铜冶炼配套深冷法富氧空分工艺对比分析

李美玲， 张建松， 彭喜奎， 张慧媛

(开封空分集团设计研究院， 河南 开封 475004)

设备及自动化

铜冶炼配套深冷法富氧空分工艺对比分析

李美玲， 张建松， 彭喜奎， 张慧媛

(开封空分集团设计研究院， 河南 开封 475004)

针对当前不同铜冶炼规模配套的5种制氧规格，介绍了当前深冷法制取富氧的3种工艺流程形式及其特点，运用Aspen Plus软件对该5种制氧规格空分装置的3种流程形式进行模拟计算，得出装置的制氧能耗，并对其能耗、投资、操作进行了对比分析，据此可供铜冶炼企业空分选型参考。

深冷法制氧工艺； 空分设备； 富氧冶炼； 模拟计算； 炼铜

冶金过程中，特别是火法冶金过程中，运用富氧技术具有节省能源，降低能耗，增大处理能力，降低生产成本，减少炉气量从而有利于炉气的处理等优点[1]，这种技术作为最具潜力的有效减排二氧化碳的新型燃烧技术之一，成为全球研究者关注的热点[2]。富氧冶炼技术被广泛应用于有色冶炼中，近年来，随着富氧铜冶炼工艺的快速发展，炼铜吹氧氧气浓度也有较大提高：目前运行的大多数炼铜工艺用氧纯度在70%～80%O2之间，采用富氧底吹或富氧侧吹炼铜新工艺用氧纯度在～85% O2，个别尝试冲击90%O2。特别是在国家节能降耗、环保等产业政策的严格要求下，淘汰落后工艺，采用节能环保新工艺、整合资源提高产能、做大做强成为炼铜企业的必然选择。2016年国家规定铜冶炼规模需达到精铜产能10万t/年以上，否则面临淘汰。

目前常用的富氧底吹或富氧侧吹炼铜工艺用氧量均在150～200 m3/t铜精矿，且炼铜需要4～5倍的原粉，按装置年运行330 d(～8 000 h)计，结合目前炼铜企业通常选用的制氧装置，几种较为典型的规格如表1。

表1 制铜与制氧规模对照表

经验表明，制富氧装置1万m3/h规模以上后，传统的VPSA制氧技术受设备尺寸、气流分配结构设计、分子筛压紧装置、阀门口径等因素所限，从制氧能耗、投资、运行维护费用等几个方面与深冷法制氧相比，已没有优势。因此本文重点介绍三种深冷法制富氧工艺及其工艺特点，并以上述五种制氧规格为基础，对相应三种不同制富氧工艺能耗、投资等进行对比，以供铜冶炼企业参考选择。

1 三种不同深冷法制富氧工艺简介

1.1 双塔制氧工艺流程

出吸附器的空气分为两部分，一部分直接进入主换热器冷却后分两股：一股直接进入下塔，另一股进入液氧蒸发器冷却成液体后进入下塔；另一部分经进入增压透平膨胀机的增压端增压，冷却后进入主换热器冷却中抽，去膨胀机膨胀端膨胀制冷，膨胀后的空气进入上塔。空气在下塔精馏，得到富氧液空、贫液空、氮气，富氧液空、贫液空经过冷器过冷后节流去上塔参加精馏，氮气经主冷冷凝成液氮，部分液氮作为下塔回流液，部分液氮经过冷器过冷后节流去上塔参加精馏，上塔底部得到的富液氧汇集到主冷。从主冷里抽取富液氧去液氧蒸发器蒸发得到产品富氧气，经主换热器复热后送出；上塔中上部得到污氮气经过冷器、主换热器复热出冷箱，部分去纯化系统作再生气，部分去预冷系统回收冷量；上塔顶部得到纯氮气产品经过冷器、主换热器复热送出，详见图1。

AP—空气过滤器;TC1—空气压缩机;UF—预冷系统;HXF—纯化系统;WE—水冷却器;B—膨胀机增压端;E1—主换热器;ET—膨胀机膨胀端;C1—下塔;C2—上塔;K1—主冷凝蒸发器;K2—液氧蒸发器图1 双塔制氧工艺流程

工艺特点：氧提取率高，98%以上，流程工艺简单，设备数量少。

1.2 三塔(双上塔)制氧工艺流程

出吸附器的空气分为两部分，一部分直接进入主换热器冷却后分两股：一股直接进入上塔Ⅱ蒸发器被冷却成液体后进入下塔，另一股进入液氧蒸发器冷却，气液夹带进入下塔；另一部分经进入增压透平膨胀机的增压端增压，冷却后进入主换热器冷却中抽，去膨胀机膨胀端膨胀制冷，膨胀后的空气进入上塔Ⅰ。

