溶出车间工作过程及原理

1、南山学院实训报告题目：氧化铝溶出工艺过程控制姓 名：_赵学彬_所在学院：自动化工程学院_所学专业：_自动化 _班 级：08自动化 _学 号：200807009705 _指导教师：王卫军、郭东旭_完成时间：2011-6-18 _目前在氧化铝生产过程中以 DCS为代表的工业控制计算机的应用基本上集中在拜尔 法生产部分的高压溶出、蒸发、分解和氢氧化铝焙烧等工序，实现了车间/工序级的自动控制，代表了氧化铝生产自动化的最高水平。本文主要论述了氧化铝溶出工艺过程工艺实践，详细分析了溶出过程温度的PID控制和各种影响因素；通过对温度的PID控制的改进，保证拜耳法生产出合格的氧化铝。在烧结法生产部分和其他工序

2、中，由于无法直接借鉴发达国家氧化铝生产过程控制 的先进技术，加上工艺复杂、流程长、结疤严重，常规的测控技术和设备难适用素，目前从 过程检测到自动控制的整体水平仍很低，影响了拜尔法流程和烧结法流程之间的协调与 生产组织,进而影响了全流程的生产产能和综合经济技术指标的全面提高，也遏制了已有的DC系统进一步发挥作用。与之相比，国外氧化铝生产过程自动化一般都起点高、投人大，加上工艺流程相对简单，工艺装备与自动化水平较高，生产各个环节、各道工序基本上都实现了自动控制，有 的工厂还建立了全厂的计算机网络，实现了生产过程的优化控制，优化运行和优化管理， 实现了管控一体化。近年来，随着计算机网络技术的迅猛发展

3、，国内部分氧化铝厂也加快 了全厂网络设水平和管理效率，取得了较好的经济效益。施的建设步伐，提高了生产过程 的自动化水平和管理效率，取得了较好的经济效益。关键词：氧化铝、温度PID、拜耳法、经济效益目录1引言 .11.1设计的意义和目的 .1.1.2课题背景简介及发展情况 .1.2氧化铝生产方法 .2.2.1 碱法 .2.2.1.1拜耳法的两大过程 .2.2.1.2拜耳法的特点 .3.2.1.3拜耳法分类 .3.2.1.4拜耳法生产氧化铝工艺流程图 .32.2烧结法.4.2.2.1拜耳法的特点 .4.2.2.2烧结法生产氧化铝工艺流程图 .42.3拜耳-烧结法.5.3氧化铝溶出工艺 .6.3.1

4、 煮器间接加热溶出技术 .6.3.1.1主要技术指标和工艺参数 .6.3.1.2 特点.7.3.2全管道预热、熔盐加热保温停留罐溶出技术 .73.2.1主要技术指标和工艺参数 .7.3.2.2 特点.8.4.溶出温度PID控制 .9.4.1PID控制理论的发展 .9.4.2PID控制理论.9.4.3PID控制算法.104.4PID控制控制系统的组成 .125结语 .1.3.6参考文献 .141引言目前在氧化铝生产过程中以 DCS为代表的工业控制计算机的应用基本上集中在拜尔 法生产部分的高压溶出、蒸发、分解和氢氧化铝焙烧等工序，实现了车间/工序级的自动控制，代表了氧化铝生产自动化的最高水平与之相

5、比，国外氧化铝生产过程自动化一般都起点高、投人大，加上工艺流程相对简单，工艺装备与自动化水平较高，生产各个环 节、各道工序基本上都实现了自动控制。近年来，随着计算机网络技术的迅猛发展，国内 部分氧化铝厂也加快了全厂网络设施的建设步伐，适当引入PID控制，提高了生产过程的自动化水平和管理效率，取得了较好的经济效益。世界上氧化铝的生产主要是碱法，包括三种不同方法，即拜耳法、烧结法和联合法，工艺技术方法应用主要依据铝矿石的质量。我国周边国家如越南、印度、印度尼西亚、菲律宾等和澳大利亚的铝土矿资源十分丰 富。利用其优质的铝土矿资源，采用拜耳法生产工艺技术，低成本、低污染生产氧化铝的 优势十分明显。因此

