METSIM軟件在冶煉煙氣制酸工藝設計中的應用

蔡 旺，袁愛武

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙 410019）

METSIM是一款多用途的冶金化工工藝過程模擬軟件。該軟件旨在幫助工程師進行復雜的冶金化工工藝過程中質量與能量平衡計算，從而使工藝的復雜性、用戶時間和計算機資源利用得到合理優(yōu)化，提高設計水平和工作效率。目前，METSIM在國內(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目工藝設計階段成功運用[1-4]。該軟件也可應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)過程的工藝流程圖。工藝流程圖應當在開始建立模型之前基本確定，包括工藝過程中物流的走向和初步選用的生產(chǎn)設備。

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

3）依據(jù)確定的工藝流程圖建立對應的計算模型。根據(jù)工藝流程圖，在模型中建立對應的設備模塊，并通過物流線將所有設備模塊連接形成整體的計算模型。

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

5）根據(jù)生產(chǎn)實際情況，在設備模塊中添加設備參數(shù)，以及所涉及的化學反應方程式。

6）設置過程控制器，并設定所需要控制的過程參數(shù)值。

7）模型檢查。計算模型建立后，根據(jù)物流先后次序對模型中的設備模塊逐一測試，從而找出模型建立過程中可能存在的錯誤。

8） 檢驗模型計算結果。計算模型運行無問題后，再對計算結果進行檢查。檢查內(nèi)容包括關鍵技術參數(shù)指標是否符合實際情況、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算模型包括動力波洗滌器、氣體冷卻塔、電除霧器、干吸塔、SO2鼓風機、換熱器、轉化器等主體工藝設備。通過在各設備模型中輸入發(fā)生的各種化學反應，以及利用過程控制器設定過程控制參數(shù)，可計算出由煙氣凈化到達標排放過程中各種煙氣制酸的工藝數(shù)據(jù)。

2 模型計算結果

以某185 kt /a硫酸工程項目為例，冶煉煙氣制酸凈化工序采用一級動力波洗滌器—填料塔—二級動力波洗滌器—兩級電除霧器稀酸洗滌凈化流程，轉化干吸工序采用ⅢⅠ-ⅣⅡ、“3+1”兩次轉化工藝。利用上述建立的冶煉煙氣制酸模型計算得到的部分結果見表1。

表1 模型計算部分結果

3 模型驗證

計算模型的可靠性是模型能夠進行實際工程應用的重要前提。在可靠性驗證過程中，按上述實例中的煙氣條件，將METSIM軟件與《CINF硫酸工藝設計計算軟件》（長沙有色冶金設計研究院有限公司擁有自主知識產(chǎn)權的硫酸工藝計算軟件，已應用于國內(nèi)諸多工程設計）進行對比驗證，同時與工程實際運行數(shù)據(jù)進行比較。部分關鍵技術數(shù)據(jù)計算結果對比見表2。

表2 部分關鍵技術數(shù)據(jù)計算結果對比

由表2可以看出：采用METSIM軟件建立的冶煉煙氣制酸計算模型得到的結果與《CINF硫酸工藝設計計算軟件》、實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)基本一致。由此說明METSIM軟件應用于冶煉煙氣制酸工藝工程設計完全適合。

4 METSIM在工程設計應用中的不足

METSIM軟件針對冶金化工工藝過程設計了較為齊全的工藝設備模塊，且擁有靈活的邏輯控制系統(tǒng)，并通過內(nèi)部嚴謹?shù)挠嬎愠绦?，使工藝設計簡捷、合理和準確。該軟件的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在建模簡捷、計算準確、自動收斂、運算耗時短等方面。但是，在實際運用過程中也發(fā)現(xiàn)以下問題：

1）軟件自帶的物性數(shù)據(jù)庫不夠完善。物性數(shù)據(jù)是整個工藝計算模型的基礎，物性數(shù)據(jù)庫的完整性和準確性決定了工藝計算模型的便捷性和可靠性。目前，軟件自帶數(shù)據(jù)庫中缺少部分化學物質的物理化學數(shù)據(jù)，如亞硫酸鋅(ZnSO3)、液態(tài)汞(Hg)等，需要工藝設計者查閱相關物性手冊并在軟件物性數(shù)據(jù)庫中進行自定義，因而耗費時間。另外，軟件自帶的物性數(shù)據(jù)庫中w(H2SO4)99%硫酸在190~230 ℃的熱力學數(shù)據(jù)不是很準確，導致模型誤差增大。因此，其熱力學數(shù)據(jù)庫還有較大的完善空間。

2）模型調(diào)試過程不夠智能。在模型調(diào)試過程中經(jīng)常會報出錯誤，但是軟件系統(tǒng)對錯誤類型提示信息不夠明確，且不會提供模型修改建議，這就需要工程設計人員具有豐富的工藝專業(yè)知識以及模型調(diào)試經(jīng)驗，這顯然增加了初學者的學習難度，并在一定程度上限制了軟件的推廣應用。

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

5 結語

通過運用METSIM軟件對冶煉煙氣制酸項目進行工藝設計計算，得到了詳盡、準確的工程計算結果，極大地提高了工程設計人員的工作質量和效率，為工程設計后續(xù)工作奠定了堅實的基礎。隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷深化落實，國內(nèi)工程公司逐漸走向海外工程設計市場，深受國外業(yè)主認可的冶金化工工藝計算軟件METSIM將越來越受到冶金化工工藝設計人員的青睞。