（煙臺(tái)國(guó)潤(rùn)銅業(yè)有限公司，山東 煙臺(tái) 264010）

0 前言

煙臺(tái)國(guó)潤(rùn)銅業(yè)有限公司(以下簡(jiǎn)稱“國(guó)潤(rùn)銅業(yè)”)在2017 年以前采用“側(cè)吹爐熔煉+側(cè)吹吹煉”工藝，粗銅產(chǎn)能為60 kt/a，配套的硫酸系統(tǒng)產(chǎn)能為200 kt/a。為解決產(chǎn)能達(dá)不到行業(yè)準(zhǔn)入100 kt/a 的要求及綜合能耗高的問題，中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司、國(guó)潤(rùn)銅業(yè)聯(lián)合開發(fā)了“富氧側(cè)吹熔煉+多槍頂吹連續(xù)吹煉+火法陽極精煉”熱態(tài)三連爐連續(xù)煉銅生產(chǎn)工藝，并實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用。熔煉及配套改造項(xiàng)目由中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)，粗銅設(shè)計(jì)產(chǎn)能為100 kt/a，硫酸設(shè)計(jì)產(chǎn)能為370 kt/a。銅冶煉過程中需要純度85% 的氧氣、氮?dú)庖约吧倭康募冄酢?/p>

公司周邊有幾家大型空分企業(yè)，液氮、液氧、氬氣等產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)激烈，相關(guān)產(chǎn)品的銷售利潤(rùn)空間較少。國(guó)潤(rùn)銅業(yè)采用常規(guī)深冷空分法制取氧氣，氧氣的純度通常大于99.2%，需要通過增加空壓機(jī)補(bǔ)充一定量的空氣，來混合制成純度85%的氧氣，這種方法能耗較高。經(jīng)過多次論證，公司決定采用富氧深冷空分技術(shù)制氧[1]。銅冶煉及配套制氧系統(tǒng)于2017年7 月一次性試生產(chǎn)成功，經(jīng)過3 年多的生產(chǎn)實(shí)踐，制氧指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

本文介紹了富氧深冷空分的工藝流程，并與變壓吸附、常規(guī)純氧空分工藝對(duì)比，分析該工藝的優(yōu)點(diǎn)及運(yùn)行中存在的問題，并就問題提出了相應(yīng)優(yōu)化措施。

1 富氧深冷空分裝置簡(jiǎn)介

1.1 裝置構(gòu)成

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)考察不同設(shè)備生產(chǎn)廠家、不同設(shè)備的使用狀況及多方論證，于2016 年5 月選擇了福斯達(dá)KDON-18800(150Y)/3000 型空氣分離設(shè)備。該裝置組成如圖1 所示。該系統(tǒng)主要由1 臺(tái)主換熱器E1A-D，1 臺(tái)下塔C1、1 臺(tái)主冷凝蒸發(fā)器K1-1/2、1臺(tái)上塔C2、1 臺(tái)過冷器E2、1 臺(tái)輔助下塔(以下簡(jiǎn)稱輔塔)C3、1 臺(tái)輔塔冷凝蒸發(fā)器K2、1 臺(tái)純氧塔C4及1 臺(tái)純氧塔蒸發(fā)器K3 組成。

圖1 18800 富氧深冷空分雙下塔工藝示意圖

1.2 富氧深冷空分工藝流程

需加工的空氣在下塔C1 中精餾，在下塔頂部和底部分別得到純氮?dú)夂透谎跻嚎?。下塔頂部的純氮?dú)馊窟M(jìn)入主冷凝蒸發(fā)器K1 中進(jìn)行冷凝，然后大部分作為下塔的回流液回流至下塔頂部，小部分則送入過冷器進(jìn)行過冷。過冷后的液氮經(jīng)過節(jié)流后，全部送入上塔頂部作為上塔回流液，參與上塔精餾。

在下塔底部獲得的富氧液空，經(jīng)過冷器過冷后全部送入輔塔冷凝蒸發(fā)器K2 作為冷源，富裕液氮回流至上塔中部參與上塔精餾，輔塔液空閃蒸汽返回上塔參與上塔精餾。

