銅冶煉配套深冷法富氧空分工藝對(duì)比分析

李美玲， 張建松， 彭喜奎， 張慧媛

(開封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院， 河南 開封 475004)

設(shè)備及自動(dòng)化

銅冶煉配套深冷法富氧空分工藝對(duì)比分析

李美玲， 張建松， 彭喜奎， 張慧媛

(開封空分集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院， 河南 開封 475004)

針對(duì)當(dāng)前不同銅冶煉規(guī)模配套的5種制氧規(guī)格，介紹了當(dāng)前深冷法制取富氧的3種工藝流程形式及其特點(diǎn)，運(yùn)用Aspen Plus軟件對(duì)該5種制氧規(guī)格空分裝置的3種流程形式進(jìn)行模擬計(jì)算，得出裝置的制氧能耗，并對(duì)其能耗、投資、操作進(jìn)行了對(duì)比分析，據(jù)此可供銅冶煉企業(yè)空分選型參考。

深冷法制氧工藝； 空分設(shè)備； 富氧冶煉； 模擬計(jì)算； 煉銅

冶金過程中，特別是火法冶金過程中，運(yùn)用富氧技術(shù)具有節(jié)省能源，降低能耗，增大處理能力，降低生產(chǎn)成本，減少爐氣量從而有利于爐氣的處理等優(yōu)點(diǎn)[1]，這種技術(shù)作為最具潛力的有效減排二氧化碳的新型燃燒技術(shù)之一，成為全球研究者關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。富氧冶煉技術(shù)被廣泛應(yīng)用于有色冶煉中，近年來，隨著富氧銅冶煉工藝的快速發(fā)展，煉銅吹氧氧氣濃度也有較大提高：目前運(yùn)行的大多數(shù)煉銅工藝用氧純度在70%～80%O2之間，采用富氧底吹或富氧側(cè)吹煉銅新工藝用氧純度在～85% O2，個(gè)別嘗試沖擊90%O2。特別是在國(guó)家節(jié)能降耗、環(huán)保等產(chǎn)業(yè)政策的嚴(yán)格要求下，淘汰落后工藝，采用節(jié)能環(huán)保新工藝、整合資源提高產(chǎn)能、做大做強(qiáng)成為煉銅企業(yè)的必然選擇。2016年國(guó)家規(guī)定銅冶煉規(guī)模需達(dá)到精銅產(chǎn)能10萬t/年以上，否則面臨淘汰。

目前常用的富氧底吹或富氧側(cè)吹煉銅工藝用氧量均在150～200 m3/t銅精礦，且煉銅需要4～5倍的原粉，按裝置年運(yùn)行330 d(～8 000 h)計(jì)，結(jié)合目前煉銅企業(yè)通常選用的制氧裝置，幾種較為典型的規(guī)格如表1。

表1 制銅與制氧規(guī)模對(duì)照表

經(jīng)驗(yàn)表明，制富氧裝置1萬m3/h規(guī)模以上后，傳統(tǒng)的VPSA制氧技術(shù)受設(shè)備尺寸、氣流分配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分子篩壓緊裝置、閥門口徑等因素所限，從制氧能耗、投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等幾個(gè)方面與深冷法制氧相比，已沒有優(yōu)勢(shì)。因此本文重點(diǎn)介紹三種深冷法制富氧工藝及其工藝特點(diǎn)，并以上述五種制氧規(guī)格為基礎(chǔ)，對(duì)相應(yīng)三種不同制富氧工藝能耗、投資等進(jìn)行對(duì)比，以供銅冶煉企業(yè)參考選擇。

