三塔真空變壓吸附制氧工藝在銅冶煉領域中的應用

南 竹，胡學奎，楊炯良

（成都華西化工科技股份有限公司，四川 成都 610000）

1 項目背景

剛果（金）年處理400kt銅精礦（干）粗銅冶煉項目，位于剛果（金）盧阿拉巴省，由中國有色礦業集團有限公司和云南銅業（集團）有限公司共同投資的盧阿拉巴銅冶煉股份有限公司（以下簡稱LCS）負責建設。本項目選定的冶煉工藝采用赤峰云銅側吹熔煉+多噴槍頂吹吹煉，配套一臺還原電爐處理熔煉渣提鈷，一臺雙圓盤澆鑄機澆鑄粗銅。制酸和脫硫系統采用一轉一吸+可再生法有機胺脫硫工藝。最重要的是，采用工業氧氣代替部分或全部空氣中的氮氣形成富氧空氣送至熔煉爐和吹煉爐。成都華西化工科技股份有限公司（以下簡稱成都華科）向LCS提供HXKJ-2x10000/90型真空變壓吸附制氧裝置（以下簡稱本裝置），為熔煉爐和吹煉爐提供富氧空氣。本裝置建成并完成試運行和成功投產后，成為國際上首套“三塔真空變壓吸附制氧工藝”（以下簡稱“三塔流程”）大型制氧裝置（單套裝置氧氣產量≥10000Nm3/h），也是國際上首套應用于銅冶煉領域中的“三塔流程”大型制氧裝置。本裝置運行狀況優秀，各項指標均達到用戶要求，也完全滿足LCS熔煉爐和吹煉爐的用氧需求。

2 裝置性能保證

表1 HXKJ-2x10000/90型真空變壓吸附制氧裝置技術指標

0 6 運行方式 ≥3 5 0 d/a，2 4 h/d 0 7 電單耗（純氧） ≤0.3 3±0.0 2 k W h/N m 3 0 8 程控閥門 三偏心金屬密封扭矩關閉型蝶閥成都華科專利產品0 9 閥門密封件壽命 ≥4 0 0萬次

3 工藝流程的特點與優勢

該工藝過程一般包括三個工序，過濾工序、純化工序和氧氣增壓工藝。工藝過程如圖1所示。

作為工藝過程中的核心-純化工序，其工藝采用成都華科的專利流程：《一種三塔真空變壓吸附制氧系統及其制氧方法》（專利號：CN201710659064）；區別于其他變壓吸附制氧工藝，此工藝的原理是氮氧分離系統中的吸附塔每次吸附產氧過程產出的產品氣前段高氧濃部分進入氧氣平衡罐A作為制氧系統產品氣，后段低氧濃部分在氧氣平衡罐B內按照其產出的氧氣濃度梯度駐留，相應吸附塔轉入產品氣升壓步驟時，作為產品氣升壓氣回流吸附塔升壓。

基于以上原理，相比于單床、兩床或者四床制氧工藝，“三塔流程”工藝的優點如下：

①系統的產品氧氣的收率更高，能耗更低。②完全解決了兩塔真空變壓吸附制氧系統鼓風機或真空泵不能連續工作的致命問題。③鼓風機與真空泵完全連續工作，鼓風機和真空泵效率高，能耗更低。④壓力能和真空能可完全利用，系統效率高，能耗更低。⑤鼓風機出口壓力波動小，鼓風機載荷波動小，風機軸承壽命長，長期穩定性、可靠性更高。⑥可實現故障自動切塔功能，自動切至兩塔流程后，用戶可進行在線檢修，系統可靠性更高，穩定性更高。⑦可連續輸送產品氧氣，壓力波動小，后續加壓設備入口載荷波動小，對后續設備壽命、穩定性、可靠性提供有利保證。

