淺談VPSA制氧機在高爐富氧上的應用

萬志國 李廣寧 尤新龍

昆山錦程氣體設備有限公司

摘要：VPSA制氧裝置   高爐富氧  變壓吸附制氧  深冷制氧  能耗  穩定性  吸附塔 分子篩

1.前言

高爐是生產率和熱效率都很高的煉鐵設備，其主要目的是用燃料和鐵礦石及溶劑，經濟而高效率地得到溫度和成分合乎要求的液態生鐵。目前，煉鐵系統正受到投資、資源、成本、能源、環境和運輸等方面金融風暴的巨大影響，面臨著嚴重的挑戰。而利用技術進步減輕這些壓力是高爐煉鐵系統繼續生存和發展的關鍵。高爐富氧噴煤技術可以使高爐大幅度降低焦碳消耗，緩解各方面的壓力，提高高爐的競爭力。高爐富氧噴煤技術是煉鐵系統結構優化的中心環節。

我國高爐富氧鼓風所用氧氣與煉鋼所用氧氣一樣, 一般都由深冷空分制氧機生產, 氧氣純度在99%以上, 制氧電耗高，制氧工藝非常復雜，操作困難。而且為滿足煉鋼用氧,高爐用氧得不到保證, 很大程度上制約了富氧噴煤技術的推廣。若給高爐配備專用制氧機, 根據制氧純度與電耗的關系見圖(1), 用含氧80%~85%的低純度氧氣以及與高爐風壓相匹配的氧壓, 省掉制氧廠的氧氣加壓與高爐旁的減壓系統, 可使氧氣電耗由目前工業氧的0.5KWh/Nm³ 降低到0.3KWh/Nm³, 有利于富氧噴煤效益的提高。
2 高爐富氧鼓風

2.1何謂高爐富氧鼓風

富氧鼓風是指往高爐鼓風加入工業氧(一般含氧80%~99.5％)，使鼓風含氧超過大氣含氧量，其目的是提高冶煉強度以增加高爐產量和強化噴吹燃料在風口前燃燒。高爐富氧鼓風具有提高產量、增加煤比、降低焦比的顯著作用。

2.2加氧方式

富氧鼓風的操作方法主要有兩種:一種是從鼓風機吸入口加入低壓氧氣，其優點是氧氣不用專門氧壓機加壓，可節約投資與電耗，高爐操作方便，氧漏損較多，漏損率達到15%，該方法在前蘇聯普遍采用;另一種是采用高壓供氧即工業氧通過加壓后直接加入高爐管道內，其優點是可與煉鋼用氧聯網，保持制氧機全負荷運行，但需增設氧壓機加壓，投資多，電耗高。

