大型鋼鐵企業(yè)制氧系統(tǒng)的配置

張志義（寶鋼工程技術集團有限公司，上?！?01900）

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大型鋼鐵企業(yè)制氧系統(tǒng)的配置

張志義
（寶鋼工程技術集團有限公司，上海201900）

【摘要】論述了高爐冶煉工藝和COREX冶煉工藝中制氧系統(tǒng)配置的特點，分析了鋼鐵聯合企業(yè)制氧系統(tǒng)配置中關注重點：氧氮氬純度、壓力及提升工藝、氣體管網和保安系統(tǒng)的配置、制氧站總體布置及噪聲治理等。

【關鍵詞】制氧系統(tǒng)；配置；工藝

1　前言

鋼鐵企業(yè)在冶煉生產中需大量使用氧、氮、氬等工業(yè)氣體。煉鐵冶煉的高爐和熔融還原爐生產、煉鋼冶煉的轉爐和電爐生產需使用氧氣；爐子密封和工藝保護、煉鋼精煉和轉爐濺渣護爐、系統(tǒng)保安、用作傳熱介質及系統(tǒng)吹掃等需使用氮氣；煉鋼精煉需使用氬氣。為適應生產要求，保證生產安全穩(wěn)定運行，大型鋼廠一般配置有制氧站和氧氮氬動力管網。

傳統(tǒng)的全流程鋼鐵冶煉流程組成是：焦爐、燒結、高爐煉鐵、轉爐或電爐煉鋼、軋鋼等工序。為簡化工藝流程，提升環(huán)境保護，近代國際上還應用鐵前區(qū)域短流程工藝的應用——熔融還原煉鐵：在一個冶煉爐中直接將鐵礦原料還原成鐵水產品。

這兩種不同的冶煉工藝流程需要的工業(yè)氣體是不同的，特別是在使用量上差別大。傳統(tǒng)流程中高爐冶煉需用氧量占鋼廠總量約28%，煉鋼冶煉需用氧量占鋼廠總量約40%。而短流程工藝中熔融還原煉鐵需用氧量占鋼廠總量約78%，煉鋼需用氧量占鋼廠總量約13%。

此兩類流程在寶鋼集團企業(yè)中都有成熟應用，寶鋼股份有限公司羅涇地區(qū)曾配置的鐵水冶煉為熔融還原煉鐵COREX-3000爐（后搬遷至新疆八一鋼廠），寶鋼集團其他鋼廠配置的流程均為常規(guī)高爐流程。

寶鋼工程技術集團有限公司參加了寶鋼股份有限公司本部地區(qū)（年產鋼量1500萬t級）和羅涇地區(qū)（年產鋼量300萬t級）配套的制氧站工程建設，對鋼廠制氧站及氧氮氬動力管網系統(tǒng)展開深入研究分析，下面論述兩類冶煉流程的需用特點和為滿足鋼廠要求所設置的制氧站和管網系統(tǒng)的配置。

2　鋼廠主要用戶對氧氮氬的需求

2.1高爐冶煉工藝

高爐用氧是為強化冶煉，保證爐內的高溫要求，氧氣不直接參與冶煉反應。氧氣在高爐鼓風區(qū)段中混入，摻混為富氧空氣后送入高爐。隨著高爐工藝改進，以增加噴煤量來減少焦炭使用量，并且為提升高爐產能，鼓風富氧率由過去的3%已提高到了5%～7%，噸鐵用氧單耗達到60 m3以上。

因供高爐的氧氣是和空氣摻混提高鼓風氧含量，所以對氧氣的純度品質要求并不高，可以使用低純度氧氣。

高爐鼓風機將空氣加壓到0.6 MPa后送入高爐。氧氣摻入空氣系統(tǒng)有兩種方式：（1）機前富氧；（2）機后富氧。機前富氧要求混入的氧氣壓力需達到10 kPa壓力以上，機后富氧要求混入的氧氣壓力要接近0.6 MPa。

高爐系統(tǒng)的氮氣是用于密封和吹掃使用，氮氣壓力要求為0.4 MPa。噴煤系統(tǒng)還需事故保安用氮，因保安氮瞬時用量大，一般配套設置高壓儲備罐以確保瞬時用量。

2.2COREX爐冶煉工藝

與高爐工藝不同，熔融還原煉鐵工藝氧氣參與冶煉反應，其用氧量與鐵產量有直接的等比關系，COREX爐噸鐵用氧耗量為528 m3，約是高爐用氧量的10倍。并且，COREX爐對于維持生產有最小供氧量要求，為正常生產用量的42%。而高爐在低生產負荷時可以實現零富氧率。

COREX爐工藝要求氧氣純度≥95%，氧氣壓力為0.8 MPa±5%。

COREX爐要求氮氣的供應壓力須大于氧氣供氣壓力+0.1 MPa。壓力波動不能有負偏值，并要求氮氣系統(tǒng)保證連續(xù)不間斷供應。COREX-3000爐正常用氮量1.2萬m3/h，停爐時要求氮氣必須在3 s內達到3.5萬m3/h的保安供應量。

