摘  要  變壓吸附技術(shù)是近40年發(fā)展起來的一項(xiàng)新型氣體分離與凈化技術(shù)，進(jìn)入21世紀(jì)以來，變壓吸附技術(shù)在煉鐵、有色、化工等行業(yè)迅速發(fā)展起來，因其安全環(huán)保、節(jié)能降耗等優(yōu)勢而得以廣泛應(yīng)用。在鋼鐵企業(yè)主要應(yīng)用于電爐煉鋼、深冷制氧設(shè)備的分子篩純化、預(yù)處理、富氧煉鐵、高爐煤氣回收利用等。其中在富氧煉鐵、高爐煤氣回收利用方面的應(yīng)用尤為引人關(guān)注，本文著重就這兩項(xiàng)技術(shù)做詳細(xì)論述。

關(guān)鍵詞：變壓吸附   富氧煉鐵　高爐煤氣利用

1.富氧煉鐵

高爐煉鐵生產(chǎn)是鋼鐵工業(yè)的主要環(huán)節(jié)。隨著煉鐵規(guī)模的擴(kuò)大，其原材料，特別是焦炭的供需矛盾日益加劇，外加焦炭價(jià)格、鐵礦石成本攀升等因素，其生產(chǎn)工藝流程的組織，先進(jìn)技術(shù)的采用就尤顯重要，迫使煉鐵生產(chǎn)勢必走富氧噴煤節(jié)焦、增鐵之路。高爐煉鐵采用富氧噴煤在增加產(chǎn)量、節(jié)省焦炭、改善煤氣質(zhì)量等方面具有良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益，因此，富氧技術(shù)越來越多地被應(yīng)用，已成為了行業(yè)的共識(shí)。

1.1 國內(nèi)富氧煉鐵的現(xiàn)狀

目前許多鋼鐵廠通行的做法是將深冷法制氧機(jī)組生產(chǎn)的99.6%的高純氧通過減壓到0.3MPa左右與鼓風(fēng)混合來進(jìn)行富氧。但這種常規(guī)的富氧方法有明顯的不足：富氧成本高（用高純度氧與空氣混合）；與煉鋼共用輸配系統(tǒng)，壓力損失大（2.5MPa→0.3MPa）；富氧不穩(wěn)定，煉鐵負(fù)荷調(diào)節(jié)難度大；富氧率不足，目前許多鋼鐵廠煉鋼余氧富氧煉鐵的富氧率不足3%，有的甚至1%都難以保證，造成富氧效果不明顯，經(jīng)濟(jì)效益等并未完全體現(xiàn)。

1.2 富氧煉鐵氧源探討

富氧煉鐵對(duì)氧氣質(zhì)量沒有特殊要求，只是將鼓風(fēng)中空氣的氧含量從原21%增加相應(yīng)的富氧率，如：富氧率2%，只要求空氣的氧含量從原21%提高至23%。目前市場上成熟的制氧方法有深冷制氧法和變壓吸附制氧法。

1.2.1 深冷制氧法

原理：利用空氣組分沸點(diǎn)不同，將空氣在低溫高壓條件下液化，再逐步提升至各氣體沸點(diǎn)，使氣體氣化后逐一分離（氧氣沸點(diǎn)：-182.97℃，101.325KPa，氮?dú)夥悬c(diǎn)：-195.81℃，101.325KPa）。

深冷制氧法有一百多年的歷史，技術(shù)成熟、可靠，優(yōu)點(diǎn)是氧氣純度高、產(chǎn)品種類多，副產(chǎn)品可出售，但價(jià)格受市場等因素影響大。裝置規(guī)模大（一般＞30000Nm³/h）時(shí)氧氣電耗低，適用于高純度、大規(guī)模制氧。

1.2.2 變壓吸附制氧法

原理：利用吸附劑對(duì)氮?dú)夂脱鯕饩哂胁煌奈竭x擇性，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)墓に?，使氮?dú)夂脱鯕夥蛛x制得氧氣，其中分子篩的性能是變壓吸附制氧技術(shù)的關(guān)鍵。

