一种氧化铝双流法溶出过程入口矿浆和碱液的配比优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种氧化侣双流法溶出过程入口矿浆和碱液的配比优化方法。
【背景技术】
[0002] 在拜耳法氧化侣生产中，高压溶出是极其关键的一道工序，它通过使矿浆中的氧 化侣与碱反应形成侣酸钢溶液来回收侣。高压溶出的溶出效果采用矿石中溶出氧化侣的 多少衡量。溶出效果对下游工序至关重要，并关系着整个氧化侣生产过程的经济和技术指 标。该过程中，入口矿浆和碱液配比的好坏，将直接影响高压溶出的效果，碱液相对矿浆的 量偏少则溶出率偏低，造成资源浪费、成本高，而碱液过多则大大增加碱液成本。在实际生 产中，进料的配比主要由技术人员根据各种物料的成分离线检测结果、企业制定的生产目 标W及当前氧化侣的高压溶出情况，基于经验对工艺指标进行预测再结合工艺机理确定配 料方案。但是，成分检测滞后，且人工经验难W考虑全面，W此确定入料配比存在较大误差， 往往造成在溶出相同侣的情况下，投入过多的成本，难W实现氧化侣高压溶出过程的优化 运行。因此，如何在保证达到生产指标的同时，降低生产成本是目前氧化侣企业亟待解决的 重要问题。
[0003] 目前，尚未查到基于优化理论的入料配比优化方法和技术相关文献。而当前方法 不能降低生产成本，同时预测的精度对配料的优化有直接影响。为此，研究如何降低生产成 本，并同时保证成产指标和满足生产工艺要求有着十分重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种氧化侣双流法溶出过程入口矿浆与碱液的配比优化方 法。
[0005] 本发明在分析溶出过程工艺、运行条件及影响生产成本相关因素的基础上，建立 了W原料和能源成本为优化目标，W溶出溫度、苛性比值和溶出液中侣浓度的变化率为约 束条件的氧化侣双流法溶出过程配比优化模型；采用状态转移算法对配比进行优化。采用 基于状态转移算法的配比优化方法对该模型求解，可W得到溶出过程入料和碱液流量的最 佳配比，实现过程操作的优化。本发明的原理是：在对工艺机理分析的基础上，建立W矿浆、 碱液和新蒸汽流量为决策变量，原料和能源成本为优化目标，W溶出溫度、苛性比值和溶出 液中侣浓度的变化率为约束条件的配比优化模型。
[0006] 在溶出过程需要投入的物料有矿浆、碱液和新蒸汽，因此，W矿浆流量Vk,碱液流 量V。，新蒸汽流量为决策变量。
[0007] 1.建立基于溶出过程生产原料和能耗总成本的优化模型 [000引①目标函数
[0009] minf=kiVk+kzVn+ksMz(1)
[0010] 式中，f表示溶出成本，ki为单位矿浆的成本，单位是元/m3,kz为单位碱液的成本， 单位是元/m3, 1?为单位新蒸汽的成本，单位是元Ag,Vk、V。分别为过程入口矿浆和碱液的 流量，单位为mVh，M,为过热新蒸汽的质量流量，单位是kg/h;
[0011] ②W工艺中的溶出溫度、苛性比值、溶出液中侣浓度的变化率和决策变量的边界 条件作为计算模型的约束条件，
[001引 1)溶出溫度
[0013] 溶出溫度是影响溶出过程性能的最主要因素。提高溶出溫度可W大大缩短溶出时 间和提高设备产能，使氧化侣溶出率显著上升，但过高的溫度需要相应的高压，压力过高则 威胁设备安全。因此，溶出溫度T，单位为°C，需满足：
(2)
[001引260265
[0016] 式中，n。为传热效率，Ck、C。、。分别为矿浆、碱液和混合物的比热容，单位是KJ/ 化g. 口，Pk、P。分别为矿浆和碱液的密度，单位是kg/m3,Vk、V。分别为过程入口矿浆和碱 液的流量，单位为m3/h，tk、t。分别为矿浆和碱液的溫度，单位为K，M,为过热新蒸汽的质量 流量，单位是kg/h，h,为过热新蒸汽的热洽，单位是KJAg;
[0017]。苛性比值
[0018] 溶出过程中主要的化学反应有碱液与氧化侣反应生成侣酸钢，氧化侣与氧化娃及 碱液反应生成侣娃酸钢，氧化铁与氧化巧反应生成不溶性的铁酸巧，一部分氧化巧及氧化 侣与氧化娃反应生成侣娃酸巧，不考虑其它化学反应，那么苛性比值化为：
0)
[0020] 1. 05《化《1. 1
