富氧深冷空分工藝在銅冶煉中的應(yīng)用

（煙臺國潤銅業(yè)有限公司，山東 煙臺 264010）

0 前言

煙臺國潤銅業(yè)有限公司(以下簡稱“國潤銅業(yè)”)在2017 年以前采用“側(cè)吹爐熔煉+側(cè)吹吹煉”工藝，粗銅產(chǎn)能為60 kt/a，配套的硫酸系統(tǒng)產(chǎn)能為200 kt/a。為解決產(chǎn)能達(dá)不到行業(yè)準(zhǔn)入100 kt/a 的要求及綜合能耗高的問題，中國恩菲工程技術(shù)有限公司、國潤銅業(yè)聯(lián)合開發(fā)了“富氧側(cè)吹熔煉+多槍頂吹連續(xù)吹煉+火法陽極精煉”熱態(tài)三連爐連續(xù)煉銅生產(chǎn)工藝，并實現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。熔煉及配套改造項目由中國恩菲工程技術(shù)有限公司設(shè)計，粗銅設(shè)計產(chǎn)能為100 kt/a，硫酸設(shè)計產(chǎn)能為370 kt/a。銅冶煉過程中需要純度85% 的氧氣、氮?dú)庖约吧倭康募冄酢?/p>

公司周邊有幾家大型空分企業(yè)，液氮、液氧、氬氣等產(chǎn)品競爭激烈，相關(guān)產(chǎn)品的銷售利潤空間較少。國潤銅業(yè)采用常規(guī)深冷空分法制取氧氣，氧氣的純度通常大于99.2%，需要通過增加空壓機(jī)補(bǔ)充一定量的空氣，來混合制成純度85%的氧氣，這種方法能耗較高。經(jīng)過多次論證，公司決定采用富氧深冷空分技術(shù)制氧[1]。銅冶煉及配套制氧系統(tǒng)于2017年7 月一次性試生產(chǎn)成功，經(jīng)過3 年多的生產(chǎn)實踐，制氧指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)。

本文介紹了富氧深冷空分的工藝流程，并與變壓吸附、常規(guī)純氧空分工藝對比，分析該工藝的優(yōu)點及運(yùn)行中存在的問題，并就問題提出了相應(yīng)優(yōu)化措施。

1 富氧深冷空分裝置簡介

1.1 裝置構(gòu)成

經(jīng)過現(xiàn)場考察不同設(shè)備生產(chǎn)廠家、不同設(shè)備的使用狀況及多方論證，于2016 年5 月選擇了福斯達(dá)KDON-18800(150Y)/3000 型空氣分離設(shè)備。該裝置組成如圖1 所示。該系統(tǒng)主要由1 臺主換熱器E1A-D，1 臺下塔C1、1 臺主冷凝蒸發(fā)器K1-1/2、1臺上塔C2、1 臺過冷器E2、1 臺輔助下塔(以下簡稱輔塔)C3、1 臺輔塔冷凝蒸發(fā)器K2、1 臺純氧塔C4及1 臺純氧塔蒸發(fā)器K3 組成。

圖1 18800 富氧深冷空分雙下塔工藝示意圖

1.2 富氧深冷空分工藝流程

需加工的空氣在下塔C1 中精餾，在下塔頂部和底部分別得到純氮?dú)夂透谎跻嚎?。下塔頂部的純氮?dú)馊窟M(jìn)入主冷凝蒸發(fā)器K1 中進(jìn)行冷凝，然后大部分作為下塔的回流液回流至下塔頂部，小部分則送入過冷器進(jìn)行過冷。過冷后的液氮經(jīng)過節(jié)流后，全部送入上塔頂部作為上塔回流液，參與上塔精餾。

在下塔底部獲得的富氧液空，經(jīng)過冷器過冷后全部送入輔塔冷凝蒸發(fā)器K2 作為冷源，富裕液氮回流至上塔中部參與上塔精餾，輔塔液空閃蒸汽返回上塔參與上塔精餾。

