基于METSIM的紅土鎳礦高壓酸浸平衡模擬計(jì)算

趙鵬飛

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司, 北京 100038)

0 前言

紅土鎳礦高壓酸浸工藝(HPAL)是利用酸在高溫高壓條件下對鎳鈷進(jìn)行選擇性浸出的工藝,工藝將雜質(zhì)鐵、鋁等元素沉淀至渣中與鎳鈷分離,保障有價(jià)金屬的回收。在工藝反應(yīng)過程中增加蒸汽作為熱源來保障高溫高壓的反應(yīng)條件,為了減少蒸汽的消耗,降低成本,紅土鎳礦高壓酸浸系統(tǒng)將閃蒸后的二次蒸汽作為熱源預(yù)熱反應(yīng)進(jìn)料,來提高能源的利用率。現(xiàn)行紅土鎳礦的高壓酸浸工藝基本采用多級閃蒸多級預(yù)熱[1-4]。

通過計(jì)算和實(shí)踐證明,三級閃蒸三級預(yù)熱工藝的可操作性強(qiáng),過程單元的控制要求溫和,熱量利用率較高,因此三級閃蒸三級預(yù)熱較為常用,但是三級預(yù)熱-高壓酸浸-三級閃蒸的紅土鎳礦高壓酸浸系統(tǒng)的建立需要同時(shí)對物料平衡、熱量平衡進(jìn)行合理設(shè)置才能達(dá)到預(yù)期效果,由于該系統(tǒng)包含操作單元多,平衡系統(tǒng)復(fù)雜,依靠經(jīng)驗(yàn)和操作調(diào)試不能及時(shí)準(zhǔn)確地提供可使用數(shù)據(jù),因此建立一套動(dòng)態(tài)可視化的模擬模型可以解決以上問題。本文利用METSIM對紅土鎳礦高壓酸浸系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算,依據(jù)可視參數(shù)設(shè)置合理控制邏輯,建立完善的模型,對系統(tǒng)運(yùn)行的各個(gè)階段提供控制數(shù)據(jù),指導(dǎo)其生產(chǎn)[5-8]。

1 高壓酸浸工藝操作單元的建立

紅土鎳礦高壓酸浸系統(tǒng)工藝為三級預(yù)熱-高壓酸浸-三級閃蒸,主體工藝流程如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括供料系統(tǒng)、預(yù)熱器供料及預(yù)熱器、高壓釜供料系統(tǒng)、高壓釜系統(tǒng)、閃蒸系統(tǒng)以及閃蒸后礦漿輸送系統(tǒng)等操作單元。

圖1 高壓酸浸系統(tǒng)原則性流程示意圖

1.1 供料系統(tǒng)

現(xiàn)適用于高壓酸浸工藝的低品位紅土鎳礦主要為褐鐵型紅土鎳礦,其主要成分為:鎳Ni 0.9%～1.4%、鈷Co 0.09%～0.2%、鎂Mg<5%。為了減少高壓酸浸工序的處理規(guī)模,供料礦漿濃度盡可能大,目前工業(yè)化項(xiàng)目礦漿濃度約33%～45%左右,具體選用濃度范圍需對礦漿性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)以確定合適濃度。該工藝操作單元在建立的時(shí)候,需根據(jù)物料物相以及限制條件輸入相關(guān)物料成分組成以及濃度使用條件,完善供料系統(tǒng)輸入,確定整個(gè)模型的進(jìn)料物性,主要包括:環(huán)境條件、作業(yè)制度、物料流量、物料各物相物性、物料濃度等。

