变压吸附制氧在中小高炉中的应用及效益核算

摘要：本文简要介绍了变压吸附制氧（VPSA制氧）的原理和特点，以及VPSA制氧技术在中小高炉富氧喷煤中的使用情况。本文例举了国内某两家钢铁企业高炉技术改造使用富氧喷煤后，高炉工况的数据指标对比，结果表明变压吸附制氧具有经济性好，灵活性大，安全性高的特点，是中小高炉富氧喷煤的理想选择。

关键词：变压吸附制氧；VPSA；富氧喷煤；高炉

前言

20世纪70年代末的石油危机使得高炉喷油技术在世界范围内逐步停止，为了避免全焦炼铁，喷煤技术因此得到了快速的发展[1]。实践生产表明，当喷煤量大于l00kg/t时会使炉缸温度下降150~250℃以上。为了实现高炉大喷煤，世界许多工业发达国家如德国、日本等对富氧喷煤技术进行了大量研究开发和推广工作[2]，目前国际先进水平的高炉喷煤比是180~200kg/t。在我国以鞍钢为首的大型钢厂早在1986年就已进行高炉富氧喷煤试验，但目前国内整体水平仍与世界先进水平存在一定的差距，《中国钢铁工业科学与技术发展指南2006~2020年》中提出了高炉喷煤指标：2006~2010年全国重点钢铁企业喷煤量≥160kg/t，2011~2020年全国重点钢铁企业喷煤量≥180kg/t。

由于能源政策等因素，我国许多高炉在初期设计时并没有考虑富氧装置，大部分高炉用氧一般来自炼钢余氧，供气量不稳定，且带来的效益不明显。随着焦炭价格的不断升高和国家节能减排政策的逐步实施，这些企业技术改造升级迫在眉睫。目前一次性投资少，运行、维护成本低、操作方便、灵活的的变压吸附制氧装置成为很多钢铁企业的首选。

1. 变压吸附制氧概述

上世纪70年代初期，美国联合碳化物公司首次将变压吸附制氧技术工业化。70年代中期，真空变压吸附(VPSA)制氧工艺的提出，大大提升了装置的规模和经济性，为VPSA制氧技术大规模推广应用奠定了基础。1989年美国Praxair采用锂型分子筛的VPSA装置投入运行[3]，标志着变压吸附制氧进入新的发展时期。我国对变压吸附制氧技术的研究最早始于70年代，但由于技术条件限制，直到1991年在重庆才实现首台150Nm3/h VPSA制氧装置工业化应用。

北京大学化学与分子工程学院于1996年成功研制出锂型高效制氧分子筛PU-8。2000年，隶属于北京大学的北大先锋科技有限公司成功将PU-8批量生产，产品性能达到国际领先水平。2001年北大先锋采用以PU-8高效锂分子筛的VPSA制氧装置的中试取得成功，2001年实现工业化应用。。目前，北大先锋已建成投运一百多套变压吸附制氧装置，最大规模VPSA制氧装置已达到40700 Nm3/h产品氧气，各项技术指标均达到了世界领先水平。

1.1 VPSA制氧原理

VPSA制氧基本原理是根据分子筛能选择性吸附空气中的氮、氧组分，使空气中的氮氧分离而获得氧气。当压缩空气经过分子筛床层时，空气中易吸附的氮气被分子筛吸附并留在床层内部，而不易吸附的氧气则在通过床层的过程中不断富集，在床层顶部形成浓度较高的氧气产品。当床层吸附达到饱和时，停止通入空气并对床层进行抽空，这时床层内部吸附的氮气便会解析出来，从而使分子筛再生，为下次吸附产氧做准备。通过交替使用2台或2台以上吸附床，便能够连续产氧。

1.2 VPSA制氧特点

在中小装置（纯氧量小于20000Nm3/h规模上，VPSA制氧与传统深冷制氧相比就有具有以下优点[5]：

1) 在经济性上，VPSA制氧设备投资较小，操作费用低。

2) 在工艺流程上，VPSA制氧工艺流程更简单，设备少且无太多精密设备，自动化程度高，对操作人员水平要求较低。

3) 在操作条件上，VPSA制氧操作温度为常温，操作压力为常压，装置启动和停止所需时间短(≤30分钟)，可间断运行也可连续运行，负荷调节范围更大。

4) 在运行维护上，VPSA制氧无碳氢化合物积累，无爆炸可能，主机精密度低，维护简单，对阀门密封性要求不苛刻，故障率低且容易及时处理。

VPSA制氧的产品较为单一，但在用氧纯度不高的中小高炉上，VPSA制氧的优势较大。

2. 高炉富氧对冶炼的影响

高炉富氧鼓风后，增加了接触煤粉的氧气浓度，有利于煤粉的燃烧，能提高炉缸温度，增加喷煤比，其对冶炼过程的影响如下：

1) 提高高炉冶炼强度。随着高炉入口氧浓度增加，煤粉和焦炭的燃烧能力随之提高，从而提高高炉的冶炼强度。理论上鼓风含氧量提高1%，冶炼强度提高4.76%，实践生产中一般提高3%~5%[6]。