液氮、膨脹空氣、輔塔液空和輔塔液空閃蒸汽經(jīng)過上塔的精餾過程后，在上塔C2 底部、下部、頂部分別得到液氧、產(chǎn)品氧氣、氮?dú)?，在上塔中上部抽取污氮?dú)?。底部的液氧在主冷凝蒸發(fā)器K1 中與下塔頂部的氮?dú)鈸Q熱，被汽化后，一部分作為上升氣參與上塔精餾，一部分作為產(chǎn)品從主冷凝蒸發(fā)器頂部抽出，一部分進(jìn)入純氧塔C4 中進(jìn)行精餾。在純氧塔底部設(shè)置蒸發(fā)器K3，該蒸發(fā)器的熱源由從主換熱器出來的經(jīng)過增壓機(jī)的中壓空氣提供。在純氧塔底部得到99.6%純度的液氧，接著該部分液氧送入液氧貯槽。

在上塔中上部抽取的污氮?dú)夂驮陧敳康玫降牡獨(dú)饨?jīng)過冷器E2 和主換熱器E1A-D 復(fù)熱后送出冷箱。污氮?dú)獬徊糠謿庾鳛榧兓到y(tǒng)的再生用氣外，其余全部送入水冷塔回收冷量，之后氮?dú)庾鳛楫a(chǎn)品氣送給用戶。

為滿足85%純度氧氣以及工藝流程的要求，精餾塔還設(shè)置了一個輔塔系統(tǒng)。低壓空氣在主換熱器E1A-D 中被精餾塔系統(tǒng)產(chǎn)生的低溫低壓污氮?dú)?、氮?dú)夂脱鯕饫鋮s至接近液化溫度，隨后進(jìn)入輔塔參與精餾。在輔塔頂部和底部分別得到純氮?dú)?、富氧液空。輔塔頂部的氮?dú)馊窟M(jìn)入輔塔冷凝蒸發(fā)器K2中進(jìn)行冷凝，隨后大部分液氮作為下塔的回流液回流至下塔頂部，其余部分送入過冷器進(jìn)行過冷。過冷后的液氮經(jīng)過節(jié)流后，全部送入上塔頂部作為上塔回流液，參與上塔精餾。

輔塔底部的富氧液空經(jīng)過冷器過冷后，全部送入輔塔冷凝蒸發(fā)器K2 作為冷源。大部分富氧液空被蒸發(fā)成液空蒸汽回到上塔，作為上升氣參與精餾，其余富氧液空回流至上塔中部參與上塔精餾。

1.3 富氧深冷空分設(shè)計參數(shù)

該裝置的產(chǎn)品設(shè)計產(chǎn)量、純度及壓力見表1。

表1 產(chǎn)品設(shè)計產(chǎn)量、純度及壓力

2 制氧工藝對比

2.1 富氧深冷空分裝置的改進(jìn)

在常規(guī)純氧空分裝置中，因受精餾塔中下部產(chǎn)品純度要求以及主冷凝蒸發(fā)器上部與底部不可避免的溫差影響[2]，精餾塔下塔的操作壓力已被限定，再加上壓縮空氣從空壓機(jī)出口流動至下塔入口受到的沿程阻力，空壓機(jī)的排氣壓力也被限制。而在常規(guī)空分裝置中，空壓機(jī)的能耗占到空分裝置總能耗的90%以上，即空分裝置的能耗已然確定，所以常規(guī)空分的能耗基本是固定值，可優(yōu)化的余地很少。

富氧深冷空分裝置采用一臺下塔一臺輔塔的雙下塔制取低純氧的工藝，氧氣的供應(yīng)采用冷箱外壓縮方式，經(jīng)換熱器氣化復(fù)熱后送出冷箱，精餾塔構(gòu)造及原理與常規(guī)深冷空分裝置基本相同[3]，區(qū)別在于富氧深冷空分裝置精餾工藝改變了常規(guī)深冷空分的流程，增設(shè)了1 臺低壓力輔塔；且為了滿足少量純度99.6%氧氣的要求，增加了1 臺小型純氧塔。

與常規(guī)深冷空分流程相比，富氧深冷空分裝置精餾工藝的上塔回流液過剩，因此通過減少上塔理論板數(shù)，降低上塔的液氣比，在上塔底部直接得到相應(yīng)純度的氧氣，從而降低上塔高度、空壓機(jī)排氣壓力和能耗。上塔多余的回流液轉(zhuǎn)移至輔塔C3，建立壓力更低的工況，進(jìn)一步降低空壓機(jī)排氣壓力和能耗。為了滿足富氧深冷空分兩種壓力的設(shè)計要求，增加了一臺增壓機(jī)。空壓機(jī)中占總氣量60%左右的較低壓空氣進(jìn)入輔塔，其余空氣則經(jīng)過增壓機(jī)增壓后進(jìn)入下塔C1。

