陳曉風(fēng)

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

云南某鈦業(yè)公司8萬 t/a高鈦渣項(xiàng)目引進(jìn)南非全密閉直流電爐熔煉高鈦渣技術(shù)，2009年10月投產(chǎn)以來，具有工藝技術(shù)先進(jìn)、設(shè)備運(yùn)行可靠、電弧穩(wěn)定、熔煉效率高、熔池?cái)嚢韬?、生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良、資源綜合利用率高、環(huán)保技術(shù)優(yōu)良、安全性能強(qiáng)、自動(dòng)化控制水平高等特點(diǎn)，是名列世界第三、亞洲第一的大型全密閉式直流電爐熔煉高鈦渣項(xiàng)目。

與高鈦渣項(xiàng)目配套建設(shè)的氮?dú)庀到y(tǒng)投產(chǎn)以來，基本滿足高鈦渣主體工藝的氮?dú)夤?yīng)要求，但由于原設(shè)計(jì)條件與投產(chǎn)后實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)發(fā)生變化，特別是隨著公輔設(shè)施用戶的相繼投入使用，出現(xiàn)了氮?dú)庀到y(tǒng)產(chǎn)能偏小、瞬間最大流量不能滿足要求等問題。我們分析了問題原因，統(tǒng)計(jì)確認(rèn)了氮?dú)庥脷恻c(diǎn)、用量和工作制度，對(duì)氮?dú)庀到y(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性進(jìn)行了大量的調(diào)研與分析，堅(jiān)持以滿足高鈦渣項(xiàng)目氮?dú)夤?yīng)為目標(biāo)，充分利用原有氮?dú)庠O(shè)備，盡量減少改造投資的改造原則，提出了升級(jí)改造方案，滿足了項(xiàng)目對(duì)氮?dú)獾墓?yīng)要求，保證了高鈦渣項(xiàng)目的順利投產(chǎn)。

1 全密閉直流電爐熔爐高鈦渣工藝對(duì)氮?dú)庀到y(tǒng)的要求

1)對(duì)無煙煤細(xì)料倉(cāng)、電爐加料系統(tǒng)和電爐進(jìn)行氮?dú)饷芊獗Ｗo(hù)。

在通常狀況下氮?dú)獾幕瘜W(xué)性質(zhì)很不活潑，是一種惰性氣體，氮?dú)馐悄苡行ПＷo(hù)介質(zhì)不被氧化或發(fā)生其他反應(yīng)，常被用作保護(hù)氣。對(duì)電爐給料系統(tǒng)(無煙煤倉(cāng)、鈦精礦倉(cāng)、失重秤、中心給料管等)全程采用氮?dú)饷芊獗Ｗo(hù)并呈微正壓輔助送料，一旦氮?dú)馔Ｖ构?yīng)，空氣將跟隨物料一起進(jìn)入DC爐，與爐內(nèi)CO接觸將發(fā)生安全事故，因此，氮?dú)夤?yīng)一旦出現(xiàn)異常時(shí)，DC爐必須立即停止進(jìn)料進(jìn)入保溫狀態(tài)。若氮?dú)饷芊獠缓?，爐內(nèi)高溫?zé)煔夥礇_入給料系統(tǒng)，將發(fā)生了煤倉(cāng)內(nèi)著火事故；若中空電極的氮?dú)饷芊獠缓茫瑢⒃斐呻姌O消耗明顯增加。

2)啟停電爐時(shí)必須對(duì)電爐進(jìn)行氮?dú)獯祾咧脫Q。停爐檢查時(shí)必須用氮?dú)鈱㈦姞t內(nèi)的CO氣體吹掃置換排空后，才能打開DC爐觀察孔對(duì)熔池、掛渣、耐火材料等情況進(jìn)行檢查，檢查完畢后必須用氮?dú)鈱t內(nèi)進(jìn)入的空氣置換排空后才能通電開爐，CO氣體外泄或與空氣接觸將造成人員中毒或燃爆安全事故。

3)對(duì)電爐煤氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行氮?dú)獯祾咧脫Q。每次啟停電爐煤氣凈化系統(tǒng)時(shí)必須進(jìn)行氮?dú)獯祾咧脫Q，確保安全。