2.3 高爐富氧鼓風對冶煉的影響

高爐煉鐵是將鐵礦石/焦炭/造渣劑（石灰石等）與空氣在高爐內相互反應生成鐵水、爐渣與高爐煤氣，其化學反應式如下：

C+O2—CO2+熱量 CO2+C—2CO—熱量

FeO+CO—Fe+CO2—熱量 FeO+C—Fe+CO—熱量

從化學式看出高爐富氧后

(1)提高冶煉強度：

(2)提高理論燃燒溫度；

(3)增加煤氣中的CO含量，促進間接還原；

(4)降低爐頂煤氣溫度。

2.4 高爐富氧鼓風對產量和焦比的影響

(1)富氧鼓風加速碳素燃燒，煤比不變則產量增加，提高含氧1％可增產4.76％，這是理論增產率，隨著富氧率提高，增產率遞減。

(2)一般原來焦比較高，富氧率不變時，因熱能利用改善，焦比將有所降低。

3.變壓吸附裝置技術特點及適用性

與傳統深冷空分技術相比, 變壓吸附制氧技術特點主要是: 工藝流程簡單, 不需要復雜的預處理裝置, 自動化程度高; 裝置運行獨立性強, 穩定性好, 可靠性高, 可連續供氧; 開停車時間短(一般30min內可達使用要求); 在常溫常壓下運行, 安全性能好;運行和維護費用低, 建工程費用低, 水電消耗少電耗僅為0. 30kWh /Nm³ )。根據國家相關政策要求, 冶金企業要充分利用現有煉鋼余氧, 并大力提倡有能力的企業為煉鐵高爐建專用VPSA制氧機, 以保證其穩定連續用氧的需求。傳統深冷空分裝置能耗高,而作為工藝流程簡單、結構緊湊、自動化程度高、投資和運行成本相對較低的變壓吸附制氧技術,其應用前景十分廣闊, 也符合企業快速集約發展的要求。在資金及其他外圍條件許可的條件下, 各大鋼廠應積極考慮上馬變壓吸附制氧裝置, 以保證鐵前系統穩定均衡運行, 促進鋼鐵行業快速可持續發展。

 4.變壓吸附裝置技術

煉鐵高爐富氧鼓風所需氧氣純度達到80% ~85%即可, 該純度的氧氣采用變壓吸附裝置制取是最經濟合理的。所謂變壓吸附, 就是利用氣體在吸附劑上的吸附能力不同, 對空氣進行分離的一種非低溫空氣分離技術。一般采用常壓吸附真空解吸法(簡稱VPSA 法) , VPSA制氧系統主要由鼓風機、真空泵、切換閥、吸附器和氧氣緩沖罐組成。原料空氣經吸入口過濾器除掉灰塵顆粒后,被羅茨鼓風機增壓至0.45barg而進入其中一只吸附器內。吸附器內裝填吸附劑,其中水分、二氧化碳、及少量其它氣體組分在吸附器入口處被裝填于底部的活性氧化鋁所吸附,隨后氮氣被裝填于活性氧化鋁上部的沸石分子篩所吸附。而氧氣(包括氬氣)為非吸附組分從吸附器頂部出口處作為產品氣排至氧氣緩沖罐。當該吸附器吸附到一定程度,其中的吸附劑將達到飽和狀態, 此時通過切換閥,首先經過一均壓降壓過程,將吸附塔死空間內的部分氧氣回收,同時將吸附塔壓力降至微負壓，再利用真空泵對之進行抽真空(與吸附方向相反),真空度為-0.50barg。已吸附的水分、二氧化碳、氮氣及少量其它氣體組分被抽出并排至大氣,吸附劑得到再生。昆山錦程氣體2015年在甘肅華北經貿承建了1套VPSAO-6250-4B型制氧機為業主方取得了良好的經濟效益。在甘肅華北經貿的基礎上，昆山錦程加大研發力度，2019年初喜獲南鋼25000Nm3/h的VPSA制氧機供貨合同。昆山錦程氣體設備有限公司是一家從事變壓吸附制氧設備應用研究開發的高新技術企業制造業公司。企業的使命是，始終堅持做“良心企業、價格公道”的好產品。昆山錦程VPSA制氧機的吸附劑一次裝填可使用10年以上，氣動蝶閥300萬次無需更換密封件。目前昆山錦程已在國內及國外有色冶金、化工、高爐富氧、臭氧氧源等行業建成近三百套裝置,運行狀態良好。
5.大型VPSAO-6250/80型2塔VPSA制氧設備研發：

