如何实现更经济的富氧

  ——变压吸附制氧在高炉应用的工艺探讨

     王宏强

    传统的高炉富氧鼓风技术多是采用深冷制氧工艺生产的高压氧气，但因为深冷制氧投资比较大，所以高炉富氧多半是炼钢的富余高压气，这也就决定了高炉富氧的方式大多为机后富氧。随着冶炼技术的进步，富氧炼铁成为强化高炉冶炼的有效手段，如何得到稳定、价格低廉的氧气成为高炉富氧的关键所在。先进的变压吸附制氧技术生产出廉价的氧气，为高炉大幅度提高富氧率提供了可能性。而机前富氧工艺的应用又将变压吸附制氧在高炉的应用更延伸一步。

变压吸附制氧原理及其优点

    变压吸附法即PSA法是在较高的压力下吸附，实现气体分离，在较低压力下实现吸附剂再生。该法是基于分子筛对空气中的氧、氮组分选择性吸附而使空气分离获得氧气。当空气经过压缩，通过装有分子筛的吸附塔时，氮气分子优先被吸附，氧分子留在气相中而成为氧气。吸附达到平衡时，利用减压或抽真空将分子筛表面所吸附的氮分子驱除，恢复分子筛的吸附能力。为了连续提供氧气，装置通常设置两个或两个以上的吸附塔，一个塔吸附产氧，另一个塔解吸，以达到连续产氧的目的。

    PSA法能够生产纯度80%~95%的氧气，制氧电耗一般在0.32kWh/m3～0.37kWh/m3，吸附压力高于大气压，一般在30kPa～100kPa，流程简单，常温下工作，自动化水平高，可实现无人化管理，特别是安全性好。在真空解吸流程中，装置操作压力低，容器等不受压力容器规范控制。变压吸附工艺按吸附器的数量，分为单塔流程、两塔流程、三塔流程和五塔流程等。五塔流程的变压吸附法最为常用，就是用5个吸附床、4台鼓风机和2台真空泵，整个周期中保持2个床在吸附和抽真空，解决了大规模产氧的技术问题 。

变压吸附制氧工艺具有以下优点：

    一是采用大气进气压差自动充压技术，减少鼓风机送风量，延长设备使用寿命，降低氧气制造成本。

    二是设备简单，主要设备罗茨鼓风机和真空泵运行稳定、可靠，分子筛的使用寿命在10年以上，无需维护。

    三是产生的氧气量及纯度可根据实际使用情况进行调节，稳定纯度可达93%，经济纯度为80%~90%；产氧时间快，一般30min以内就可以达到80%以上的纯度；单位电耗仅0.32kWh/Nm3～0.37kWh/Nm3。

    四是变压吸附制氧与深冷法制氧对比有以下特点：投资低、流程简单，占地少、设备少，运动部件少；自动化程度高，基本可实现无人化管理；能够满足高炉富氧鼓风工艺要求。

两种供氧方式对比

    变压吸附制氧产生的氧气压力一般在30kPa～100kPa，目前采用的供氧方式有两种：

    第一种是机后富氧，从吸附塔出来的低压氧再通过活塞式氧压机加压到600kPa后，通过氧气压力调节阀减压调节，将氧气通过气流分配器输入高炉风机出口冷风管道内（从风机到热风炉之间的冷风管道）与空气混合进行富氧；一般配有调压阀组及相应的安全系统，以满足生产工艺的需要。该种方式投资大，特别是氧压机每台的投资少则百万元多则几百万元，并且氧气加压后电耗增加0.1kWh/Nm3。更为重要的是，高压氧气的加压和输送对设备等各个方面的安全要求更高，在施工过程中如果达不到标准很容易发生爆炸事故。

    第二种是机前富氧，直接采用从吸附塔出来的低压氧输送到风机前吸风口吸入的一种供氧方式。该种方式氧气输送压力为5kPa~10kPa，压力低、流速慢，因此需要增大供氧管道直径来满足流量。同时，为了使通过风机吸风口吸入的氧气与空气充分混匀，在进口处增加氧气分配器以满足工艺需要，达到富氧的目的。该方式省去氧气压缩机，既减少了成本投入，又节约了电耗。因为是低压输送氧气，对氧气的储存和输送都执行低压标准，降低了设备的制造费用，而且施工标准也比较低，无需安装减压及防爆装置，节省了施工的成本，能更好地确保高炉富氧炼铁的安全性。笔者建议重点推广该工艺。

应用实例与注意事项

    河南省舞钢中加钢铁有限公司2011年4月19日与北京北大先锋科技有限公司签订了技术合作意向，8月10日开工建设10600Nm3/h变压吸附制氧项目，于2012年5月9日建成。该项目为中加公司为3座高炉富氧而专门建设的独立制氧站，采用机前富氧方式给高炉富氧，一次投产成功。高炉实现富氧率5%，增产20%，煤比增加35千克/吨铁，取得了良好的经济效益。截至目前，中加公司已通过2年多的应用实践，设备运行稳定，安全可靠，氧气纯度、流量都超设计水平，而且噪音控制得很好，厂房40米处的居民无任何异议。

    氧气生产成本计算如下： 总氧量为4079961立方米/月，电总量为1372601千瓦时， 电耗为0.33643千瓦时/立方米*0.65元/千瓦时=0.218679元/立方米，盐消耗为0.0012元/立方米， 压缩空气为0.002167元/立方米， 工资为0.00598元/立方米，折旧按0.022元/立方米计算，利息为0.028元/立方米， 油费为0.0002253元/立方米，其他材料费用为0.0000751元/立方米， 合计成本为0.2783269元/立方米（含税）。

    由于该工艺应用罗茨风机，故在厂房设计、施工等环节一定要注意克服噪音和设备振动两大事项。在降噪音方面应从多方面入手，比如厂房的进排风风机加装消音器、厂房内部采用高效隔音材料、真空泵排风口由消音器改为消音效果好的消音塔、所有放空点加装高效消音器等主要措施，从根本上降低了噪音的产生，从而使该项目能够在居民生活区内以符合国家标准的噪音平稳运行。针对风机振动大的问题，对风机进出口加装弹性软连接，出口管道设计减震管道等措施。但是由于风机出口热交换器在选型时为方形结构形式，经过实际验证，该结构形式无法高效吸收缓解振动而造成换热器外壳经常振裂。经过技术交流发现，外形为圆形热交换器可以更好地吸收振动而本身不受影响，从而从根本上解决了振动问题。

    当前，受成本压力的影响，高炉综合入炉矿品位普遍降低，渣量增大，大比例富氧已经成为各大钢铁厂的选择。但仅仅利用炼钢的富余氧，会受到量的限制；大比例使用深冷制氧工艺的氧气，势必受氧气成本的制约（富氧超过4%经济不合算）。变压吸附制氧这一经济的富氧工艺的应用，使高炉大比例富氧成为可能，专门为高炉组建制氧站的时机已成熟，变压吸附制氧工艺有望成为首选。选择变压吸附制氧，建议采用机前富氧工艺。