楊萬喜

（山西復晟鋁業(yè)有限公司，山西 運城 044300）

1 國內(nèi)氧化鋁工藝技術發(fā)展背景

我國氧化鋁工業(yè)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(chǎn)線已陸續(xù)轉型或是停產(chǎn)，目前國內(nèi)最大的單條線產(chǎn)能已經(jīng)突破了100萬噸/年，我國的氧化鋁技術主要有混聯(lián)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(chǎn)氧化鋁更好的經(jīng)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(xiàn)在國內(nèi)產(chǎn)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(huán)保政策收緊和鋁土礦庫存緊缺的影響，國內(nèi)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(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，國內(nèi)部分企業(yè)開始變更生產(chǎn)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(nèi)氧化鋁企業(yè)已走過65年有余，開始時主要以國企為主體生產(chǎn)氧化鋁，到2003年擴大到民營企業(yè)，氧化鋁企業(yè)如雨后春筍拔地而起，國內(nèi)氧化鋁產(chǎn)能快速增加，企業(yè)之間出現(xiàn)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(shù)據(jù)準確測量，流程數(shù)據(jù)測算方面還沒有一套有說服力的氧化鋁專業(yè)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(yōu)化，并指導生產(chǎn)組織?，F(xiàn)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(chǎn)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(yè)生產(chǎn)中也很少用到，最重要的是用它來做國外氧化鋁廠設計數(shù)據(jù)的權威性不足，目前只在國內(nèi)使用，在國內(nèi)氧化鋁廠在線實時數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和工廠瓶頸數(shù)據(jù)測算等數(shù)據(jù)均不能實現(xiàn)快速準確的判斷和精準的數(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公司開發(fā)，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(jù)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(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)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(nèi)置單元作業(yè)模型，龐大的物性數(shù)據(jù)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(shù)學模型，對于以創(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(chǎn)的全過程，逐漸成長為國際通用的、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120個行業(yè)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(wǎng)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(shù)據(jù)支撐，氧化鋁板塊主要分為穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩種仿真模型，目前應用最為廣泛的為穩(wěn)態(tài)模型，在國內(nèi)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(shù)據(jù)測算工具使用。穩(wěn)態(tài)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(yōu)化、生產(chǎn)損失報告、研究與開發(fā)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(fā)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(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫，主要以三水礦的物相為主，現(xiàn)在國內(nèi)已發(fā)展到將一水礦的物相添加完成，適合國內(nèi)一水礦建模物相需要，通常我們使用的穩(wěn)態(tài)模型來進行工廠建模，建模中需要用到過程數(shù)據(jù)單元，該單元分類較細，主要是以數(shù)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(wěn)態(tài)模型現(xiàn)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(chǎn)組織方式具有強力的支撐作用，可以成為常態(tài)化使用。

3 SysCAD軟件在國內(nèi)氧化鋁廠的應用

近年來，隨著民營企業(yè)在氧化鋁行業(yè)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(nèi)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(chǎn)出氧化鋁就有利潤空間，隨后國內(nèi)氧化鋁廠年年有新建廠，產(chǎn)能迅速逐年激增，氧化鋁市場價格持續(xù)走低，利潤空間也是每年遞減，加之這幾年國家環(huán)保政策年年收緊，為了環(huán)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(huán)保技改投入，增加了環(huán)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(shù)企業(yè)采取了減產(chǎn)或是停產(chǎn)運行，還有部分企業(yè)通過采購三水礦來維持生產(chǎn)連續(xù)運行，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，資源為王的主題在2019年表現(xiàn)的淋漓盡致。

KenWalt公司開發(fā)的SysCAD仿真模擬軟件進入國內(nèi)的時間比較早，主要是進入科研研究院較早，大多數(shù)用來研究銅、鎳等有色金屬，目前國內(nèi)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(chǎn)業(yè)中，氧化鋁板塊成績斐然，共4家氧化鋁企業(yè)，技術創(chuàng)新能力在行業(yè)首屈一指，是我國最早引SysCAD流程仿真模擬軟件，對企業(yè)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(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益，SysCAD流程仿真模擬軟件不斷更新升級，緊隨行業(yè)裝備水平的發(fā)展和技術創(chuàng)新的發(fā)展進程，滿足企業(yè)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(chuàng)應用于錦江集團企業(yè)一水礦生產(chǎn)技術中，也標志著中國的氧化鋁企業(yè)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(yè)，特別是復晟鋁業(yè)對該軟件的應用最為典型，給企業(yè)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(yè)，此時復晟鋁業(yè)正值新建狀態(tài)，技術人員經(jīng)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(yè)信服的數(shù)據(jù)工具說話，精準并高效完成企業(yè)技術完美的升級，使企業(yè)快速華麗出現(xiàn)的行業(yè)的視野中。在該企業(yè)從建廠到技術規(guī)范化，每一個環(huán)節(jié)都可以看到SysCAD軟件發(fā)揮著不可小覷的作用。

3.1 在投建時期SysCAD軟件的應用

（1）生產(chǎn)準備及投產(chǎn)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(yè)試車投料方案，該方案精確到每一工序的液量轉移量，數(shù)據(jù)全部量化，確保了投產(chǎn)時間的嚴格把控，對液量的儲備和母液的制備滿足了生產(chǎn)組織人員對量化數(shù)據(jù)和技術指標之間關系的預測性判斷。

（2）在投產(chǎn)時期，還有大部分人員為新員工，有工作經(jīng)驗的技術人員對新建廠開始運行的系統(tǒng)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(huán)節(jié)，先后對技術部門選拔的技術人員根據(jù)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(diào)整模型，技術人員會根據(jù)對KPI指標的需要，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，系統(tǒng)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(chǎn)試車的人員對數(shù)據(jù)進行量分析，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(jù)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(yè)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(nèi)氧化鋁企業(yè)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(chǎn)達標、系統(tǒng)優(yōu)化等各項工作中。

（1）設計后評估。企業(yè)進入正常生產(chǎn)后，每個工序的設計能力如何，對全廠來講，它是不是薄弱環(huán)節(jié)，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(shù)據(jù)進行評估，特別是蒸發(fā)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(fā)器蒸水能力的指標，SysCAD軟件可以細化模擬到上述每一個環(huán)節(jié)的指標，針對出現(xiàn)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(chǎn)達標。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)結束，需要轉移到下一個環(huán)節(jié)，達產(chǎn)達標，產(chǎn)量達到設計產(chǎn)能，指標包括了大宗單耗指標、動力消耗指標、系統(tǒng)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(chǎn)計劃，滿足生產(chǎn)組織的需要。

（3）系統(tǒng)指標優(yōu)化。成本是每個企業(yè)永恒的主題，在技術指標優(yōu)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(jù)堆場礦石的特點，利用SysCAD軟件制定最經(jīng)濟的生產(chǎn)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(shù)據(jù)。

圖1 技術指標優(yōu)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(fā)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(fā)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(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)能技改變成了每個企業(yè)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(fā)揮的作用最大，企業(yè)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(fā)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(yè)中，SysCAD軟件的地位享譽國內(nèi)外，國內(nèi)企業(yè)需要與時俱進提高自己的技術門檻，特別是2018年以來國內(nèi)企業(yè)響應國家一帶一路的國策，在幾內(nèi)亞、印尼等礦產(chǎn)資源豐富的國家建廠，尋求企業(yè)發(fā)展，這幾行業(yè)走出國門展現(xiàn)實力的表現(xiàn)，國內(nèi)氧化鋁廠應用該軟件的企業(yè)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(yè)各企業(yè)中去，與國際接軌，提高企業(yè)的核心競爭力，這是大勢所趨。