2) 有利于炉况顺行。高炉富氧后燃烧相同的碳，燃烧产物的体积下降，相当于高炉减风，炉内煤气上升阻力减少，对高炉工况顺行有利。

3) 降低高炉焦比。高炉富氧后综合焦比一般变化不大，但在增加喷煤量的同时就能促使焦比降低。

4) 提高高炉煤气热值。高炉富氧后减少了煤气中的氮气，煤气中有效的CO、H2比例相对增加，煤气热值提高。根据生产实践，高炉富氧后热风炉普遍反应好烧炉。

5) 有利于冶炼能耗高的铁种。对于冶炼铸造铁、硅铁等耗热量大，综合焦比高的铁种，高炉富氧可以极大减少能耗，并能提高产量。

3. 中小高炉VPSA制氧应用实例

国内介绍大型高炉富氧喷煤应用的文章较多，但对于VPSA制氧在中小高炉中的应用介绍较少。目前，北大先锋已经为国内多家钢铁企业高炉配套VPSA制氧装置，下面简要介绍两套中小高炉配套VPSA制氧设备的使用情况。

3.1 VPSA制氧装置使用成本

VPSA制氧装置的基础建设成本低于传统深冷制氧装置，而且使用成本更加低廉。北大先锋VPSA制氧装置每立方米纯氧电耗约为0.35kWh。

3.2 山西某钢铁企业1

该企业高炉富氧配套的是一套2400Nm3/h纯氧VPSA制氧设备，高炉富氧率约为4%。目前，该套VPSA制氧装置已经使用2年，一直运行稳定。自从对高炉技术改造使用富氧喷煤后，该企业高炉工况变化明显，具体情况见表3.1。

表3.1 山西某钢厂1高炉富氧喷煤数据

从表3.1中可以看出，富氧后高炉利用系数增大约15%，喷煤比增加约41%，入炉焦比减少约17%，风温一直保持在较高值。此外该企业煤气发电厂6000kW机组发电量比富氧前增加30%，所增加发电量除了满足VPSA制氧使用外还富余1000kWh /天。

高炉富氧生产每吨铁大概需要消耗纯氧58m3，增加成本约15元；每吨铁喷煤增加约50kg，焦炭减少约70kg，节约成本约64元(喷吹煤按750元/t计，冶金焦按1450元/t计)。因此，不计算其他效益，仅此两项指标每吨生铁所节约的成本为49元。

3.3 山西某钢铁企业2

该企业高炉富氧配套的是一套2700Nm3/h纯氧VPSA制氧设备，高炉富氧率约为6%。目前，该套VPSA制氧装置已经稳定运行近1年。在高炉技术改造使用富氧喷煤后，该企业高炉具体情况见表3.2。

表3.2 山西某钢厂2高炉富氧喷煤数据

从表3.2中可以看出，富氧后高炉利用系数增大约15%，喷煤比增加约47%，入炉焦比减少约15%，风温提高约40℃。此外该企业煤气发电厂3000kW机组满负荷发电，剩余煤气放空。

高炉富氧生产每吨铁需要消耗纯氧约92m3，增加成本约24元；每吨铁喷煤增加58kg，焦炭减少75kg，节约成本约65元(喷吹煤按750元/t计，冶金焦按1450元/t计)。不计算其他效益，仅此两项指标每吨生铁所节约的成本为41元。

4. 结论

经过近几十年的发展，VPSA制氧技术已经十分成熟，在用氧规模不大的前提下，VPSA制氧装置与深冷制氧装置比具有投资少，开停机方便，使用、维护成本低等优势。随着国家环境保护和节能减排政策的逐步实施，以及钢铁行业目前的微得甚于亏损状态，传统高炉高消耗，高排放，高成本，低效益，低环保的状态已经无法满足企业及社会发展的需要。对于钢铁企业中急需技术改造的中小高炉来说，VPSA制氧经济性好，工艺简单，操作方便，无需高技术人才，灵活性大，安全性高，是高炉富氧喷煤的理想选择。

参考文献

[1] 宋阳升. 我国高炉富氧喷煤技术的进展[J]. 中国冶金, 1996 (1): 27-46.

[2] 刘应书, 杨天钧, 苍天强等. 高炉富氧喷煤技术研究开发的进展[J]. 炼铁, 1996, 15(8): 9-12.

[3] 刘世合. 变压吸附制氧技术现状[J]. 气体分离, 2008 (1): 4-14.

[4] 叶振华. 化工吸附分离过程[M]. 北京：中国石化出版社, 1992.

[5] 张文涛, 韩光瑶, 唐伟. 大型变压吸附制氧在富氧喷煤中的应用[A]; 2008年全国炼铁生产技术会议暨炼铁年会文集(下册) [C], 2008年.

[6] 刘世合. 高炉高富氧大喷煤的理论分析[J]. 贵州工学院学报, 1992,21(2): 71-79.