1 三種不同深冷法制富氧工藝簡(jiǎn)介

1.1 雙塔制氧工藝流程

出吸附器的空氣分為兩部分，一部分直接進(jìn)入主換熱器冷卻后分兩股：一股直接進(jìn)入下塔，另一股進(jìn)入液氧蒸發(fā)器冷卻成液體后進(jìn)入下塔；另一部分經(jīng)進(jìn)入增壓透平膨脹機(jī)的增壓端增壓，冷卻后進(jìn)入主換熱器冷卻中抽，去膨脹機(jī)膨脹端膨脹制冷，膨脹后的空氣進(jìn)入上塔。空氣在下塔精餾，得到富氧液空、貧液空、氮?dú)?，富氧液空、貧液空?jīng)過冷器過冷后節(jié)流去上塔參加精餾，氮?dú)饨?jīng)主冷冷凝成液氮，部分液氮作為下塔回流液，部分液氮經(jīng)過冷器過冷后節(jié)流去上塔參加精餾，上塔底部得到的富液氧匯集到主冷。從主冷里抽取富液氧去液氧蒸發(fā)器蒸發(fā)得到產(chǎn)品富氧氣，經(jīng)主換熱器復(fù)熱后送出；上塔中上部得到污氮?dú)饨?jīng)過冷器、主換熱器復(fù)熱出冷箱，部分去純化系統(tǒng)作再生氣，部分去預(yù)冷系統(tǒng)回收冷量；上塔頂部得到純氮?dú)猱a(chǎn)品經(jīng)過冷器、主換熱器復(fù)熱送出，詳見圖1。

AP—空氣過濾器;TC1—空氣壓縮機(jī);UF—預(yù)冷系統(tǒng);HXF—純化系統(tǒng);WE—水冷卻器;B—膨脹機(jī)增壓端;E1—主換熱器;ET—膨脹機(jī)膨脹端;C1—下塔;C2—上塔;K1—主冷凝蒸發(fā)器;K2—液氧蒸發(fā)器圖1 雙塔制氧工藝流程

工藝特點(diǎn)：氧提取率高，98%以上，流程工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備數(shù)量少。

1.2 三塔(雙上塔)制氧工藝流程

出吸附器的空氣分為兩部分，一部分直接進(jìn)入主換熱器冷卻后分兩股：一股直接進(jìn)入上塔Ⅱ蒸發(fā)器被冷卻成液體后進(jìn)入下塔，另一股進(jìn)入液氧蒸發(fā)器冷卻，氣液夾帶進(jìn)入下塔；另一部分經(jīng)進(jìn)入增壓透平膨脹機(jī)的增壓端增壓，冷卻后進(jìn)入主換熱器冷卻中抽，去膨脹機(jī)膨脹端膨脹制冷，膨脹后的空氣進(jìn)入上塔Ⅰ。

空氣在下塔精餾，得到富氧液空、貧液空、氮?dú)?，富氧液空、貧液空?jīng)過冷器過冷后節(jié)流去上塔參加精餾，氮?dú)饨?jīng)主冷冷凝成液氮，部分液氮作為下塔回流液，部分液氮經(jīng)過冷器過冷后節(jié)流去上塔Ⅰ參加精餾，上塔Ⅰ底部得到的較低純度的富液氧匯集到主冷。從主冷里抽取的較低純度的富液氧繼續(xù)去上塔Ⅱ再次精餾，上塔Ⅱ塔頂部富氧氣回上塔Ⅰ，上塔Ⅱ底部塔缶得到所需純度液氧，從上塔Ⅱ塔缶中取出富液氧去液氧蒸發(fā)器蒸發(fā)得到產(chǎn)品富氧氣，經(jīng)主換熱器復(fù)熱后送出；上塔Ⅰ中上部抽取污氮?dú)饨?jīng)過冷器、主換熱器復(fù)熱出冷箱，一部分去純化系統(tǒng)作再生氣，另一部分去預(yù)冷系統(tǒng)回收冷量；上塔Ⅰ頂部得到純氮?dú)猱a(chǎn)品經(jīng)過冷器、主換熱器復(fù)熱送出，詳見圖2。

AP—空氣過濾器;TC1—空氣壓縮機(jī);UF—預(yù)冷系統(tǒng);HXF—純化系統(tǒng);WE—水冷卻器;B—膨脹機(jī)增壓端;E1—主換熱器;ET—膨脹機(jī)膨脹端;C1—下塔;C2I—上塔 I;C2II—上塔II;K1—主冷凝蒸發(fā)器;K2—液氧蒸發(fā)器圖2 三塔(雙上塔)制氧工藝流程

工藝特點(diǎn)：氧提取率較低，～95%，流程工藝復(fù)雜。

1.3 三塔(雙下塔)制氧工藝流程

出吸附器的空氣分為三部分：一部分直接進(jìn)入主換熱器冷卻后進(jìn)入下塔Ⅱ；一部分進(jìn)入增壓透平膨脹機(jī)的增壓端增壓，冷卻后進(jìn)入主換熱器冷卻中抽，去膨脹機(jī)膨脹端膨脹制冷，膨脹后的空氣進(jìn)入上塔；另一部分去增壓機(jī)增壓后去主換熱器冷卻后分成兩股：一股進(jìn)入下塔Ⅰ，一股進(jìn)入液氧蒸發(fā)器蒸發(fā)液氧，同時(shí)自己被冷凝成液體后進(jìn)入下塔Ⅰ。

