拜耳法生产氧化铝溶出工艺CAD软件系统的开发.pdf

2 0 1 2 年6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m r mo n 1 9 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／．i ．i m ．1 0 0 7 - 7 5 4 S ．2 0 1 2 ．0 6 ．0 0 7 拜耳法生产氧化铝溶出工艺C A D 软件 系统的开发 黄望梅1 ，刘莉娜1 ’2 ，刘志春1 ，陈德2 ，阳志洪2 ，刘伟1 1 ．华中科技大学能源学院，武汉4 3 0 0 7 4 1 2 ．贵阳铝镁设计研究院，贵阳5 5 0 0 8 1 摘要基于V i s u a lC 开发平台，以拜耳法生产氧化铝溶出工艺的热工水力计算过程为基础，完成 C A D 软件系统的开发。为工程设计人员提供了一个高效、准确的计算机辅助设计软件。 关键词氧化铝l 溶出I C A D 拜耳法} 软件；开发 中圈分类号T F 8 2 3 ；T P 3 9 1 ．7 2文献标识码A文章编号1 0 0 7 - 7 5 4 5 1 2 0 1 2 0 6 0 0 1 9 - 0 5 D e v e l o p m e n to fC A DS o f t w a r eS y s t e mf o rB a y e r A l u m i n aP r o d u c t i o nD i g e s t i o nP r o c e s s H U A N GW a n g - m e i l ，L I UL i n a l ”，L I UZ h i c h u n l ，C H E ND e 2 ，Y A N GZ h i h o n 9 2 ，L I UW e i l 1 ．H u a z h o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 4 ，C h i n a 2 ．G u i y a n gA l u m i n u m ＆M a g n e s i u mD e s i g nR e s e a r c hI n s t i t u t e 。G u i y a n g5 5 0 0 8 1 ，C h i n a A b s t r a c t AC A Ds o f t w a r es y s t e md e v e l o p e db yV i s u a lC w a si n t r o d u c e db a s e do nt h ep r i n c i p l ea n d c a l c u l a t i o no fB a y e ra l u m i n ap r o d u c t i o nd i g e s t i o np r o c e s s ．T h i ss y s t e mp r o v i d e sa ne f f i c i e n ta n da c c u r a t e c o m p u t e r - a i d e dd e s i g nm e t h o df o ru s e r s ． K e yw o r d s a l u m i n a ；d i g e s t i o n ；C A D ；B a y e rp r o c e s s ；s o f t w a r e ；d e v e l o p m e n t 当前氧化铝绝大部分以铝土矿为原料，采用拜 耳法生产，而溶出作为拜耳法最主要的工序之一，其 设计研究一直备受关注[ 1 ’2 ] 。传统的拜耳法生产氧 化铝溶出工艺设计过程多以手动计算、经验数据为 依据，而计算机辅助设计过程中国内以引进国外技 术、消化吸收为主，并对溶出工艺中个别技术进行一 定的研究和改进[ a - s ] 。本软件以拜耳法生产氧化铝 溶出工艺的热工水力计算过程为基础，针对国内现 有的三种高压溶出技术；管道预热压煮器间接加热 保温溶出技术、全管道预热熔盐加热保温溶出技术 以及全管道预热新蒸汽加热保温溶出技术，开发了 完整的溶出工艺C A D 软件开发系统。本文将以全 管道预热熔盐加热保温溶出技术为例，介绍溶出工 艺C A D 软件开发系统的研究过程。 1 基本原理及工艺流程示意图 全管道预热熔盐加热保温溶出技术系统主要包 括套管预热器、套管加热器、保温压煮器、闪蒸罐、冷 凝水罐等设备，其工艺流程示意图见图1 。