6、，可实施鼓励“走出去”战略，积极合理开发国外优质铝土矿资源。因此，了解氧化铝溶出过程控制的过程、设计的内容与一般方法，对于氧化铝的高效 生产具有十分重要的指导意义。1.1设计的意义和目的1.1.1设计的意义.有利于本专业所学知识理解，通过在学校学习，学生掌握了一些信息时代生存与 发展必需的信息技术基础知识和基本技能，具备了在日常生活与学习中应用信息技术解决 问题的基本态度与基本能力。 有利于逻辑思维的锻炼，做任何事情都有一定的步骤，整个过程学生都需要有条 理地构思，这中间有猜测设想、判断推理的抽象思维训练，也有分析问题、解决问题、预 测目标等能力的培养。1.1.2设计的目的通过理论课的学习和生

7、产实习，学生已经掌握了不少理论知识和生产实际知识，运用 所学知识去分析和解决实际问题才是最终目的。1.2课题背景简介及发展情况本课程设计结合课堂学习所掌握的理论基础知识与相关控制硬软件的应用，在于设计 指导老师探讨设计的可行性之后，确定最终方案 。碱处理AL（OH）铝酸钠溶液分离分解分离3蒸发* AL2O3铝矿石* *氯酸钠浆液2 .氧化铝生产方法氧化铝生产方法大致可分为四类，但目前用于工业生产的几乎全属于碱法律。2.1碱法碱法生产氧化铝的基本过程如图1所示：熔烧-母液 -循环母液*赤泥（Fe、Ti、Si等杂质）图1碱法生产氧化铝基本过程碱法生产氧化铝，是用碱（NaOH或NQCO）来处理铝矿石

8、，使矿石中的氧化铝转变成 铝酸钠铝液。矿石中的铁、钛等杂质和绝大部分的硅则成为不溶解的化合物，将不溶残渣 （由于含氧化铁而呈红色，故称为赤泥）与溶液分离，经洗涤后弃去或综合利用，以回收 其中的有用组分，纯净的铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝， 经与母液分离、洗涤后进行焙烧, 得到氧化铝产品。分解母液可循环使用，处理另外一批矿石。碱法生产氧化铝又分为拜耳法、烧结法和拜耳烧结联合法等多种流程。拜耳法是适于处理低硅铝土矿，尤其是在处理三水铝石型铝土矿时，具有其他方法所无可比拟的优点。目前，全世界生产的氧化铝和氢氧化铝，有90%以上是采用拜耳法生产。2.1.1拜耳法的两大过程 晶种分解过程 分子比较低的（约

9、1.6左右）铝酸钠溶液在常温下，添加氢氧化 铝作为晶种，不断搅拌，溶液中的AI2Q便以氢氧化铝形式慢慢析出，同时溶液的分子 比不断增大。.溶出过程 析出大部分氢氧化铝后的溶液，称之为分解母液，在加热时，又可以 溶出铝土矿中的氧化铝水合物，这就是利用种分母液溶出铝土矿的过程。交替使用以上两个过程就可以一批批地处理铝土矿，得到纯的氢氧化铝产品，构成所谓拜耳法循环。拜耳法的实质是如下反应在不同条件下交替进行的：Al2Q.(1 或 3)H2O+2NaOH+aq -2NaAI(0H+aq(1-1 )2.1.2拜耳法的特点 适合高A/S矿石，A/S 9;.流程简单，能耗低，成本低；.产品质量好，纯度高。2