1.2 預(yù)熱器供料及預(yù)熱器

在高壓酸浸工藝系統(tǒng)中的礦漿預(yù)熱采用連續(xù)預(yù)熱方式。三級預(yù)熱則設(shè)定為低溫預(yù)熱、中溫預(yù)熱、高溫預(yù)熱,從而實(shí)現(xiàn)將紅土鎳礦漿進(jìn)行連續(xù)預(yù)熱的目的,原料從常溫預(yù)熱到180～210 ℃后,輸送入高壓釜進(jìn)行反應(yīng),三級預(yù)熱流程示意圖如圖2所示。三級預(yù)熱器操作單元連續(xù)設(shè)定,中間增加輸送泵設(shè)置。操作單元在建立過程中需設(shè)定進(jìn)料性質(zhì),另外需設(shè)定低溫預(yù)熱器、中溫預(yù)熱器以及高溫預(yù)熱的等操作單元的操作參數(shù),其中包括操作的溫度、壓力、各物相的分離系數(shù)、換熱系數(shù)等。該部分的操作單元在計(jì)算過程中需要對控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,其中包括排料、進(jìn)汽和排汽的溫度、壓力以及換熱系數(shù)等參數(shù)控制操作單元,利用控制參數(shù)自動(dòng)優(yōu)化余熱的利用平衡點(diǎn)。

圖2 三級預(yù)熱流程示意圖

1.3 高壓釜供料系統(tǒng)

高壓釜供料系統(tǒng)操作單元主要包括預(yù)熱后礦漿供料、硫酸、蒸汽等。預(yù)熱后礦漿供料承接預(yù)熱操作單元物料,不需要進(jìn)行另外設(shè)置。紅土鎳礦漿進(jìn)行連續(xù)預(yù)熱后,物料基本性質(zhì)為:溫度180～210 ℃、壓力1.4～2.1 MPa,通過泵增壓輸送入高壓釜進(jìn)行反應(yīng);硫酸進(jìn)料一般為98%濃硫酸,硫酸的加入量可根據(jù)高壓釜反應(yīng)后終酸數(shù)值進(jìn)行設(shè)定,在操作單元設(shè)置時(shí)需進(jìn)行控制參數(shù)優(yōu)化設(shè)定;蒸汽通常為飽和水蒸汽,物料基本性質(zhì)為:溫度255～270 ℃、壓力4.3～5.5 MPa,根據(jù)高壓釜的反應(yīng)條件的設(shè)定,對飽和蒸汽的溫度和壓力進(jìn)行設(shè)定。

1.4 高壓釜

高壓釜操作單元是高壓酸浸系統(tǒng)中包含化學(xué)反應(yīng)的單元,該操作單元在設(shè)定時(shí)需要根據(jù)原料的成分以及試驗(yàn)研究對化學(xué)反應(yīng)模型進(jìn)行模擬,并對各物質(zhì)的物化性質(zhì)進(jìn)行匹配,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際反應(yīng)情況的逼近計(jì)算。

根據(jù)紅土鎳礦的礦物學(xué)研究,各金屬元素在礦物中主要以金屬氧化物的形式存在,如NiO、CoO、Co2O3、CaO、FeO、FeO(OH)、MgO、MnO、ZnO、SiO2等。在高溫高壓的反應(yīng)條件下,大部分金屬M(fèi)e(Ni、Co、Mg、Mn、Zn、Cu)的氧化物與硫酸發(fā)生反應(yīng)生成可溶的硫酸鹽(MeSO4)而進(jìn)入溶液,其反應(yīng)式如下:

Me2On(s)+2nH+→2Men++nH2O

其中Me:Ni、Co、Mn等,n:金屬離子化合價(jià)。

高壓酸浸條件下,各個(gè)元素會存在多種反應(yīng),根據(jù)對紅土鎳礦的研究,總結(jié)可能存在的反應(yīng)如下:

鐵元素的反應(yīng):

FeO(OH)+3H2SO4→Fe2(SO4)3+4H2O

Fe2(SO4)3+H2O→Fe2O3↓+3H2SO4

Fe2(SO4)3+14H2O→2(H3O)Fe3(SO4)2(OH)6↓+5H2SO4

Fe2(SO4)3+2H2O→Fe(OH)(SO4)(s)↓+H2SO4

Fe2(SO4)3+2H2O→2Fe(OH)SO4+H2SO4

4FeSO4+O2+2H2SO4→2Fe2(SO4)3+2H2O

鋁元素的反應(yīng):