2.3煉鋼冶煉工藝

與高爐、COREX爐冶煉方式不同，轉爐煉鋼用氧為間斷使用，吹氧時用氧負荷大。氧氣參與煉鋼冶煉反應，其用氧量與煉鋼產量有直接的等比關系，噸鋼用氧耗量約為60 m3。氧氣壓力＞1.4 MPa，氧氣純度≥99.5%。

目前鋼廠普遍采用氮氣濺渣護爐工藝技術以提高轉爐的使用年限，此氮氣為間斷使用，使用時負荷量大。要求的氮氣壓力＞1.4 MPa。

煉鋼精煉需用氬氣，隨著產鋼品種提升，精煉配置增加，用氬量也普遍提高。

2.4冷軋工藝

冷軋機組普冷產品用氮量單耗一般＜50 m3/t，熱鍍鋅產品用氮量單耗＞100 m3/t。隨著鋼廠冷軋機組的后期產能擴大，鋼廠的用氮量需求也會增加明顯。

3　制氧系統(tǒng)工藝配置

因各鋼廠的工藝流程不同，對氧氮氬的供應要求也就不一致。針對鋼廠的特點，在制氧系統(tǒng)工藝方案中就如何確定制氧機組的能力、產品純度、輸送壓力和升壓工藝、總體布置、系統(tǒng)保安、噪聲治理等因素需做專題認證分析，以提出優(yōu)選方案。下面就各專題提出關注重點。

3.1制氧機組能力配置

鋼廠的主要設備需定期停運維護，所以各生產工序用能有作業(yè)小時平均使用量和日歷小時平均使用量兩種參數。日歷小時平均使用量用于工序能耗分析，作業(yè)小時平均使用量是反映鋼廠正常生產時設備的使用量要求，制氧機組能力配置更多取用用戶的作業(yè)小時平均使用量參數作設計依據。

大型鋼鐵企業(yè)一般都考慮分步建設，逐步發(fā)展。制氧機組隨著制造業(yè)的發(fā)展也趨向于大型機組，所以在前期總體規(guī)劃中，制氧站的總體布置和制氧機組的配置能力等需考慮鋼廠發(fā)展的需求。

我們發(fā)現，鋼廠各工序氧氣實際使用量和設計量比較一致；但氮氣因用點多，控制水平相對較低，氮氣實際用量大大超出設計量，所以氮氣能力配置中需充分考慮此因素。

大型制氧機組采用的工藝流程均為深冷空氣分離技術。空氣中氧氣含量21%，氮氣含量78%，制氧機組配置主要是根據氧氣用量需求確定制氧機組能力，同時提取一定量的產品氮氣，多余的氮氣用于制氧機組工藝凈化、預冷系統(tǒng)使用。對于高爐工藝流程的鋼廠，在不需要滿負荷生產時高爐用氧量可能降低較大，而此時整個鋼廠的氮氣需量仍需保持，所以制氧機組配置要求在氧氣產量減少的條件下也要保證一定的氮氣產量，在制氧機組的預冷系統(tǒng)和氮氣壓送設備的配置中要滿足此要求。

大型鋼廠用氧量大，傳統(tǒng)的高爐工藝流程年產1000萬t的鋼廠用氧量約15萬m3/h；COREX爐工藝流程年產300萬t的鋼廠用氧量要達到24萬m3/h，制氧機組也將優(yōu)先選用大型機組。目前行業(yè)中成熟的中大型制氧機組的能力有3萬～8萬m3/h，在制氧機組的配置時應從設備投資、運行能耗、備件互用、運行調節(jié)靈活響應情況、場地條件、設備維護條件等因素進行綜合分析，提出組合方案。

3.2制氧機組產品純度

制氧機組可生產高純氧或低純氧，高純氧機組還可同時提取氬、氪、氙、氖、氦等稀有氣體。氧純度低于95%的制氧機組則不能提取稀有氣體產品。因氖、氦在石油氣中容易提取，一般制氧機組不做提取。低純氧機組的設備投資和運行能耗比高純氧機組相對要低約10%。

高爐冶煉工藝、COREX爐冶煉工藝對氧氣的純度要求不高，用于高爐富氧的氧氣可以低至80%。煉鋼工藝對氧氣的品質要求高，氧氣純度≥99.5%。

因煉鋼工藝需用高純氧和精煉需用氬，所以鋼廠必須配置有高純氧的制氧機組，同時生產氬產品。但是否考慮全部配置高純氧機組，則需綜合分析鋼廠低純氧和高純氧的使用量比例、單臺高純氧制氧機組檢修維護或故障時運行機組的供應量是否可滿足煉鋼等高純氧的用量要求、機組運行能耗、稀有氣體產品的外銷情況等因素來選擇。

COREX爐冶煉工藝要求的氧氣純度可低至95%，但在COREX-3000爐的配置中考慮到煉鐵的產能提升要求，及后續(xù)可能配置的MIDREX爐要求的工藝氣體對COREX爐提出了高純氧氣供應要求，故寶鋼羅涇地區(qū)的制氧機組供氧純度為99.6%。

