旋浮铜冶炼厂制氧工艺选择与能源调度.pdf

2 0 1 5 年第9 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 1 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 5 ．0 9 ．0 1 0 旋浮铜冶炼厂制氧工艺选择与能源调度 孙伟，胡松，赵修坦，杨广海 阳谷祥光铜业有限公司，山东阳谷2 5 2 3 2 7 摘要从熔炼整个系统及辅助制氧工序配置出发，结合祥光铜业旋浮炉3 年来的生产实践，对分多期建 设的旋浮铜冶炼厂空分配置工艺得出了较优结论，并通过能源调度系统的生产优化调度，大大降低了铜 冶炼能耗。 关键词旋浮铜冶炼；能源管理；铜单耗；V P S A ；深冷空分；节能 中图分类号T F 8 1 1文献标志码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 5 0 9 0 0 4 1 0 3 S e l e c t i o no fO x y g e nP r o d u c t i o nP r o c e s sa n dE n e r g y M a n a g e m e n ti nC o p p e rS u s p e n s i o nS m e l t i n g S U NW e i ，H US o n g ，Z H A OX i u t a n ，Y A N GG u a n g h a i X i a n g g u a n gC o p p e rC o ．，L t d ，Y a n g g u 2 5 2 3 2 7 ，S h a n d o n g ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h r e e y e a rp l a n tp r a c t i c eo fc o p p e rs u s p e n s i o ns m e h i n gf u r n a c ei ne n t i r es m e l t i n gs y s t e m a i d e dw i t hV P S Ao x y g e np r o d u c t i o ne q u i p m e n ti nX i a n g g u a n gC o p p e rC o ．，L t d ，a no p t i m i z e da p p r o a c hi n a i rs e p a r a t i o nw a so b t a i n e d ．E n e r g yc o n s u m p t i o ni nc o p p e rs m e l t i n gd r o p p e dg r e a t l yb yo p t i m a lo p e r a t i o n o fs c h e d u l i n gs y s t e mf o re n e r g yc o n t r 0 1 ． K e yw o r d s c o p p e rs u s p e n s i o ns m e l t i n g ；e n e r g ym a n a g e m e n t ；c o p p e ru n i tc o n s u m p t i o n ；V P S A ；d e e p c o o l i n ga i r s e p a r a t i o n ；e n e r g yc o n s e r v a t i o n 阳谷祥光铜业有限公司 下称祥光铜业 是世界 上一次建成的规模最大的铜冶炼厂，是继美国肯尼 柯特公司之后的世界上第二座采用闪速熔炼和闪速 吹炼“双闪速炉”工艺的铜冶炼厂，是当今世界 上技术最先进、环保、节能、高效的现代化铜冶炼厂。 项目总投资5 6 亿元。共分二期工程建设，年产5 0 万t 阴极铜、1 7 0 万t 硫酸及金银等稀贵金属。 投产数年来，公司技术团队对闪速冶炼及阳极 精炼工艺进行深度开发，对闪速炉工艺的缺陷进行 改造和创新，形成了具有中国自主知识产权的旋浮 铜冶炼新工艺成套技术。