摘要：本文簡要介紹了變壓吸附制氧（VPSA制氧）的原理和特點，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)對比，結(jié)果表明變壓吸附制氧具有經(jīng)濟性好，靈活性大，安全性高的特點，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]。實踐生產(chǎn)表明，當(dāng)噴煤量大于l00kg/t時會使?fàn)t缸溫度下降150~250℃以上。為了實現(xiàn)高爐大噴煤，世界許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家如德國、日本等對富氧噴煤技術(shù)進(jìn)行了大量研究開發(fā)和推廣工作[2]，目前國際先進(jìn)水平的高爐噴煤比是180~200kg/t。在我國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，但目前國內(nèi)整體水平仍與世界先進(jìn)水平存在一定的差距，《中國鋼鐵工業(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年全國重點鋼鐵企業(yè)噴煤量≥160kg/t，2011~2020年全國重點鋼鐵企業(yè)噴煤量≥180kg/t。

由于能源政策等因素，我國許多高爐在初期設(shè)計時并沒有考慮富氧裝置，大部分高爐用氧一般來自煉鋼余氧，供氣量不穩(wěn)定，且?guī)淼男б娌幻黠@。隨著焦炭價格的不斷升高和國家節(jié)能減排政策的逐步實施，這些企業(yè)技術(shù)改造升級迫在眉睫。目前一次性投資少，運行、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Praxair采用鋰型分子篩的VPSA裝置投入運行[3]，標(biāo)志著變壓吸附制氧進(jìn)入新的發(fā)展時期。我國對變壓吸附制氧技術(shù)的研究最早始于70年代，但由于技術(shù)條件限制，直到1991年在重慶才實現(xiàn)首臺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年實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。。目前，北大先鋒已建成投運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)過分子篩床層時，空氣中易吸附的氮氣被分子篩吸附并留在床層內(nèi)部，而不易吸附的氧氣則在通過床層的過程中不斷富集，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，停止通入空氣并對床層進(jìn)行抽空，這時床層內(nèi)部吸附的氮氣便會解析出來，從而使分子篩再生，為下次吸附產(chǎn)氧做準(zhǔn)備。通過交替使用2臺或2臺以上吸附床，便能夠連續(xù)產(chǎn)氧。

1.2 VPSA制氧特點

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[5]：

1) 在經(jīng)濟性上，VPSA制氧設(shè)備投資較小，操作費用低。

2) 在工藝流程上，VPSA制氧工藝流程更簡單，設(shè)備少且無太多精密設(shè)備，自動化程度高，對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，裝置啟動和停止所需時間短(≤30分鐘)，可間斷運行也可連續(xù)運行，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍更大。

4) 在運行維護(hù)上，VPSA制氧無碳?xì)浠衔锓e累，無爆炸可能，主機精密度低，維護(hù)簡單，對閥門密封性要求不苛刻，故障率低且容易及時處理。

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)勢較大。

2. 高爐富氧對冶煉的影響

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，其對冶煉過程的影響如下：

1) 提高高爐冶煉強度。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度。理論上鼓風(fēng)含氧量提高1%，冶煉強度提高4.76%，實踐生產(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氣，煤氣中有效的CO、H2比例相對增加，煤氣熱值提高。根據(jù)生產(chǎn)實踐，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)用實例

國內(nèi)介紹大型高爐富氧噴煤應(yīng)用的文章較多，但對于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)為國內(nèi)多家鋼鐵企業(yè)高爐配套VPSA制氧裝置，下面簡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，一直運行穩(wěn)定。自從對高爐技術(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機組發(fā)電量比富氧前增加30%，所增加發(fā)電量除了滿足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，冶金焦按1450元/t計)。因此，不計算其他效益，僅此兩項指標(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機組滿負(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，冶金焦按1450元/t計)。不計算其他效益，僅此兩項指標(biāo)每噸生鐵所節(jié)約的成本為41元。

4. 結(jié)論

經(jīng)過近幾十年的發(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，開停機方便，使用、維護(hù)成本低等優(yōu)勢。隨著國家環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排政策的逐步實施，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)無法滿足企業(yè)及社會發(fā)展的需要。對于鋼鐵企業(yè)中急需技術(shù)改造的中小高爐來說，VPSA制氧經(jīng)濟性好，工藝簡單，操作方便，無需高技術(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)

[1] 宋陽升. 我國高爐富氧噴煤技術(shù)的進(jìn)展[J]. 中國冶金, 1996 (1): 27-46.

[2] 劉應(yīng)書, 楊天鈞, 蒼天強等. 高爐富氧噴煤技術(shù)研究開發(fā)的進(jìn)展[J]. 煉鐵, 1996, 15(8): 9-12.

[3] 劉世合. 變壓吸附制氧技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 氣體分離, 2008 (1): 4-14.

[4] 葉振華. 化工吸附分離過程[M]. 北京：中國石化出版社, 1992.

[5] 張文濤, 韓光瑤, 唐偉. 大型變壓吸附制氧在富氧噴煤中的應(yīng)用[A]; 2008年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會議暨煉鐵年會文集(下冊) [C], 2008年.

[6] 劉世合. 高爐高富氧大噴煤的理論分析[J]. 貴州工學(xué)院學(xué)報, 1992,21(2): 71-79.