空气在下塔精馏，得到富氧液空、贫液空、氮气，富氧液空、贫液空经过冷器过冷后节流去上塔参加精馏，氮气经主冷冷凝成液氮，部分液氮作为下塔回流液，部分液氮经过冷器过冷后节流去上塔Ⅰ参加精馏，上塔Ⅰ底部得到的较低纯度的富液氧汇集到主冷。从主冷里抽取的较低纯度的富液氧继续去上塔Ⅱ再次精馏，上塔Ⅱ塔顶部富氧气回上塔Ⅰ，上塔Ⅱ底部塔缶得到所需纯度液氧，从上塔Ⅱ塔缶中取出富液氧去液氧蒸发器蒸发得到产品富氧气，经主换热器复热后送出；上塔Ⅰ中上部抽取污氮气经过冷器、主换热器复热出冷箱，一部分去纯化系统作再生气，另一部分去预冷系统回收冷量；上塔Ⅰ顶部得到纯氮气产品经过冷器、主换热器复热送出，详见图2。

AP—空气过滤器;TC1—空气压缩机;UF—预冷系统;HXF—纯化系统;WE—水冷却器;B—膨胀机增压端;E1—主换热器;ET—膨胀机膨胀端;C1—下塔;C2I—上塔 I;C2II—上塔II;K1—主冷凝蒸发器;K2—液氧蒸发器图2 三塔(双上塔)制氧工艺流程

工艺特点：氧提取率较低，～95%，流程工艺复杂。

1.3 三塔(双下塔)制氧工艺流程

出吸附器的空气分为三部分：一部分直接进入主换热器冷却后进入下塔Ⅱ；一部分进入增压透平膨胀机的增压端增压，冷却后进入主换热器冷却中抽，去膨胀机膨胀端膨胀制冷，膨胀后的空气进入上塔；另一部分去增压机增压后去主换热器冷却后分成两股：一股进入下塔Ⅰ，一股进入液氧蒸发器蒸发液氧，同时自己被冷凝成液体后进入下塔Ⅰ。

空气在下塔Ⅱ精馏，得到富氧液空、氮气，富氧液空节流去下塔Ⅱ冷凝器蒸发，蒸发后的富氧空气进入上塔参加精馏；氮气经下塔Ⅱ冷凝器冷凝成液氮，一部分液氮作为下塔Ⅱ的回流液，另一部分液氮经过冷器过冷后节流去上塔参加精馏。

空气在下塔Ⅰ精馏，得到富氧液空、贫液空、氮气，富氧液空节流去下塔Ⅱ冷凝器蒸发，蒸发后的富氧空气进入上塔参加精馏；贫液空经过冷器过冷后节流去上塔参加精馏，氮气经主冷冷凝成液氮，一部分液氮作为下塔回流液，另一部分液氮经过冷器过冷后节流去上塔参加精馏，上塔底部得到的富液氧汇集到主冷。

从主冷里抽取富液氧去液氧蒸发器蒸发得到产品富氧气，经主换热器复热后送出；上塔中上部抽取污氮气经过冷器、主换热器复热出冷箱，一部分污氮气去纯化系统作再生气，另一部分去预冷系统回收冷量；上塔顶部得到的纯氮气产品经过冷器、主换热器复热送出，详见图3。

工艺特点：氧提取率较高，96%以上，流程工艺较复杂。

2 三种不同深冷法制富氧工艺对应五种规格制氧装置能耗对比

2.1 模拟计算的基础

在对上述制取富氧空分设备流程进行模拟计算时，利用Aspen Plus软件，并且对其相互作用系数作了适当修正，保证结果的可靠性。

空压机的等温效率按现有国产单轴机型的情况，在流程模拟计算中制氧规模≤22 000 m3/h的空压机按72%，增压机按70%；制氧规模在>22 000 m3/h的空压机按73%，增压机按71%进行计算压缩机的能耗。

预冷系统采用氮水预冷系统(不含冷水机组)，氮气产量制氧规模≤22 000 m3/h按3 000 m3/h，制氧规模在>22 000 m3/h按6 000 m3/h来考虑。