原矿浆 由高压隔膜泵注入溶出机组。首先经过套管预热器 并由来自相应闪蒸罐和冷凝水罐的二次蒸汽间接加 热后，进入熔盐加热段用高温熔盐加热到溶出温度， 最后经过反应压煮器保温停留达到溶出时间，溶出 后料浆经过闪蒸器降压降温后，进入下一道工序叫。 收稿日期2 0 1 I - i i 一2 7 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 计划 项目 2 0 0 7 C B 2 0 6 9 0 3 I 国家自然科学基金资助项目 5 1 0 3 6 0 0 3 作者简介黄望梅 1 9 8 7 一 ，女．湖北成宁人，磺士研究生． 万方数据 2 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年6 期 图1 氧化铝溶出工艺流程示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po fa l u m i n ad i g e s t i o nf l o wc h a r t 2 软件总体设计 系统开发流程如图2 所示。整个溶出工艺 C A D 软件包括参数输入、数据处理、结果显示、参数 输出四大部分。参数输入主要完成原矿浆和热源物 性参数输入、溶出相关参数输入、闪蒸级数确定等。 数据处理是整个软件的核心部分，系统总体热平衡 计算和各单体设备的物料平衡、能量平衡、设备选型 等均在数据处理部分完成。结果显示部分以单个设 备为单位，完成数据处理结果的查看。参数输出则 以常用的O f f i c eW o r d 和E x c e l 为基础，对软件计算 结果进行输出保存，直接形成设计计算书和主要参 数报表。 图2 系统开发流程图 F i g ．2 F l o wc h a r to fs y s t e md e v e l o p m e n t 3 功能实现 3 ．1 参数输入 通过对全管道预热熔盐加热保温溶出设计的研 究，输入参数包括矿浆参数、溶出参数、无机载热体 参数、套管换热器参数，参数输入界面如图3 所示。 由于输入参数较多，为了方便输入和管理，采用 数据库技术，该数据库具有添加、删除以及修改功 能，考虑到输入参数较多，若每次重新手动输入较为 复杂，故应用O D B C O p e nD a t a b a s eC o n n e c t i v i t y 应用程序接口设计了输入参数数据库列表，并以输 入参数序号为关键字、以数据组为单位在数据库操 作框中添加了插入、删除、修改、刷新功能按钮。另 外，闪蒸级数的确定也在输入参数框中完成，包括直 接确定闪蒸级数和温差确定级数两种方式。 3 ．2 数据处理 3 ．2 ．1 热工水力计算 由图1 可知全管道预热熔盐加热保温溶出技术 工艺流程主要包括套管预热器、套管加热器、保温压 煮器、闪蒸罐、冷凝水罐，热工水力计算则主要包括 总体热平衡计算、上述各个设备的物料平衡计算、能 量平衡计算和设备规格计算选择。下面以套管预热 器为例来描述溶出工艺的热工水力计算，套管预热 器原理如图4 所示。 套管预热器中来自相应级闪蒸罐和冷凝水罐的 高温闪蒸蒸汽对低温矿浆进行加热，冷凝后排出预 热器。矿浆进出口温度分别为t _ 、‰，进出口焓值 为h p i 、h ，，质量流量为班，，闪蒸罐和冷凝水罐的高 温闪蒸蒸汽温度为知，二者质量流量之和为m 。，出 口冷凝水温度为t n ；总换热量为Q 。 将高温闪蒸蒸汽和冷凝水均视为饱和状态，则 t i ‰，该温度下饱和蒸汽的气化潜热为7 。则套管 预热器总体热平衡计算式为 万方数据 2 0 1 2 年6 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m r n ．c n 2 1 H 啊_ _ 融埘蟠瞳矗岫l 黼渭罚磁豫谳鞴黝邢黜啊_ _ 雌鼎甄狮鬟瞢器曩_ 盈雕目萤留鳓辑。■_ 骱●t 序号『一 一曩r 囊，t蠢出◆t ⋯一、- 一，～一毫t 硬量鼍●●⋯一- 曩r 童她广帅3 o 产奠[ 万略删a井t 井径厂m m I i l F J J t t t 『矿一竹 o r 石簟幡 ￡啦加 抖- - _ P m m 曩r l 体曩_ 置F 一m 跏 善出鼍鲁运转辜| 三一 一J f l k m 『一 一矿囊比『一 鲁出量度 一‘‘ ，’内t 井径『一m m 眦叠；一c 膏出事一J 愀- ， 一一 __． 