空氣在下塔Ⅱ精餾，得到富氧液空、氮?dú)?，富氧液空?jié)流去下塔Ⅱ冷凝器蒸發(fā)，蒸發(fā)后的富氧空氣進(jìn)入上塔參加精餾；氮?dú)饨?jīng)下塔Ⅱ冷凝器冷凝成液氮，一部分液氮作為下塔Ⅱ的回流液，另一部分液氮經(jīng)過冷器過冷后節(jié)流去上塔參加精餾。

空氣在下塔Ⅰ精餾，得到富氧液空、貧液空、氮?dú)猓谎跻嚎展?jié)流去下塔Ⅱ冷凝器蒸發(fā)，蒸發(fā)后的富氧空氣進(jìn)入上塔參加精餾；貧液空經(jīng)過冷器過冷后節(jié)流去上塔參加精餾，氮?dú)饨?jīng)主冷冷凝成液氮，一部分液氮作為下塔回流液，另一部分液氮經(jīng)過冷器過冷后節(jié)流去上塔參加精餾，上塔底部得到的富液氧匯集到主冷。

從主冷里抽取富液氧去液氧蒸發(fā)器蒸發(fā)得到產(chǎn)品富氧氣，經(jīng)主換熱器復(fù)熱后送出；上塔中上部抽取污氮?dú)饨?jīng)過冷器、主換熱器復(fù)熱出冷箱，一部分污氮?dú)馊ゼ兓到y(tǒng)作再生氣，另一部分去預(yù)冷系統(tǒng)回收冷量；上塔頂部得到的純氮?dú)猱a(chǎn)品經(jīng)過冷器、主換熱器復(fù)熱送出，詳見圖3。

工藝特點(diǎn)：氧提取率較高，96%以上，流程工藝較復(fù)雜。

2 三種不同深冷法制富氧工藝對(duì)應(yīng)五種規(guī)格制氧裝置能耗對(duì)比

2.1 模擬計(jì)算的基礎(chǔ)

在對(duì)上述制取富氧空分設(shè)備流程進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，利用Aspen Plus軟件，并且對(duì)其相互作用系數(shù)作了適當(dāng)修正，保證結(jié)果的可靠性。

空壓機(jī)的等溫效率按現(xiàn)有國(guó)產(chǎn)單軸機(jī)型的情況，在流程模擬計(jì)算中制氧規(guī)模≤22 000 m3/h的空壓機(jī)按72%，增壓機(jī)按70%；制氧規(guī)模在>22 000 m3/h的空壓機(jī)按73%，增壓機(jī)按71%進(jìn)行計(jì)算壓縮機(jī)的能耗。

預(yù)冷系統(tǒng)采用氮水預(yù)冷系統(tǒng)(不含冷水機(jī)組)，氮?dú)猱a(chǎn)量制氧規(guī)?！?2 000 m3/h按3 000 m3/h，制氧規(guī)模在>22 000 m3/h按6 000 m3/h來考慮。

純化系統(tǒng)的再生氣按加工氣量的～22%來計(jì)算再生能耗。

針對(duì)富氧工藝特點(diǎn)，依據(jù)設(shè)計(jì)和工業(yè)制造的經(jīng)驗(yàn)，換熱器的平均溫差(LMTD)按～3.3 K，且保證換熱器的最小溫差不小于1.8 K?？辗衷O(shè)備的跑冷損失計(jì)算如下：

AP—空氣過濾器;TC1—空氣壓縮機(jī);TC2—空氣增壓機(jī);UF—預(yù)冷系統(tǒng);HXF—純化系統(tǒng);WE—水冷卻器;B—膨脹機(jī)增壓端;E1—主換熱器;ET—膨脹機(jī)膨脹端;C1I—下塔I;C2—上塔;C1II—下塔II;K1—主冷凝蒸發(fā)器;K2—液氧蒸發(fā)器圖3 三塔(雙下塔)制氧工藝流程

Q=21.3×(Vair)0.671

其中：Q——跑冷損失，kcal/h;

