒸發(fā)器的加熱室，利用其有效的熱能進(jìn)行加熱料液，進(jìn)一步提高能源的利用效率。

由物料平衡關(guān)系可得到：

由熱量平衡關(guān)系可得到：

(4)蒸發(fā)過(guò)程生產(chǎn)指標(biāo)

拜耳法氧化鋁蒸發(fā)過(guò)程的生產(chǎn)指標(biāo)主要有：

蒸發(fā)母液中的苛性氧化鈉濃度Nk：

控制目標(biāo)：

汽水比RatioGW：

蒸發(fā)產(chǎn)能或蒸水量QW：

(5)穩(wěn)態(tài)模型的求解

拜耳法氧化鋁蒸發(fā)過(guò)程中，依據(jù)蒸發(fā)原液順序工藝流程特點(diǎn)，采取逐模塊求解的方式建立蒸發(fā)過(guò)程模型進(jìn)行求解。參照一單元模塊解出的出口物流信息數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)模型處理，再作為后一單元模塊的入口物流信息數(shù)據(jù)。這與序貫?zāi)K法的基本思想相吻合。

序貫?zāi)K法是在化工流程模擬系統(tǒng)中應(yīng)用較早也較成熟的一種過(guò)程模擬結(jié)算方法[13]，參照次模塊的性能特點(diǎn)，以用戶要求為目標(biāo)，根據(jù)每一個(gè)模塊的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行迭代計(jì)算，直到達(dá)到用戶的要求為止。蒸發(fā)過(guò)程序貫?zāi)K法計(jì)算流程圖如圖3所示。

圖3 蒸發(fā)過(guò)程序貫?zāi)K法計(jì)算流程圖

4.蒸發(fā)過(guò)程穩(wěn)態(tài)模型在I/A系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)

(1)氧化鋁蒸發(fā)過(guò)程的工藝流程

國(guó)內(nèi)某大型氧化鋁廠的蒸發(fā)過(guò)程采用的是六效逆流蒸發(fā)過(guò)程，其主要生產(chǎn)設(shè)備有I～VI效管式降膜蒸發(fā)器、1～4級(jí)自蒸發(fā)器和冷凝水管組成，為典型的兩進(jìn)兩出的六效逆流蒸發(fā)過(guò)程。

一段進(jìn)料/出料路徑：四效降膜蒸發(fā)器→三效降膜蒸發(fā)器→二效降膜蒸發(fā)器→一效降膜蒸發(fā)器→一級(jí)自蒸發(fā)器→二級(jí)自蒸發(fā)器→三級(jí)自蒸發(fā)器→四級(jí)自蒸發(fā)器→堿液調(diào)配槽；

二段進(jìn)料/出料路徑：六效降膜蒸發(fā)器→五效降膜蒸發(fā)器→堿液調(diào)配槽；

加熱蒸汽路徑：加熱蒸汽分成三部分，新蒸汽、自蒸發(fā)器的乏汽和冷凝水罐的乏汽，其中新蒸汽從一效降膜蒸發(fā)器加入，一效降膜蒸發(fā)器的二次蒸汽進(jìn)入二效降膜蒸發(fā)器，以此類(lèi)推，各效降膜蒸發(fā)器的二次蒸汽分別進(jìn)入下一效蒸發(fā)器作為加熱源使用；一級(jí)自蒸發(fā)器到四級(jí)自蒸發(fā)器的二次蒸汽分別作為二效到五效降膜蒸發(fā)器的加熱源，六效降膜蒸發(fā)器的二次蒸汽進(jìn)入水冷器；冷凝水罐的乏汽重新作為熱源進(jìn)入一效降膜蒸發(fā)器，同樣二效至六效的冷凝水罐乏汽分別作為加熱蒸汽進(jìn)入各自對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)器。

目前，國(guó)內(nèi)某大型氧化鋁廠蒸發(fā)過(guò)程中循環(huán)母液的質(zhì)量濃度Nk還未實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)測(cè)量，這就導(dǎo)致了現(xiàn)場(chǎng)操作人員在操作時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)操作參數(shù)的優(yōu)化，只能憑借自己的操作經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)歷史化驗(yàn)值和目前的進(jìn)料量進(jìn)行操作過(guò)程的調(diào)整。依據(jù)物料平衡和熱量平衡原理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，建立蒸發(fā)生產(chǎn)工藝過(guò)程的穩(wěn)態(tài)模型，方便了現(xiàn)場(chǎng)操作人員實(shí)時(shí)調(diào)整蒸發(fā)過(guò)程的操作參數(shù)。

