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            VPSA制氧在鼓風爐上的應用
            2019-07-15

            萬志國  肖龍  楊振華 
            昆山錦程氣體設備有限公司

            摘要:介紹了VPSA制氧在鼓風爐富氧熔煉工藝的生產應用,生產實踐表明,該工藝原料適應性強,能耗低,指標優,生產效益高,環保效益好。
            關鍵詞:銻;鼓風爐;富氧熔煉;VPSA制氧;鉛錫合金;銅

            1.前言

                    鼓風爐是冶金設備中的豎爐。鼓風爐是將含金屬組分的爐料(礦石、燒結塊或團礦)在鼓入空氣或富氧空氣的情況下進行熔煉,以獲得锍或粗金屬的豎式爐。由爐頂、爐身和爐缸或本床組成。爐頂設有加料口和排煙口。爐身下部兩側各有向爐內鼓風的風口若干個,爐缸設有熔體排出口和放空口,本床只設一個排出口。煉鐵鼓風爐通稱高爐;鼓風爐則一般指有色金屬的熔煉豎爐。鼓風爐具有熱效率高,單位生產率(床能力)大,金屬回收率高,成本低,占地面積小等特點,是火法冶金的重要熔煉設備之一。鼓風爐可用于銅、鎳、鈷等金屬的造锍熔煉和鉛錫合金等金屬的還原熔煉,還可用于熔化雜銅和處理其他物料。銻鼓風爐具有爐床處理能力高,對原料適應性強,金屬回收率高等特點,受到企業的普遍青睞,但其也存在能耗高等缺陷。隨著社會進步和經濟發展,該工藝正受到環保和能源問題的嚴重挑戰,2007年11月錫礦山閃星銻業有限責任公司在4.5m2銻鼓風爐進行了富氧熔煉工業性應用,結果表明,富氧熔煉可以大幅降低焦率,減少二氧化碳的排放量,提高爐日處理能力,相關的技術經濟指標均優于原工藝流程,并對主要設備鼓風爐及關鍵工藝進行了技術升級,銻鼓風爐采用VPSA制氧富氧揮發熔煉,各項技術經濟指標優,其工藝技術處國際領先水平。

            2.工藝原理
            2.1工藝
                    銻鼓風爐富氧熔煉新工藝在傳統的鼓風爐工藝基礎上進行了重大創新,其工藝流程如圖1.


                    銻精礦與作為溶劑及粘合劑的石灰粉計量后進入圓盤制粒機,加水潤濕后制成粒子,經干燥后和焦炭,鐵礦石,返料等按配比自動計量后送入鼓風爐,向鼓風爐內鼓入28%富氧空氣,在1300-1400℃的高溫下物料發生物理化學反應,溶體進入前床澄清分層:銻的liu化物、氧化物分解揮發產生的粗三氧化銻隨高溫煙氣一起經過預熱回收利用系統(空氣預熱系統和汽化冷卻系統),煙氣溫度下降到500℃以下,在進入表面冷卻器,表面冷卻器將煙氣冷卻到150℃以下進入布袋收塵室,布袋收塵后的廢氣經旋流板塔用石灰乳吸收二氧化硫達標排放。前床層的爐渣,銻鋶和粗銻分別放出,爐渣放出經水淬后存入漏斗送水泥廠配置水泥,銻鋶和粗銻返回處理。空氣預熱系統使得預熱的28%富氧空氣將大量的物理顯熱直接帶入銻鼓風爐;降低了焦炭消耗,提高了能源利用率。