蛐t o 雅巴一州 一_ 自量曩t * nr c 摩_ 健 竺1 0 瑚愀出眦} 广一‘c- I t 譬出童■擞J 砷， 一。I’f r 石中舶奢量无札膏- 嚣佑出Ⅱ■座『一c - 疆I工一f ●蹙闪量量■ 一凡蠢曩簟计算鲢暴 请鼍舞童目蕞_ t _ 方式[ j j 匝[ ] 田量量t _ r 一L 囹L 曼兰 划L 兰 划 。蔫I 图3 参数输入界面 F i g ．3 P a r a m e t e ri n p u ti n t e r f a c e 图4 套管预热器原理示意图 F i g ．4P r i n c i p l es k e t c hm a po ft u b ep r e h e a t e r Q m P P ，一h p o m I y 1 套管预热器总换热面积为A ，综合换热系数为 K ，△t 。为对数平均温差，则 Q K A △t 。 2 △。 案君苦糕 ㈤ 式中，K 值计算参见参考文献1 0 和1 1 。 以上为套管预热器的物料、能量平衡计算，通过 式 1 ～ 3 可得出总传热面积A ，再根据工程实际 选择相应的套管规格，即可得出套管的长度、层数等 其他规格参数。 3 ．2 ．2 物性参数确定和函数重用 本软件中多处涉及到水和水蒸气的物性参数， 如温度、压力、密度、黏性系数等，传统设计计算中 多是依靠手动查询或经验公式来确定。借助参考书 手动查询工作量较大，费时费力，但精确度较高；经 验公式的运用减少了设计人员工作量，但其精确度 受到经验公式适用范围的限制，较之手动查询方法 误差较大。综合上述两种方式的优点，本软件录入 了水和水蒸气在0 ～3 7 5 ℃计算过程中涉及到的物 性参数，再用拉格朗日插值法求得对应温度下的物 性参数。 另外，由于溶出工艺中多个设备均为换热器，计 算中如综合换热系数、换热面积、能量平衡等计算函 数均可重复应用，这也大大提高了C A D 软件的效 率。 上述方法利用计算机程序化的处理方式不仅减 轻了设计人员繁重的设计计算工作，同时也保证了 设计精度，这也正是开发C A D 软件的初衷。 3 ．3 结果显示及输出参数保存 以1 0 级闪蒸为例，全管道预热熔盐加热保温溶 出结果显示界面如图5 所示。界面上方以文字说明 的方式给出了图片上各个符号所代表的设备，同时 指明了“总体热平衡计算”和“预脱硅计算”按钮的功 能。以无机载热体加热段套管加热器R a l l 为例， 万方数据 万方数据 2 0 1 2 年6 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ] ／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 3 参数输入、结果显示界面和方便实用的结果输出方 式，为降低工程设计人员工作强度、缩短设计周期奠 定了良好的基础。 参考文献 [ 1 ] 杨重愚．氧化铝生产工艺学[ M ] ．北京。冶金工业出版 社，1 9 9 3 1 0 1 1 1 ． [ 2 ] 毕诗文，于海燕，杨毅宏，等．铝土矿的拜耳法溶出[ M ] ． 北京；冶金工业出版社，1 9 9 7 5 - 1 1 ． [ 3 ] S i d r a kYL ．D y n a m i cs i m u l a t i o na p p r o a c ht Od i g e s t e rr a t i oc o n t r o li na l u m i n ap r o d u c t l o n F J ] ．I n d u s t r i a l E n g i n e e r i n gC h e m i s t r yR e s e a r c h t1 9 9 8 t3 7 4 1 4 0 4 1 4 0 9 ． [ 4 ] 高维民，韩清怀，牛克学．高压溶出系统计算机应用软件 移植口] ．计算机应用技术，2 0 0 1 3 1 5 1 8 ． [ 5 ] 郭焕雄，黄聪明．一水硬铝石拜耳法溶出过程数学模型 计算程序的研讨口] ．轻金属，2 0 0 3 2 1 8 - 2 8 ． [ 6 ] 冯雨田。牛宏斌，谷红兵．用V i s u a lF o x P r o 实现高压溶 出物料平衡计算[ J ] ．科技情报开发与经济。2 0 0 3 ，1 3 1 2 2 1 5 - 2 1 6 ． [ 7 ] 周益文．