книги из ГПНТБ / Клушин Д.Н. Применение кислорода в цветной металлургии

колонне А происходит предварительное разделение воздуха на жидкий азот и обогащенную кислородом азотно-кислородную смесь. Эти жидкости используются затем для орошения верхней колонны Б, в которой воздух окончательно разделяется на кислород и азот.

Сжатый в компрессоре и охлажденный в теплообменнике воздух по трубе 1 поступает в змеевик 3 испарителя 2. В сосуде испари­ теля 2 находится кубовая жидкость — смесь, состоящая из 40% 0 2

испаритель В, состоящий из большого числа вертикальных трубок 8, концы которых впаяны в горизонтальные трубные решетки 9. Вну­ треннее пространство трубок сообщается с нижней колонной, рабо­ тающей под избыточным давлением 4,5—5,5 кГІсм2- Межтрубное пространство конденсатора сообщается с верхней колонной, избы­ точное давление в которой не должно превышать 0,5 кГІсм2, что необходимо для отвода продуктов разделения из колонны.

Межтрубное пространство конденсатора-испарителя заполнено жидким кислородом. Вследствие неодинакового давления в нижней и верхней колоннах температура конденсации паров азота, находя­

денсатора и через дроссельный вентиль 11 подается на орошение

пространстве конденсатора собирается жидкий кислород с содержа­ нием 99,5—99,8% 0 2 . За счет тепла от конденсации паров азота в трубках жидкий кислород испаряется; часть его паров подни­ мается вверх по колонне и участвует в процессе ректификации, другая часть паров кислорода отводится по трубе 10 в теплообмен­ ник и далее к потребителям. Азот с содержанием 97—99% N 2 соби­ рается в верхней части колонны Б и из нее по трубе 12 через тепло­ обменник удаляется в атмосферу.

В крупных аппаратах низкого давления змеевики в кубе нижней колонны не ставят; в этом случае воздух сжимается компрессором до давления в нижней колонне и вводится в нее над поверхностью

Принципиальная схема установки низкого давления для полу­ чения газообразного технологического кислорода приведена на рис. 2.

10

В установке низкого давления весь воздух, подаваемый турбо­ компрессором /, после концевого холодильника 2 поступает под

Поскольку теплосодержание обратного потока несколько меньше

С уменьшением производительности разделительных установок относительная доля холодопотерь возрастает. Для ее покрытия на установках средней мощности, производящих 1000—4000 м3/ч технологического кислорода, подают воздух под различным давле­

расходуют больше электроэнергии и соответственно производят более дорогой кислород. Кроме того, оборудование их относительно до­ роже, так как требуется дополнительная установка компрессоров высокого давления, холодильников и аппаратуры для очистки воздуха высокого давления от углекислоты.

11

Содержащиеся в воздухе инертные газы распределяются в воздухоразделительном аппарате двойной ректификации соответственно их температурам кипения при давлениях, имеющих место в обеих колоннах. Как видно из данных табл. 1 и рис. 3, неон и гелий, имею­ щие наиболее низкие температуры сжижения, накапливаются в га­ зообразном состоянии под крышкой конденсатора. Криптон и ксенон, температуры кипения которых выше, чем у кислорода, собираются в кубовой жидкости и вместе с ней переходят в жидкий и газообраз­

денсатора выводят в отдельную ректификационную криптоновую

установки. В этой же выносной колонне получают чистый тех­ нический кислород. Криптоновый концентрат содержит 0,1—0,2% Кг + Хе. Последующую очистку криптонового концентрата от кис­ лорода производят в специальной установке, расположенной в от­ дельном здании. Извлечение криптона в концентрат может дости­ гать 70—80%.

Аргон используют в качестве защитной атмосферы для сварки и плавки металлов и сплавов, чувствительных к примесям газов, растворимых в металле (титана, циркония, сплавов алюминия и

12

магния, легированных сталей и др.). Спрос на аргон непрерывно повышается.

На установках для получения кислорода, работающих без от­ бора аргонной фракции, содержание аргона в кислороде составляет 0,3—0,6%, в азоте 1—1,1%. Максимальная концентрация аргона имеет место 'на тарелках верхней колонны аппарата двукратной ректификации. Для извлечения аргона парообразная фракция с со­ держанием 7—10% Ar и не более 1% N 2 отбирается с определенных тарелок основной колонны и направляется в дополнительную аргонную ректификационную колонну.

Из верхней части аргонной колонны отводится сырой аргон, содержащий 82—90% Ar, 1—10% 0 2 и 4—8% N 2 . Жидкость, соби­ рающаяся в нижней части аргонной колонны, возвращается в основ­ ную колонну. Так как для извлечения аргона расходуется часть флегмы основного аппарата, процесс ректификации в нем несколько ухудшается и выдаваемый технологический кислород содержит на 0,3—0,5% меньше кислорода, а извлечение аргона не превы­ шает 25%. В установках с подачей воздуха под двумя давлениями извлечение аргона выше.