在旋浮铜冶炼新工艺的研 发过程中，能源中心和制氧车间技术人员针对其用 氧特点，紧密跟进并调整供氧方案，最终实现了粗铜 工艺吨铜综合能耗1 2 0k g c e 、作业率9 8 ％、铜回收 率9 8 ．4 ％、硫回收率9 9 ．2 ％、投料量3 5 0t ／h 、烟尘 率5 ％的世界先进铜冶炼指标。 旋浮铜冶炼的用氧、用氮特点如下 1 每周定期对熔炼炉和吹炼炉进行周修，每季 度两炉轮流安排一次较长时间的月修； 2 氮气的总使用量不大，但由于放渣和放铜不 是连续作业，氮气使用波动非常大，用气高峰时不够 用，用气低峰时存在大量放空，能源浪费及其严重； 3 工艺氧浓要求8 0 ％以上，烧口氧要求9 9 ．6 ％ 以上； 4 祥光铜业是完全买矿冶炼，矿品位、含硫量受 市场影响很大，对制氧系统变负荷能力的要求很高。 收稿日期2 0 1 5 0 4 0 9 基金项目山东省财政厅2 0 1 1 年工业企业能源管理中心建设示范项目 鲁财建指E 2 0 1 i ] 6 6 号 作者简介孙伟 1 9 8 1 一 ，男，山东茌平人，工程师． 万方数据 4 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第9 期 1 祥光二期工程制氧工艺优化选择 目前国内外制氧工艺一般分深冷精馏制氧与变 压吸附制氧，还有膜吸附制氧与水电解制氧，后两种 的应用范围较窄，有极大的局限性，本文不做探讨。 1 ．1 深冷制氧工艺的特点 深冷空分精馏制氧工艺是目前国内应用最广泛 的，技术本身非常成熟。它的优点也很突出，能产多 种产品，高纯氧、氮、液氧、液氮、液氩，并且非常适用 于大工业、大规模化。缺点是空分系统工艺复杂，仪 控连锁点很多，工艺指标特别是氩系统的指标很难 控制，不适用于频繁启停，停车再开车需要的时间达 5h 以上。由于是深冷制氧，其安全性需要靠严格 的操作和生产管理来保障。对于空分操作人员提出 了很高的要求，还要求配置多种色谱、分析仪，分析 化验人员的要求也很高。 深冷制氧的氧单耗指标一般不低于0 ．4 5 k W h ／m 3 标态，下同 ，相对于变压吸附制氧，单耗 要高一些。关键性动设备主空压机的可靠性已经有 所保证，其他的小型动设备 主要是水泵 都设置有 备机，而其他的静压容器是很难坏的，所以深冷制氧 的实际运行非常稳定。 1 ．2 V P S A 制氧工艺特点 相比深冷制氧工艺，真空变压吸附 V P S A 制 氧工艺有着先天性的优势。V P S A 制氧系统工艺非 常简单，在常温、常压下操作，主要设备是几台普通 通用鼓风机和真空泵、两台吸附罐[ 1 ] 。 相比深冷空分难停、难开的缺点，V P S A 随时可 停、随时可开，出氧时间仅2 0m i n ，整个操作过程非 常简单，安全性也不存在多大的问题。能耗指标也 很优秀，可控制在0 ．3 8k w h ／m 3 。 不过V P S A 制氧系统也有其缺陷，其设备的整 体稳定性比深冷差，日常保养和维护工作量较大。 比如高压动设备多、切换阀多且动作非常频繁，一个 切换周期内有数十次开关动作，对阀门可靠性的要 求非常高。另外，只能产富氧单一的产品，产品类型 大大少于深冷空分，纯度也最多只能达到9 5 ％。在 9 5 ％的氧浓下，其单耗也非常高。 1 ．3 旋浮铜冶炼厂制氧工艺综合比较分析 经过以上分析，发现每种工艺都有其局限性，有 其优点和缺点。如果结合旋浮铜冶炼用氧的特点， 我们做了综合分析和技术指标比较。考虑到旋浮铜 冶炼需要高纯氧气和氮气，若冶炼厂分二期或者更 多期建设，初期我们必须要适配一套深冷空分。 祥光旋浮铜冶炼二期空分工艺配套上，我们做 了详细研究和技术分析比对。假定供氧量为3 50 0 0 I n 3 ／h 、氧压2 3k P a ，深冷空分的氧浓为9 9 ．6 ％、单 耗0 ．4 4k W h ／m 3 ，V P S A 的氧浓为8 5 ％、单耗0 ．3 8 k w h ／m 3 ，电费0 ．6 元／k W h 。计算结果如下。 深冷空分的年运行 80 0 0h 费用约73 9 2 万元 人工、设备折旧、维修费不计 ；V P S A 的年运行费 用63 8 4 万元 人工、设备折旧、维修费不计 。