上世紀(jì)80年代以來，隨著國際上變壓吸附制氧技術(shù)的逐步成熟，在無需高純度氧氣的環(huán)境下，變壓吸附制氧逐漸成為世界上低成本制氧的主要方法。國內(nèi)變壓吸附技術(shù)起步較晚，但發(fā)展速度較快，尤其是自1999年以來，北京大學(xué)研發(fā)的高效、高交換度（99.5%以上）的鋰基分子篩成功工業(yè)化，變壓吸附制氧突破了一系列技術(shù)瓶頸，短短的十幾年時(shí)間已經(jīng)完成從小型制氧裝置到大型化的發(fā)展，分子篩壽命和裝置穩(wěn)定性得到了保障，技術(shù)成熟、可靠、先進(jìn)，目前國內(nèi)已經(jīng)先后有了上百套工業(yè)裝置投產(chǎn)使用，設(shè)計(jì)和制造能力已達(dá)40000Nm³/h水平，規(guī)模達(dá)15000Nm³/h以上的裝置有多套，如貴州開磷的40700Nm³/h制氧設(shè)備，上海金煤的22000 Nm³/h制氧設(shè)備，赤峰金劍的18750 Nm³/h制氧設(shè)備、新疆新鑫礦業(yè)的17500 Nm³/h制氧設(shè)備等。以上設(shè)備目前均運(yùn)行平穩(wěn)可靠，并可在變負(fù)荷工況下運(yùn)行，純度在55%-93%范圍內(nèi)可調(diào)，電耗指標(biāo)達(dá)到了0.35kwh/m³，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。另外，大型化裝置亦可在電耗不變情況下進(jìn)行多個(gè)檔位調(diào)節(jié)。 

 在規(guī)模不大，氧氣純度要求不太高的情況下，變壓吸附制氧相比深冷法制氧具有更加明顯的優(yōu)勢：

? 設(shè)備投資小，建設(shè)周期短，占地面積小，土建及公用工程費(fèi)用低。

? 工藝簡單，設(shè)備少，維護(hù)費(fèi)用低，操作簡單，可實(shí)現(xiàn)無人自動(dòng)化運(yùn)行。

? 能耗低，水耗、電耗均遠(yuǎn)低于深冷法制氧的耗用量。

? 常溫常壓運(yùn)行，負(fù)荷調(diào)整方便，可隨開隨停。

總之，隨著變壓吸附制氧技術(shù)的不斷進(jìn)步，產(chǎn)氧規(guī)模逐步擴(kuò)大，并在有色金屬冶煉等領(lǐng)域的富氧燃燒方面開始大量成熟化地應(yīng)用，已成為鋼鐵行業(yè)富氧煉鐵的新途徑。

1.2.3 變壓吸附法與深冷法富氧煉鐵的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

傳統(tǒng)的深冷法制氧技術(shù)在大型、特大型高純度用氧場合具有優(yōu)勢，而變壓吸附法在靈活、多變的用氧場合且氧氣純度要求不太高的情況下更具優(yōu)勢。針對(duì)富氧煉鐵工藝，現(xiàn)結(jié)合兩種技術(shù)的特點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)效益角度進(jìn)行對(duì)比：

2.高爐煤氣回收利用技術(shù)

目前，環(huán)境問題已經(jīng)受到各國越來越多的重視，尤其在我國，環(huán)境和成本問題是制約鋼鐵企業(yè)發(fā)展的重要因素，我國的鋼鐵工業(yè)仍然是依靠資源的高消耗來推動(dòng)增長的，因此鋼鐵廠要實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、低碳煉鐵的綠色環(huán)保經(jīng)濟(jì)，必須充分挖掘能源、技術(shù)等方面的潛力，提高資源的利用效率，最大限度地減少資源浪費(fèi)。在鋼鐵生產(chǎn)過程中，存在大量的副產(chǎn)煤氣資源：高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣，這三種氣體能量綜合利用是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的突破口。在鋼廠三氣中，高爐煤氣雖然有效氣體含量最低，但其排放量最大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在“三氣”二次能源總量中高爐煤氣約占64％，焦?fàn)t氣約占29％，轉(zhuǎn)爐氣約占7％，因此高爐煤氣的有效利用是鋼廠節(jié)能降耗的重中之重。高爐煤氣氣熱值低，僅為3300～3800kJ/Nm³，常溫下燃燒不穩(wěn)定，理論燃燒溫度只有l(wèi)300℃左右，一般工業(yè)爐不能單一以高爐煤氣為燃料。高爐煤氣的主要利用技術(shù)如下：

