摘要：隨著社會不斷進(jìn)步，人們對賴以生存的環(huán)境保護(hù)意識越來越強(qiáng)。冶金行業(yè)廢渣、煙塵、尾渣中含有大量有害金屬，這些金屬通過工業(yè)方式再回收，可達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益。變壓吸附制氧在鉛回收工藝中可減少焦炭的數(shù)量，降低生產(chǎn)成本，故在再生鉛回收領(lǐng)域的應(yīng)用變得廣泛。由云南某鉛冶煉企業(yè)投資，北京北大先鋒科技股份有限公司在該廠內(nèi)建設(shè)的變壓吸附裝置順利投產(chǎn)，成為高原地區(qū)鉛冶煉配套VPSA制氧的成功案例，為用戶帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：變壓吸附制氧（VPSA）、再生鉛回收、高原地區(qū)

0 前言

我國是世界產(chǎn)鉛大國，2021年全國生產(chǎn)電鉛和精鉛736.5萬噸，同比增長11%，居世界第一位。

鉛是是制造鉛蓄電池、電纜、子彈和彈藥的原材料。鉛化合物可以用作顏料、玻璃、塑料和橡膠的原料。鉛酸蓄電池為鉛下游最主要產(chǎn)品。

在鉛冶煉工藝中產(chǎn)生的硫、鉛、砷的污染和危害日趨嚴(yán)重，隨著社會環(huán)保意識不斷加深，減少工業(yè)廢渣、廢水排放，降低有害物質(zhì)對環(huán)境的影響受到行業(yè)極大重視。近年來，鉛冶煉新工藝發(fā)展迅速，如富氧流態(tài)化焙燒、QSL煉鉛法、TBRC煉鉛法、Kivcet煉鉛法、富氧側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)等直接熔煉法，以進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率、降低能耗、節(jié)約成本、減少污染。

在鉛冶煉過程中，用富氧替代空氣，是強(qiáng)化生產(chǎn)、降低能耗、治理環(huán)境污染、提高技術(shù)水平、增加經(jīng)濟(jì)效益的有效措施。大多數(shù)情況下，氧氣是由深冷空氣分離法制取，傳統(tǒng)的深冷分離制氧具有工藝成熟、運行穩(wěn)定的優(yōu)勢，同時也有投資高、運行成本高、占地面積大、產(chǎn)量純度不可調(diào)及存在爆炸隱患的劣勢。而真空變壓吸附制氧具有工藝流程簡單、啟動時間短、投資小、廠房占地面積小、能耗低、產(chǎn)量純度可調(diào)、靈活性好等多方面優(yōu)勢，適用于氧氣純度95%以下的中小型用氧場合。該技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在鋼鐵、冶金和環(huán)保等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在國內(nèi)低海拔地區(qū)的應(yīng)用較為穩(wěn)定。而在海拔較高的高原地區(qū)，空氣稀薄，氣溫低，大氣壓力低，空氣中氧含量和氧分壓降低，鼓風(fēng)機(jī)排氣壓力隨之降低，進(jìn)入吸附設(shè)備的氣體壓力和密度相應(yīng)減少。因此，當(dāng)在平原穩(wěn)定運行的制氧裝置轉(zhuǎn)換到高原地區(qū)建設(shè)時，因大氣壓力低，引起吸附壓力低，氮氣的吸附能力減弱，從而出現(xiàn)產(chǎn)品氣氧氣純度下降、氧氣產(chǎn)量降低和性能不穩(wěn)定等一系列問題。

北京北大先鋒科技股份有限公司于 2019 年 10 月為云南某鉛冶煉企業(yè)建設(shè)一套產(chǎn)量 3125Nm3/h、純度80%的變壓吸附制氧設(shè)備，應(yīng)用于再生鉛窯爐富氧助燃。項目地處云南省個舊市，海拔1340米。該項目是國內(nèi)再生鉛回收領(lǐng)域高原地區(qū)的中型高純度制氧裝置，項目的成功運行，為高原地區(qū)再生鉛回收領(lǐng)域采用變壓吸附制氧技術(shù)作為富氧助燃的氧源，起到重要示范作用和借鑒意義。