(2)氧化鋁蒸發(fā)過(guò)程穩(wěn)態(tài)模型在I/A系統(tǒng)上的實(shí)現(xiàn)

國(guó)內(nèi)某大型氧化鋁廠DCS控制系統(tǒng)采用美國(guó)Foxboro公司的I/A系列產(chǎn)品，每個(gè)工序根據(jù)所監(jiān)控的IO點(diǎn)數(shù)的差異，其主控CPU的數(shù)量不同，各工序控制站設(shè)置在各工序的低壓配電室，全廠設(shè)置生產(chǎn)控制指揮中心，負(fù)責(zé)全廠工藝系統(tǒng)的操作。為了確保穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算不影響DCS控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，在DCS控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了一臺(tái)新的操作員站，專(zhuān)門(mén)用于穩(wěn)態(tài)模型的計(jì)算。穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算所需變量通過(guò)OPC從DCS系統(tǒng)取得，計(jì)算的結(jié)果在監(jiān)控界面上顯示的同時(shí)，通過(guò)OPC返回到DCS系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)DCS操作的優(yōu)化。圖4為蒸發(fā)過(guò)程問(wèn)題模型計(jì)算軟件的結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控界面利用I/A系統(tǒng)的Foxdraw組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)態(tài)模型的計(jì)算軟件由Matlab軟件實(shí)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果通過(guò)OPC傳送到監(jiān)控界面和DCS系統(tǒng)中。圖5為利用I/A系統(tǒng)建立的蒸發(fā)過(guò)程操作優(yōu)化界面。通過(guò)這個(gè)界面，操作人員可以實(shí)時(shí)監(jiān)控操作參數(shù)，選擇不同的優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)模型計(jì)算后，得到不同的操作參數(shù)優(yōu)化值。

圖4 蒸發(fā)過(guò)程問(wèn)題模型計(jì)算軟件結(jié)構(gòu)

圖5 蒸發(fā)過(guò)程操作優(yōu)化操作界面

5.工業(yè)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所建立模型的有效性，進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。模型參數(shù)如表1所示，將操作參數(shù)優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)選擇為循環(huán)母液濃度合格率最高，模型運(yùn)行結(jié)果如表2所示。

表1 模型參數(shù)

表2 變量表

從圖6可以看出，隨著兩段進(jìn)料流量平均提高約16%以后，通過(guò)模型數(shù)據(jù)運(yùn)算優(yōu)化后，蒸發(fā)過(guò)程的質(zhì)量指標(biāo)，蒸發(fā)母液苛性堿質(zhì)量濃度平均提高了約28%，汽水比平均降低了3.7%，其變化趨勢(shì)與所建立的模型相對(duì)應(yīng)。這也說(shuō)明了本文所建立的蒸發(fā)過(guò)程穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型的有效性，可以為現(xiàn)場(chǎng)的操作提供參數(shù)優(yōu)化。

圖6 模型試驗(yàn)運(yùn)行前后數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果

6.結(jié)論

針對(duì)目前拜耳法氧化鋁蒸發(fā)過(guò)程操作上存在的問(wèn)題，從熱量平衡的角度出發(fā)，建立了以兩段進(jìn)料流量和新蒸汽流量為輸入變量，以生產(chǎn)指標(biāo)（循環(huán)母液質(zhì)量濃度、蒸水量、汽水比）為輸出的蒸發(fā)過(guò)程穩(wěn)態(tài)模型，使用Matlab軟件建立試驗(yàn)數(shù)據(jù)模型與算法，并在Foxboro公司的I/A控制系統(tǒng)上進(jìn)行了工業(yè)實(shí)驗(yàn)，雖然實(shí)驗(yàn)的工況條件有一定的局限性，但從運(yùn)行結(jié)果來(lái)看，達(dá)到了蒸發(fā)過(guò)程生產(chǎn)操作參數(shù)優(yōu)化的目的，具有一定的實(shí)用價(jià)值，值得在行業(yè)中進(jìn)行推廣應(yīng)用。