富氧深冷空氣裝置采用空壓機(jī)與增壓機(jī)一體的結(jié)構(gòu)。高壓部分配6 kV 的電機(jī)，功率為5 800 kW，軸功率為5 150 kW；低壓部分配380/220 V 電機(jī)，功率為1 415.5 kW，不含備用水泵、油泵，軸功率為562.2 kW；純化器功率為1 200 kW，在240 min 內(nèi)開啟90 min，因此軸功率按450 kW 計。

2.2 常規(guī)深冷空分、變壓吸附、富氧深冷空分的對比

目前制氧工藝包括富氧深冷空分、常規(guī)深冷空分、變壓吸附，這三種工藝的比較見表2。

從表2 可知，富氧深冷空分工藝的能耗與變壓吸附基本相當(dāng)，但不存在變壓吸附產(chǎn)量逐年衰減的問題；相對常規(guī)純氧空分工藝，富氧深冷空分工藝可實現(xiàn)節(jié)能15%～20%，符合國家節(jié)能減排的要求。雙下塔富氧深冷空分既具有變壓吸附制氧的成本優(yōu)勢，可生產(chǎn)富氧，滿足銅冶煉爐的需求，又可生產(chǎn)氮、純氧的氣體和液體產(chǎn)品，滿足不同的需求，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 常規(guī)深冷空分、變壓吸附與富氧深冷空分的比較

3 富氧深冷空分裝置的運(yùn)行情況

3.1 氧氣回收率

通過減少分餾塔填料層數(shù)和精餾次數(shù)，降低上塔液氣比、分離氧氮所需的分離功和氧氣純度，提高氧氣的回收率。

在深冷空分領(lǐng)域，污氮?dú)庵械暮趿矿w現(xiàn)了空分裝置的先進(jìn)性。污氮?dú)庵泻趿吭降?，說明氧氣損失越少，空分裝置的氧提取率越高，性能越好。在正常運(yùn)行工況下，富氧深冷空分裝置污氮?dú)庵械暮趿績H為0.258%?？倸饬繛?0 000 Nm3/h，儀表氣400 Nm3，空氣中氧氣含量按20.95%計算，污氮?dú)鈳ё叩难鯕鉃?80 000-400-18 800-3 000-150)×0.258%=149 Nm3/h，氧氣回收率為(16 676-149)/16 676 100%=99.1%。這表明富氧深冷空分裝置的氧回收率非常高。

3.2 能耗和投資成本

由于富氧深冷空分裝置的上塔填料層數(shù)減少，上塔的高度比常規(guī)上塔降低了一半，使上塔受到的阻力減少，氧氣飽和壓力、飽和溫度降低。由于上塔和下塔的主冷凝蒸發(fā)器溫差不變，下塔頂部的氮?dú)怙柡蜏囟?、下塔壓力降低，從而降低了空壓機(jī)的壓力和能耗。

2018 年12 月29 日至2019 年11 月28 日，根據(jù)國潤銅業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計，富氧深冷空分裝置生產(chǎn)的氧氣量為119 733 084 Nm3，液氧量為1 174 284 Nm3，負(fù)荷率為93.5%，用電量為44 701 182 kWh，因此制氧綜合電單耗為0.362 7 kWh/Nm3。而常規(guī)純氧深冷空分的電單耗一般為0.42～0.45 kWh/Nm3。因此，常規(guī)單下塔純氧深冷空分與雙下塔富氧深冷空分工藝相比，出冷箱壓力均按0.02 MPa 算，不含氧壓機(jī)能耗，后者的電單耗降低非常顯著。

此外，由于上塔高度降低，整個冷箱的高度也降低，下塔中約60%的氣量會分到輔塔，因此輔塔投資增加，但下塔和上塔的投資均降低，整個設(shè)備的投資會隨之下降。

3.3 運(yùn)行和維護(hù)

本裝置主體采用空壓機(jī)與增壓機(jī)一體的結(jié)構(gòu)，其余均為小型電機(jī)驅(qū)動設(shè)備及靜設(shè)備，操作維護(hù)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低。運(yùn)行3 年多，沒有出現(xiàn)故障停車問題，維修費(fèi)用主要是一些備件提報的費(fèi)用。此外，該裝置的噪聲可以達(dá)到《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 12348—2008)的要求。

