蔡 旺，袁愛(ài)武

（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410019）

METSIM是一款多用途的冶金化工工藝過(guò)程模擬軟件。該軟件旨在幫助工程師進(jìn)行復(fù)雜的冶金化工工藝過(guò)程中質(zhì)量與能量平衡計(jì)算，從而使工藝的復(fù)雜性、用戶時(shí)間和計(jì)算機(jī)資源利用得到合理優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)水平和工作效率。目前，METSIM在國(guó)內(nèi)外冶金化工行業(yè)擁有大量用戶，是使用較為廣泛的冶金化工流程模擬軟件之一，并在鎳、鈷、銅、鉛、稀土等金屬的冶煉項(xiàng)目工藝設(shè)計(jì)階段成功運(yùn)用[1-4]。該軟件也可應(yīng)用于冶煉煙氣制酸工藝。

1 模型建立

根據(jù)METSIM軟件的建模思路，建立一個(gè)合適的冶煉煙氣制酸工藝METSIM模型，主要包括以下步驟：

1）繪制符合生產(chǎn)過(guò)程的工藝流程圖。工藝流程圖應(yīng)當(dāng)在開(kāi)始建立模型之前基本確定，包括工藝過(guò)程中物流的走向和初步選用的生產(chǎn)設(shè)備。

2）選定冶煉煙氣制酸工藝流程涉及的化學(xué)物質(zhì)。在基本確定工藝流程圖之后，開(kāi)始搭建模型。從METSIM軟件自帶的物性數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇工藝流程中所涉及的所有化學(xué)物質(zhì)。

3）依據(jù)確定的工藝流程圖建立對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型。根據(jù)工藝流程圖，在模型中建立對(duì)應(yīng)的設(shè)備模塊，并通過(guò)物流線將所有設(shè)備模塊連接形成整體的計(jì)算模型。

4）添加設(shè)備和物流的名稱。為提高模型的可閱讀性，計(jì)算模型建立后通常給每個(gè)設(shè)備及物流輸入相應(yīng)的名稱以便模型的修改調(diào)整。

5）根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，在設(shè)備模塊中添加設(shè)備參數(shù)，以及所涉及的化學(xué)反應(yīng)方程式。

6）設(shè)置過(guò)程控制器，并設(shè)定所需要控制的過(guò)程參數(shù)值。

7）模型檢查。計(jì)算模型建立后，根據(jù)物流先后次序?qū)δＰ椭械脑O(shè)備模塊逐一測(cè)試，從而找出模型建立過(guò)程中可能存在的錯(cuò)誤。

8） 檢驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算結(jié)果。計(jì)算模型運(yùn)行無(wú)問(wèn)題后，再對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢查。檢查內(nèi)容包括關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)指標(biāo)是否符合實(shí)際情況、產(chǎn)品是否與正常值偏差很大等。

按照上述流程分生產(chǎn)工序建立冶煉煙氣制酸工藝計(jì)算模型。

工藝流程界面如圖1~3所示。

圖1 凈化工序流程

圖2 干吸工序流程

圖3 轉(zhuǎn)化工序流程

由圖1~3可以看出：按照冶煉煙氣制酸流程建立的計(jì)算模型包括動(dòng)力波洗滌器、氣體冷卻塔、電除霧器、干吸塔、SO2鼓風(fēng)機(jī)、換熱器、轉(zhuǎn)化器等主體工藝設(shè)備。通過(guò)在各設(shè)備模型中輸入發(fā)生的各種化學(xué)反應(yīng)，以及利用過(guò)程控制器設(shè)定過(guò)程控制參數(shù)，可計(jì)算出由煙氣凈化到達(dá)標(biāo)排放過(guò)程中各種煙氣制酸的工藝數(shù)據(jù)。

2 模型計(jì)算結(jié)果

以某185 kt /a硫酸工程項(xiàng)目為例，冶煉煙氣制酸凈化工序采用一級(jí)動(dòng)力波洗滌器—填料塔—二級(jí)動(dòng)力波洗滌器—兩級(jí)電除霧器稀酸洗滌凈化流程，轉(zhuǎn)化干吸工序采用ⅢⅠ-ⅣⅡ、“3+1”兩次轉(zhuǎn)化工藝。利用上述建立的冶煉煙氣制酸模型計(jì)算得到的部分結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算部分結(jié)果