纯化系统的再生气按加工气量的～22%来计算再生能耗。

针对富氧工艺特点，依据设计和工业制造的经验，换热器的平均温差(LMTD)按～3.3 K，且保证换热器的最小温差不小于1.8 K。空分设备的跑冷损失计算如下：

AP—空气过滤器;TC1—空气压缩机;TC2—空气增压机;UF—预冷系统;HXF—纯化系统;WE—水冷却器;B—膨胀机增压端;E1—主换热器;ET—膨胀机膨胀端;C1I—下塔I;C2—上塔;C1II—下塔II;K1—主冷凝蒸发器;K2—液氧蒸发器图3 三塔(双下塔)制氧工艺流程

Q=21.3×(Vair)0.671

其中：Q——跑冷损失，kcal/h;

Vair——加工空气量(0 ℃,0.101 3 MPa)，m3/h。

2.2 制氧能耗

表2为典型制富氧装置的能耗。

表2 典型制富氧装置能耗

3 相同规格三种不同深冷法制富氧装置投资及操作对比

3.1 投资

上述五种规格、三种流程组织形式的所有空分装置都需要空气过滤器、空压机、预冷系统和纯化系统。在同样规格下，三塔(双上塔)制氧工艺装置与三塔(双下塔)制氧工艺装置两者均配置有空气增压机，且相对于双塔制氧工艺装置多了一个塔，一次性投资相对于双塔制氧工艺装置要高，但两者一次性投资基本相当，而双塔制氧工艺装置相对于三塔制氧工艺装置少一个塔，少了空气增压机，因此一次性投资减少～8%。

3.2 操作

三种流程组织形式中，系统和设备都配置有空气过滤器、空压机、预冷系统和纯化系统。三塔(双上塔)制氧工艺装置与三塔(双下塔)制氧工艺装置两者均配置有空气增压机、且相对于双塔制氧工艺装置多了一个塔，操作相对于双塔制氧工艺装置要复杂些，而三塔(双上塔)制氧工艺装置中双上塔之间连通，上塔Ⅰ底部的液氧是上塔Ⅱ的原料，上塔Ⅰ底部的液氧纯度变化，势必影响上塔Ⅱ底部氧产品纯度，要保障上塔Ⅱ底部氧产品纯度，对上塔Ⅰ操作要求较高，而三塔(双下塔)制氧工艺装置中双下塔原料分别来自于不同的两股正流空气，操作互不影响，因此三塔(双下塔)制氧工艺装置相对于三塔(双上塔)制氧工艺装置操作要容易些。

4 小结

从上述工艺流程及特点、能耗、投资、操作等比较可以看出：

(1) 深冷法制氧三种流程中，三塔(双下塔)制氧工艺装置最节能，操作难度介于其他两种流程之间，一次性投资相对于双塔制氧工艺装置增加～8%，而能耗可节约～7%，增加的投资可在两年内回收，因此，三塔(双下塔)制氧工艺装置为首选。

(2) 装置规模越大，能耗越低，但是，三塔(双下塔)制氧工艺装置40 000 m3/h空分相对33 000 m3/h，能耗有所增加，这是因为40 000 m3/h空分的膨胀机膨胀量大，需做成两台，膨胀功损失较多，膨胀量相对空气量的比例增加，影响了装置提取率，因此若更多考虑单位制氧能耗时，建议空分规模不要超过4万。

[1] 徐风琼.富氧在冶金中的应用与发展[J].云南冶金,1999,155,(2):17-20.

[2] 郑楚光,赵永椿,郭鑫.中国富氧燃烧技术研发进展[J]. 中国电机工程学报,2014,34,(23)：3856-3864.

Process comparison & analysis of oxygen-enriched separation process with cryogenic technology for copper smelting

LI Mei-ling, ZHANG Jian-song, PENG Xi-kui, ZHANG Hui-yuan

Based on five oxygen preparation capacities matching for various copper smelting capacities, this paper introduces the types and features of current three processes for oxygen-enriched preparation with cryogenic technology. Utilizing Aspen Plus soft for simulation calculation on the three process types of the five oxygen preparation capacities, energy consumption of oxygen preparation is obtained, and the energy consumption, investment and operation etc. are compared and analyzed. Thus, it can provide a reference to copper smelters for selection of air separation equipment.

oxygen preparation with cryogenic technology; smelting with oxygen-enriched; simulation calculation; copper smelting

李美玲(1970—)，女，高级工程师，从事空分工艺流程研发及设计工作。

2016-08-24

TF811

B

1672-6103(2017)03-0026-04