液氮、膨脹空氣、輔塔液空和輔塔液空閃蒸汽經(jīng)過上塔的精餾過程后，在上塔C2 底部、下部、頂部分別得到液氧、產(chǎn)品氧氣、氮?dú)?，在上塔中上部抽取污氮?dú)?。底部的液氧在主冷凝蒸發(fā)器K1 中與下塔頂部的氮?dú)鈸Q熱，被汽化后，一部分作為上升氣參與上塔精餾，一部分作為產(chǎn)品從主冷凝蒸發(fā)器頂部抽出，一部分進(jìn)入純氧塔C4 中進(jìn)行精餾。在純氧塔底部設(shè)置蒸發(fā)器K3，該蒸發(fā)器的熱源由從主換熱器出來的經(jīng)過增壓機(jī)的中壓空氣提供。在純氧塔底部得到99.6%純度的液氧，接著該部分液氧送入液氧貯槽。

在上塔中上部抽取的污氮?dú)夂驮陧敳康玫降牡獨(dú)饨?jīng)過冷器E2 和主換熱器E1A-D 復(fù)熱后送出冷箱。污氮?dú)獬徊糠謿庾鳛榧兓到y(tǒng)的再生用氣外，其余全部送入水冷塔回收冷量，之后氮?dú)庾鳛楫a(chǎn)品氣送給用戶。

為滿足85%純度氧氣以及工藝流程的要求，精餾塔還設(shè)置了一個(gè)輔塔系統(tǒng)。低壓空氣在主換熱器E1A-D 中被精餾塔系統(tǒng)產(chǎn)生的低溫低壓污氮?dú)?、氮?dú)夂脱鯕饫鋮s至接近液化溫度，隨后進(jìn)入輔塔參與精餾。在輔塔頂部和底部分別得到純氮?dú)?、富氧液空。輔塔頂部的氮?dú)馊窟M(jìn)入輔塔冷凝蒸發(fā)器K2中進(jìn)行冷凝，隨后大部分液氮作為下塔的回流液回流至下塔頂部，其余部分送入過冷器進(jìn)行過冷。過冷后的液氮經(jīng)過節(jié)流后，全部送入上塔頂部作為上塔回流液，參與上塔精餾。

輔塔底部的富氧液空經(jīng)過冷器過冷后，全部送入輔塔冷凝蒸發(fā)器K2 作為冷源。大部分富氧液空被蒸發(fā)成液空蒸汽回到上塔，作為上升氣參與精餾，其余富氧液空回流至上塔中部參與上塔精餾。

1.3 富氧深冷空分設(shè)計(jì)參數(shù)

該裝置的產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)量、純度及壓力見表1。

表1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)量、純度及壓力

2 制氧工藝對(duì)比

2.1 富氧深冷空分裝置的改進(jìn)

在常規(guī)純氧空分裝置中，因受精餾塔中下部產(chǎn)品純度要求以及主冷凝蒸發(fā)器上部與底部不可避免的溫差影響[2]，精餾塔下塔的操作壓力已被限定，再加上壓縮空氣從空壓機(jī)出口流動(dòng)至下塔入口受到的沿程阻力，空壓機(jī)的排氣壓力也被限制。而在常規(guī)空分裝置中，空壓機(jī)的能耗占到空分裝置總能耗的90%以上，即空分裝置的能耗已然確定，所以常規(guī)空分的能耗基本是固定值，可優(yōu)化的余地很少。

富氧深冷空分裝置采用一臺(tái)下塔一臺(tái)輔塔的雙下塔制取低純氧的工藝，氧氣的供應(yīng)采用冷箱外壓縮方式，經(jīng)換熱器氣化復(fù)熱后送出冷箱，精餾塔構(gòu)造及原理與常規(guī)深冷空分裝置基本相同[3]，區(qū)別在于富氧深冷空分裝置精餾工藝改變了常規(guī)深冷空分的流程，增設(shè)了1 臺(tái)低壓力輔塔；且為了滿足少量純度99.6%氧氣的要求，增加了1 臺(tái)小型純氧塔。

與常規(guī)深冷空分流程相比，富氧深冷空分裝置精餾工藝的上塔回流液過剩，因此通過減少上塔理論板數(shù)，降低上塔的液氣比，在上塔底部直接得到相應(yīng)純度的氧氣，從而降低上塔高度、空壓機(jī)排氣壓力和能耗。上塔多余的回流液轉(zhuǎn)移至輔塔C3，建立壓力更低的工況，進(jìn)一步降低空壓機(jī)排氣壓力和能耗。為了滿足富氧深冷空分兩種壓力的設(shè)計(jì)要求，增加了一臺(tái)增壓機(jī)?？諌簷C(jī)中占總氣量60%左右的較低壓空氣進(jìn)入輔塔，其余空氣則經(jīng)過增壓機(jī)增壓后進(jìn)入下塔C1。

