摘要：本文簡(jiǎn)要介紹了變壓吸附制氧（VPSA制氧）的原理和特點(diǎn)，以及VPSA制氧技術(shù)在中小高爐富氧噴煤中的使用情況。本文例舉了國(guó)內(nèi)某兩家鋼鐵企業(yè)高爐技術(shù)改造使用富氧噴煤后，高爐工況的數(shù)據(jù)指標(biāo)對(duì)比，結(jié)果表明變壓吸附制氧具有經(jīng)濟(jì)性好，靈活性大，安全性高的特點(diǎn)，是中小高爐富氧噴煤的理想選擇。

關(guān)鍵詞：變壓吸附制氧；VPSA；富氧噴煤；高爐

前言

20世紀(jì)70年代末的石油危機(jī)使得高爐噴油技術(shù)在世界范圍內(nèi)逐步停止，為了避免全焦煉鐵，噴煤技術(shù)因此得到了快速的發(fā)展[1]。實(shí)踐生產(chǎn)表明，當(dāng)噴煤量大于l00kg/t時(shí)會(huì)使?fàn)t缸溫度下降150~250℃以上。為了實(shí)現(xiàn)高爐大噴煤，世界許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家如德國(guó)、日本等對(duì)富氧噴煤技術(shù)進(jìn)行了大量研究開(kāi)發(fā)和推廣工作[2]，目前國(guó)際先進(jìn)水平的高爐噴煤比是180~200kg/t。在我國(guó)以鞍鋼為首的大型鋼廠早在1986年就已進(jìn)行高爐富氧噴煤試驗(yàn)，但目前國(guó)內(nèi)整體水平仍與世界先進(jìn)水平存在一定的差距，《中國(guó)鋼鐵工業(yè)科學(xué)與技術(shù)發(fā)展指南2006~2020年》中提出了高爐噴煤指標(biāo)：2006~2010年全國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)噴煤量≥160kg/t，2011~2020年全國(guó)重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)噴煤量≥180kg/t。

由于能源政策等因素，我國(guó)許多高爐在初期設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有考慮富氧裝置，大部分高爐用氧一般來(lái)自煉鋼余氧，供氣量不穩(wěn)定，且?guī)?lái)的效益不明顯。隨著焦炭?jī)r(jià)格的不斷升高和國(guó)家節(jié)能減排政策的逐步實(shí)施，這些企業(yè)技術(shù)改造升級(jí)迫在眉睫。目前一次性投資少，運(yùn)行、維護(hù)成本低、操作方便、靈活的的變壓吸附制氧裝置成為很多鋼鐵企業(yè)的首選。

1. 變壓吸附制氧概述

上世紀(jì)70年代初期，美國(guó)聯(lián)合碳化物公司首次將變壓吸附制氧技術(shù)工業(yè)化。70年代中期，真空變壓吸附(VPSA)制氧工藝的提出，大大提升了裝置的規(guī)模和經(jīng)濟(jì)性，為VPSA制氧技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。1989年美國(guó)Praxair采用鋰型分子篩的VPSA裝置投入運(yùn)行[3]，標(biāo)志著變壓吸附制氧進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期。我國(guó)對(duì)變壓吸附制氧技術(shù)的研究最早始于70年代，但由于技術(shù)條件限制，直到1991年在重慶才實(shí)現(xiàn)首臺(tái)150Nm3/h VPSA制氧裝置工業(yè)化應(yīng)用。

北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院于1996年成功研制出鋰型高效制氧分子篩PU-8。2000年，隸屬于北京大學(xué)的北大先鋒科技有限公司成功將PU-8批量生產(chǎn)，產(chǎn)品性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。2001年北大先鋒采用以PU-8高效鋰分子篩的VPSA制氧裝置的中試取得成功，2001年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。。目前，北大先鋒已建成投運(yùn)一百多套變壓吸附制氧裝置，最大規(guī)模VPSA制氧裝置已達(dá)到40700 Nm3/h產(chǎn)品氧氣，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