[0021] 式中Al2〇3(固)为矿浆固相中氧化侣的质量百分含量，Al2〇3(矿)为矿浆液相中氧化 侣的质量含量，单位是g/LAl2〇3^^>为碱液中氧化侣的含量，单位为g/LS为矿浆固相中 氧化娃的质量百分含量，C为矿浆固相中氧化巧的质量百分含量，Ti为矿浆固相中氧化铁 的质量百分含量，G为矿浆固含，单位是g/l，Vk、V。分别为矿浆和碱液的流量，单位为m Ni为碱液中苛碱含量，单位是g/l，N2为矿浆中苛碱含量，单位是g/L;
[0022] 3)溶出液中侣浓度的变化率
[0023] 根据溶出反应动力学，溶出液中侣浓度的变化率表示为：
(4)
[0025] 式中，k是与化学反应速率常数、矿石颗粒半径、矿浆流量及固含有关的量，k= k'r。" (GVk/P)/r。3,k'为溶出反应速率常数，r。为矿石颗粒半径，单位为m，G为矿浆固含， 单位是g/LP为矿石密度，单位是kg/m3,Vk为入口矿浆流量，单位是mP= 2. 8064为 分形维数，C?为溶出液出口溶出器，即最后一级溶出器中溶出液的氨氧根离子浓度，单位是g/LC'Al为上一时刻溶出液出口溶出器的溶出液中侣的浓度，单位是g/l，CAl为当前时刻 溶出液出口溶出器中侣的浓度，单位是g/LCm。为第一级溶出器入口物料中侣的浓度，单位 是邑/1，￥为上一时刻溶出液出口溶出器中溶出液的体积流量，单位是是入口矿浆 固含中侣的初始质量流量，单位是kg/h，At为溶出反应时间，单位是min,采用实际生产数 据，通过参数辨识方法，得到溶出液中侣浓度的变化率最优时系数ni= 1. 007X104,反应级 数ri2=1. 1003,Ke为化学平衡常数，表示为：
[0026] IgKe= -7800/(4. 575XT)+3. 53 妨
[0027] 其中，T为溶出溫度，单位是°C;
[0028] 根据Arrhenius方程，溶出反应速率常数k'表示为：
(6)
[0030] 其中，表观活化能Ea= 8.8663X10 4J/mol，热力学常数R= 8.3143J/(mol?K); [003。 Cdh的计算公式如下：
[003引Coh= (260Vn-C，AiVk/l02X34)/17 (Vk+Vn)仍 [0033] 溶出率需满足n> 85%，又
(S)
[0035] HlM是溶出液出口溶出器中侣的质量流量，单位是kg/h，
[0036] HlM=CAi(VVn) (9)
[0037] 。是入口矿浆固含中侣的初始质量流量，单位是kg/h，
[0043] 式中，G为矿浆固含，单位是g/l，Al2〇3(固)是矿浆固相中氧化侣的质量百分比， Al2〇3(矿)是矿浆液相中氧化侣的含量，单位是g/LAl2〇3(碱)是碱液中氧化侣的含量，单位是 邑/1，由式（4)-(12)可得：
(13)
[004引式中，At为溶出反应时间，单位是min;
[0046] 4)决策变量的边界约束为：
[0047] 92 ^ 144 (14)
[0048] 328《Vn《390 (15)
[0049] 80000《140000 (16)
[0050] 2.基于状态转移算法的配比优化
[005。 对W式（I)为目标，式似-(16)为约束的连续优化问题，，采用状态转移优化算法 进行求解，状态转移算法采用旋转变换、平移变换、伸缩变换和轴变换四种操作算子对变量 进行操作，采用罚函数方法与偏可行性方法处理约束，在早期寻优过程中采用偏可行性方 法处理约束，后期寻优过程中采用罚函数方法处理约束，求解步骤为：
[0052] 第一步，初始化种群个体数SE,在可行域内随机均匀初始化Vk、V。和M 个变量， 产生初始种群，并定义采用罚函数方法与采用偏可行性方法的迭代比例为心；
[0053] 第二步，判断迭代步数是否在心X最大迭代次数范围内，是则选用偏可行性方法 处理约束，否则采用罚函数方法处理约束；
[0054] 第立步，从当前种群中选择使目标函数f达到最小值的一组Vk、V。和M准，记为 best,对应的成本为化est，将best复制为个体数为SE的群体，记为X化)，则X化）的大小 为SEX3,按式（17)进行伸缩变换得到新的种群；
[00巧]X化+1) = X似+丫ReX似(17)
[005引其中，丫为正常数，称为伸缩因子，取值为LReG R"x"为一随机对角矩阵，X(k+1) 为X(k)经过伸缩变换后的新种群；
[0057]经过伸缩变换后的种群中的最优个体为newbest，对应的成本为gbest，如果gbest小于化est，则按式（18)对个体newbest进行平移变换，并更新平移变换后的best 和化est，否则不进行平移变换；
[0059] 其中，0为正常数，称为平移