3Al2O3·3H2O+3H2SO4→Al2(SO4)3+6H2O

3Al2(SO4)3+14H2O→2H3OAl3(SO4)2(OH)6↓+5H2SO4

3Al2O3·3H2O+3H2SO4+Na2SO4→2NaAl3(SO4)2+6H2O

3Al2O3·3H2O+3H2SO4+K2SO4→2KAl3(SO4)2+6H2O

其他元素的反應(yīng)方程式如下:

Co2O3+FeSO4+3H2SO4→2CoSO4+Fe2(SO)4+3H2O

MnO2+2FeSO4+3H2SO4→MnSO4+Fe2(SO4)3+2H2O

Mg3Si2O5(OH)4(s)+6H+→3Mg2++2SiO2(s)+5H2O

根據(jù)預(yù)設(shè)的化學(xué)反應(yīng)以及反應(yīng)進(jìn)行的程度對操作單元進(jìn)行設(shè)定,同時(shí)還需根據(jù)預(yù)定的操作溫度和壓力對該操作單元參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。高壓釜操作單元據(jù)現(xiàn)有的生產(chǎn)實(shí)踐,溫度和壓力的設(shè)定區(qū)間為:操作溫度240～260 ℃、壓力4.0～6.0 MPa。

1.5 連續(xù)閃蒸系統(tǒng)

高壓酸浸系統(tǒng)采用連續(xù)閃蒸系統(tǒng)將二次蒸汽進(jìn)行壓力溫度分級,與預(yù)熱器聯(lián)合設(shè)定參數(shù),逐步調(diào)節(jié)穩(wěn)壓實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平衡,連續(xù)閃蒸工藝示意圖如圖3所示。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)實(shí)踐,各級閃蒸的相關(guān)參數(shù)如下:

圖3 連續(xù)閃蒸工藝示意圖

第一級閃蒸:溫度180～225 ℃、壓力1.3～2.2 MPag;

第二級閃蒸:溫度140～175 ℃、壓力0.4～1.0 MPag;

第三級閃蒸:溫度100～135 ℃、壓力10～230 kPag;

由于連續(xù)閃蒸系統(tǒng)是溫壓控制的關(guān)鍵部位,因此該操作單元在平衡計(jì)算時(shí)需多方面考慮,在計(jì)算之前需要收集各單元的極限操作條件,并對可實(shí)施操作參數(shù)進(jìn)行預(yù)判,從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)的最優(yōu)化選擇。上述已列出現(xiàn)有技術(shù)實(shí)踐的操作參數(shù)范圍,因此參數(shù)設(shè)定時(shí)可優(yōu)先考慮在此范圍內(nèi)選擇優(yōu)化。

2 工藝模型建立及模擬

根據(jù)工藝流程及各個(gè)操作單元的相關(guān)性,在METSIM軟件中選取相應(yīng)單元模型建立相關(guān)模型。高壓酸浸工藝流程模型主要包括四部分:第一部分是所建模型的數(shù)據(jù)庫,在建立模型之前需收集相關(guān)物料物化性質(zhì)以及模型過程中所涉及到物料的種類及性質(zhì),如礦的物相組成,過程反應(yīng)生成物質(zhì)的種類;第二部分是操作單元的選取和建立,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的具體情況,將操作單元轉(zhuǎn)化成METSIM軟件所能實(shí)現(xiàn)的模塊單元,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際單元向模型單元的轉(zhuǎn)化;第三部分是系統(tǒng)所需物流建立,將工藝流程的各個(gè)物料進(jìn)行繪制,并符合實(shí)踐生產(chǎn)的物流設(shè)定;第四部分是模擬控制系統(tǒng)的建立,控制系統(tǒng)包括各操作單元的操作參數(shù)控制模塊,反應(yīng)終點(diǎn)控制模塊等。建立好模型后,根據(jù)實(shí)際需求以及相關(guān)參數(shù)進(jìn)行各個(gè)操作單元參數(shù)設(shè)定、物流參數(shù)設(shè)定以及邏輯控制參數(shù)設(shè)定。建立好的模型根據(jù)設(shè)定不同,可以對項(xiàng)目不同階段進(jìn)行模擬,如設(shè)計(jì)咨詢階段、試車階段、不同負(fù)荷生產(chǎn)階段、正常生產(chǎn)階段等,輸出結(jié)果可以為不同階段提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。為了更好的演示基于METSIM的紅土鎳礦高壓酸浸工藝流程模擬計(jì)算的情況,本文擬以某已規(guī)模生產(chǎn)項(xiàng)目的相關(guān)參數(shù)分別對試車階段、不同負(fù)荷生產(chǎn)階段進(jìn)行模擬計(jì)算。平衡計(jì)算初步對模擬模型進(jìn)行搭建,由于階段不同,模型會有部分不同,需要計(jì)算的兩個(gè)階段加料種類和控制方式略有不同,搭建完成的模型體系如圖4、5所示。不同負(fù)荷階段的模型增加了硫酸用量的控制單元。

