全流程工藝計算模擬軟件METSIM在濕法冶金設計中的應用實踐

丁淑榮

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

0 前言

冶金計算作為冶金工藝設計的前期工作，在整個冶金項目工程設計中起著基石的作用。METSIM軟件是一款全流程冶金工藝計算模擬軟件，在國際有色冶金行業得到普遍應用，至今已經有三十多年的應用歷史[1-4]。國內最早于2005年前后引進該軟件，但限于幾家主要的設計單位使用，在整個有色冶金行業的應用并不普遍。本文基于應用體會，探討了全流程冶金工藝計算的必要性、METSIM軟件在冶金設計中的應用原則及一些注意事項。

1 全流程冶金工藝計算的必要性

冶金計算包括物料平衡計算和熱量平衡計算，是冶金工藝設計的基礎工作，是整個冶金項目工程設計的重要環節。圖1按工作順序關系示出了冶金工程項目的前期工程設計階段的一般工作流程。由圖可見，冶金計算的主要作用是為冶金設備設計、管道設計、設備及管道材料選擇、輔助工程的設計提供詳細的設計輸入信息。

圖1 冶金工程一般設計工作流程

目前常用的冶金計算方法是手工計算，通常是將整個冶金工藝流程分割成若干個工序，再逐個計算。這種方法的顯著特點是，僅針對流程中的主要物流或工序，計算質量平衡和熱量平衡，注重的是主要物流、主要元素或組分在全系統中的總體平衡。然而對這些主要物流在整個工藝過程中的詳細行為，以及一些次要的物流及其所含元素或組分則不做詳細計算。對于工藝流程較短、相對簡單的冶金流程，采用該計算方法可以簡便有效地獲得計算結果，能夠滿足下一步工藝設計的要求。

隨著環境保護和節水節能要求越來越嚴格，項目實施前的環境評價、用能評價等評審環節對項目能否實施的影響也越來越大。冶金項目特別是濕法冶煉，廢氣廢渣廢水等三廢的排放以及用水用能指標等有著嚴格的限制要求。因此，原料中的所有元素特別是有害元素在整個冶金工藝流程中的走向和分布情況必須詳細地進行說明，針對整個項目的水平衡也需要有詳細的數據。因此，對冶金計算提出了全物流、全組分、全元素的計算要求，以系統地掌握整個冶金過程中所有元素的走向分布。

濕法工藝流程中通常涉及高溫、高壓、強腐蝕性介質，對設備及管道的材質要求較為嚴苛。全面充分的工況介質條件數據是設備材質選型的基礎信息，是保證設備的使用壽命及生產安全的關鍵因素。因此設備管道的材質選型也對冶金計算提出了全組分、全元素、全物流的計算要求。

另一方面，隨著高品位精礦礦物資源逐漸枯竭，難冶煉礦、低品位礦逐漸成為冶金工廠的原料，同時也對礦物原料中的有價元素提出了更高的綜合回收要求。新建冶金項目的工藝流程趨向于復雜，而針對現有冶金工藝裝置進行技術改造的難度也顯著加大。因此，一些冶金項目將具有工藝復雜、流程長、中間物料循環數量多、工藝控制點數量增加的特點，顯著增加了冶金計算的難度。雖然可以利用一些計算機軟件如Excel等進行輔助計算，但是仍然需要手工輸入大量計算條件、調節大量參數、計算結果難以達到平衡,且計算過程難以追溯，導致整個工藝流程的冶金計算過程繁瑣、工作量大。

綜上所述，采用一種高效可靠的全流程冶金計算方法是現代濕法冶煉工藝設計的必然要求。

2 METSIM軟件簡介

2.1 簡介

METSIM軟件由美國公司開發，是針對有色金屬冶煉開發的全流程工藝計算模擬軟件。該軟件以單元模塊為基本操作對象，對冶金工藝中的工藝過程或設備進行模擬，在單元模塊之間以代表物料信息的物料線相連接，表示物料從某一工藝過程流向另一工藝過程。單元模塊是軟件開發者預先定義好的模擬某個工藝過程的組件，使用者在建立模型時只需要在單元模塊中輸入必要的設計信息。連接各單元模塊的物料線則包含了該物料的一系列完整信息，包括流量、溫度、壓力、物相成分等數據。通過幾個甚至幾十上百個單元模塊和連接它們的物流線就可以將整個冶金工藝流程模擬出來。通過對具體的單元模塊以及物料線賦予設計和控制參數，在經模型運算后，可以得到在該設計狀態下整個流程的模擬結果，即各物料線均對應一定的工藝數據，代表在該設計參數下工藝系統穩定運行后的狀態。因此該軟件最大的特點是針對整個工藝流程進行全面的工藝模擬，獲得全部物流的物理特性、全組分、全元素數據信息。

METSIM軟件的模擬計算工作流程如圖2所示，由若干個單元模塊組成整個工藝流程，而計算結果則體現在每一個物流線上。

圖2 METSIM軟件的模擬計算工作流程圖

2.2 軟件界面

METSIM軟件界面如圖3所示，由菜單欄區域、工具欄區域、單元模塊區域以及繪圖區域組成。

圖3 METSIM軟件界面

圖4示出了一個典型的METSIM工藝模型的頁面，包含一個浸出工序、以及濃密分離工序和相應的輸送設施(泵)，代表物料的物流線上用編號進行區分。

圖4 METSIM工藝模型頁面示例

圖5示出了圖4所示的工藝模型在完成運算后，輸出的計算結果，包括流量、固體濃度、溫度、固體成分、溶液的成分等信息。建模者可根據自己的需要設定輸出的數據項。

圖5 METSIM模型計算結果

3 METSIM在冶金工藝設計中的應用實踐及體會

3.1 工藝設計及優化

利用METSIM建立工藝計算模型，可以提高設計質量、加快設計進度。在受工期進度要求而提前開展前期的設計工作時，可根據經驗及類似工程項目，假定合理設計條件，采用METSIM模型建立工藝計算軟件進行初步的工藝計算。隨著項目的深入獲得詳細數據后，可直接對模型進行調整，迅速得到工藝計算結果，加快設計進度。值得注意的是，在這種情況下，應在建立工藝模型的同時建立詳細的工藝設計參數表，以便于對工藝計算過程進行調整和追溯。