富氧深冷空氣裝置采用空壓機(jī)與增壓機(jī)一體的結(jié)構(gòu)。高壓部分配6 kV 的電機(jī)，功率為5 800 kW，軸功率為5 150 kW；低壓部分配380/220 V 電機(jī)，功率為1 415.5 kW，不含備用水泵、油泵，軸功率為562.2 kW；純化器功率為1 200 kW，在240 min 內(nèi)開啟90 min，因此軸功率按450 kW 計(jì)。

2.2 常規(guī)深冷空分、變壓吸附、富氧深冷空分的對(duì)比

目前制氧工藝包括富氧深冷空分、常規(guī)深冷空分、變壓吸附，這三種工藝的比較見表2。

從表2 可知，富氧深冷空分工藝的能耗與變壓吸附基本相當(dāng)，但不存在變壓吸附產(chǎn)量逐年衰減的問題；相對(duì)常規(guī)純氧空分工藝，富氧深冷空分工藝可實(shí)現(xiàn)節(jié)能15%～20%，符合國(guó)家節(jié)能減排的要求。雙下塔富氧深冷空分既具有變壓吸附制氧的成本優(yōu)勢(shì)，可生產(chǎn)富氧，滿足銅冶煉爐的需求，又可生產(chǎn)氮、純氧的氣體和液體產(chǎn)品，滿足不同的需求，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

表2 常規(guī)深冷空分、變壓吸附與富氧深冷空分的比較

3 富氧深冷空分裝置的運(yùn)行情況

3.1 氧氣回收率

通過減少分餾塔填料層數(shù)和精餾次數(shù)，降低上塔液氣比、分離氧氮所需的分離功和氧氣純度，提高氧氣的回收率。

在深冷空分領(lǐng)域，污氮?dú)庵械暮趿矿w現(xiàn)了空分裝置的先進(jìn)性。污氮?dú)庵泻趿吭降?，說明氧氣損失越少，空分裝置的氧提取率越高，性能越好。在正常運(yùn)行工況下，富氧深冷空分裝置污氮?dú)庵械暮趿績(jī)H為0.258%?？倸饬繛?0 000 Nm3/h，儀表氣400 Nm3，空氣中氧氣含量按20.95%計(jì)算，污氮?dú)鈳ё叩难鯕鉃?80 000-400-18 800-3 000-150)×0.258%=149 Nm3/h，氧氣回收率為(16 676-149)/16 676 100%=99.1%。這表明富氧深冷空分裝置的氧回收率非常高。

3.2 能耗和投資成本

由于富氧深冷空分裝置的上塔填料層數(shù)減少，上塔的高度比常規(guī)上塔降低了一半，使上塔受到的阻力減少，氧氣飽和壓力、飽和溫度降低。由于上塔和下塔的主冷凝蒸發(fā)器溫差不變，下塔頂部的氮?dú)怙柡蜏囟?、下塔壓力降低，從而降低了空壓機(jī)的壓力和能耗。

2018 年12 月29 日至2019 年11 月28 日，根據(jù)國(guó)潤(rùn)銅業(yè)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，富氧深冷空分裝置生產(chǎn)的氧氣量為119 733 084 Nm3，液氧量為1 174 284 Nm3，負(fù)荷率為93.5%，用電量為44 701 182 kWh，因此制氧綜合電單耗為0.362 7 kWh/Nm3。而常規(guī)純氧深冷空分的電單耗一般為0.42～0.45 kWh/Nm3。因此，常規(guī)單下塔純氧深冷空分與雙下塔富氧深冷空分工藝相比，出冷箱壓力均按0.02 MPa 算，不含氧壓機(jī)能耗，后者的電單耗降低非常顯著。

此外，由于上塔高度降低，整個(gè)冷箱的高度也降低，下塔中約60%的氣量會(huì)分到輔塔，因此輔塔投資增加，但下塔和上塔的投資均降低，整個(gè)設(shè)備的投資會(huì)隨之下降。

3.3 運(yùn)行和維護(hù)

本裝置主體采用空壓機(jī)與增壓機(jī)一體的結(jié)構(gòu)，其余均為小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備及靜設(shè)備，操作維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低。運(yùn)行3 年多，沒有出現(xiàn)故障停車問題，維修費(fèi)用主要是一些備件提報(bào)的費(fèi)用。此外，該裝置的噪聲可以達(dá)到《工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 12348—2008)的要求。