圖4 試車階段模型圖

圖5 不同負(fù)荷階段模型圖

2.1 試車階段模擬

試車階段選取的是熱水試車階段,原料為生產(chǎn)水,由于介質(zhì)的密度,飽和蒸汽壓等均與負(fù)荷生產(chǎn)的工藝介質(zhì)有很大區(qū)別,原有的真實(shí)生產(chǎn)場景設(shè)計(jì)的生產(chǎn)參數(shù)不能準(zhǔn)確表達(dá)試車時(shí)的操作參數(shù),在項(xiàng)目試車階段對操作參數(shù)的設(shè)定會出現(xiàn)較大的偏差,因此利用模型對試車介質(zhì)進(jìn)行平衡計(jì)算,可以很好的還原試車時(shí)的生產(chǎn)系統(tǒng)操作情況,從而實(shí)現(xiàn)對原有設(shè)計(jì)操作參數(shù)的有效修正,為試車操作提供有效數(shù)據(jù)支持。假定的試車階段相關(guān)參數(shù)如下:

原料:溫度30 ℃,流量200 m3/h;

釜進(jìn)料:溫度195 ℃;

高壓釜:溫度250 ℃,壓力4 500 kPag。

此處假定的相關(guān)參數(shù)根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模以及所設(shè)置的設(shè)備能力進(jìn)行設(shè)定,其他部位的參數(shù)按照上述各個(gè)操作單元范圍進(jìn)行設(shè)定并優(yōu)化工藝參數(shù)。

2.2 不同生產(chǎn)負(fù)荷階段模擬

在生產(chǎn)過程中由于階段不同,可能出現(xiàn)多種不同負(fù)荷生產(chǎn)階段。試生產(chǎn)階段為摸索操作參數(shù)會設(shè)定不同的生產(chǎn)負(fù)荷;正常生產(chǎn)過程中遇到緊急情況也會采用降低負(fù)荷,不停產(chǎn)進(jìn)行操作;生產(chǎn)順利情況下進(jìn)行可實(shí)現(xiàn)性提產(chǎn)操作,增加系統(tǒng)的最大負(fù)荷等。不同生產(chǎn)負(fù)荷階段的模擬均可以為生產(chǎn)提供相應(yīng)的操作參數(shù)修正方向及數(shù)值支持。在適應(yīng)不同負(fù)荷生產(chǎn)模擬過程中主要調(diào)節(jié)進(jìn)料礦漿濃度以及流量進(jìn),本文為了與試車階段的模擬情況對比,參照試車時(shí)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定,主要參數(shù)設(shè)定如下:

原料:溫度30 ℃,流量200 m3/h,固含36%;

釜進(jìn)料:溫度195 ℃;

