摘  要  變壓吸附技術是近40年發(fā)展起來的一項新型氣體分離與凈化技術，進入21世紀以來，變壓吸附技術在煉鐵、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)勢而得以廣泛應用。在鋼鐵企業(yè)主要應用于電爐煉鋼、深冷制氧設備的分子篩純化、預處理、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用尤為引人關注，本文著重就這兩項技術做詳細論述。

關鍵詞：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)模的擴大，其原材料，特別是焦炭的供需矛盾日益加劇，外加焦炭價格、鐵礦石成本攀升等因素，其生產(chǎn)工藝流程的組織，先進技術的采用就尤顯重要，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)濟效益及社會效益，因此，富氧技術越來越多地被應用，已成為了行業(yè)的共識。

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組生產(chǎn)的99.6%的高純氧通過減壓到0.3MPa左右與鼓風混合來進行富氧。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

富氧煉鐵對氧氣質(zhì)量沒有特殊要求，只是將鼓風中空氣的氧含量從原21%增加相應的富氧率，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，使氣體氣化后逐一分離（氧氣沸點：-182.97℃，101.325KPa，氮氣沸點：-195.81℃，101.325KPa）。

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

1.2.2 變壓吸附制氧法

原理：利用吸附劑對氮氣和氧氣具有不同的吸附選擇性，設計適當?shù)墓に嚕沟獨夂脱鯕夥蛛x制得氧氣，其中分子篩的性能是變壓吸附制氧技術的關鍵。

上世紀80年代以來，隨著國際上變壓吸附制氧技術的逐步成熟，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)變壓吸附技術起步較晚，但發(fā)展速度較快，尤其是自1999年以來，北京大學研發(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瓶頸，短短的十幾年時間已經(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，技術成熟、可靠、先進，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，設計和制造能力已達40000Nm³/h水平，規(guī)模達15000Nm³/h以上的裝置有多套，如貴州開磷的40700Nm³/h制氧設備，上海金煤的22000 Nm³/h制氧設備，赤峰金劍的18750 Nm³/h制氧設備、新疆新鑫礦業(yè)的17500 Nm³/h制氧設備等。以上設備目前均運行平穩(wěn)可靠，并可在變負荷工況下運行，純度在55%-93%范圍內(nèi)可調(diào)，電耗指標達到了0.35kwh/m³，達到了國際先進水平。另外，大型化裝置亦可在電耗不變情況下進行多個檔位調(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：

? 設備投資小，建設周期短，占地面積小，土建及公用工程費用低。

? 工藝簡單，設備少，維護費用低，操作簡單，可實現(xiàn)無人自動化運行。

? 能耗低，水耗、電耗均遠低于深冷法制氧的耗用量。

? 常溫常壓運行，負荷調(diào)整方便，可隨開隨停。

總之，隨著變壓吸附制氧技術的不斷進步，產(chǎn)氧規(guī)模逐步擴大，并在有色金屬冶煉等領域的富氧燃燒方面開始大量成熟化地應用，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)濟性對比

傳統(tǒng)的深冷法制氧技術在大型、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。針對富氧煉鐵工藝，現(xiàn)結合兩種技術的特點，從經(jīng)濟效益角度進行對比：

2.高爐煤氣回收利用技術

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增長的，因此鋼鐵廠要實現(xiàn)節(jié)能減排、低碳煉鐵的綠色環(huán)保經(jīng)濟，必須充分挖掘能源、技術等方面的潛力，提高資源的利用效率，最大限度地減少資源浪費。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、焦爐煤氣和轉爐煤氣，這三種氣體能量綜合利用是實現(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，在“三氣”二次能源總量中高爐煤氣約占64％，焦爐氣約占29％，轉爐氣約占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如下：

2.1 高爐熱風爐

高爐熱風爐是目前單一使用高爐煤氣應用最廣泛的工業(yè)爐。

2.2 復熱式煉焦爐

復熱式煉焦爐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熱到1000℃左右，然后進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氣

 高爐煤氣可與焦爐煤氣、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，并可用于燒結機點火、加熱熱軋的鋼錠、預熱鋼水包等。

2.4 蓄熱式軋鋼加熱爐

蓄熱式軋鋼加熱爐是應用高溫空氣燃燒技術，將高爐煤氣與助燃空氣雙預熱到1000℃以上，使單一高爐煤氣的理論燃燒溫度達到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，自動化程度高。目前該技術已在部分廠家應用，但現(xiàn)有的蓄熱式加熱爐還需要進一步完善，如：爐壓有待進一步穩(wěn)定、燃燒控制技術需進一步優(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、折舊費和檢修費要占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

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——高爐煤氣提純（富化）技術。高爐煤氣提純（富化）技術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氣體CO進行提純（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)實現(xiàn)節(jié)能減排，低碳煉鐵。該技術已在國內(nèi)鋼鐵廠成功應用，應用方向如下圖所示：

高爐煤氣利用方式

應用一：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)沒有焦爐氣、焦爐氣量不足或高爐煤氣存在放散的情況。這種方式實現(xiàn)了能源的梯次利用，且利用率遠高于采用燃氣機組的形式。目前，國內(nèi)一家大型鋼鐵企業(yè)已采用該項先進技術，正在建設世界上第一套變壓吸附提純高爐煤氣CO裝置。

應用二：作為高爐噴吹還原性氣體

高爐噴吹還原性氣體技術的工藝路線是：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，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時富集高爐煤氣轉化為合成氣，可以作為直接還原鐵工藝的還原氣。

應用三：提純后做化工原料

采用變壓吸附技術可將高爐煤氣中CO提純（富化），純度可達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，這將營造一個雙贏的局面。化工企業(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)實現(xiàn)了變廢為寶，在減少碳排放的同時又可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益。目前鋼化聯(lián)產(chǎn)在國外已逐步推廣應用，鑒于國內(nèi)因整體規(guī)劃、行業(yè)間差異等因素，相比國外在實際應用中仍有一定差距，但就國內(nèi)鋼鐵企業(yè)發(fā)展形勢來看，鋼化聯(lián)產(chǎn)將是鋼鐵廠實現(xiàn)節(jié)能減排、增強競爭力有效的途徑。

3.總結

綜上所述，變壓吸附技術在鋼鐵行業(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，變壓吸附制氧技術為高爐提高富氧率供應氧氣；在高爐煤氣回收利用中，變壓吸附技術可解決尾氣提純（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、運行可靠性和安全性好、自動化程度高、投資少等優(yōu)點。在高爐煤氣凈化利用方面，利用變壓吸附技術分離出高純度的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)省大筆造氣費用，實現(xiàn)鋼化聯(lián)產(chǎn)。因此，變壓吸附制氧和變壓吸附提純CO技術已顯現(xiàn)廣闊的市場前景，鋼鐵企業(yè)將大有可為。