10、.1.3拜耳法分类由于铝土矿的类型不同，在世界上形成了两种不同的拜耳法方案。.美国拜耳法 以三水铝石型铝土矿为原料。由于三水铝石型铝土矿中的 AI2O很容 易溶出，因而采用低温、低碱浓度溶出，一般情况下为 NQO 11Og/L以下。溶出的温度为 140145C，停留时间不足1h ,分解初温高（6070C）,种子添加量较小（50120g/L）, 分解时间30-40h,产品为粗粒氢氧化铝，但产出率低，仅为 4045g/L。这种氢氧化铝焙 烧后得到砂状氧化铝。.欧洲拜耳法 以一水软铝石型铝土矿为原料。采用高温、高碱浓度溶出，苛性钠浓 度一般在200g/L以上，溶出温度达170C，停留时间约24h。经

11、稀释扣，将苛性钠浓 度高达150g/L的溶液进行分解。分解时，分解初温低（5560C或更低），种子添加量较 大（ 200250g/L）。分解时间5070h,产出率高达80g/L,但得到的氢氧化铝颗料细，焙 烧时飞扬损夫大，得到面粉状氧化铝。为了适应电解对氧化铝的要求，现今的欧洲拜耳法 已是在高温高碱浓度溶出，低温、高固含、高产出率的分解条件下生产砂状氧化铝了。2.1.4拜耳法生产氧化铝工艺流程图搐土矿黨发母權莓化却压帚出分厲擀KMffi港图2拜耳法生产氧化铝工艺流程2.2烧结法碱石灰烧结法的基本原理是，使炉料中的氧化物经过高温烧结转变为铝酸钠 (Na2O - AI2Q)、铁酸钠(Na2O -

12、Fe2Q)、原硅酸钙(2CaO - SO)和钛酸钙(CaO TQ2),用水或 洗碱液溶出时，铝酸钠溶解进入溶液，铁酸钠水解为NaOHS Fe2O HQ沉淀，而原硅酸钙和钛酸钙不溶成为泥渣，分离出去泥渣后，得到铝酸钠溶液，再通入CO进行碳酸化分解，便析出AI(OH)3 ,而碳分母液(主要成分为 NaCO经蒸发浓缩后可返回配料烧结，循环使 用。AI(OH)3经焙烧即为产品AbQ2.2.1拜耳法的特点 适合低于A/S矿，A/S 36; 流程复杂、能耗高、成本低；.产品质量较拜耳法低。2.2.2烧结法生产氧化铝工艺流程图图3烧结法生产氧化铝工艺流程图2.3拜耳-烧结法可充分发挥两法优点，取长补短，利用

13、铝硅比较低的铝土矿，求得更好的经济效果。联 合法有多种形式，均以拜耳法为主，而辅以烧结法。按联合法的目的和流程连接方式不同， 又可分为串联法、并联法和混联法三种工艺流程。1串联法是用烧结法回收拜耳法赤泥中的 Na20和AI2O3,用于处理拜耳法不能经济利 用的三水铝石型铝土矿。扩大了原料资源，减少碱耗，用较廉价的纯碱代替烧碱，而且AI2O3 的回收率也较高。2.并联法是拜耳法与烧结法平行作业，分别处理铝土矿，但烧结法只占总生产能力的 1015%，用烧结法流程转化产生的 NaOH补充拜耳法流程中NaOH的消耗。3. 混联法是前两种联合法的综合。此法中的烧结法除了处理拜耳法赤泥外，还处理一 部分低

14、品位矿石。中国根据本国的铝矿资源特点，发展出多种氧化铝生产方法。50年代初就已用碱石灰 烧结法处理铝硅比只有3.5的纯一水硬铝石型铝土矿，开创了具有特色的氧化铝生产体系。 用中国的烧结法,可使AI2O3的总回收率达到90% ;每吨氧化铝的碱耗（Na2CO3）约90公 斤；氧化铝的SiO2含量下降到0.020.04 %;而且在50年代已经从流程中综合回收金 属傢和利用赤泥生产水泥。60年代初建成了拜耳烧结混联法氧化铝厂，使AI2O3总回收率 达到91 %，每吨氧化铝的碱耗下降到60公斤，为高效率地处理较高品位的一水硬铝石型 铝土矿开创了一条新路。中国在用单纯拜耳法处理高品位一水硬铝石型铝土矿方面