Сырой аргон очищается на специальных установках. Для очистки от кислорода сырой аргон смешивают с водородом и сжигают в реак­ торе, заполненном катализатором; очистку от азота ведут путем компримирования осушенного газа и ректификации в отдельной колонне, работающей по циклу высокого давления.

Полученный аргон содержит 99,9—99,99% Ar, 0,01—0,04% N 2 , менее 0,003% 0 2 .

Таким образом, комплексное извлечение всех компонентов воз­ духа возможно, хотя и усложняет аппаратуру и эксплуатацию кис­ лородных установок.

К И С Л О Р О Д Н ЫЕ СТАНЦИИ И ПОКАЗАТЕЛИ ИХ РАБОТЫ

Первая промышленная кислородная станция в цветной метал­ лургии была пущена на комбинате «Южуралникель» в 1956 г. [3]. Эта станция, оборудованная одним блоком KT-1000 производитель­ ностью 1000 м31ч технологического кислорода, позволила провести опытно-промышленные плавки окисленных никелевых руд в шахт­

Каменогорском свинцово-цинковом, Балхашском горно-металлур­ гическом и Иртышском полиметаллическом комбинатах, оборудо­

13

Вустановках типа KT-1000 и КТ-3600 применяют два давления воздуха, что приводит к повышенному расходу электроэнергии и увеличению удельных капиталовложений; производительность этих установок мала.

Впоследующие годы кислородные станции комплектовали более

производительными и современными блоками БР-1 и блоками БР-5. В 1970 г. общая мощность кислородных станций в цветной метал­ лургии составила 120 тыс. м3/ч [4].

В табл. 2 приведена характеристика типовых кислородных уста­ новок большой производительности.

Агрегат для разделения воздуха БР-1 (новое обозначение Кт-12) предназначен для получения технологического и технического кис­ лорода и криптонового концентрата. На рис. 4 приведена компо­ новка цеха с одним блоком БР - 1 . Атмосферный воздух проходит обеспыливающий фильтр / и засасывается турбокомпрессором 2. Сжатый до 5 am воздух из концевого воздухоохладителя и влагоот-

Т А Б Л И Ц А 2. Х А Р А К Т Е Р И С Т И К И Т И П О В Ы Х К И С Л О Р О Д Н Ы Х У С Т А Н О В О К

14

делителя поступает в регенераторы и далее в ректификационную

правляется в газгольдер или непосредственно к компрессору для

поступает по трубопроводам к потребителям для автогенной сварки, прожигания шпуров в печах и т. д. Сырой криптоновый концентрат направляется на специальную очистку от кислорода.

Агрегаты БР-1М, БР-1К и БР-1А отличаются от БР-1 тем, что на них можно получать повышенные количества технического кис­ лорода и чистого азота с содержанием 99,98% N 2 , потребляемого химической промышленностью. Агрегат БР-1КЧ позволяет весь кислород получать в виде технического. Извлечение аргона пре­ дусмотрено в блоке БР-ІКАр(КтКАр-12), выдающем до 120 м3/ч сырого аргона.

15

кислорода. Головной образец этой установки работает в опытном цехе Буруктальского никелевого завода и используется для конвер­

и выдачи чистого азота. Особенно важны разработки процесса полу­ чения обогащенного кислородом воздуха, что должно снизить капи­ тальные затраты и расход электроэнергии при производстве чистого кислорода,

Х Р А Н Е Н И Е И ТРАНСПОРТИРОВКА КИСЛОРОДА

На крупных кислородных станциях для хранения кислорода применяют металлические газгольдеры емкостью до 30 тыс. м3. Газгольдер представляет собой наполненный водой резервуар, в ко­ тором плавает колокол; кислород собирается под колоколом и количество его определяет высоту подъема колокола. Газгольдеры устанавливают на открытом воздухе, в зимнее время воду в них подогревают паром.

Давление в газгольдере зависит от веса колокола и привешенных к нему грузов и составляет 200—400 мм вод. ст. Газгольдер слу­ жит резервной емкостью, обеспечивающей подачу кислорода в тече­ ние 10—30 мин при неожиданном отключении кислородной уста­ новки.

Практически весь производимый технологический кислород от блоков разделения подается компрессорами непосредственно потре­ бителям.

Для обогащения дутья кислородом при доменной плавке кисло­ род подают на всас воздуходувок.

В цветной металлургии для обжига, шахтной плавки и фьюмингования кислород подают как на всас, так и за воздуходувками — на стороне нагнетания. Так, например, на Усть-Каменогорском и Чимкентском заводах кислород подается на всас воздуходувок. На комбинате «Южуралникель» кислородопровод разделен на пять ниток, каждая из которых врезана в соответствующий воздухопро­ вод, идущий от воздуходувок к шахтным печам. На каждой нитке

16

соблюдение правил техники безопасности гарантирует безаварий­ ную работу кислородных станций и безопасность применения кисло­ рода в металлургических процессах.

