硫化銅礦富氧焙燒爐輸氧管路設(shè)計

收稿日期：2024-03-29

作者簡介：王偉（1986—），男，山東臨沂人，工程師。研究方向：有色金屬冶煉設(shè)計。

摘要：以某硫化銅礦富氧焙燒爐輸氧管道為例，結(jié)合氧氣來源及危險性，識別氧氣管路風(fēng)險，開展氧氣管道安全設(shè)計。其間綜合分析諸多因素，如氧氣管道材質(zhì)、氣體流速、管徑、閥門、墊片、自控及聯(lián)鎖等，為降低氧氣管道安全風(fēng)險，保障企業(yè)正常生產(chǎn)提供參考。

關(guān)鍵詞：硫化銅礦；焙燒爐；氧氣；管路設(shè)計；安全

中圖分類號：TF813 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）05-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.026

Design of oxygen supply pipeline for oxygen rich roasting furnace of sulfide copper ore

WANG Wei

（BGRIMM Technology Group， Beijing 102628， China）

Abstract： Taking the oxygen supply pipeline of a certain sulfide copper ore oxygen rich roasting furnace as an example， combined with the source and danger of oxygen， the risks of oxygen pipelines are identified， and the safety design of oxygen pipelines is carried out. During this process， a comprehensive analysis of various factors， such as oxygen pipeline material， gas flow rate， pipe diameter， valves， gaskets， self-control and interlocking， is conducted to provide reference for reducing safety risks in oxygen pipelines and ensuring normal production for enterprises.

Keywords： copper sulfide ore; roasting furnace; oxygen; pipeline design; security

傳統(tǒng)焙燒是使礦石粉末與空氣中氧氣在高溫下接觸反應(yīng)，其中的銅變?yōu)榭扇苄缘腃uSO4和CuO·CuSO4，

而鐵變?yōu)椴蝗艿难趸铮‵e2O3），同時得到的SO2可用于生產(chǎn)硫酸。與傳統(tǒng)焙燒相比，富氧焙燒是向爐底供風(fēng)管道中注入高濃度氧氣，提高焙燒爐的氧含量。富氧焙燒可提高焙燒爐處理能力和焙燒質(zhì)量，提高煙氣SO2濃度，增加煙氣制硫酸產(chǎn)量，減少焙燒尾氣處理的難度和投資[1-2]。將氧氣引入焙燒爐可以改善焙燒效果，但同時會增加裝置安全風(fēng)險，因此富氧焙燒輸氧管道安全設(shè)計值得深入研究。制氧技術(shù)在國內(nèi)已較為成熟。以某硫化銅礦焙燒系統(tǒng)自界區(qū)至爐底風(fēng)管匯入口的氧氣管道設(shè)計為例，對氣量3 125 m3/h、純度80%的輸氧管線安全設(shè)計做進(jìn)一步分析，為后續(xù)氧氣管道設(shè)計提供參考。

1 氧氣來源及危險性

目前，制氧工藝主要有深冷法和變壓吸附法。深冷法適用于大規(guī)模、高純度氧氣需求的場合，而變壓吸附法更適用于中小規(guī)模、氧氣純度要求不是非常高和啟動周期短的場合。根據(jù)兩種方法的特點，結(jié)合項目用氧量小、純度要求不高和現(xiàn)場電力不太穩(wěn)定等情況，選擇變壓吸附法作為供氧方法，氧氣制備的設(shè)計參數(shù)如表1所示。

氧氣作為一種點火能較低的強(qiáng)氧化劑，極易引燃管道內(nèi)的鐵銹、焊渣和其他易燃物質(zhì)[3]，引發(fā)火災(zāi)及爆炸。根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016—2014），將氧氣的火災(zāi)危險性定為乙類[4]。根據(jù)《石油化工管道設(shè)計器材選用規(guī)范》（SH/T 3059—2012），將氧氣管道歸入乙類可燃?xì)怏w管道進(jìn)行管理，由此凸顯氧氣管道安全設(shè)計的重要性[5]。

2 氧氣管路風(fēng)險識別

燃燒與爆炸的發(fā)生需要同時存在3個條件，即可燃物、助燃物和引燃能量。氧氣是一種強(qiáng)氧化劑，而輸送氧氣管道的材質(zhì)一般為碳鋼或不銹鋼，其中含有的鐵和碳在富氧環(huán)境中都極易燃燒，并放出大量熱量。一旦燃燒發(fā)生，就將在管道內(nèi)快速傳遞，威脅整個管道系統(tǒng)安全。根據(jù)焙燒系統(tǒng)用氧的實際情況，結(jié)合燃燒與爆炸發(fā)生的3個條件，對氧氣管道自身風(fēng)險和裝置關(guān)聯(lián)風(fēng)險進(jìn)行識別[6-10]。