2.1 高爐熱風(fēng)爐

高爐熱風(fēng)爐是目前單一使用高爐煤氣應(yīng)用最廣泛的工業(yè)爐。

2.2 復(fù)熱式煉焦?fàn)t

復(fù)熱式煉焦?fàn)t直接使用高爐煤氣為燃料，通過將高爐煤氣和助燃空氣通過蓄熱室的格子磚預(yù)熱到1000℃左右，然后進(jìn)入燃燒室立火道燃燒，可使炭化室爐墻加熱到1100℃以上。

2.3 與高熱值氣體摻混為混合燃?xì)?/span>

 高爐煤氣可與焦?fàn)t煤氣、天然氣、液化石油氣等混合為混合煤氣，作為均熱爐、加熱爐、熱處理爐等的燃料，并可用于燒結(jié)機(jī)點(diǎn)火、加熱熱軋的鋼錠、預(yù)熱鋼水包等。

2.4 蓄熱式軋鋼加熱爐

蓄熱式軋鋼加熱爐是應(yīng)用高溫空氣燃燒技術(shù)，將高爐煤氣與助燃空氣雙預(yù)熱到1000℃以上，使單一高爐煤氣的理論燃燒溫度達(dá)到2200℃以上。蓄熱式軋鋼加熱爐熱效率比常規(guī)加熱爐提高30％以上，燃燒產(chǎn)物中NO_X含量低，自動(dòng)化程度高。目前該技術(shù)已在部分廠家應(yīng)用，但現(xiàn)有的蓄熱式加熱爐還需要進(jìn)一步完善，如：爐壓有待進(jìn)一步穩(wěn)定、燃燒控制技術(shù)需進(jìn)一步優(yōu)化等。

2.5 高爐煤氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

高爐煤氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(簡稱CCPP)。高爐煤氣燃燒速度低，發(fā)熱量低，含塵量大。使用高爐煤氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)要求工廠有足夠的煤氣量，每年至少要有上十億立方米的富余高爐煤氣，否則規(guī)模太小將增加單位投資和發(fā)電成本。據(jù)分析，CCPP發(fā)電成本中，材料費(fèi)、折舊費(fèi)和檢修費(fèi)要占90％以上。另外，高爐煤氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電一次性投資較高。

2.6 高爐煤氣變壓吸附回收利用技術(shù)

以上闡述的是目前較常用的高爐煤氣利用方法，為提高能源使用效率及減少放散率，眼下鋼鐵行業(yè)仍在尋找開拓高爐煤氣等優(yōu)質(zhì)二次能源的利用途徑。發(fā)電并不是唯一利用方式，而且發(fā)電具有效率低、投資大等固有缺陷。

近年來北京北大先鋒科技有限公司開發(fā)了一種新型的高爐煤氣利用技術(shù)——高爐煤氣提純（富化）技術(shù)。高爐煤氣提純（富化）技術(shù)是北大先鋒利用其開發(fā)的專有高效CO吸附劑，采用變壓吸附的方式將高爐煤氣中的主要可燃?xì)怏wCO進(jìn)行提純（富化），根據(jù)使用需求可得到40%～99.99%的CO產(chǎn)品氣，該產(chǎn)品氣可作為高熱值燃燒氣體、還原性氣體，還可用于化工生產(chǎn)等。對(duì)于普遍存在高爐煤氣放散現(xiàn)象的鋼鐵企業(yè)而言，可將提純得到的CO替代天然氣、液化氣使用，緩解資源緊張，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，低碳煉鐵。該技術(shù)已在國內(nèi)鋼鐵廠成功應(yīng)用，應(yīng)用方向如下圖所示：

