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2024/06/07
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摘要：随着社会不断进步，人们对赖以生存的环境保护意识越来越强。冶金行业废渣、烟尘、尾渣中含有大量有害金属，这些金属通过工业方式再回收，可达到经济效益、环保效益。变压吸附制氧在铅回收工艺中可减少焦炭的数量，降低生产成本，故在再生铅回收领域的应用变得广泛。由云南某铅冶炼企业投资，北京北大先锋科技股份有限公司在该厂内建设的变压吸附装置顺利投产，成为高原地区铅冶炼配套VPSA制氧的成功案例，为用户带来显著的经济效益。
关键词：变压吸附制氧（VPSA）、再生铅回收、高原地区
0 前言
我国是世界产铅大国，2021年全国生产电铅和精铅736.5万吨，同比增长11%，居世界第一位。
铅是是制造铅蓄电池、电缆、子弹和弹药的原材料。铅化合物可以用作颜料、玻璃、塑料和橡胶的原料。铅酸蓄电池为铅下游最主要产品。
在铅冶炼工艺中产生的硫、铅、砷的污染和危害日趋严重，随着社会环保意识不断加深，减少工业废渣、废水排放，降低有害物质对环境的影响受到行业极大重视。近年来，铅冶炼新工艺发展迅速，如富氧流态化焙烧、QSL炼铅法、TBRC炼铅法、Kivcet炼铅法、富氧侧吹熔池熔炼技术等直接熔炼法，以进一步提高生产效率、降低能耗、节约成本、减少污染。
在铅冶炼过程中，用富氧替代空气，是强化生产、降低能耗、治理环境污染、提高技术水平、增加经济效益的有效措施。大多数情况下，氧气是由深冷空气分离法制取，传统的深冷分离制氧具有工艺成熟、运行稳定的优势，同时也有投资高、运行成本高、占地面积大、产量纯度不可调及存在爆炸隐患的劣势。而真空变压吸附制氧具有工艺流程简单、启动时间短、投资小、厂房占地面积小、能耗低、产量纯度可调、灵活性好等多方面优势，适用于氧气纯度95%以下的中小型用氧场合。该技术经过几十年的发展，在钢铁、冶金和环保等行业的应用越来越广泛，尤其是在国内低海拔地区的应用较为稳定。而在海拔较高的高原地区，空气稀薄，气温低，大气压力低，空气中氧含量和氧分压降低，鼓风机排气压力随之降低，进入吸附设备的气体压力和密度相应减少。因此，当在平原稳定运行的制氧装置转换到高原地区建设时，因大气压力低，引起吸附压力低，氮气的吸附能力减弱，从而出现产品气氧气纯度下降、氧气产量降低和性能不稳定等一系列问题。
北京北大先锋科技股份有限公司于 2019 年 10 月为云南某铅冶炼企业建设一套产量 3125Nm³/h、纯度80%的变压吸附制氧设备，应用于再生铅窑炉富氧助燃。项目地处云南省个旧市，海拔1340米。该项目是国内再生铅回收领域高原地区的中型高纯度制氧装置，项目的成功运行，为高原地区再生铅回收领域采用变压吸附制氧技术作为富氧助燃的氧源，起到重要示范作用和借鉴意义。
1 工作原理
该项目采用富氧侧吹熔池熔炼技术和电热前床技术，从低品位铅银废料（废渣、烟尘、尾渣）中生产粗铅，副产物含铟烟尘。项目中富氧为采用变压吸附制氧技术生产的80%纯度氧气。富氧侧吹炼铅工艺采用富氧空气助燃熔炼，其主要是强化了熔炼过程，最终有利于制酸。通过溜槽将富氧侧吹氧化炉与富氧侧吹还原炉连接在一起，从而实现了硫化铅精矿氧化脱硫与高铅渣还原两个过程连续进行而且不用再经过高铅渣铸块工序，以致于冶炼流程缩短。富氧侧吹炼铅工艺具有投资省、原料适应性广、能耗低、环境好、劳动强度低、作业连续等优点。[1]
富氧侧吹炼铅工艺流程图如下：
富氧侧吹氧化炉内的主要反应如下[1]：
PbS+O2=Pb+SO2
PbS+1.5O2=PbO+SO2
PbS+2PbO=3Pb+SO2
PbO+SiO2=PbO*SiO2
低品位银铅废料从富氧侧吹氧化炉炉顶经加料口连续加入氧化炉内，富氧空气（45%~94%）从炉体两侧鼓入炉内渣层，废料在炉内高温下变成熔体，并且在高浓度富氧空气的作用下，硫化铅快速发生氧化反应，生成粗铅和高铅渣。粗铅和高铅渣在炉内继续澄清分离，高铅渣后流入富氧侧吹还原炉。该过程中鼓入空气，其目的在于使高温氧化炉中的烟气充分燃烧。这部分烟气回收余热后经除尘装置后进入制酸系统。
变压吸附制氧装置为该过程提供所需要的氧气。
变压吸附制氧是根据分子筛对气体中各组分的吸附能力的差异，吸附容量随压力变化而变化。分子筛对氮气等组分的吸附容量大于氧气，高压吸附，低压解吸。从而达到N2、O2分离的目的，并在低压下分子筛解吸，重复利用。