3.4 開車時間

由于富氧深冷空分裝置增設(shè)了一個低壓力輔塔，增加了一部分增壓氣體，對氣體分配、主冷凝蒸發(fā)器的液面控制的要求更加嚴(yán)格。截至2019 年11月28 日，共經(jīng)歷了4 次開車。通過摸索實踐，得到以下經(jīng)驗：先開主塔，后開輔塔，充分利用膨脹機(jī)冷量，盡快建立工況，可以提前滿足熔煉開車的少量用氧需要。從啟動膨脹機(jī)到出現(xiàn)液體，共需要20 h 23 min，達(dá)到設(shè)計液面需要5 h 50 min，調(diào)純需要9 h 47 min，達(dá)到設(shè)計純度共需要36 h[4]。由于熔煉開車對氣量及純度要求比較低，可以在調(diào)純期間開始使用氧氣，因而開車時間會比正常開車時間快約10 h。

4 運(yùn)行存在的問題及改進(jìn)

這套裝置是國內(nèi)首套雙下塔富氧深冷空分裝置，比較成熟，但在純化器入口溫度控制、膨脹機(jī)出口溫度控制、噪音、DCS 控制等方面還存在一些不足。經(jīng)過3 年多的實際應(yīng)用，對該裝置進(jìn)行了以下改造：

4.1 冰機(jī)改造

該套富氧空分空壓機(jī)的出口壓力低，進(jìn)入純化器的飽和空氣中含水量偏高，到了夏季，冰機(jī)經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)生連鎖停車。為了確保冰機(jī)在規(guī)定負(fù)荷下工作，增加了一臺小型冰機(jī)專供夏天運(yùn)行使用。2019 年夏季，冰機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

4.2 膨脹機(jī)增加換熱器

按照阻力及熱平衡理論設(shè)計，膨脹機(jī)增壓端出口不需要配備換熱器[5]，但是調(diào)試及后續(xù)開車過程中出現(xiàn)了冷量不足及增壓端出口氣體在夏季超溫報警等問題。在2018 年底增加了換熱器，到目前為止，膨脹機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

4.3 空壓機(jī)油冷器冷卻水改造

空壓機(jī)油冷器為板式換熱器，對水質(zhì)要求很高。經(jīng)過多次數(shù)據(jù)分析，決定把系統(tǒng)補(bǔ)水點由循環(huán)水池補(bǔ)水改為在油冷器處補(bǔ)水，并增加了一臺自動控制加壓泵。現(xiàn)在水溫水壓穩(wěn)定，油溫控制得到了明顯改善。

4.4 噪聲治理

該項目距離居民區(qū)較近，適用的噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)較高，空壓機(jī)廠房、管道、進(jìn)口過濾器是主要噪聲源。通過對管道加裝隔音棉，對空壓機(jī)廠房及進(jìn)口過濾器加裝隔音棉簾，噪聲達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5 電氣及程序優(yōu)化

開車初期，純化器電爐加熱過程中，8 臺電爐的開關(guān)柜同時打開，電網(wǎng)受到的沖擊大，不利于設(shè)備的運(yùn)行，容易發(fā)生設(shè)備事故，并且經(jīng)常有個別開關(guān)或接頭燒毀。通過修改DCS 程序及開關(guān)選型，設(shè)備一直運(yùn)行穩(wěn)定。

4.6 液氧泵

熔煉瓶氧氣用量大一直是個突出問題，通過對原設(shè)備配置的液氧儲罐加裝液氧泵進(jìn)行改造，為熔煉直接輸送高壓管道氧氣，熔煉瓶氧氣用量減少至原來的10%左右。

5 結(jié)束語

富氧深冷空分工藝具有氧氣回收率高、投資成本和能耗低、操作和維護(hù)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低、開車時間快等優(yōu)點。富氧深冷空分流程作為生產(chǎn)應(yīng)用上的新生事物，在理論設(shè)計走向?qū)嶋H應(yīng)用的過程中，通過不斷的完善，一定會顯現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。雙下塔富氧深冷空分裝置的成功運(yùn)行，為銅冶煉行業(yè)富氧深冷空分工藝的應(yīng)用開創(chuàng)了具有競爭力的探索，也可為其他用氧行業(yè)提供借鑒。