變壓吸附制氧在高爐應(yīng)用的工藝探討
王宏強(qiáng)
傳統(tǒng)的高爐富氧鼓風(fēng)技術(shù)多是采用深冷制氧工藝生產(chǎn)的高壓氧氣，但因?yàn)樯罾渲蒲跬顿Y比較大，所以高爐富氧多半是煉鋼的富余高壓氣，這也就決定了高爐富氧的方式大多為機(jī)后富氧。隨著冶煉技術(shù)的進(jìn)步，富氧煉鐵成為強(qiáng)化高爐冶煉的有效手段，如何得到穩(wěn)定、價格低廉的氧氣成為高爐富氧的關(guān)鍵所在。先進(jìn)的變壓吸附制氧技術(shù)生產(chǎn)出廉價的氧氣，為高爐大幅度提高富氧率提供了可能性。而機(jī)前富氧工藝的應(yīng)用又將變壓吸附制氧在高爐的應(yīng)用更延伸一步。
變壓吸附制氧原理及其優(yōu)點(diǎn)
變壓吸附法即PSA法是在較高的壓力下吸附，實(shí)現(xiàn)氣體分離，在較低壓力下實(shí)現(xiàn)吸附劑再生。該法是基于分子篩對空氣中的氧、氮組分選擇性吸附而使空氣分離獲得氧氣。當(dāng)空氣經(jīng)過壓縮，通過裝有分子篩的吸附塔時，氮?dú)夥肿觾?yōu)先被吸附，氧分子留在氣相中而成為氧氣。吸附達(dá)到平衡時，利用減壓或抽真空將分子篩表面所吸附的氮分子驅(qū)除，恢復(fù)分子篩的吸附能力。為了連續(xù)提供氧氣，裝置通常設(shè)置兩個或兩個以上的吸附塔，一個塔吸附產(chǎn)氧，另一個塔解吸，以達(dá)到連續(xù)產(chǎn)氧的目的。
PSA法能夠生產(chǎn)純度80%~95%的氧氣，制氧電耗一般在0.32kWh/Nm3～0.37kWh/Nm3，吸附壓力高于大氣壓，一般在30kPa～100kPa，流程簡單，常溫下工作，自動化水平高，可實(shí)現(xiàn)無人化管理，特別是安全性好。在真空解吸流程中，裝置操作壓力低，容器等不受壓力容器規(guī)范控制。變壓吸附工藝按吸附器的數(shù)量，分為單塔流程、兩塔流程、三塔流程和五塔流程等。五塔流程的變壓吸附法最為常用，就是用5個吸附床、4臺鼓風(fēng)機(jī)和2臺真空泵，整個周期中保持2個床在吸附和抽真空，解決了大規(guī)模產(chǎn)氧的技術(shù)問題。
變壓吸附制氧工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是采用大氣進(jìn)氣壓差自動充壓技術(shù)，減少鼓風(fēng)機(jī)送風(fēng)量，延長設(shè)備使用壽命，降低氧氣制造成本。二是設(shè)備簡單，主要設(shè)備羅茨鼓風(fēng)機(jī)和真空泵運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，分子篩的使用壽命在10年以上，無需維護(hù)。三是產(chǎn)生的氧氣量及純度可根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，穩(wěn)定純度可達(dá)93%，經(jīng)濟(jì)純度為80%~90%；產(chǎn)氧時間快，一般30min以內(nèi)就可以達(dá)到80%以上的純度；單位電耗僅0.32kWh/Nm3～0.37kWh/Nm3。四是變壓吸附制氧與深冷法制氧對比有以下特點(diǎn)：投資低，流程簡單，占地少，設(shè)備少，運(yùn)動部件少；自動化程度高，基本可實(shí)現(xiàn)無人化管理；能夠滿足高爐富氧鼓風(fēng)工藝要求。
兩種供氧方式對比
變壓吸附制氧產(chǎn)生的氧氣壓力一般在30kPa～100kPa，目前采用的供氧方式有兩種：
第一種是機(jī)后富氧，從吸附塔出來的低壓氧通過活塞式氧壓機(jī)加壓到600kPa后，通過氧氣壓力調(diào)節(jié)閥減壓調(diào)節(jié)，將氧氣通過氣流分配器輸入高爐風(fēng)機(jī)出口冷風(fēng)管道內(nèi)（從風(fēng)機(jī)到熱風(fēng)爐之間的冷風(fēng)管道）與空氣混合進(jìn)行富氧；一般配有調(diào)壓閥組及相應(yīng)的安全系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)工藝的需要。該種方式投資大，特別是氧壓機(jī)每臺的投資少則百萬元多則幾百萬元，并且氧氣加壓后電耗增加0.1kWh/Nm3。更為重要的是，高壓氧氣的加壓和輸送對設(shè)備等各個方面的安全要求更高，在施工過程中如果達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)很容易發(fā)生爆炸事故。