Vair——加工空氣量(0 ℃,0.101 3 MPa)，m3/h。

2.2 制氧能耗

表2為典型制富氧裝置的能耗。

表2 典型制富氧裝置能耗

3 相同規(guī)格三種不同深冷法制富氧裝置投資及操作對(duì)比

3.1 投資

上述五種規(guī)格、三種流程組織形式的所有空分裝置都需要空氣過濾器、空壓機(jī)、預(yù)冷系統(tǒng)和純化系統(tǒng)。在同樣規(guī)格下，三塔(雙上塔)制氧工藝裝置與三塔(雙下塔)制氧工藝裝置兩者均配置有空氣增壓機(jī)，且相對(duì)于雙塔制氧工藝裝置多了一個(gè)塔，一次性投資相對(duì)于雙塔制氧工藝裝置要高，但兩者一次性投資基本相當(dāng)，而雙塔制氧工藝裝置相對(duì)于三塔制氧工藝裝置少一個(gè)塔，少了空氣增壓機(jī)，因此一次性投資減少～8%。

3.2 操作

三種流程組織形式中，系統(tǒng)和設(shè)備都配置有空氣過濾器、空壓機(jī)、預(yù)冷系統(tǒng)和純化系統(tǒng)。三塔(雙上塔)制氧工藝裝置與三塔(雙下塔)制氧工藝裝置兩者均配置有空氣增壓機(jī)、且相對(duì)于雙塔制氧工藝裝置多了一個(gè)塔，操作相對(duì)于雙塔制氧工藝裝置要復(fù)雜些，而三塔(雙上塔)制氧工藝裝置中雙上塔之間連通，上塔Ⅰ底部的液氧是上塔Ⅱ的原料，上塔Ⅰ底部的液氧純度變化，勢(shì)必影響上塔Ⅱ底部氧產(chǎn)品純度，要保障上塔Ⅱ底部氧產(chǎn)品純度，對(duì)上塔Ⅰ操作要求較高，而三塔(雙下塔)制氧工藝裝置中雙下塔原料分別來自于不同的兩股正流空氣，操作互不影響，因此三塔(雙下塔)制氧工藝裝置相對(duì)于三塔(雙上塔)制氧工藝裝置操作要容易些。

4 小結(jié)

從上述工藝流程及特點(diǎn)、能耗、投資、操作等比較可以看出：

(1) 深冷法制氧三種流程中，三塔(雙下塔)制氧工藝裝置最節(jié)能，操作難度介于其他兩種流程之間，一次性投資相對(duì)于雙塔制氧工藝裝置增加～8%，而能耗可節(jié)約～7%，增加的投資可在兩年內(nèi)回收，因此，三塔(雙下塔)制氧工藝裝置為首選。

(2) 裝置規(guī)模越大，能耗越低，但是，三塔(雙下塔)制氧工藝裝置40 000 m3/h空分相對(duì)33 000 m3/h，能耗有所增加，這是因?yàn)?0 000 m3/h空分的膨脹機(jī)膨脹量大，需做成兩臺(tái)，膨脹功損失較多，膨脹量相對(duì)空氣量的比例增加，影響了裝置提取率，因此若更多考慮單位制氧能耗時(shí)，建議空分規(guī)模不要超過4萬。

[1] 徐風(fēng)瓊.富氧在冶金中的應(yīng)用與發(fā)展[J].云南冶金,1999,155,(2):17-20.

[2] 鄭楚光,趙永椿,郭鑫.中國(guó)富氧燃燒技術(shù)研發(fā)進(jìn)展[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34,(23)：3856-3864.

Process comparison & analysis of oxygen-enriched separation process with cryogenic technology for copper smelting

LI Mei-ling, ZHANG Jian-song, PENG Xi-kui, ZHANG Hui-yuan

Based on five oxygen preparation capacities matching for various copper smelting capacities, this paper introduces the types and features of current three processes for oxygen-enriched preparation with cryogenic technology. Utilizing Aspen Plus soft for simulation calculation on the three process types of the five oxygen preparation capacities, energy consumption of oxygen preparation is obtained, and the energy consumption, investment and operation etc. are compared and analyzed. Thus, it can provide a reference to copper smelters for selection of air separation equipment.

oxygen preparation with cryogenic technology; smelting with oxygen-enriched; simulation calculation; copper smelting

李美玲(1970—)，女，高級(jí)工程師，從事空分工藝流程研發(fā)及設(shè)計(jì)工作。

2016-08-24

TF811

B

1672-6103(2017)03-0026-04