三塔真空變壓吸附制氧工藝在銅冶煉領(lǐng)域中的應(yīng)用

南 竹，胡學(xué)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(xiàng)目背景

剛果（金）年處理400kt銅精礦（干）粗銅冶煉項(xiàng)目，位于剛果（金）盧阿拉巴省，由中國(guó)有色礦業(yè)集團(tuán)有限公司和云南銅業(yè)（集團(tuán)）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(jiǎn)稱(chēng)LCS）負(fù)責(zé)建設(shè)。本項(xiàng)目選定的冶煉工藝采用赤峰云銅側(cè)吹熔煉+多噴槍頂吹吹煉，配套一臺(tái)還原電爐處理熔煉渣提鈷，一臺(tái)雙圓盤(pán)澆鑄機(jī)澆鑄粗銅。制酸和脫硫系統(tǒng)采用一轉(zhuǎn)一吸+可再生法有機(jī)胺脫硫工藝。最重要的是，采用工業(yè)氧氣代替部分或全部空氣中的氮?dú)庑纬筛谎蹩諝馑椭寥蹮挔t和吹煉爐。成都華西化工科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)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(yùn)行和成功投產(chǎn)后，成為國(guó)際上首套“三塔真空變壓吸附制氧工藝”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“三塔流程”）大型制氧裝置（單套裝置氧氣產(chǎn)量≥10000Nm3/h），也是國(guó)際上首套應(yīng)用于銅冶煉領(lǐng)域中的“三塔流程”大型制氧裝置。本裝置運(yùn)行狀況優(yōu)秀，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)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(shù)指標(biāo)

0 6 運(yùn)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(mén) 三偏心金屬密封扭矩關(guān)閉型蝶閥成都華科專(zhuān)利產(chǎn)品0 9 閥門(mén)密封件壽命 ≥4 0 0萬(wàn)次

3 工藝流程的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

該工藝過(guò)程一般包括三個(gè)工序，過(guò)濾工序、純化工序和氧氣增壓工藝。工藝過(guò)程如圖1所示。

作為工藝過(guò)程中的核心-純化工序，其工藝采用成都華科的專(zhuān)利流程：《一種三塔真空變壓吸附制氧系統(tǒng)及其制氧方法》（專(zhuān)利號(hào)：CN201710659064）；區(qū)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(tǒng)中的吸附塔每次吸附產(chǎn)氧過(guò)程產(chǎn)出的產(chǎn)品氣前段高氧濃部分進(jìn)入氧氣平衡罐A作為制氧系統(tǒng)產(chǎn)品氣，后段低氧濃部分在氧氣平衡罐B內(nèi)按照其產(chǎn)出的氧氣濃度梯度駐留，相應(yīng)吸附塔轉(zhuǎn)入產(chǎn)品氣升壓步驟時(shí)，作為產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)如下：

①系統(tǒng)的產(chǎn)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(tǒng)鼓風(fēng)機(jī)或真空泵不能連續(xù)工作的致命問(wèn)題。③鼓風(fēng)機(jī)與真空泵完全連續(xù)工作，鼓風(fēng)機(jī)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(tǒng)效率高，能耗更低。⑤鼓風(fēng)機(jī)出口壓力波動(dòng)小，鼓風(fēng)機(jī)載荷波動(dòng)小，風(fēng)機(jī)軸承壽命長(zhǎng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性、可靠性更高。⑥可實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)切塔功能，自動(dòng)切至兩塔流程后，用戶可進(jìn)行在線檢修，系統(tǒng)可靠性更高，穩(wěn)定性更高。⑦可連續(xù)輸送產(chǎn)品氧氣，壓力波動(dòng)小，后續(xù)加壓設(shè)備入口載荷波動(dòng)小，對(duì)后續(xù)設(shè)備壽命、穩(wěn)定性、可靠性提供有利保證。

4 裝置優(yōu)勢(shì)

圖1 三塔真空變壓吸附制氧工藝流程圖

本裝置的優(yōu)勢(shì)顯著，工藝先進(jìn)，技術(shù)成熟，能耗低，運(yùn)行成本低。主要體現(xiàn)在以下幾方面：①采用“三塔流程”工藝，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)切兩塔功能和在線修復(fù)，完全解決了兩塔工藝因故障必須停車(chē)的致命問(wèn)題，保證了裝置的高可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。②本裝置采用制氧專(zhuān)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(zhǎng)、利用率高，裝置能耗低。③本裝置采用成都華科生產(chǎn)的液動(dòng)三偏心金屬密封扭矩關(guān)閉型蝶閥，使裝置穩(wěn)定性高，故障少，維護(hù)量少。④本裝置采用全自動(dòng)化控制，開(kāi)停車(chē)簡(jiǎn)單、方便，可即停即開(kāi)；裝置聯(lián)鎖程度高，可實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守”。