Источником взрывоопасных веществ, поступающих в воздухоразделительные аппараты, являются перерабатываемый атмосфер­ ный воздух и масла, применяемые для смазки движущихся частей компрессоров.

Многочисленные исследования показывают, что особенно взрыво­ опасны различные системы, состоящие из жидких или твердых углеводородов и жидкого кислорода [5]. Углеводороды с одинако­ вым содержанием углерода взрываются тем легче, чем меньше на­ сыщены внутримолекулярные связи. Взрыв происходит при кон­

накоплении горючих веществ и наличии импульса, способного воз­ будить взрыв. Начальным импульсом для взрыва может служить

Наибольшей чувствительностью к удару отличаются ацетилен, этилен, пропилен. Менее опасно присутствие метана и этана, раство­ римость которых в жидком кислороде относительно велика.

В среде жидкого кислорода могут взрываться древесина, прокла­ дочные материалы и др. В газообразном кислороде горят сталь, алюминий и другие металлы при нагреве выше температуры вос­ пламенения.

Для обеспечения безопасной эксплуатации воздухоразделитель­ ных установок стремятся исключить возможность поступления или накопления в воздухоразделительных аппаратах опасных примесей.

Необходимо, чтобы чистота подаваемого в установку воздуха была максимальной. Опыт показывает, что кислородную станцию лучше располагать вдали от предприятий, применяющих или выра­ батывающих коксовый газ, карбид кальция, ацетилен, а также пред­ приятий электрометаллургического производства. Необходимо сле­ дить, чтобы такие предприятия не строили рядом с действующей кислородной станцией. Желательна достаточная удаленность воздухозабора от шлаковых отвалов. Широкое распространение полу­ чило сооружение удаленных воздухозаборов. Так, например, воздухозабор кислородной станции комбината «Южуралникель» в Орске имеет длину более 2 км, так как в непосредственной близости от стан­ ции расположен завод по производству синтетического спирта, выбрасывающий в атмосферу углеводороды.

В связи с большими капитальными затратами на сооружение уда­ ленных воздухозаборов и недостаточной их эффективностью в по­

Известен ряд способов адсорбционной очистки воздуха от ацетилена

18

вированным углем и др. Применяют также способ каталитического окисления вредных примесей в воздухе при температуре 150—200° С

Вкаждом разделительном блоке имеются адсорберы ацетилена для жидкого кислорода, а некоторые блоки снабжены также проточ­ ными конденсаторами, обеспечивающими вывод углеводородов до без­ опасных пределов, независимо от концентрации их в атмосферном воздухе. Систематический контроль за содержанием ацетилена и других углеводородов и взрывоопасных веществ в жидком кисло­ роде — одно из основных мероприятий техники безопасности на кислородных станциях.

Всвязи с взрывоопасностью масел на кислородных станциях стремятся заменять поршневые компрессоры и детандеры турбомашинами, применять несмазываемые антифрикционные материалы, заменять масло на воздухозаборных фильтрах водно-глицериновой эмульсией. При пуске оборудования тщательно обезжиривают всю аппаратуру и кислородопроводы.

Винструкциях по эксплуатации оборудования, в частности, подчеркивается необходимость равномерного отбора кислорода, не­ желательность частых остановок и отогрева установки, недопусти­ мость ускоренного пуска блока и др.

Специфические требования установлены и в отношении техники безопасности работающих. В связи с возможным накоплением кисло­ рода в помещениях места курения строго регламентированы, запре­ щено пользование необезжиренными инструментами, ношение про­ масленной и синтетической одежды. Перед проведением ремонтов обязательна тщательная продувка оборудования и кислородопроводов воздухом, постановка заглушек на трубопроводы, анализ атмо­ сферы на содержание кислорода. Особыми правилами регламенти­ рованы работы по компримированию кислорода до высоких давлений, наполнению баллонов, обращению с сжиженными газами. Следует подчеркнуть, что производство кислорода и правила обращения с ним достаточно хорошо изучены, что при строгом соблюдении инструкций и правил техники безопасности обеспечивает безопас­ ность его применения.

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ КИСЛОРОДНЫХ СТАНЦИЙ

Втабл. 3 приведена калькуляция себестоимости технологиче­ ского кислорода для двух кислородных станций предприятий цвет­ ной металлургии. Одна из них состоит из трех блоков БР-1 и произ­ водит 36 500 м3/ч технологического кислорода без попутного извле­

извлекает аргон. В калькуляцию для второй установки включено производство компрессорного воздуха.

Как видно из данных табл. 3, станция, выдающая только техно­ логический кислород (и небольшое количество технического кисло­ рода и азота), расходует 0,58 квт-чім3 кислорода, при цене на элек­ троэнергию 1,5 коп/квт-ч общие затраты на производство 1000 м3