高爐煤氣利用方式

應(yīng)用一：提純后作為高熱值燃料

將高爐煤氣提純（富化）后，根據(jù)需要，可將產(chǎn)品氣中CO純度控制在40%～90%間的任意純度，則得到熱值區(qū)間在5000～11500kJ／m³的混合氣體。采用這種方式回收利用高爐煤氣，完全符合國家政策，尤其適合于企業(yè)沒有焦?fàn)t氣、焦?fàn)t氣量不足或高爐煤氣存在放散的情況。這種方式實(shí)現(xiàn)了能源的梯次利用，且利用率遠(yuǎn)高于采用燃?xì)鈾C(jī)組的形式。目前，國內(nèi)一家大型鋼鐵企業(yè)已采用該項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，正在建設(shè)世界上第一套變壓吸附提純高爐煤氣CO裝置。

應(yīng)用二：作為高爐噴吹還原性氣體

高爐噴吹還原性氣體技術(shù)的工藝路線是：將高爐煤氣中的還原氣體（主要是CO）通過變壓吸附的方式提純（富化）后，作為還原介質(zhì)通過爐身某個(gè)合適的部位噴吹入高爐內(nèi)，參與爐內(nèi)鐵氧化物的還原反應(yīng)，減少焦炭等還原劑的消耗，通過改善高爐能量利用效率來達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能的目的。另外富集后的高爐煤氣還可以通過部分變換反應(yīng)時(shí)富集高爐煤氣轉(zhuǎn)化為合成氣，可以作為直接還原鐵工藝的還原氣。

應(yīng)用三：提純后做化工原料

采用變壓吸附技術(shù)可將高爐煤氣中CO提純（富化），純度可達(dá)99.99%以上，產(chǎn)品完全滿足作為羰基合成原料的要求，可用來合成乙二醇、丁辛醇、醋酸、醋酐、TDI、MDI、光氣（碳酰氯）、雙光氣等，化工企業(yè)制造CO原料氣除造氣工序投資非常大以外，CO成本也較高，如果能將鋼鐵和化工實(shí)現(xiàn)聯(lián)產(chǎn)，那么高爐就成為了化工廠的造氣爐，為化工廠提供原料，這將營造一個(gè)雙贏的局面?；て髽I(yè)可以用較低的成本獲得CO原料氣，降低生產(chǎn)成本，增加企業(yè)的核心競爭力；鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)了變廢為寶，在減少碳排放的同時(shí)又可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。目前鋼化聯(lián)產(chǎn)在國外已逐步推廣應(yīng)用，鑒于國內(nèi)因整體規(guī)劃、行業(yè)間差異等因素，相比國外在實(shí)際應(yīng)用中仍有一定差距，但就國內(nèi)鋼鐵企業(yè)發(fā)展形勢來看，鋼化聯(lián)產(chǎn)將是鋼鐵廠實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、增強(qiáng)競爭力有效的途徑。

3.總結(jié)

綜上所述，變壓吸附技術(shù)在鋼鐵行業(yè)可以發(fā)揮顯著的節(jié)能減排、降耗增效作用。在富氧噴煤工藝中，變壓吸附制氧技術(shù)為高爐提高富氧率供應(yīng)氧氣；在高爐煤氣回收利用中，變壓吸附技術(shù)可解決尾氣提純（富化）高純度CO的難題。

同傳統(tǒng)深冷法制氧裝置相比，變壓吸附裝置具有工藝流程簡單、能耗低、操作條件溫和、運(yùn)行可靠性和安全性好、自動(dòng)化程度高、投資少等優(yōu)點(diǎn)。在高爐煤氣凈化利用方面，利用變壓吸附技術(shù)分離出高純度的CO，合成具有高附加值的化工產(chǎn)品，可為生產(chǎn)企業(yè)節(jié)省大筆造氣費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)鋼化聯(lián)產(chǎn)。因此，變壓吸附制氧和變壓吸附提純CO技術(shù)已顯現(xiàn)廣闊的市場前景，鋼鐵企業(yè)將大有可為。