2.1 管道自身風(fēng)險

管道中未除凈的鐵銹、焊渣等在管內(nèi)高速運(yùn)動時會與管壁碰撞，然后被引燃；管內(nèi)油脂引發(fā)燃燒；閥門啟閉摩擦及節(jié)流效應(yīng)引燃顆粒物；靜電積聚引燃。

2.2 裝置關(guān)聯(lián)風(fēng)險

焙燒爐使用硫黃作為補(bǔ)熱介質(zhì)，根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50016—2014）和《有色金屬工程設(shè)計防火規(guī)范》（GB 50630—2010），硫黃火災(zāi)危險性為乙類。經(jīng)分析，系統(tǒng)可能存在3個關(guān)聯(lián)風(fēng)險：閥門、法蘭處氧氣泄漏；硫黃粉塵裝置內(nèi)積聚；焙燒爐內(nèi)氧氣濃度過高，與硫黃粉末形成爆炸性混合物。

3 氧氣管道安全設(shè)計

通過對焙燒系統(tǒng)氧氣管道自身風(fēng)險及裝置關(guān)聯(lián)風(fēng)險的識別和記錄，可以更深刻地認(rèn)識氧氣管道設(shè)計的重要性，為氧氣管道設(shè)計指明方向。

3.1 氧氣管道總體流程設(shè)計

氧氣管道進(jìn)入界區(qū)后，首先在界區(qū)處設(shè)置管道過濾器，過濾管道中可能出現(xiàn)的鐵銹、焊渣等物質(zhì)，防止在閥門處因節(jié)流效應(yīng)被點燃。管道過濾器外殼采用不銹鋼材質(zhì)，濾芯采用銅材質(zhì)，濾芯孔徑為7 μm[11]。其后，經(jīng)流量計、流量調(diào)節(jié)閥、緊急切斷閥、止回閥和管道阻火器（銅材質(zhì)），沿45°順流向斜接入爐底風(fēng)機(jī)出口管道，匯入點至焙燒爐進(jìn)風(fēng)口至少預(yù)留10倍管徑的管長用于混氧，防止氧氣富集引發(fā)安全風(fēng)險。同時，在界區(qū)處設(shè)緊急放空閥，并與爐底風(fēng)機(jī)狀態(tài)聯(lián)動，保障整體安全。總體流程如圖1所示。

3.2 管道材質(zhì)設(shè)計

除考慮適用性和經(jīng)濟(jì)性外，氧氣管道材質(zhì)的選擇更應(yīng)著重考慮安全性。根據(jù)氧氣設(shè)計溫度及壓強(qiáng)數(shù)據(jù)，結(jié)合管道中含有頻繁動作的流量調(diào)節(jié)閥等組件，可供選擇的管道材質(zhì)包括不銹鋼無縫鋼管和銅及銅合金管。但從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，選擇不銹鋼材質(zhì)，最終牌號為0Cr18Ni9。氧氣管道材質(zhì)對比如表2所示，設(shè)計壓強(qiáng)不大于0.6 MPa[3]。

3.3 流速設(shè)計

根據(jù)《氧氣站設(shè)計規(guī)范》（GB 50030—2013），管道流速可根據(jù)管道壓力損失來確定。但是，流速過快會增加顆粒物被引燃的風(fēng)險，同時引發(fā)管道振動和噪聲，影響管道系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，可選擇的氧氣管道流速范圍為10～15 m/s[12-13]。

3.4 管道設(shè)計

氧氣壓力不高，可看作理想氣體。根據(jù)理想氣體方程，采用式（1）計算操作狀態(tài)氧氣流量。將相關(guān)參數(shù)值帶入式（1），經(jīng)計算，操作狀態(tài)氧氣流量約為2 313 m3/h。根據(jù)氧氣輸送量，采用式（2）計算氧氣輸送管道的理論管徑。將相關(guān)參數(shù)值帶入式（2），經(jīng)計算，氧氣輸送管道的理論管徑約為234 mm，經(jīng)規(guī)范查證，管徑向上圓整至273 mm。氧氣管道壁厚可采用式（3）計算[11]。

式中：P1為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓強(qiáng)，取0.1 MPa；P2為操作狀態(tài)壓強(qiáng)，取0.15 MPa；V1為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)氧氣流量，取3 125 Nm3/h；V2為操作狀態(tài)氧氣流量，m3/h；