3 模型驗(yàn)證

計(jì)算模型的可靠性是模型能夠進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用的重要前提。在可靠性驗(yàn)證過(guò)程中，按上述實(shí)例中的煙氣條件，將METSIM軟件與《CINF硫酸工藝設(shè)計(jì)計(jì)算軟件》（長(zhǎng)沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硫酸工藝計(jì)算軟件，已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)諸多工程設(shè)計(jì)）進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，同時(shí)與工程實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。部分關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 部分關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由表2可以看出：采用METSIM軟件建立的冶煉煙氣制酸計(jì)算模型得到的結(jié)果與《CINF硫酸工藝設(shè)計(jì)計(jì)算軟件》、實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本一致。由此說(shuō)明METSIM軟件應(yīng)用于冶煉煙氣制酸工藝工程設(shè)計(jì)完全適合。

4 METSIM在工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中的不足

METSIM軟件針對(duì)冶金化工工藝過(guò)程設(shè)計(jì)了較為齊全的工藝設(shè)備模塊，且擁有靈活的邏輯控制系統(tǒng)，并通過(guò)內(nèi)部嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算程序，使工藝設(shè)計(jì)簡(jiǎn)捷、合理和準(zhǔn)確。該軟件的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在建模簡(jiǎn)捷、計(jì)算準(zhǔn)確、自動(dòng)收斂、運(yùn)算耗時(shí)短等方面。但是，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

1）軟件自帶的物性數(shù)據(jù)庫(kù)不夠完善。物性數(shù)據(jù)是整個(gè)工藝計(jì)算模型的基礎(chǔ)，物性數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性和準(zhǔn)確性決定了工藝計(jì)算模型的便捷性和可靠性。目前，軟件自帶數(shù)據(jù)庫(kù)中缺少部分化學(xué)物質(zhì)的物理化學(xué)數(shù)據(jù)，如亞硫酸鋅(ZnSO3)、液態(tài)汞(Hg)等，需要工藝設(shè)計(jì)者查閱相關(guān)物性手冊(cè)并在軟件物性數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行自定義，因而耗費(fèi)時(shí)間。另外，軟件自帶的物性數(shù)據(jù)庫(kù)中w(H2SO4)99%硫酸在190~230 ℃的熱力學(xué)數(shù)據(jù)不是很準(zhǔn)確，導(dǎo)致模型誤差增大。因此，其熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)還有較大的完善空間。

2）模型調(diào)試過(guò)程不夠智能。在模型調(diào)試過(guò)程中經(jīng)常會(huì)報(bào)出錯(cuò)誤，但是軟件系統(tǒng)對(duì)錯(cuò)誤類型提示信息不夠明確，且不會(huì)提供模型修改建議，這就需要工程設(shè)計(jì)人員具有豐富的工藝專業(yè)知識(shí)以及模型調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，這顯然增加了初學(xué)者的學(xué)習(xí)難度，并在一定程度上限制了軟件的推廣應(yīng)用。

3）軟件協(xié)同設(shè)計(jì)能力有待提高。大型冶金化工工程的工藝流程通常較為繁雜，計(jì)算工作量甚大，實(shí)際工作需要多名工程設(shè)計(jì)人員協(xié)同合作進(jìn)行計(jì)算。METSIM軟件盡管提供了merge功能有助于合并不同工藝設(shè)計(jì)者的計(jì)算模型，但因不同設(shè)計(jì)者存在運(yùn)算習(xí)慣不同、物質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)選擇不同、物流或設(shè)備模塊編號(hào)不同等各種原因，將計(jì)算模型最終整合較為困難，整合后的計(jì)算結(jié)果易出現(xiàn)混亂，從而降低了模型的可靠性和實(shí)用性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用METSIM軟件對(duì)冶煉煙氣制酸項(xiàng)目進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)計(jì)算，得到了詳盡、準(zhǔn)確的工程計(jì)算結(jié)果，極大地提高了工程設(shè)計(jì)人員的工作質(zhì)量和效率，為工程設(shè)計(jì)后續(xù)工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷深化落實(shí)，國(guó)內(nèi)工程公司逐漸走向海外工程設(shè)計(jì)市場(chǎng)，深受國(guó)外業(yè)主認(rèn)可的冶金化工工藝計(jì)算軟件METSIM將越來(lái)越受到冶金化工工藝設(shè)計(jì)人員的青睞。