高壓釜:溫度250 ℃,壓力4 500 kPag。

其他部位的參數(shù)按照上述各個(gè)操作單元范圍進(jìn)行設(shè)定并優(yōu)化工藝參數(shù)。

3 模擬結(jié)果輸出及分析

通過設(shè)定不同工序的參數(shù),調(diào)節(jié)模型平衡,分別對清水試車階段以及不同負(fù)荷階段的系統(tǒng)情況進(jìn)行模擬,并輸出物料平衡、壓力平衡、溫度平衡以及熱量平衡數(shù)據(jù)表,輸出結(jié)果如表1、2所示。

表2 不同生產(chǎn)負(fù)荷階段平衡數(shù)據(jù)表

METSIM軟件模擬后可以輸出所需要的工藝數(shù)據(jù),本文列舉數(shù)據(jù)主要是物料平衡、溫度平衡以及熱量平衡(熱源載體蒸汽平衡)。其中物料平衡數(shù)據(jù)可以為生產(chǎn)操作的生產(chǎn)能力設(shè)定提供數(shù)據(jù),便于做出生產(chǎn)安排;壓力、溫度等參數(shù)則為生產(chǎn)控制提供參數(shù)支持,并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控體系的穩(wěn)定性,為調(diào)節(jié)生產(chǎn)提供思路;熱量平衡則可以對工藝的能耗進(jìn)行評估,為優(yōu)化工藝提供數(shù)據(jù)支持。

(1)通過對比兩個(gè)不同階段的數(shù)據(jù)表,進(jìn)入系統(tǒng)的物料流量相同,在進(jìn)入高壓釜之前各處的體積流量基本一致,因此在生產(chǎn)系統(tǒng)中流量計(jì)量系統(tǒng)變化不大,但是比重變化較大,會導(dǎo)致輸送設(shè)備能耗的變化;兩個(gè)不同階段從高壓釜排料的流量又基本相同,是由于不同負(fù)荷階段有化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生一定的熱導(dǎo)致蒸汽加入量變少,同時(shí)加入硫酸的量又恰好與蒸汽減少量相差無幾,最終結(jié)果高壓釜排料流量基本相同。由于閃蒸區(qū)域設(shè)定參數(shù)相同,導(dǎo)致后續(xù)各部位流量基本相同。

(2)兩個(gè)系統(tǒng)設(shè)定的溫度和壓力相同,通過對比兩個(gè)結(jié)果表可以看出閃蒸部分排汽量和預(yù)熱器部分排汽量略有不同,主要是因?yàn)榈V漿和水本身的飽和蒸氣壓以及比熱容等存在一定的差異。在這種情況下,溫壓的設(shè)定需要根據(jù)不同工況進(jìn)行設(shè)定,最終實(shí)現(xiàn)預(yù)熱器部分排汽總量較少,排汽合理分布,以便現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

(3)根據(jù)熱量平衡數(shù)據(jù)可以看出清水試車階段未有化學(xué)反應(yīng)熱及稀釋熱導(dǎo)致蒸汽較多,在設(shè)定的溫壓下,預(yù)熱器散熱量占閃蒸產(chǎn)熱的14%,熱回收利用率為86%,而不同負(fù)荷階段有化學(xué)熱,蒸汽用量較少,同時(shí)在設(shè)定的溫壓下,熱回收利用率可以達(dá)到90%,從而反映出設(shè)定的溫壓參數(shù),并不是理論最優(yōu)化值,仍可以進(jìn)一步優(yōu)化,另外還可通過熱量平衡來優(yōu)化生產(chǎn)上熱量保護(hù)的設(shè)置,如保溫措施設(shè)置等。

4 結(jié)語

紅土鎳礦高壓酸浸系統(tǒng)操作單元多且相互關(guān)聯(lián),操作參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍廣,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)較難控制平衡,增加系統(tǒng)的操作風(fēng)險(xiǎn),因此建立一套可視參數(shù)平衡模型為系統(tǒng)調(diào)節(jié)提供具體可靠的數(shù)據(jù)是非常必要的。METSIM通過搭建模型,調(diào)節(jié)參數(shù)可以很好的實(shí)現(xiàn)該可視參數(shù)平衡模型的建立,通過某企業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的數(shù)據(jù)反饋,完全可以滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。