在進行工程設計的前期階段，經常需要對不同的工藝方案進行比較從而選擇最優方案。采用METSIM軟件建立工藝模型進行計算是進行工藝技術比對的有效途徑，可以直觀地對不同方案之間的差異進行比較，進而判斷優劣。圖6和圖7分別示出了采用攪拌浸出- 萃取- 電積工藝處理某氧化銅礦生產陰極銅的兩種工藝方案。通過建立METSIM工藝模型，可以很便捷地比較出兩種工藝方案的主要差異及優缺點。主要比較結果如表1所示。

圖6 氧化銅礦酸性浸出- CCD洗滌- 萃取- 電積工藝流程簡圖

由表1可見，方案一與方案二比較，方案一銅回收率高0.31%，但其硫酸消耗增加11.6 kg/t礦、石灰石消耗增加15.3 kg/t礦。結合項目實際情況綜合比較之下，方案二較優。

表1 氧化銅礦兩種工藝方案的技術經濟指標對比

在工程設計過程中，根據試驗數據進行設計優化是比較普遍的。通常是基于可靠的試驗或經驗數據，在已有的工藝模型上進行修改，可以便捷快速地觀察到整個工藝系統的變化情況，從而確定最佳設計工藝參數，對工藝方案進行優化。在圖7所示的工藝方案中，濃密機底流濃度經試驗驗證可由40%提高至45%，表2簡略列出了底流濃度變化對工藝的影響情況。由表中數據可見，底流濃度提高后，CCD洗滌效率可大幅提高，銅的總回收率可以提高1.28%，因此在工程設計中應通過相應設計以保證底流濃度。

圖7 氧化銅礦酸性浸出- 分離濃密- CCD洗滌- 高低銅萃取- 電積工藝流程簡圖

表2 CCD濃度變化對工藝的影響

3.2 應用體會

(1)對工藝要有深刻理解

利用METSIM軟件建立工藝模型，其關鍵之處有二，一是對工藝流程必須要有深刻的理解，二是對關鍵工序或單元操作的化學反應原理要理解正確。由于該軟件是基于流程建模，因此在建模時各個工序之間的邏輯關系，物料走向必須完全正確，否則獲得的結果將完全沒有價值。因此要求建模者對工藝過程有深刻的認識，理解哪些工藝步驟可以合并為一個單元操作，哪些工藝步驟可以簡化，哪些工藝步驟可以通過組合幾個基本的單元操作來實現。

(2)對單元操作要有深刻認識

該軟件內置了大量的單元操作模塊如攪拌槽、高壓釜、閃蒸槽、換熱器、萃取箱、電積槽等，建模者在使用這些模塊時必須對該模塊有深刻的認識，理解其各種參數的含義、適用條件等，不能生搬硬套。

(3)模型的收斂性問題

Metsim軟件建模的一個最顯著優勢就是可以體現全流程的物料走向，獲知全元素的平衡情況。然而在建立流程較長、內部循環物料較多的情況下，建立的模型在運行計算后難以達到平衡，或者控制的變量難以達到設定值，此即模型的收斂性問題。針對這些情況，筆者的一些經驗體會簡述如下：

檢查流程中的某個工序是否出現閉路的情況，即有些元素沒有開路，始終在工序內部循環。

盡量減少循環物料：對于某個工序的內部循環物料，在整體模型達到平衡后再補充，如在模型需要修正時，可以暫時不運行這些內部循環的操作單元。當多種循環物料去向同一處工序時，將這些物料合并成一個物料再進入該工序。

選用合適的操作單元：例如在同樣的條件下，使用分配器SUB比使用SPS更有效，能更快地使計算達到平衡。

盡量少用控制：大量使用控制會對模型的收斂造成嚴重影響，因為每一次調整變量都需要對整個模型包含的物流運算一次。對于需要精確控制的物料，可以先試算出大概用量，在模型運行接近平衡后再補充控制功能。

總之，該軟件在使用時有一定的應用技巧，建模者可以在使用過程中慢慢發現問題并積累經驗，提高建模的工作效率和工藝模型的準確性。

4 結論

METSIM軟件是一款優秀的全流程工藝模擬計算軟件，在國外有色工程設計領域普遍應用并享有較高的知名度、認可度。使用該軟件計算的工藝，其建模過程直觀、高效、可追溯，其模擬運算結果可靠、全面、系統。在設計階段采用該軟件進行全流程的工藝建模計算，可以快速高效地獲得高質量、全面的工藝計算結果，對各元素特別是有害元素在各物料中的走向進行精確地跟蹤并進行控制，同時精確的體積平衡計算結果為業主提供了精細化操作的數據基礎，有利于提高整個工廠的運行管理水平、提高工廠的各項技術經濟指標。因此，筆者建議我國的有色冶煉行業從業者特別是工藝設計者應提高對全流程工藝計算理念的認識，推動全流程工藝計算模擬軟件在設計階段的應用。