1.1 VPSA制氧原理

VPSA制氧基本原理是根據(jù)分子篩能選擇性吸附空氣中的氮、氧組分，使空氣中的氮氧分離而獲得氧氣。當(dāng)壓縮空氣經(jīng)過(guò)分子篩床層時(shí)，空氣中易吸附的氮?dú)獗环肿雍Y吸附并留在床層內(nèi)部，而不易吸附的氧氣則在通過(guò)床層的過(guò)程中不斷富集，在床層頂部形成濃度較高的氧氣產(chǎn)品。當(dāng)床層吸附達(dá)到飽和時(shí)，停止通入空氣并對(duì)床層進(jìn)行抽空，這時(shí)床層內(nèi)部吸附的氮?dú)獗銜?huì)解析出來(lái)，從而使分子篩再生，為下次吸附產(chǎn)氧做準(zhǔn)備。通過(guò)交替使用2臺(tái)或2臺(tái)以上吸附床，便能夠連續(xù)產(chǎn)氧。

1.2 VPSA制氧特點(diǎn)

在中小裝置（純氧量小于20000Nm3/h規(guī)模上，VPSA制氧與傳統(tǒng)深冷制氧相比就有具有以下優(yōu)點(diǎn)[5]：

1) 在經(jīng)濟(jì)性上，VPSA制氧設(shè)備投資較小，操作費(fèi)用低。

2) 在工藝流程上，VPSA制氧工藝流程更簡(jiǎn)單，設(shè)備少且無(wú)太多精密設(shè)備，自動(dòng)化程度高，對(duì)操作人員水平要求較低。

3) 在操作條件上，VPSA制氧操作溫度為常溫，操作壓力為常壓，裝置啟動(dòng)和停止所需時(shí)間短(≤30分鐘)，可間斷運(yùn)行也可連續(xù)運(yùn)行，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍更大。

4) 在運(yùn)行維護(hù)上，VPSA制氧無(wú)碳?xì)浠衔锓e累，無(wú)爆炸可能，主機(jī)精密度低，維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)閥門(mén)密封性要求不苛刻，故障率低且容易及時(shí)處理。

VPSA制氧的產(chǎn)品較為單一，但在用氧純度不高的中小高爐上，VPSA制氧的優(yōu)勢(shì)較大。

2. 高爐富氧對(duì)冶煉的影響

高爐富氧鼓風(fēng)后，增加了接觸煤粉的氧氣濃度，有利于煤粉的燃燒，能提高爐缸溫度，增加噴煤比，其對(duì)冶煉過(guò)程的影響如下：

1) 提高高爐冶煉強(qiáng)度。隨著高爐入口氧濃度增加，煤粉和焦炭的燃燒能力隨之提高，從而提高高爐的冶煉強(qiáng)度。理論上鼓風(fēng)含氧量提高1%，冶煉強(qiáng)度提高4.76%，實(shí)踐生產(chǎn)中一般提高3%~5%[6]。

2) 有利于爐況順行。高爐富氧后燃燒相同的碳，燃燒產(chǎn)物的體積下降，相當(dāng)于高爐減風(fēng)，爐內(nèi)煤氣上升阻力減少，對(duì)高爐工況順行有利。

3) 降低高爐焦比。高爐富氧后綜合焦比一般變化不大，但在增加噴煤量的同時(shí)就能促使焦比降低。

4) 提高高爐煤氣熱值。高爐富氧后減少了煤氣中的氮?dú)?，煤氣中有效的CO、H2比例相對(duì)增加，煤氣熱值提高。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，高爐富氧后熱風(fēng)爐普遍反應(yīng)好燒爐。

5) 有利于冶煉能耗高的鐵種。對(duì)于冶煉鑄造鐵、硅鐵等耗熱量大，綜合焦比高的鐵種，高爐富氧可以極大減少能耗，并能提高產(chǎn)量。

3. 中小高爐VPSA制氧應(yīng)用實(shí)例

國(guó)內(nèi)介紹大型高爐富氧噴煤應(yīng)用的文章較多，但對(duì)于VPSA制氧在中小高爐中的應(yīng)用介紹較少。目前，北大先鋒已經(jīng)為國(guó)內(nèi)多家鋼鐵企業(yè)高爐配套VPSA制氧裝置，下面簡(jiǎn)要介紹兩套中小高爐配套VPSA制氧設(shè)備的使用情況。