15、也积累 了不少经验。根据物理特性的不同，电解用氧化铝可分为三类：砂状、粉状和中间状指标状砂状中阖状325325MEME倆下伍J J2020恥10103030平均 KgE(fim)KgE(fim)30100301001015153030 353530-1030-10比袤面积（mm/ /叮35353535真比 Mfe/cmOMfe/cmO3.903.903.703.703.703.70容重0*750,&S0,&S0.850.85707040*5040*50表1不同类型工业氧化铝的物理性质3.氧化铝溶出工艺铝土矿溶出是氧化铝生产的关键环节和核心工序，目的是使铝土矿中的氧化铝充分溶 解进入铝酸钠溶液所

16、以铝土矿的溶出过程是提高氧化铝回收率、降低生产成本的关健。我国目前采用的高压溶出技术主要有：管道预热、压煮器间接加热溶出技术，全管道 间接加热溶出技术以及双流法溶出技术。其中山西铝厂和平果铝厂等引进了法国彼施涅铝 业公司的“管道预热、压煮器间接加热溶出技术”；郑州铝厂引进了德国VAW公司的“管道化间接加热溶出技术”，现已发展成为“全管道预热、熔盐加热停留罐溶出技术”；而 南山东海铝厂采用的是“管道预热、压煮器间接加热溶出技术”3.1煮器间接加热溶出技术管道预热、压煮器间接加热溶出技术提高了各类矿石的溶出温度。该技术与过去的直 接加热压煮溶出相比可大幅度减少蒸发水量，降低能耗。适当提高溶出的温度

17、，特别是 对于一水硬铝石矿来说，可以提高碱的循环效率，降低溶出碱液浓度，对于改善溶出工艺 的技术经济指标有明显的效果。中铝广西分公司氧化铝溶出工艺就是采用管道预热、压煮 器间接加热溶出技术，其设计溶出温度为 260 C，加热蒸汽温度大于280C，压力6.0MPa, 每吨氧化铝蒸汽消耗为2.1t。原矿浆由高压隔膜泵注入溶出机组矿浆首先经过单管预热器和带机械搅拌的间接加 热预热压煮器然后进人带机械搅拌间接加热的反应压煮器用来自锅炉房的新蒸汽加热到 溶出温度，最后在压煮器保温停留达到溶出时间，溶出后料浆经过相应级别闪蒸槽降压降 温，料浆进入稀释槽。根据料浆的浓度，向稀释槽内加入一次洗液.合格的稀释浆

18、液送往 溶出后槽停留，再送往沉降作业区。由于矿石的性质不同，有的需要增加预脱硅工序。预脱硅是指原矿浆在进入管道预热 器之前，预先将溶出原矿浆中的SiO2水铝硅酸钠的过程.这样处理后可避免溶出原矿浆在 管道预热段和压煮器加热段的设备表面生成严重的钠硅渣结垢，保持设备传热系数及产 能。3.1.1主要技术指标和工艺参数相对溶出率：11A 93%溶出液：Rp 1. 11矿浆粒度：500 um占 100% v 315um占98.5%63um占 70%-80%循环母液浓度：Nk22旷250 g /L，Rp 0.63碳酸钠含量：N NT27% （根据矿石性质定）;溶出：仅k 1. 50,温度273+5C，时

19、间42 min ;原矿浆：Nk175+5 L,固含210+10 g/L;稀释后矿浆氧化铝浓度：165180 L ;熔盐加热段出料温度：280Eo3.2.2特点 在管道里的流动状态比压煮器内的强烈.呈高度湍流，强化了矿浆与载热体之间 的传热效果；.温度高，达到了强化溶出的目的；.溶出系统结构简单、附件少，易于操作和维护；.浓度溶出，比管道预热、压煮器间接加热溶出技术节能；. 了赤泥沉降的性能。全管道预热、熔盐加热保温停留罐溶出技术，对于处理一水硬铝石型铝土矿的效果， 从溶出率来看与管道预热、压煮器间接加热溶出技术近似。但是在国外，管道化溶出技术 用于处理三水铝石型铝土矿，其溶出率接近理论溶出率，