2制氧工艺设计
2.1 工艺流程
变压吸附制氧工艺流程包括几部分：
鼓气系统：该系统由进气过滤器、鼓风机组成。以空气为原料，并将空气经鼓风机加压至50~60kPa，再经空气冷却器降温后并送入吸附塔。
吸附系统：该系统由吸附塔、氧气缓冲罐组成。本项目采用两塔径向床吸附流程，经换热器降温后的空气从吸附塔底部进入，从四周分散到塔内筒，按径向方向通过吸附剂床层，N2、水分、CO2等杂质被选择性吸附，O2经内通道从塔底排出送入氧气缓冲罐。吸附塔采用径向塔，吸附剂床层较薄，阻力减小，有效提高产氧率。
脱附系统：该系统由真空泵组成。在吸附结束后，通过真空泵将吸附塔进行抽真空至-45~-60kPa，将解吸的氮气、水分等杂质排出系统。
压氧系统：该系统由氧压机、压氧缓冲罐组成。为满足用户用氧需求，常压的氧气需经氧压机后增压至用户用氧所需的压力，再送至用户用氧点。
放空系统：该系统由调节阀、消音塔组成。氮气等杂质从塔底经真空泵排出至消音塔放空。
水系统：该系统包括软水、循环水系统组成。为动设备运行提供所需要的循环水及软水。
仪表空气系统：该系统由空压机、干燥机、仪表空气缓冲罐组成。为制氧装置气动阀门提供仪表空气，以便变压吸附过程中程控阀门能随时序准确运行，从而达到氧气纯度设计值。
2.2吸附剂
变压吸附制氧常用吸附剂主要有5A分子筛、13X分子筛以及离子交换改性分子筛。在改性分子筛中常用的是锂离子交换改性分子筛，锂离子半径最小，比N2的作用力更强。N2的四极矩大于O2，N2与骨架中的阳离子之间的作用力比O2强，使得N2在锂基分子筛的平衡吸附力比O2大。
本项目采用北大先锋自主研发的高效PU-8型锂基制氧分子筛，常温常压下氮气吸附能力强，分离性能好，同时适用于平原型、高原型制氧装置。
2.3 设备选型
1）风机泵：双轴伸电机带动鼓风机和真空泵，运转高效，设备精简，省占地。
2）电机：电机为高原型双轴伸电机，双排进口滚动轴承。
3）氧压机：变压吸附装置产生的氧气压力较低而且呈周期性波动，为满足用户用氧需求，需要氧压机将氧气产品气压力升至需要的压力，满足后续工况的使用。
4）空气冷却器：空气经鼓风机鼓入后温度升高，因低温吸附，高温解吸的吸附过程，进入吸附塔的空气温度不能太高，故而需要采用空气冷却器，降低吸附前的空气温度，提高吸附效率，增加产品气纯度。
5）空压机：变压吸附装置自动化运行需要多套气动阀门的参与。仪表空气作为气动阀门的驱动力，在整个产氧过程中非常重要。该项目未采用仪表空气，故通过空压机制得合格的仪表空气，从而驱动阀门频繁动作。
6）干燥机：自制仪表空气组分中易带有灰尘、油脂等杂质，需经干燥机及除尘、除油过滤器处理后方可进入变压吸附装置，避免灰尘、油脂对阀门造成损坏，从而影响阀门使用寿命。
7）吸附塔：本装置采用两塔吸附流程，两个吸附塔一塔处于吸附阶段另一塔同时处于再生阶段，二者交替运行。
3运行情况
3.1 运行效果
该低品位铅银废料综合利用技改项目的建构物主要有新建氧气站、新建制粒厂房、新建收尘平台、新建熔炼车间及新建原料仓库，年处理低品位铅银矿废料6万t/a，日处理料量为200t/d，以焦炭、氧化铅矿为原料，主要产品是粗铅，副产品为铟烟尘、铅冰铜。粗铅生产规模可达到6000t/a。
本工程采用富氧侧吹技术无害化、资源化处理低品位铅银废料，相对节能15%以上，具有积极的社会效益、经济效益和环保效益。该企业原存在纯氧缺口2500Nm3/h，VPSA制氧站顺利运行后，弥补了用氧缺口，解决了燃烧不充分的问题，提高了烟尘燃烧效率，节省焦炭约10%，成本降低了8%左右。增加了企业竞争力，并且满足国家宏观调控措施对于环保指标的严格要求。
3.2 装置优势
（1）占地省，投资低，建设周期短。
（2）装置使用寿命长，单位投资成本低。
（3）装置启动时间快，一般20min，操作简单，自动化程度高。
（4）制氧站电耗指标较深冷分离低。
4 结语
（1） 炼铅工艺中加入富氧，可提高燃烧效率，降低生产成本。
（2） 变压吸附制氧装置不仅适用于平原地区，在高原地区，虽然大气压低，也可以通过调整时序优化参数，产出高纯度、高产量的氧气。
（3） 调优结果表明，变压吸附制氧工艺完全满足再生铅富氧侧吹窑炉助燃的用氧需求。
[1]富氧侧吹直接炼铅工艺研究与应用，刘军，刘燕庭，中国有色冶金，2013年2月第1期，34-36，