  變壓吸附制氧技術在空分領域中逐步余深冷空分分庭抗禮的局面。根據國內外在用的制氧機評價材料證明,10000NM³/h O2以下制氧機，深冷法制氧機除了有可生產副產品液體的優勢外相對變壓吸附優勢已經不明顯。而根據現國內陸續投產的幾套大型變壓吸附制氧裝置使用資料顯示，20000NM³/hO₂以下制氧機組，低溫制氧機與變壓吸附也是優勢互存。但在裝置大型化上低溫制氧機的優勢還是明顯的，國內已經能做到83000NM³/h，國外也已經能做到100000NM³/h。變壓吸附因為受主機制造質量和容量的影響，也受大口徑切換蝶閥制造難度和新型高效吸附塔開發研究滯后等原因影響，目前還做不到這樣大的裝置。 從上文說明了VPSA大型化（單套5000Nm³/h純氧）的難度。近年來經過不斷研究、開發，昆山錦程氣體已能做到兩塔5000Nm³/h的純氧VPSA制氧裝置，比同等規模的深冷空分裝置更經濟、操作更簡單。VPSAO-6250/80制氧裝置，突破了國內外變壓吸附制氧裝置大于純氧5000Nm³/h的大型空分制氧裝置的界限，讓國內VPSA制氧大型化又上了一個臺階。目前昆山錦程正在積極研發多塔型模組化VPSA制氧裝置。在研發大型化VPSA制氧機時遇到遇到不少技術難題，例如吸附塔采用何種形式，VPSA制氧裝置的吸附塔，主要形式有：軸向流和徑向流。軸向流吸附塔國內外制造工藝成熟而穩定；經過20多年的發展，已經受住工業的考驗，穩定性、可靠性、安全性得到了保證；昆山錦程氣體在國內行業最早開始變壓吸附研究和應用，早期項目已經經過二十年的考驗和驗證，設備穩定性和可靠性國內反響最好。徑向流吸附塔國外林德公司應得到了成熟的發展和應用，國內最近兩年開始流行，有很大部分沒有在實際工業中得到了應用，所以穩定和和可靠性沒有得到驗證。徑向流如果未掌握核心技術，容易出現分子篩分化和孔板脫焊、純度波動大等現象；在國內未發展成熟。徑向流吸附塔聚酯復合膜壓緊，膜的材料非常重要，通常國內的膜每三個月就要更換，兩年左右分子篩就出現粉化。昆山錦程VPSAO-6250/80采用目前流行的雙塔流程，因為吸附制氧每個塔都是需要最少吸附和解吸兩個過程，所以產氧不是連續的，最早的三塔（或多塔）流程就是基于要連續制取氧氣而被發明出來。該流程分子篩用量大。為了減少分子篩的用量，四塔流程被開發出來，相當于兩組設備交替工作，兩個吸附塔保證每時每刻都有氧氣制出。隨著分子篩性能的提高和工藝的成熟，兩塔流程越來越成熟。兩塔流程周期更短，通過緩沖罐連續供應氧氣。在大型設備上目前都采用兩塔工藝。
6.中小高爐VPSA制氧應用實例

目前國內介紹大型高爐富氧噴煤應用的文章很多，但是VPSA制氧在中小高爐中的應用介紹較少。目前，昆山錦程已經為國內多家鋼鐵企業高爐配套VPSA制氧裝置，下面簡介甘肅華北經貿高爐配套VPSA制氧設備的使用情況：

該企業高爐配套的是一套6250/80型VPSA制氧設備，高爐富氧率約為6%。目前已穩定運行超過3年。自從對高爐采用VPSA制氧富氧噴煤后，該企業高爐工況變化明顯，具體如表6.1

表6.1  甘肅華北經貿高爐富氧噴煤數據

	富氧前	富氧后
富氧率	0	6
利用系數	3.76	4.39
噴煤比	120	181
入爐焦比	490	417
風溫	1100	1160

7.結論

7.1VPSA制氧技術目前已比較成熟，因其投資少、電耗低、項目建設周期短、設備簡單等特點特別適用于高爐富氧。

7.2VPSA制氧的純度達不到純氧，但高爐富氧只是提高富氧率，VPSA制氧完全滿足要求，VPSA制氧能耗達到0.3KWh/Nm3以下，有非常高的經濟效益。

7.3VPSA制氧單套單套產量達到5000Nm3/h,解決了高爐用氧量大的問題。