第二種是機(jī)前富氧，直接采用從吸附塔出來的低壓氧輸送到風(fēng)機(jī)前吸風(fēng)口吸入的一種供氧方式。該種方式氧氣輸送壓力為5kPa~10kPa，壓力低、流速慢，因此，需要增大供氧管道直徑來滿足流量。同時，為了使通過風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口吸入的氧氣與空氣充分混勻，在進(jìn)口處增加氧氣分配器以滿足工藝需要，達(dá)到富氧的目的。該方式省去氧氣壓縮機(jī)，既減少了成本投入，又節(jié)約了電耗。因?yàn)槭堑蛪狠斔脱鯕?，對氧氣的儲存和輸送都?zhí)行低壓標(biāo)準(zhǔn)，降低了設(shè)備的制造費(fèi)用，而且施工標(biāo)準(zhǔn)也比較低，無需安裝減壓及防爆裝置，節(jié)省了施工的成本，能更好地確保高爐富氧煉鐵的安全性。筆者建議重點(diǎn)推廣該工藝。
應(yīng)用實(shí)例與注意事項(xiàng)
河南省舞鋼中加鋼鐵有限公司2011年4月19日與北京北大先鋒科技有限公司簽訂了技術(shù)合作意向，同年8月10日開工建設(shè)10600m3/h變壓吸附制氧項(xiàng)目，于2012年5月9日建成。該項(xiàng)目是中加公司為3座高爐富氧而專門建設(shè)的獨(dú)立制氧站，采用機(jī)前富氧方式給高爐富氧，一次投產(chǎn)成功。高爐實(shí)現(xiàn)富氧率5%，增產(chǎn)20%，煤比增加35千克/噸鐵，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。截至目前，中加公司經(jīng)過2年多的應(yīng)用實(shí)踐，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，氧氣純度、流量都超設(shè)計水平，而且噪音控制得很好，距廠房40米處的居民無任何異議。
氧氣生產(chǎn)成本計算如下：總氧量為4079961立方米/月，電總量為1372601千瓦時，電費(fèi)為0.33643千瓦時/立方米×0.65元/千瓦時=0.218679元/立方米，鹽消耗為0.0012元/立方米，壓縮空氣為0.002167元/立方米，工資為0.00598元/立方米，折舊按0.022元/立方米計算，利息為0.028元/立方米，油費(fèi)為0.0002253元/立方米，其他材料費(fèi)用為0.0000751元/立方米，合計成本為0.2783269元/立方米（含稅）。
由于該工藝應(yīng)用羅茨風(fēng)機(jī)，故在廠房設(shè)計、施工等環(huán)節(jié)一定要注意克服噪音和設(shè)備振動兩大事項(xiàng)。在降噪音方面，中加公司從多方面入手，比如廠房的進(jìn)排風(fēng)風(fēng)機(jī)加裝消音器、廠房內(nèi)部采用高效隔音材料、真空泵排風(fēng)口由消音器改為消音效果好的消音塔、所有放空點(diǎn)加裝高效消音器等主要措施，從根本上減少了噪音的產(chǎn)生，從而使該項(xiàng)目能夠在居民生活區(qū)內(nèi)以符合國家標(biāo)準(zhǔn)的噪音平穩(wěn)運(yùn)行。針對風(fēng)機(jī)振動大的問題，該公司對風(fēng)機(jī)進(jìn)出口加裝了彈性軟連接，出口管道設(shè)計了減震管道等。但是由于風(fēng)機(jī)出口熱交換器為方形結(jié)構(gòu)，換熱器外殼經(jīng)常振裂，改為圓形熱交換器可以更好地吸收振動而本身不受影響，從而從根本上解決了振動問題。
當(dāng)前，受成本壓力的影響，高爐綜合入爐礦品位普遍降低，渣量增大，大比例富氧已經(jīng)成為各大鋼鐵廠的選擇。但僅僅利用煉鋼的富余氧，會受到量的限制；大比例使用深冷制氧工藝的氧氣，勢必受氧氣成本的制約（富氧超過4%經(jīng)濟(jì)不合算）。變壓吸附制氧這一經(jīng)濟(jì)的富氧工藝的應(yīng)用，使高爐大比例富氧成為可能，專門為高爐組建制氧站的時機(jī)已成熟，變壓吸附制氧工藝有望成為首選。選擇變壓吸附制氧，建議采用機(jī)前富氧工藝。