仅考 虑到旋浮炉每周的定期点检、每季度的月修，V P S A 可以完全停车待检而深冷不具备停车甚至变负荷的 条件，每年V P S A 可额外节省成本约7 3 万元 每周 4h 、每季度1 2h ，全年总计9 2h 。如果再算上故障 停炉、炉况不稳降负荷生产，保守估计每年可节省 2 0 0 万元以上的电费成本。 根据2 0 1 4 年生产数据，深冷空分和V P S A 的 供氧量分别为2 52 0 0 ．0 、2 45 1 2 ．4 万m 3 ，耗电分别 为1 ．2 3 06 、1 ．1 3 93 亿k W h 。经统计，2 0 1 4 年熔炼 系统正常和故障停炉作业时间约6 6 4h ，炉况不好 而降负荷的时间不好统计，全年生产基本非常平稳。 即使这样通过比较也可以看出，全年V P S A 比低负 荷的3 50 0 0 深冷制氧实际单耗低约9 1 3 万k W h ，折 合费用约5 4 7 万元，经济效益非常明显。 对于V P S A 设备的稳定性不高，技术人员也做 了综合分析。在V P S A 制氧系统的设置上，我们共 上4 套，这样即使一套系统出现问题，也可迅速开启 液氧汽化系统来及时进行维修。在实际运行过程 中，经常并不需要开启液氧系统，而是借闪速炉炉况 波动或点检的时候即可完成维修任务。V P S A 虽然 故障点较多，但是可较完美配合旋浮熔炼主工艺。 综上所述，在多期旋浮铜冶炼厂的建设里， V P S A 可以作为二期或者更后期的空分选择的最优 方案之一。 2旋浮冶炼炉与制氧系统的优化运行 和调度 为更好地降低旋浮冶炼炉的铜冶炼单耗，更细、 更好地发掘旋浮冶炼工艺的节能空间，提高氧气、氮 气等的利用率，熔炼系统与制氧系统的技术人员做 了很多的探索和经验总结。在此过程中，很多行之 有效的方法已经在祥光铜业得到应用和推广。 1 旋浮冶炼工艺不断改进，制氧系统与之紧密 配合，大大降低了工艺氧压，减少大量电能成本。 在引进奥图泰的双闪工艺之初，由于受工艺限 制和设备配置等多种原因，闪速炉的用氧压力高达 万方数据 2 0 1 5 年第9 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 3 6 0k P a ，制氧系统的压氧能耗很高。随着对旋浮冶 炼工艺的不断改善，旋浮炉用氧压力逐渐降低至2 0 k P a E 2 | 。 制氧系统紧密配合，对车间的管线和压氧设备 操作进行了修改 1 改造、增加了D N 7 0 0 的富氧空 气旁通管，V P S A 富氧可不经氧气鼓风机而直接送 到氧气管网中； 2 逐步降低氧气鼓风机排气压力并 最终取消了V P S A 系统的2 台氧气鼓风机，运行上 改为备用状态； 3 深冷系统主空压机排气压力调低 5k P a ，即可维持正常的生产工况。 经过计算，深冷空分主空压机排压降低后，可节 能2 5 0k w h ，停止2 台氧气鼓风机可节能5 0 0k W h ， 总计可节能7 5 0k W h ，综合可降低吨铜冶炼单耗 5 ．3k g c e 。 2 通过能源调度系统口] ，合理调度各用氧单位 的运行，监控和协助熔炼车间优化投料量，大大提高 了氧气利用率。 由于旋浮铜冶炼的用氧压力特点是低压，不能 像钢铁或化工企业一样增设球罐来缓冲用气的高 峰，空分系统只能运行在高负荷工况，当用氧单位低 负荷运行时，多余的氧气只能放空，白白损失了大量 的能源。 祥光铜业积极学习宝钢的优秀能源管理经验， 于2 0 1 2 年邀请宝钢给我们上马了能源管理和调度 系统。2 0 1 3 年底调度系统开始正式上线运行，通过 调度来合理安排各用能车间生产，合理安排供能车 间各能源介质特别是氧气、氮气系统的生产。经过 1 年多的实际运行，经公司能源管理科的测算，取得 了非常可观的效益。 能源调度氧气、氮气系统的工作模式大致如下 1 熔炼车间、精炼车间和稀贵各车间等用能单 位时时预测下一阶段的用氧量和趋势，制氧车间和 调度室第一时间即可收到，综合比较后由调度室下 达能源生产指令。 2 制氧车间收到调度指令后，根据能源设备的 实际情况，组织生产，保质保量地提供能源给各生产 车间。 