T1為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)溫度，取273 K；T2為操作狀態(tài)溫度，取303 K；D為氧氣輸送管道的理論管徑，m；u為管道流速，取15 m/s；S為氧氣管道壁厚，mm；p為設(shè)計壓強(qiáng)，MPa；t為設(shè)計溫度，℃；[σ]為設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa。

氧氣管道設(shè)計溫度為65 ℃，0Cr18Ni9管道許用應(yīng)力為137 MPa，代入式（3）計算可得，管道表號為SCH0.66S（壁厚）?？紤]管道鋪設(shè)跨距及使用磨損等情況，將管道表號定為SCH10S[14]。據(jù)此驗算，氧氣實際流速為11.7 m/s，符合管道流速設(shè)計要求。

3.5 閥門選用設(shè)計

閥門啟閉時，閥件之間的摩擦可能產(chǎn)生粉末，閥體節(jié)流作用引起氧氣氣流的劇烈擾動，極易引燃管道可能存在的顆粒物。所以，要選擇摩擦、沖擊等情況下不產(chǎn)生火花、燃燒性能好的材質(zhì)類型。系統(tǒng)氧氣壓力及溫度均不高，閥門整體選用不銹鋼材質(zhì)氧氣專用截止閥。

3.6 墊片選用設(shè)計

管道墊片性能不僅要滿足氧氣管道壓力-溫度條件，還要防止材質(zhì)老化或氣流沖擊造成碎片、顆粒落入管中?？晒┻x擇的墊片類型包括聚四氟乙烯墊片和柔性石墨復(fù)合墊片。從經(jīng)濟(jì)性角度分析，選擇聚四氟乙烯墊片。

3.7 自控及安全聯(lián)鎖設(shè)計

為保證管道安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時兼顧生產(chǎn)操作彈性，主要設(shè)置自控及安全聯(lián)鎖設(shè)計。具體來說，管道上設(shè)置流量計和流量調(diào)節(jié)閥，保證氧氣穩(wěn)定連續(xù)輸入；管道上設(shè)置緊急切斷閥，當(dāng)爐底風(fēng)機(jī)停機(jī)或爐底送風(fēng)管氧氣檢測儀報警時，及時關(guān)閉緊急切斷閥，停止氧氣進(jìn)入；爐底風(fēng)送管設(shè)置氧氣檢測儀，與流量計、流量調(diào)節(jié)閥組成串級控制系統(tǒng)，及時調(diào)整操作波動時氧氣輸入量；界區(qū)處設(shè)置緊急放空閥，當(dāng)爐底風(fēng)機(jī)停機(jī)或爐底送風(fēng)管氧氣檢測儀報警時，及時打開緊急放空閥，停止氧氣進(jìn)入。

3.8 其他安全設(shè)計

為降低管道內(nèi)介質(zhì)點燃能量，氧氣管道鋪設(shè)時應(yīng)遠(yuǎn)離高溫高壓介質(zhì)管道，同時滿足管道的最小安全凈距；裝置內(nèi)管道需要有可靠接地，接地電阻不大于10 Ω，管道的法蘭、螺紋接口兩側(cè)應(yīng)用導(dǎo)線做跨接，其電阻小于0.03 Ω；氧氣管道可能會泄漏的位置設(shè)置氧氣濃度報警儀；硫黃粉塵易積聚位置設(shè)置粉塵濃度報警儀。

3.9 主要安裝安全設(shè)計

不銹鋼管道的焊接應(yīng)采用氬弧焊，焊縫必須光滑，無毛刺。嚴(yán)禁將焊條頭等雜物遺留在管道內(nèi)部，管道在投入使用前必須進(jìn)行吹掃。管道安裝后，應(yīng)對管道系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)度、嚴(yán)密性及泄漏量試驗[15-16]。所有與氧氣接觸的設(shè)備、管道及附件應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格脫脂處理。脫脂施工及驗收應(yīng)按《脫脂工程施工及驗收規(guī)范》（HG 20202—2014）進(jìn)行。脫脂合格后，應(yīng)封口保存，防止再次發(fā)生銹蝕。

4 結(jié)論

富氧焙燒技術(shù)在硫化銅礦上的成功應(yīng)用使提高礦石的資源利用率成為可能。氧氣作為富氧焙燒技術(shù)的關(guān)鍵影響因素，起到至關(guān)重要的作用，但氧氣的利用是一把雙刃劍。氧氣管道的設(shè)計作為源頭工作，要充分考慮氧氣危險特性和安全風(fēng)險，結(jié)合相關(guān)規(guī)范和現(xiàn)場的實際情況，從根源上消除隱患，實現(xiàn)對氧氣的安全使用，為裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

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