氧化铝生产过程模拟与仿真一物料平衡、热平 衡软件开发[ D ] ．长沙中南大学，2 0 0 3 ． [ 8 3L a w r e n c eH ，J o n a sRA p p l i c a t i o no fa d v a n c e dc o n t r o l t od i g e s t i o ni naB a y e rc i r c u i t F M ] ．W a r r e n d a l e M i n e r s i s ，M e t a l s ＆M a t e r i a l sS o c ，2 0 0 5 2 6 3 2 6 6 ． [ 9 ] W o l o s h y nJ ，O s h i n o w oL ，R o s t e nJ ．D i g e s t e rd e s i g nU s i n gC F D [ M ] ．W a r r e n d s l e M i n e r a l s ，M e t a l s ＆M a t e r i a l sS o c ，2 0 0 6 9 3 9 9 4 4 ． [ 1 0 ] 刘莉娜，黄望梅，刘志春，等．氧化铝生产中传热系数的 研究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 I 8 2 3 2 6 ． E 1 1 ] 刘莉娜，黄望梅，刘志春，等．氧化铝溶出工艺中各种套 管传热系数的比较[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 1 1 0 1 8 2 0 ． 上接第1 6 页 一根滴淋带，每根滴淋带长5 1m ，沿堆场纵向布置。 滴淋带布置好后进液滴淋，并均匀调整好每根滴淋 带的滴淋量，最后在堆场表面上覆盖一层稻草席，以 减少由于日晒、风吹等造成氨的挥发损失。 3 ．3 示范工厂的生产运行与管理 示范工厂共投资4 0 0 万元，于2 0 0 6 年6 月中旬 开始建设，1 0 月初建好并开始进矿，到2 0 0 7 年1 月 1 4 日共进矿石60 0 0t ，平均含铜品位0 ．6 8 ％，并正 式开始加碳酸氢铵滴淋运行造液，到1 5 日开始出 液，液含铜0 ．9 7g ／L 。出铜高峰期时15 0 0m 3 的循 环液体每天上涨铜量0 ．6 ～O ．9g ／L ，到2 月1 0 日 料液含铜8 ．2 4g ／L 。2 月2 8 日萃取正式开机生产， 3 月1 5 日产出第一批铜1 1 ．0t ，到4 月1 9 日共产3 批合计2 8 ．9 2 3t 铜。则60 0 0t 矿石，3 个月的铜直 收率达到7 0 ．8 9 ％，达到设计要求。以后进入正常 生产至今。 正常运行以来，矿石入堆平均铜品位0 ．7 ％～ 0 ．8 ％，其吨铜平均单耗为萃取剂6 ．2k g 、煤油1 5 4 k g 、碳酸氢铵6 ．4t 、硫酸2 5 0k g 、综合电耗37 5 0 k W h 。铜直收率7 1 ．Z ％，吨铜成本1 30 0 0 元。 在投产初期和试生产期，本工艺一直使用碳酸 氢铵作为浸出剂，只是浸出速度慢些。也做过补加 氨水的试生产，补加氨水时铜的浸出速度较快，但是 氨水挥发损失较快。因此氨水只作为本工艺的辅助 手段。 堆场的正确运行和管理是加快浸出速度、提高 浸出率和降低成本的关键所在，堆场运行2 0 ～2 5 天 必须用挖机翻堆一次，翻堆要均匀、要深。 生产初期使用L i x 8 4 1 萃取剂，效果很好，由于 售价太高，后期改为M 5 6 4 0 萃取剂，效果更好。 4 结论 采用“氨堆浸一萃取一电积”工艺处理高钙镁氧 化铜矿石，从技术、经济上都是可行和合理的。 参考文献 [ 1 ] 王成彦．高碱性脉石低品位氧化铜矿的开发利用一浸出 工艺研究[ J ] ．矿冶，2 0 0 1 ，1 0 4 4 9 5 4 ． [ 2 ] 王成彦．高碱性脉石低品位氧化铜矿的溶剂萃取工艺研 究[ J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 0 3 3 2 - 6 ． [ 3 ] 刘大星，赵炳智，蒋开喜。等．采用氨浸一萃取一电积工 艺处理汤丹高碱性脉石难选氧化铜矿的试验研究和工 业实践[ c ] ／／2 0 0 2 年全国铜冶炼生产技术及产品应用 学术交流会论文集，2 0 0 2 ． 万方数据