1 工作原理

該項目采用富氧側(cè)吹熔池熔煉技術(shù)和電熱前床技術(shù)，從低品位鉛銀廢料（廢渣、煙塵、尾渣）中生產(chǎn)粗鉛，副產(chǎn)物含銦煙塵。項目中富氧為采用變壓吸附制氧技術(shù)生產(chǎn)的80%純度氧氣。富氧側(cè)吹煉鉛工藝采用富氧空氣助燃熔煉，其主要是強(qiáng)化了熔煉過程，最終有利于制酸。通過溜槽將富氧側(cè)吹氧化爐與富氧側(cè)吹還原爐連接在一起，從而實現(xiàn)了硫化鉛精礦氧化脫硫與高鉛渣還原兩個過程連續(xù)進(jìn)行而且不用再經(jīng)過高鉛渣鑄塊工序，以致于冶煉流程縮短。富氧側(cè)吹煉鉛工藝具有投資省、原料適應(yīng)性廣、能耗低、環(huán)境好、勞動強(qiáng)度低、作業(yè)連續(xù)等優(yōu)點。[1]

富氧側(cè)吹煉鉛工藝流程圖如下：

富氧側(cè)吹氧化爐內(nèi)的主要反應(yīng)如下[1]：

PbS+O₂=Pb+SO₂

PbS+1.5O₂=PbO+SO₂

PbS+2PbO=3Pb+SO₂

PbO+SiO₂=PbO*SiO₂

低品位銀鉛廢料從富氧側(cè)吹氧化爐爐頂經(jīng)加料口連續(xù)加入氧化爐內(nèi)，富氧空氣（45%~94%）從爐體兩側(cè)鼓入爐內(nèi)渣層，廢料在爐內(nèi)高溫下變成熔體，并且在高濃度富氧空氣的作用下，硫化鉛快速發(fā)生氧化反應(yīng)，生成粗鉛和高鉛渣。粗鉛和高鉛渣在爐內(nèi)繼續(xù)澄清分離，高鉛渣后流入富氧側(cè)吹還原爐。該過程中鼓入空氣，其目的在于使高溫氧化爐中的煙氣充分燃燒。這部分煙氣回收余熱后經(jīng)除塵裝置后進(jìn)入制酸系統(tǒng)。

變壓吸附制氧裝置為該過程提供所需要的氧氣。

變壓吸附制氧是根據(jù)分子篩對氣體中各組分的吸附能力的差異，吸附容量隨壓力變化而變化。分子篩對氮氣等組分的吸附容量大于氧氣，高壓吸附，低壓解吸。從而達(dá)到N₂、O₂分離的目的，并在低壓下分子篩解吸，重復(fù)利用。

2制氧工藝設(shè)計

2.1 工藝流程

變壓吸附制氧工藝流程包括幾部分：

鼓氣系統(tǒng)：該系統(tǒng)由進(jìn)氣過濾器、鼓風(fēng)機(jī)組成。以空氣為原料，并將空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)加壓至50~60kPa，再經(jīng)空氣冷卻器降溫后并送入吸附塔。

吸附系統(tǒng)：該系統(tǒng)由吸附塔、氧氣緩沖罐組成。本項目采用兩塔徑向床吸附流程，經(jīng)換熱器降溫后的空氣從吸附塔底部進(jìn)入，從四周分散到塔內(nèi)筒，按徑向方向通過吸附劑床層，N₂、水分、CO₂等雜質(zhì)被選擇性吸附，O₂經(jīng)內(nèi)通道從塔底排出送入氧氣緩沖罐。吸附塔采用徑向塔，吸附劑床層較薄，阻力減小，有效提高產(chǎn)氧率。

脫附系統(tǒng)：該系統(tǒng)由真空泵組成。在吸附結(jié)束后，通過真空泵將吸附塔進(jìn)行抽真空至-45~-60kPa，將解吸的氮氣、水分等雜質(zhì)排出系統(tǒng)。

壓氧系統(tǒng)：該系統(tǒng)由氧壓機(jī)、壓氧緩沖罐組成。為滿足用戶用氧需求，常壓的氧氣需經(jīng)氧壓機(jī)后增壓至用戶用氧所需的壓力，再送至用戶用氧點。

放空系統(tǒng)：該系統(tǒng)由調(diào)節(jié)閥、消音塔組成。氮氣等雜質(zhì)從塔底經(jīng)真空泵排出至消音塔放空。

水系統(tǒng)：該系統(tǒng)包括軟水、循環(huán)水系統(tǒng)組成。為動設(shè)備運行提供所需要的循環(huán)水及軟水。

儀表空氣系統(tǒng)：該系統(tǒng)由空壓機(jī)、干燥機(jī)、儀表空氣緩沖罐組成。為制氧裝置氣動閥門提供儀表空氣，以便變壓吸附過程中程控閥門能隨時序準(zhǔn)確運行，從而達(dá)到氧氣純度設(shè)計值。