4)對(duì)電爐煤氣輸配系統(tǒng)的煤氣柜、煤氣管道進(jìn)行氮?dú)獯祾咧脫Q。

5)對(duì)無煙煤、鈦鐵礦干燥燃燒系統(tǒng)進(jìn)行氮?dú)獯祾咧脫Q。

6)鐵水脫硫處理反應(yīng)試劑的輸送。

7)控制儀表的氮?dú)夤?yīng)。

氮?dú)獾挠猛尽⒂脷恻c(diǎn)、用量及工作制度詳見表1。

2 改造前氮?dú)庀到y(tǒng)概況

現(xiàn)場(chǎng)制氮是指氮?dú)庥脩糇再?gòu)制氮設(shè)備生產(chǎn)氮?dú)猓酶骺諝獾姆悬c(diǎn)不同使用液態(tài)空氣分離法，將氧氣和氮?dú)夥蛛x而得到氮?dú)?。工業(yè)規(guī)模制氮生產(chǎn)方法主要有深冷空分制氮、變壓吸附制氮和膜分離制氮等3種。變壓吸附法制氮裝置是一種高效的現(xiàn)場(chǎng)制氮裝置。具有運(yùn)行可靠，全自動(dòng)操作，開停機(jī)方便，氮?dú)饧兌群偷獨(dú)猱a(chǎn)量可適當(dāng)調(diào)節(jié)，運(yùn)行成本低，設(shè)備緊湊，占地面積小，建設(shè)周期短、投資少、能耗低、無環(huán)境污染、常溫生產(chǎn)和維修量小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于用氣量不大，氮?dú)饧兌炔惶貏e高的領(lǐng)域。因此選用變壓吸附法制氮裝置一套。改造前氮?dú)庀到y(tǒng)技術(shù)參數(shù)詳見表2。

表1 氮?dú)庥猛?、用氣點(diǎn)、用量及工作制度表

表2 改造前氮?dú)庀到y(tǒng)技術(shù)參數(shù)表

變壓吸附制氮裝置技術(shù)是一項(xiàng)在常溫下從空氣中直接制取氮?dú)獾母咝鹿?jié)能分離技術(shù)，原料空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至1.2 MPa，首先經(jīng)過高效除油器進(jìn)行三級(jí)過濾，除去壓縮空氣中的大量油份、水份、微固體顆粒；而后進(jìn)入微熱再生吸附式干燥機(jī)進(jìn)一步除去水分，使壓縮壓縮空氣的露點(diǎn)降到-23℃；之后進(jìn)入精密過濾器和活性碳過濾器，進(jìn)一步除去壓縮空氣中含有的固體顆粒，使壓縮空氣品質(zhì)達(dá)到0.001μm；之后進(jìn)入填裝吸附劑的變壓吸附分離系統(tǒng)，即制氮機(jī)組。潔凈的壓縮空氣由吸附塔底端進(jìn)入，氣流經(jīng)空氣擴(kuò)散器擴(kuò)散以后，均勻進(jìn)入吸附塔，進(jìn)行氧氮吸附分離，然后從出口端流出氮?dú)猓M(jìn)入氮?dú)饩彌_罐，之后經(jīng)增壓、減壓(至常壓)，脫除所吸附的雜質(zhì)組分(主要為氧氣)，完成吸附劑的再生。2個(gè)吸附塔交替循環(huán)操作，連續(xù)送入原料空氣，連續(xù)生出氮?dú)狻?/p>

3 投產(chǎn)后氮?dú)庀到y(tǒng)存在的問題

高鈦渣項(xiàng)目投產(chǎn)以來，DC爐穩(wěn)定運(yùn)行，工況良好。氮?dú)庀到y(tǒng)基本能夠滿足高鈦渣主體工藝的氮?dú)夤?yīng)要求。但由于原設(shè)計(jì)條件與投產(chǎn)后實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)發(fā)生變化，氮?dú)獾膶?shí)際用氣點(diǎn)、用量和工作制度與最初的工程設(shè)計(jì)的理論數(shù)值發(fā)生變化，特別是隨著公輔設(shè)施用戶的相繼投入使用，造成氮?dú)庀到y(tǒng)存在下列問題：

1)制氮系統(tǒng)噴篩現(xiàn)象頻發(fā)。項(xiàng)目投產(chǎn)以來，制氮系統(tǒng)噴篩現(xiàn)象頻發(fā)，故障發(fā)生迫使電爐停止生產(chǎn)，影響較為嚴(yán)重。

2)氮?dú)庀到y(tǒng)產(chǎn)能偏小。隨著干燥燃燒系統(tǒng)吹掃、生鐵處理脫硫劑氮?dú)廨斔?、煤氣主管道檢修時(shí)的吹掃等公輔設(shè)施用戶的相繼投入使用，氮?dú)獾闷骄昧恳言鲋? 100.46 Nm3/h，現(xiàn)有的氮?dú)庀到y(tǒng)的產(chǎn)能1 000 Nm3/h已不能滿足高鈦渣項(xiàng)目的總體供氣要求。