3 调度室全面掌握全厂的产、用能情况，对产 供不平衡的情况综合分析、监督，及时下达指令给制 氧车间调整运行方式，以及督促熔炼车间尽量合理 调整投料量；或者协调精炼车间、稀贵各车间调整作 业负荷。 4 在能源管理系统的有效调度下，整个生产系 统有效提高了能源利用率。以氧气为例，在能源管 理系统投运前，氧气放散阀的开度常年高于3 0 ％。 调度系统上线后，经过协调生产，目前放空阀的开度 已低于1 0 ％，即可满足生产的正常波动。氧气利用 率直线上升，由8 5 ％提高至目前的9 5 ％。 3 制氧车间优化工艺操作，提高自身操作技能， 挖掘空分节能潜力，间接降低了铜冶炼单耗。 1 改造污氮气放空管道，采取各种手段降低上 塔操作压力。深冷空分投产以来，分子筛再生用污 氮气量曾达不到设计值，影响分子筛再生效果。开 始采取提高污氮压力的方法增加流量，压力提高到 2 0k P a ，虽然效果很明显但却增加了设备能耗[ 4 ] 。 二期改造时将原有污氮放空管路从变径处切除，重 新焊接大管径管路。改造完成后分子筛再生污氮压 力为1 5k P a 时，污氮流量即可达到3 40 0 0m 3 ／h ，上 塔压力降到3 9 ～4 0k P a 、氮气出塔压力为1 0k P a ， 空压机排压降低了2k P a ，既满足了生产需要又降 低了能耗。 2 充分利用膨胀机的潜力，生产液氧、液氩、液 氮。该套空分设备送入上塔的膨胀空气设计量是 2 20 0 0m 3 ／h ，实际上由于膨胀机效率高、空分塔绝 热效果好冷损小∞1 等原因，实际膨胀量仅为1 70 0 0 m 3 ／h 即可满足工艺要求。 液氧由于市场价格高，公司决定适当增加膨胀 量生产液体产品。以满足生产和市场对液氮、液氧、 液氩的需求。在保证上塔能顺利吃进增加的膨胀空 气量的情况下，我们将膨胀空气量提高至1 90 0 0 m 3 ／h 后送人上塔参加精馏，同时适当调整v 2 、v 3 等 工艺阀，确保氧气生产不受影响。调整后每天可多 生产液体产品5 ～6m 3 ，显著提高了公司整体经济 效益。 3结论 旋浮铜冶炼工艺是祥光铜业具有自主知识产权 的新型铜冶炼技术。在新工艺的开发过程中，能源 中心各专业积极配合，在工艺设备选型、优化操作、 能源生产系统管理方面出发，努力降低铜冶炼单耗 指标。对分多期建设的旋浮铜冶炼厂，通过技术分 析和实际运行经验比较，得出了更有利于冶炼厂低 成本运行的选择结果，对同类型冶炼厂空分系统的 建设和生产管理有很强的参考意义。 下转第5 4 页 万方数据 5 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 5 年第9 期 4 准确定位后将吊杆固定于反应塔顶部横梁 上，吊杆与吊耳的连接必须紧固，横梁处焊接必须满 焊保证强度。 5 先拆除原预置的丝杠，不得同时拆除，须先拆 一面丝杠后立即安装该面吊挂砖，按照此方式依次 恢复其他侧的吊挂砖。 6 吊挂砖之间缝隙不得大于1m m ，吊挂砖与 水套间的缝隙不得大于3m m 。 7 风箱定位中心位置与原位置相同，垂直高度 与原高度相同。 8 预先标示好风箱的中心，在吊装过程中与横 梁上的中心要对应在同一条线上。 5结语 实践证明，在闪速炉热态保温条件下，环绕水套 安全检修是可行的，不仅可以提高闪速炉炉体安全 运行和闪速炉作业率，也为同行业单喷嘴热态检修 积累了经验，更为以后检修单喷嘴或闪速炉其他部 位重点设备提供了参考，也有利于闪速炉单喷嘴的 安全稳定运行，保证了闪速炉高负荷、连续稳定的生 产需求。 参考文献 [ 1 ] 王晓华．闪速熔炼中央喷射型精矿喷嘴的研究与改进 [ J ] ．矿冶，2 0 0 5 ，1 4 4 3 4 3 7 ． [ 2 ] 周俊，赵荣升．金隆闪速炉精矿喷嘴运行实践[ J ] ．矿 冶，2 0 0 0 ，9 1 5 1 5 8 ． [ 3 ] 朱学松，蔡栋元，王志义．耐磨合金在镍闪速炉炉体水 冷件上的应用E J ] ．有色金属 冶炼部分 ，2 0 1 3 2 5 2 5 4 ． 上接第4 3 页 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