5 主要工藝設(shè)備配置

（1）鼓風(fēng)機(jī)、真空泵、增壓機(jī)。成都華科于2012年研發(fā)出國(guó)內(nèi)首套鼓風(fēng)機(jī)與真空泵共用一臺(tái)電機(jī)的配置方式（以下簡(jiǎn)稱(chēng)一機(jī)拖兩泵），并于2013年應(yīng)用于廣東正鵬生物質(zhì)能源科技有限公司HXKJ-500/80型VPSA-O2項(xiàng)目與中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所HXKJ-300/80型VPSA-O2項(xiàng)目中。本裝置繼續(xù)沿用一機(jī)拖兩泵，單臺(tái)電機(jī)功率1600KW，共計(jì)六臺(tái)套。鼓風(fēng)機(jī)與真空泵均由山東章丘鼓風(fēng)機(jī)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)章鼓）生產(chǎn)，真空泵采用濕式羅茨真空泵。氧氣增壓機(jī)選用兩臺(tái)杭氧牌活塞式壓縮機(jī)與兩臺(tái)杭氧牌透平式壓縮機(jī)。

（2）消音器。消音器設(shè)置于羅茨鼓風(fēng)機(jī)入口與羅茨真空泵出口，其類(lèi)型是阻抗聲流型，極限噪聲級(jí)將不超過(guò)70分貝，高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）吸附塔。該裝置的氮氧分離系統(tǒng)中應(yīng)用徑向吸附塔。該徑向吸附塔由成都華科于2005年開(kāi)始研發(fā)，與中國(guó)空氣動(dòng)力發(fā)展中心共同研制并開(kāi)發(fā)了具有國(guó)際先進(jìn)水平的專(zhuān)用徑向吸附塔；2007年完成測(cè)試，2008年在國(guó)內(nèi)第一套徑向吸附塔工業(yè)裝置（葫蘆島有色金屬集團(tuán)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(shè)計(jì)的徑向吸附塔具有如下優(yōu)勢(shì)。

表2 徑向吸附塔的優(yōu)勢(shì)

（4）吸附劑。成都華科與上海恒業(yè)合作生產(chǎn)的變壓吸附制氧裝置專(zhuān)用鋰基制氧分子篩吸附劑，其選擇性強(qiáng)（氧氮分離系數(shù)超過(guò)6.3）、吸附劑動(dòng)態(tài)吸附量大、強(qiáng)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(shè)計(jì)并生產(chǎn)的三偏心金屬密封扭矩關(guān)閉型蝶閥（以下簡(jiǎn)稱(chēng)三偏心蝶閥），其閥開(kāi)關(guān)平穩(wěn)、可靠、開(kāi)關(guān)速度快、開(kāi)關(guān)速度可調(diào)、密封性能好。

（6）儀表控制系統(tǒng)。儀表控制系統(tǒng)采用PLC邏輯程序和上位機(jī)聯(lián)合控制，具有通訊和遠(yuǎn)程控制功能。其控制硬件采用德國(guó)西門(mén)子PLC-414H冗余控制器，控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的過(guò)程控制系統(tǒng)PCS7，裝置可實(shí)現(xiàn)“無(wú)人值守”。

6 總結(jié)與展望

（1）應(yīng)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(yīng)國(guó)家“一帶一路”的精品之作。

（2）應(yīng)用“三塔流程”的HXKJ-2x10000/90型真空變壓吸附制氧裝置的指標(biāo)優(yōu)秀（摘自《裝置驗(yàn)收?qǐng)?bào)告》），完全滿足用戶的銅冶煉生產(chǎn)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(yùn)行數(shù)據(jù)

圖2 成都華科HXKJ-2x10000/90型真空變壓吸附制氧裝置

（3）面對(duì)國(guó)內(nèi)變壓吸附制氧行業(yè)的現(xiàn)狀，成都華科不斷加大研發(fā)投入，不走跟隨技術(shù)發(fā)展的老路，研發(fā)出“三塔流程”新一代制氧工藝，并成功應(yīng)用于銅冶煉領(lǐng)域，響應(yīng)了習(xí)近平總書(shū)記的“科技是國(guó)家強(qiáng)盛之基，創(chuàng)新是民族進(jìn)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(yùn)行圖