3)氮?dú)庀到y(tǒng)瞬間最大流量不能滿足要求。原設(shè)計(jì)瞬間最大流量為2 000 Nm3/h，而電爐啟停時(shí)或更換電極前后需通以200 Nm3(3～5 min)氮?dú)獯祾撸獨(dú)馑查g流量達(dá)到3 000 Nm3/h，且最短間隔20 min后再以相同流量重復(fù)吹掃一次，因氮?dú)馑查g輸出量很大，制氮系統(tǒng)在20 min內(nèi)為保證恒壓(800 kPa)供氣，可能會(huì)導(dǎo)致空壓機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，這是制氮系統(tǒng)故障頻發(fā)的主要原因。

4 優(yōu)化改造方案

根據(jù)氮?dú)庀到y(tǒng)的運(yùn)行狀況，分析了存在的問題，認(rèn)真落實(shí)了氮?dú)庥脷恻c(diǎn)的用途、工作制度和用氣量等指標(biāo)，實(shí)行錯(cuò)峰運(yùn)行方案，考慮盡可能利用原有氮?dú)庠O(shè)施，降低改造投資，為了提高氮?dú)夤?yīng)的可靠性和安全性，提出如下升級(jí)改造方案：

1)新增氮?dú)鈨?chǔ)罐2個(gè)，共計(jì)200 m3，總儲(chǔ)氣能力達(dá)到325 m3；

2)改造制氮吸附塔內(nèi)分子篩密封，采取添加惰性陶瓷球(起密封作用)的措施，有效解決噴篩現(xiàn)象；

3)在現(xiàn)有的3臺(tái)空壓機(jī)數(shù)量不變的情況下，新增氮?dú)馕剿捌湎嚓P(guān)輔件1套，并接入現(xiàn)有的1 000 Nm3/h氮?dú)馕剿捌湎嚓P(guān)輔件系統(tǒng)之中，盡可能共用現(xiàn)有的吸干機(jī)等輔助設(shè)備，2臺(tái)空壓機(jī)時(shí)開啟確保有制氮系統(tǒng)有1 100 Nm3/h的產(chǎn)能，3臺(tái)空壓機(jī)均開啟時(shí)產(chǎn)能為1 300 Nm3/h，新增吸附塔及相關(guān)輔件后，2套制氮吸附塔系統(tǒng)依據(jù)峰值、平值及谷值的需求可切換后單獨(dú)使用。同時(shí)也起到了互為備用的作用，大大提高了氮?dú)夤?yīng)的可靠性，滿足工藝生產(chǎn)的要求。

4)增加氮?dú)饩彌_罐1個(gè)，約4.5 m3，保證新增氮?dú)獾姆€(wěn)流輸送。

5)考慮到投入原料空氣量的增加，新增1個(gè)空氣罐，充分滿足吸附塔生產(chǎn)氮?dú)鈱?duì)壓縮空氣的需求，約3 m3，與原有儲(chǔ)罐串聯(lián)后儲(chǔ)量總計(jì)達(dá)6 m3；

6)考慮2套吸附塔切換使用，空壓機(jī)、吸干機(jī)、過濾器等能夠滿足新增吸附塔的需求，不再增加。

改造后的PSA制氮系統(tǒng)流程圖詳見圖1所示。

圖1 改造后的PSA制氮系統(tǒng)流程圖

改造后的氮?dú)庀到y(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)詳見表3。

表3 改造后的氮?dú)庀到y(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

5 結(jié) 語(yǔ)

高鈦渣項(xiàng)目對(duì)氮?dú)夤?yīng)的要求具有3個(gè)特點(diǎn)：①氮?dú)庥脷恻c(diǎn)多而且分散；②供氣要求高，稍不滿足將影響主體工藝流程的順暢，甚至發(fā)生安全事故；③平均用氣量不高，但瞬間最大用氣量較高。這就為氮?dú)庀到y(tǒng)的改造提出新的要求。改造方案新增1套氮?dú)馕剿?，與原有吸附塔相互切換單獨(dú)使用，既可增加氮?dú)獾墓?yīng)量，又充分利用了原有設(shè)備；新增氮?dú)鈨?chǔ)罐2個(gè)，既滿足了瞬間最大用氣量的要求，又節(jié)省了投資。氮?dú)庀到y(tǒng)升級(jí)改造實(shí)施完成后，制氮系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行良好，滿足了高鈦渣項(xiàng)目對(duì)氮?dú)夤?yīng)的整體需求，保障了全密閉直流電爐熔煉高鈦渣工藝的順暢。