20、是高效、节能的溶出工艺。(4-1)4.溶出温度PID控制在氧化铝溶出工艺过程中，温度扮演着极其重要的角色。温度控制技术按照控制目标 的不同可分为两类：动态温度跟踪与恒值温度控制。动态温度跟踪实现的控制目标是使被 控对象的温度值按预先设定好的曲线进行变化。在工业生产中很多场合需要实现这一控制 目标。通过对温度的PID控制的改进，保证拜耳法生产出合格的氧化铝。4.1 PID控制理论的发展PID控制策略是最早发展起来的控制策略之一，现金使用的PID控制器产生并发展于1915-1940年期间尽管自1940年以来，许多先进的控制方法不断的推出，但由于PID控制具有结构简单、鲁棒性好、可靠性高、参数易于整

21、定，P、I、D控制规律各自成独立环节，可根据工业过程进行组合，而且其应用时期较长，控制工程师们已经积累大量的PID控制器参数的调节经验。因此，PID控制器在工业控制中仍然得到广泛的应用，许多工业控制 器仍然采用PID控制器。PID控制器的发展经历了液动式、气动式、电动式几个阶段，目前正由模拟控制 器向着数字化、智能化控制器的方向发展。4.2 PID控制理论PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)：e(t) =r(t) -y(t)将偏差e(t)的比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Derivative)通过线性组合构

22、成控制量，对被控对象进行控制，因此称为PID控制，PID控制系统原理如图所示I*-Ds)图4 PID控制系统原理(4-2)G(s) =KP(11TIS(4-3)(4-7)其控制规律为1de(t)u(t)=Kpe(t) e(t)dt TDT odt或者写成传递函数形式为式2-3中Kp :比例系数；K,:积分时间常数；KD :微分时间常数PID控制器各校正环节的作用如下：1. 环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控 制作用，以减少偏差；2. 环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。；3. 环节能够反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并且能在偏差信号值变得太

23、大之前， 在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间4.3 PID控制算法由于计算机控制是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因 此，式2-3中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理现令T为采样周期，以一系列的采样时刻点KT代表连续时间t，以累加求和近似代替积分以一阶后向差分近似代 替微分做如下的近似变换：t=KT( 4-4)tkk0e(t) T e(jT)二T e(j)(4-5)j=ej =0de(t) . e(KT)-e(k-1)T e(k)-e(k-1)-&-=- ( 4-6)dtTT其中，T为采样周期，e(k)为系统第k次采样时

24、刻的偏差值，e(k-l)为系统第(k-l)次采样 时刻的偏差值，k为采样序号，k=0，1，2，。将上面的式4-4和式4-5代入式4-6则可以得到离散的PID表达式：T kTu(k)二 e(k)十、e(j)TDe(k)-e(k-1)TI j =0T如果采样周期了足够小，该算式可以很好的逼近模拟PID算式，因而使被控过程与连续控制过程十分接近。通常把式 4-7称为PID的位置式控制算法。若在式4-7中，令：KI 二(称为积分系数)T|KD二罕(称为微分系数)则ku(k)=Kie(k) K, e(j) Ke(k)-e(k-1)(4-8)j=o(4-8)式即为离散化的位置式PID控制算法的编程表达式。