2.2吸附劑

變壓吸附制氧常用吸附劑主要有5A分子篩、13X分子篩以及離子交換改性分子篩。在改性分子篩中常用的是鋰離子交換改性分子篩，鋰離子半徑最小，比N₂的作用力更強(qiáng)。N₂的四極矩大于O₂，N₂與骨架中的陽離子之間的作用力比O₂強(qiáng)，使得N₂在鋰基分子篩的平衡吸附力比O₂大。

本項目采用北大先鋒自主研發(fā)的高效PU-8型鋰基制氧分子篩，常溫常壓下氮氣吸附能力強(qiáng)，分離性能好，同時適用于平原型、高原型制氧裝置。

2.3 設(shè)備選型

1）風(fēng)機(jī)泵：雙軸伸電機(jī)帶動鼓風(fēng)機(jī)和真空泵，運轉(zhuǎn)高效，設(shè)備精簡，省占地。

2）電機(jī)：電機(jī)為高原型雙軸伸電機(jī)，雙排進(jìn)口滾動軸承。

3）氧壓機(jī)：變壓吸附裝置產(chǎn)生的氧氣壓力較低而且呈周期性波動，為滿足用戶用氧需求，需要氧壓機(jī)將氧氣產(chǎn)品氣壓力升至需要的壓力，滿足后續(xù)工況的使用。

4）空氣冷卻器：空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)鼓入后溫度升高，因低溫吸附，高溫解吸的吸附過程，進(jìn)入吸附塔的空氣溫度不能太高，故而需要采用空氣冷卻器，降低吸附前的空氣溫度，提高吸附效率，增加產(chǎn)品氣純度。

5）空壓機(jī)：變壓吸附裝置自動化運行需要多套氣動閥門的參與。儀表空氣作為氣動閥門的驅(qū)動力，在整個產(chǎn)氧過程中非常重要。該項目未采用儀表空氣，故通過空壓機(jī)制得合格的儀表空氣，從而驅(qū)動閥門頻繁動作。

6）干燥機(jī)：自制儀表空氣組分中易帶有灰塵、油脂等雜質(zhì)，需經(jīng)干燥機(jī)及除塵、除油過濾器處理后方可進(jìn)入變壓吸附裝置，避免灰塵、油脂對閥門造成損壞，從而影響閥門使用壽命。

7）吸附塔：本裝置采用兩塔吸附流程，兩個吸附塔一塔處于吸附階段另一塔同時處于再生階段，二者交替運行。

3運行情況

3.1 運行效果

該低品位鉛銀廢料綜合利用技改項目的建構(gòu)物主要有新建氧氣站、新建制粒廠房、新建收塵平臺、新建熔煉車間及新建原料倉庫，年處理低品位鉛銀礦廢料6萬t/a，日處理料量為200t/d，以焦炭、氧化鉛礦為原料，主要產(chǎn)品是粗鉛，副產(chǎn)品為銦煙塵、鉛冰銅。粗鉛生產(chǎn)規(guī)模可達(dá)到6000t/a。

本工程采用富氧側(cè)吹技術(shù)無害化、資源化處理低品位鉛銀廢料，相對節(jié)能15%以上，具有積極的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。該企業(yè)原存在純氧缺口2500Nm³/h，VPSA制氧站順利運行后，彌補(bǔ)了用氧缺口，解決了燃燒不充分的問題，提高了煙塵燃燒效率，節(jié)省焦炭約10%，成本降低了8%左右。增加了企業(yè)競爭力，并且滿足國家宏觀調(diào)控措施對于環(huán)保指標(biāo)的嚴(yán)格要求。

3.2 裝置優(yōu)勢

（1）占地省，投資低，建設(shè)周期短。

（2）裝置使用壽命長，單位投資成本低。

（3）裝置啟動時間快，一般20min，操作簡單，自動化程度高。

（4）制氧站電耗指標(biāo)較深冷分離低。

4 結(jié)語

（1） 煉鉛工藝中加入富氧，可提高燃燒效率，降低生產(chǎn)成本。

（2） 變壓吸附制氧裝置不僅適用于平原地區(qū)，在高原地區(qū)，雖然大氣壓低，也可以通過調(diào)整時序優(yōu)化參數(shù)，產(chǎn)出高純度、高產(chǎn)量的氧氣。

（3） 調(diào)優(yōu)結(jié)果表明，變壓吸附制氧工藝完全滿足再生鉛富氧側(cè)吹窯爐助燃的用氧需求。

[1]富氧側(cè)吹直接煉鉛工藝研究與應(yīng)用，劉軍，劉燕庭，中國有色冶金，2013年2月第1期，34-36，