4 裝置優勢

圖1 三塔真空變壓吸附制氧工藝流程圖

本裝置的優勢顯著，工藝先進，技術成熟，能耗低，運行成本低。主要體現在以下幾方面：①采用“三塔流程”工藝，系統可實現故障自動切兩塔功能和在線修復，完全解決了兩塔工藝因故障必須停車的致命問題，保證了裝置的高可靠性和長期穩定性。②本裝置采用制氧專用徑向吸附塔，其氣流速度低、阻力降小，吸附劑沖刷小、壽命長、利用率高，裝置能耗低。③本裝置采用成都華科生產的液動三偏心金屬密封扭矩關閉型蝶閥，使裝置穩定性高，故障少，維護量少。④本裝置采用全自動化控制，開停車簡單、方便，可即停即開；裝置聯鎖程度高，可實現“無人值守”。

5 主要工藝設備配置

（1）鼓風機、真空泵、增壓機。成都華科于2012年研發出國內首套鼓風機與真空泵共用一臺電機的配置方式（以下簡稱一機拖兩泵），并于2013年應用于廣東正鵬生物質能源科技有限公司HXKJ-500/80型VPSA-O2項目與中國科學院廣州能源研究所HXKJ-300/80型VPSA-O2項目中。本裝置繼續沿用一機拖兩泵，單臺電機功率1600KW，共計六臺套。鼓風機與真空泵均由山東章丘鼓風機有限公司（以下簡稱章鼓）生產，真空泵采用濕式羅茨真空泵。氧氣增壓機選用兩臺杭氧牌活塞式壓縮機與兩臺杭氧牌透平式壓縮機。

（2）消音器。消音器設置于羅茨鼓風機入口與羅茨真空泵出口，其類型是阻抗聲流型，極限噪聲級將不超過70分貝，高于國家標準與ISO國際標準要求。

（3）吸附塔。該裝置的氮氧分離系統中應用徑向吸附塔。該徑向吸附塔由成都華科于2005年開始研發，與中國空氣動力發展中心共同研制并開發了具有國際先進水平的專用徑向吸附塔；2007年完成測試，2008年在國內第一套徑向吸附塔工業裝置（葫蘆島有色金屬集團HXKJ-12500/80型VPSA-O2制氧裝置）中取得重大成功，與軸向吸附塔相比，成都華科設計的徑向吸附塔具有如下優勢。

表2 徑向吸附塔的優勢

（4）吸附劑。成都華科與上海恒業合作生產的變壓吸附制氧裝置專用鋰基制氧分子篩吸附劑，其選擇性強（氧氮分離系數超過6.3）、吸附劑動態吸附量大、強度高、堆比重高、死空間小。

（5）切換閥組。裝置采用成都華科自主設計并生產的三偏心金屬密封扭矩關閉型蝶閥（以下簡稱三偏心蝶閥），其閥開關平穩、可靠、開關速度快、開關速度可調、密封性能好。

（6）儀表控制系統。儀表控制系統采用PLC邏輯程序和上位機聯合控制，具有通訊和遠程控制功能。其控制硬件采用德國西門子PLC-414H冗余控制器，控制系統采用先進的過程控制系統PCS7，裝置可實現“無人值守”。

6 總結與展望

（1）應用“三塔流程”的HXKJ-2x10000/90型真空變壓吸附制氧裝置是成都華科響應國家“一帶一路”的精品之作。

（2）應用“三塔流程”的HXKJ-2x10000/90型真空變壓吸附制氧裝置的指標優秀（摘自《裝置驗收報告》），完全滿足用戶的銅冶煉生產的需求：

表3 三塔流程”的HXKJ-2x10000/90型真空變壓吸附制氧裝置運行數據

圖2 成都華科HXKJ-2x10000/90型真空變壓吸附制氧裝置

（3）面對國內變壓吸附制氧行業的現狀，成都華科不斷加大研發投入，不走跟隨技術發展的老路，研發出“三塔流程”新一代制氧工藝，并成功應用于銅冶煉領域，響應了習近平總書記的“科技是國家強盛之基，創新是民族進步之魂”的重要指示。

圖3 真空變壓吸附制氧裝置

圖4 成都華科HXKJ-2x10000/90型真空變壓吸附制氧裝置運行圖