            2.2原理
                    銻鼓風爐揮發熔煉是利用Sb2S3易揮發易氧化和氧化生成的Sb2O3也易揮發的特性反應如下:
            Sb2S3(s)=Ab2S3(g)                  (1)
            2Sb2S3(g)+9O2=2Sb2O3+6SO2      (2)
            2Sb2S3(1)+9O2=2Sb2O3+6SO2      (3)
            上述氣態或液體Sb2S3氧化物生成的Sb2O3具有易揮發的特性,800℃時,其蒸氣壓達到4.23kpa.呈蒸汽狀態隨爐氣進入冷凝系統而沉積于系統中。
            部分未揮發或者來不及揮發的Sb2S3與未被氧化的FeS形成銻鋶流入前床。此外,還有少量的Sb2S3和Sb2O3直接發生反應生成金屬銻,隨銻鋶進圖前床。
            Sb2S3+2Sb2O3=6Sb+3SO2
            富氧揮發熔煉的特點是隨著氧氣濃度的提高,入爐空氣中氧分壓提高,反應(2)(3)更加迅速。反應(2)(3)為放熱反應,利于提高爐溫 加快爐內冶金反應的進程,爐渣通過炙熱的焦炭層過熱溫度也得到提高,強化了冶金過程。
            3.VPSA制氧在鼓風爐上的應用
                    錫礦山閃星銻業有限責任公司在工業試驗的基礎上,采用VPSA制氧(產量:1900Nm3/h,純度:80%)給鼓風機入口供氧,鼓風機出口氧含量控制在28%左右,28%富氧進入銻鼓風爐,富氧揮發熔煉工藝對南北銻冶煉廠實施了“合二為一”技術升級改造。在生產能力不變的的情況下,用1座4.5m2富氧鼓風爐替代原有的兩座3.0m2銻鼓風爐。項目于2007年11月正式投料生產,順利達產達標。目前本套VPSA制氧設備還在使用,產量:1900Nm3/h,純度:80%,混風后的純度27.85%,鋰基分子篩壽命已超過10年,實現并超越昆山錦程氣體對錫礦山閃心銻業的分子篩使用壽命10年的承諾。昆山錦程氣體設備有限公司是一家從事變壓吸附制氧設備應用研究開發的高新技術企業制造業公司。企業的使命是,始終堅持做“良心企業、價格公道”的好產品。昆山錦程VPSA制氧機的吸附劑(上海恒業)一次裝填可使用10年以上,氣動蝶閥(日本OKM)300萬次無需更換密封件。目前昆山錦程已在國內及國外有色冶金、化工、高爐富氧、臭氧氧源等行業建成近三百套裝置,運行狀態良好。
                    熔煉高爐富氧鼓風所需氧氣純度達到80%%即可, 該純度的氧氣采用變壓吸附裝置制取是最經濟合理的。所謂變壓吸附, 就是利用氣體在吸附劑上的吸附能力不同, 對空氣進行分離的一種非低溫空氣分離技術。一般采用常壓吸附真空解吸法(簡稱VPSA 法) , VPSA制氧系統主要由鼓風機、真空泵、切換閥、吸附器和氧氣緩沖罐組成。原料空氣經吸入口過濾器除掉灰塵顆粒后,被羅茨鼓風機增壓至0.45barg而進入其中一只吸附器內。吸附器內裝填吸附劑,其中水分、二氧化碳、及少量其它氣體組分在吸附器入口處被裝填于底部的活性氧化鋁所吸附,隨后氮氣被裝填于活性氧化鋁上部的沸石分子篩所吸附。而氧氣(包括氬氣)為非吸附組分從吸附器頂部出口處作為產品氣排至氧氣緩沖罐。 當該吸附器吸附到一定程度,其中的吸附劑將達到飽和狀態, 此時通過切換閥,首先經過一均壓降壓過程,將吸附塔死空間內的部分氧氣回收,同時將吸附塔壓力降至微負壓,再利用真空泵對之進行抽真空(與吸附方向相反),真空度為-0.50barg。已吸附的水分、二氧化碳、氮氣及少量其它氣體組分被抽出并排至大氣,吸附劑得到再生。


            3.1混風后的氧氣濃度對生產指標的影響
                    富氧濃度提高,進料更加順暢,爐溫(風口區)上升較快,爐床處理能力高達32.6/(m2.d),同比提高40%;焦率為33.1%,同比下降17.4%;渣含銻1.24%,同比下降約0.3個百分點;Sb2O3質量穩定且白度明顯增加;冰銅產出率及返灰率基本相同,與原工藝鼓風條件下揮發熔煉相比,富氧熔煉銻鼓風爐爐頂溫度,爐床處理能力大幅上升,焦率鐵礦石率大幅下降。但富氧濃度增加,制氧的成本也相應的提高,對有關的制氧 供氧設備及相關技術要求也高。

            3.2混風后的氧氣濃度對煙氣量的影響
                    從實測數據可看出,實驗前后的廢氣量基本相同(采用同樣的檢測方法-差壓換算法),原因是試驗過程中總鼓風量保持基本恒定,盡管處理量提高30%左右,但焦率降低15%,兩者產生的影響基本抵消。

            3.3經濟效益
                    向鼓風爐內鼓入富氧空氣,大幅度降低了入爐空氣量,尖山煙氣流量,減少煙氣帶走的熱量,降低焦炭消耗,爐床生產能力由改造前的25/(m2·d)提到到35/(m2·d),爐日處理量大幅度提高,達140t以上,取得了顯著的經濟效益和社會效益。
            1、銻礦石處理量:計劃120t/d,實際140t/d,則年產生效益:(140-120)t/d*350d*2000元/t=1400萬元
            2、焦炭消耗率:計劃30%,實際25%,則年產生效益:(30%-25%)*140t*350d*2000元/t=490元
            3、水節約:
            水:16.89t/t*(140-120)t/d*350d*1.3元/t=15.3萬元
            4、電耗
            電耗:471.2kwh/h*24h/d*350d*0.6元/t=237.5萬元
            5、折舊
            制氧系統折舊費:1000萬元/10年=100萬元
            經濟效益為:
            1+2+3-4-5=1400+490+15.3-237.5-100=1567.8萬
            4 、結論

                    與傳統的銻鼓風爐熔煉相比,富氧熔煉可大幅提高生產效率及產能,采用VPSA制氧混風綜合能耗低;其既可直接處理各種品位各種成分的含銻精礦,原料適應性增強,有價金屬的回收率高。鼓風爐富氧揮發熔煉新工藝的研發成功及工業化生產的實現,對我國有色冶煉工業節能減排實現可持續發展具有重大的意義。


            上一張現場VPSA制氧設備照片吧,很有歲月感覺,昆山錦程制氧機已穩定運行12年。

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