3.1 VPSA制氧裝置使用成本

VPSA制氧裝置的基礎(chǔ)建設(shè)成本低于傳統(tǒng)深冷制氧裝置，而且使用成本更加低廉。北大先鋒VPSA制氧裝置每立方米純氧電耗約為0.35kWh。

3.2 山西某鋼鐵企業(yè)1

該企業(yè)高爐富氧配套的是一套2400Nm3/h純氧VPSA制氧設(shè)備，高爐富氧率約為4%。目前，該套VPSA制氧裝置已經(jīng)使用2年，一直運(yùn)行穩(wěn)定。自從對(duì)高爐技術(shù)改造使用富氧噴煤后，該企業(yè)高爐工況變化明顯，具體情況見(jiàn)表3.1。

表3.1 山西某鋼廠1高爐富氧噴煤數(shù)據(jù)

從表3.1中可以看出，富氧后高爐利用系數(shù)增大約15%，噴煤比增加約41%，入爐焦比減少約17%，風(fēng)溫一直保持在較高值。此外該企業(yè)煤氣發(fā)電廠6000kW機(jī)組發(fā)電量比富氧前增加30%，所增加發(fā)電量除了滿(mǎn)足VPSA制氧使用外還富余1000kWh /天。

高爐富氧生產(chǎn)每噸鐵大概需要消耗純氧58m3，增加成本約15元；每噸鐵噴煤增加約50kg，焦炭減少約70kg，節(jié)約成本約64元(噴吹煤按750元/t計(jì)，冶金焦按1450元/t計(jì))。因此，不計(jì)算其他效益，僅此兩項(xiàng)指標(biāo)每噸生鐵所節(jié)約的成本為49元。

3.3 山西某鋼鐵企業(yè)2

該企業(yè)高爐富氧配套的是一套2700Nm3/h純氧VPSA制氧設(shè)備，高爐富氧率約為6%。目前，該套VPSA制氧裝置已經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行近1年。在高爐技術(shù)改造使用富氧噴煤后，該企業(yè)高爐具體情況見(jiàn)表3.2。

表3.2 山西某鋼廠2高爐富氧噴煤數(shù)據(jù)

從表3.2中可以看出，富氧后高爐利用系數(shù)增大約15%，噴煤比增加約47%，入爐焦比減少約15%，風(fēng)溫提高約40℃。此外該企業(yè)煤氣發(fā)電廠3000kW機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷發(fā)電，剩余煤氣放空。

高爐富氧生產(chǎn)每噸鐵需要消耗純氧約92m3，增加成本約24元；每噸鐵噴煤增加58kg，焦炭減少75kg，節(jié)約成本約65元(噴吹煤按750元/t計(jì)，冶金焦按1450元/t計(jì))。不計(jì)算其他效益，僅此兩項(xiàng)指標(biāo)每噸生鐵所節(jié)約的成本為41元。

4. 結(jié)論

經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，VPSA制氧技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在用氧規(guī)模不大的前提下，VPSA制氧裝置與深冷制氧裝置比具有投資少，開(kāi)停機(jī)方便，使用、維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)。隨著國(guó)家環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排政策的逐步實(shí)施，以及鋼鐵行業(yè)目前的微得甚于虧損狀態(tài)，傳統(tǒng)高爐高消耗，高排放，高成本，低效益，低環(huán)保的狀態(tài)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足企業(yè)及社會(huì)發(fā)展的需要。對(duì)于鋼鐵企業(yè)中急需技術(shù)改造的中小高爐來(lái)說(shuō)，VPSA制氧經(jīng)濟(jì)性好，工藝簡(jiǎn)單，操作方便，無(wú)需高技術(shù)人才，靈活性大，安全性高，是高爐富氧噴煤的理想選擇。

參考文獻(xiàn)

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