25、可以看出，每次输出与过去 的所有状态都有关，要想计算u(k)，不仅涉及e(k)和e(k-l)，且须将历次e(j)相加，计算复杂，浪费内存。下面，推导计算较为简单的递推算式。为此，对(2-8)式作如下的变动：考虑到第(k-1)次采样时有：T kATu(k -1)二 Kpe(k-1)e(j) D【e(k-1)-e(k-2)(4-9)l| j AI使(4-8)两边对应减去(4-9)式得u(k) -u(k -1) = Kpe(k) -e(k-1) T e(k) TD e(k) -2e(k -1) e(k-2) TiT其中：a = Kp(1 T TD ) ； a=Kp(1 D) ；KpTDT|TTT如果

26、令：u(k) =u(k) -u(k -1)，则:u(k)二 ae(k) ae(k -1) a2e(k -2)(4-10)式中ao、a1、a2同式(4-9)中一样。因为在计算机控制中式中a0、a1、a2都可以事先求出，所以，实际控制时只须获得e(k)、e(k-1)、e(k -2)三个有限的偏差值就可以求出控制增量。由于其控制输出对应执 行机构的位置的增量，故(4-10)式通常被称为PID控制的增量式算式。增量式 PID控制算 法与位置式控制算法比较，有如下的一些优点：1式算法每次输出与整个过去状态有关，算式中要用到过去偏差的累加值v e(j)，容易产生较大的累计误差。而增量式中只须计算增量，控制

27、增量的确定仅与最近几次偏差采 样值有关，当存在计算误差或者精度不足时，对控制量的影响较小，且较容易通过加权处 理获得比较好的控制效果；2计算机只输出控制增量，所以误动作影响小，而且必要时可以用逻辑判断的方法去 掉，对系统安全运行有利；3.与自动切换时冲击比较小。4.4 PID控制控制系统的组成图5 PID控制系统PID控制系统一般分为五个部分1控制器：它是各类模糊控制系统的核心部分。由于被控对象的不同，以及对系统静 态、动态特性的要求和所应用的控制规则各异，可以构成各种类型的控制器，在模糊控制 理论中，则采用基于模糊控制的知识表示和规则推理的语言型模糊控制器”这也是模糊控制系统区别于其他控制系

28、统的特点所在。 模糊控制器的主要功能有三个：模糊量化处理； 模糊推理（决策）；非模糊化处理（精确化处理）。2. -输出接口 ：模糊控制器通过输入-输出接口从被控对象获取数字信号量， 并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转换，转变为模拟信号，然后送给被控对象。在I/O接口装置中，除了 A/D、D/A转换外，还包括必要的电平转换。3. 结构：包括各种交、直流电动机、伺服电动机、步进电动机等。4. 对象：它可以是一种设备或装置以及它们的群体，也可以是一个生产的、自然的、 社会的、生物的或其他的各种的对象过程。这些被控对象可以是确定性的或是不确定的、 单变量的或多变量的、有滞后或是无滞后的，也可以

29、是线性或非线性的、定常或时变的以 及具有强耦合的和干扰的等多种情况。对于那些难以监理精确数学模型的复杂对象，更适 宜采用模糊控制。5装置：即传感器，传感器是将被控对象或各种过程的被控量转化为电信号（模拟或 数字）的一类装置。被控量往往是非电量，如速度、加速度、温度、压力等。传感器在模 糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个模糊控制系统的精度，因 此，在选择传感器时，应十分注意选择精度高且稳定性好的传感器。5 .结语通过这次课程设计，使我对氧化铝溶出工艺有了进一步学习，进一步的认知；在控制 方面，通过大量查阅相关资料的同时，我学到了很多东西。在课程设计即将完成之际，我 要衷心感谢我的指导教师王卫军老师、郭东旭老师，本设计至始至终都是在两位老师的悉 心指导下完成的。从课题的选择、方案论证、研究工作的开展、关键问题的解决、报告的 撰写乃至修改，每一环节都凝聚着老师的心血。在两位老师的帮助下，不仅使我顺利的完 成了氧化铝溶出工艺课程设计，也使我具备了从事科研工作的一些基本技能，为以后的深 造乃至工作奠定了坚实基础，令我受益匪浅。同时感谢我的组