3.4 開車時(shí)間

由于富氧深冷空分裝置增設(shè)了一個(gè)低壓力輔塔，增加了一部分增壓氣體，對(duì)氣體分配、主冷凝蒸發(fā)器的液面控制的要求更加嚴(yán)格。截至2019 年11月28 日，共經(jīng)歷了4 次開車。通過摸索實(shí)踐，得到以下經(jīng)驗(yàn)：先開主塔，后開輔塔，充分利用膨脹機(jī)冷量，盡快建立工況，可以提前滿足熔煉開車的少量用氧需要。從啟動(dòng)膨脹機(jī)到出現(xiàn)液體，共需要20 h 23 min，達(dá)到設(shè)計(jì)液面需要5 h 50 min，調(diào)純需要9 h 47 min，達(dá)到設(shè)計(jì)純度共需要36 h[4]。由于熔煉開車對(duì)氣量及純度要求比較低，可以在調(diào)純期間開始使用氧氣，因而開車時(shí)間會(huì)比正常開車時(shí)間快約10 h。

4 運(yùn)行存在的問題及改進(jìn)

這套裝置是國(guó)內(nèi)首套雙下塔富氧深冷空分裝置，比較成熟，但在純化器入口溫度控制、膨脹機(jī)出口溫度控制、噪音、DCS 控制等方面還存在一些不足。經(jīng)過3 年多的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)該裝置進(jìn)行了以下改造：

4.1 冰機(jī)改造

該套富氧空分空壓機(jī)的出口壓力低，進(jìn)入純化器的飽和空氣中含水量偏高，到了夏季，冰機(jī)經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)生連鎖停車。為了確保冰機(jī)在規(guī)定負(fù)荷下工作，增加了一臺(tái)小型冰機(jī)專供夏天運(yùn)行使用。2019 年夏季，冰機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

4.2 膨脹機(jī)增加換熱器

按照阻力及熱平衡理論設(shè)計(jì)，膨脹機(jī)增壓端出口不需要配備換熱器[5]，但是調(diào)試及后續(xù)開車過程中出現(xiàn)了冷量不足及增壓端出口氣體在夏季超溫報(bào)警等問題。在2018 年底增加了換熱器，到目前為止，膨脹機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

4.3 空壓機(jī)油冷器冷卻水改造

空壓機(jī)油冷器為板式換熱器，對(duì)水質(zhì)要求很高。經(jīng)過多次數(shù)據(jù)分析，決定把系統(tǒng)補(bǔ)水點(diǎn)由循環(huán)水池補(bǔ)水改為在油冷器處補(bǔ)水，并增加了一臺(tái)自動(dòng)控制加壓泵?，F(xiàn)在水溫水壓穩(wěn)定，油溫控制得到了明顯改善。

4.4 噪聲治理

該項(xiàng)目距離居民區(qū)較近，適用的噪聲控制標(biāo)準(zhǔn)較高，空壓機(jī)廠房、管道、進(jìn)口過濾器是主要噪聲源。通過對(duì)管道加裝隔音棉，對(duì)空壓機(jī)廠房及進(jìn)口過濾器加裝隔音棉簾，噪聲達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.5 電氣及程序優(yōu)化

開車初期，純化器電爐加熱過程中，8 臺(tái)電爐的開關(guān)柜同時(shí)打開，電網(wǎng)受到的沖擊大，不利于設(shè)備的運(yùn)行，容易發(fā)生設(shè)備事故，并且經(jīng)常有個(gè)別開關(guān)或接頭燒毀。通過修改DCS 程序及開關(guān)選型，設(shè)備一直運(yùn)行穩(wěn)定。

4.6 液氧泵

熔煉瓶氧氣用量大一直是個(gè)突出問題，通過對(duì)原設(shè)備配置的液氧儲(chǔ)罐加裝液氧泵進(jìn)行改造，為熔煉直接輸送高壓管道氧氣，熔煉瓶氧氣用量減少至原來的10%左右。

5 結(jié)束語

富氧深冷空分工藝具有氧氣回收率高、投資成本和能耗低、操作和維護(hù)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、故障率低、開車時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。富氧深冷空分流程作為生產(chǎn)應(yīng)用上的新生事物，在理論設(shè)計(jì)走向?qū)嶋H應(yīng)用的過程中，通過不斷的完善，一定會(huì)顯現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。雙下塔富氧深冷空分裝置的成功運(yùn)行，為銅冶煉行業(yè)富氧深冷空分工藝的應(yīng)用開創(chuàng)了具有競(jìng)爭(zhēng)力的探索，也可為其他用氧行業(yè)提供借鑒。