3.3輸送壓力

若高爐采用機前富氧工藝，應充分利用制氧機組產品氧的壓能輸送，不再另配加壓設備。一般制氧機組低壓氧送出壓力為40 kPa。若輸送管線過長，則可利用制氧機組蒸發(fā)壓力來提高低壓氧送出壓力，低壓氧壓力可達到80 kPa。

若高爐采用機后富氧工藝，則氧氣壓力與鼓風機后的空氣壓力要相匹配，以節(jié)約壓縮能耗，一般供機后富氧的氧氣壓力為0.6～0.8 MPa。

對于高爐冶煉工藝是采取機前富氧還是機后富氧工藝，還需分析鼓風機的配置能力、比較運行能耗等因素來確定。

COREX爐要求的氧氣壓力為0.8 MPa±5%。COREX爐單元配置有流量調節(jié)裝置，沒有壓力調節(jié)裝置，所以在制氧站的輸送管線上設置有壓力調節(jié)系統(tǒng)，以保證供COREX爐氧氣穩(wěn)定的壓力要求。

煉鋼用氧、濺渣護爐用氮、精煉用氬為間斷使用方式，使用壓力在1.4 MPa左右，因制氧機組的產品是恒定供應方式，為滿足煉鋼間斷性、大用量的特點，供此類用戶的氧氣、氮氣、氬氣壓力均為3.0 MPa等級，在動力管網系統(tǒng)中設置大型氣體罐，利用氣體壓差滿足使用特點。

供爐子密封、保護氣、做傳熱介質及系統(tǒng)吹掃等氮氣一般采用0.4～1.0 MPa的中壓氮氣。

3.4升壓工藝

制氧站的氧氮氬氣體產品通過管道送入動力管網系統(tǒng)到各用戶點，為達到管網的供氣壓力要求，產品氣體有兩種升壓方式：外壓縮工藝流程和內壓縮工藝流程。外壓縮工藝是出空分裝置的產品為低壓氣體產品，通過氣體壓縮機實現升壓。內壓縮工藝是產品液體通過液泵升壓后再經空分裝置內的熱交換器復熱到氣體產品送出。

外壓縮工藝需配置氣體壓縮機；內壓縮工藝需配置空氣增壓機、產品液泵。比較外壓縮和內壓縮工藝特點：外壓縮工藝機組生產調節(jié)靈活性大，但氧壓機的危險性大，容易引發(fā)著火等事故。而氧產品內壓縮工藝則可取消氧壓機，避免了這類危險。內壓縮工藝設備占地較小，設備投資小，但對于機組負荷調節(jié)要求高。

在制氧機組產品升壓工藝選擇上除考慮上述因素，還需重點研究選用的壓縮工藝如何滿足鋼廠用氣特點。

冶金系統(tǒng)以前基本使用外壓縮機流程，1995年寶鋼股份公司6#6萬m3/h制氧機組采用了高壓氧氣、高壓氮氣、高壓氬氣內壓縮流程；中壓氮氣外壓縮流程，之后內壓縮流程在國內冶金企業(yè)中的大型配套制氧機組中得到推廣應用。

寶鋼羅涇地區(qū)的制氧機組考慮到COREX爐用氣的特點：中壓氧氣、中壓氮氣要求穩(wěn)定保證，高壓氮氣用量變化大，以及考慮制氧機組的最優(yōu)配置，選用工藝為：中壓氧氣采用內壓縮流程、高壓氧氣從中壓氧氣中引源再采用外壓縮流程；中壓氮氣、高壓氬氣采用內壓縮流程；高壓氮氣從低壓氮氣中引源采用外壓縮流程。生產實際運行效果反映此工藝流程與COREX爐的生產特點相適應。

3.5系統(tǒng)保安

制氧機組正常運行時氣體產品穩(wěn)定供應，但存在設備的突發(fā)故障減產或用戶短時間增加用氣量的要求，此時產氣量就會小于需用量。但制氧機組因深冷工藝的特點，其產量變化的調整需要一定的響應時間，所以制氧站內需配置備份系統(tǒng)，以保證鋼廠供應安全和生產要求。

大型制氧機組在制取氣體產品同時，還配置有一定量的液體產品，液體產品儲存在深冷液體貯罐中，一旦鋼廠中需用量大于制氧機組供應量時，備份系統(tǒng)可在短時間內投入運行，通過蒸發(fā)器將液體復熱到常溫氣體產品補充氣體輸出量以提高供應量。

分析用戶的使用特點來考慮備份系統(tǒng)投入的響應時間。若要求快速響應，則需在備份系統(tǒng)中設置高壓液體貯罐，或將液體備份泵處于冷態(tài)（熱備用），此形式的液體備份泵可達到在2～3 min內快速投運。

COREX爐工藝要求爐子停車時氮氣必須在3 s內增加2.1萬m3/h，并保證連續(xù)供應。則備份系統(tǒng)按快速響應方式配置，同時在動力管網系統(tǒng)中配置氣體緩沖罐，以提供在備份系統(tǒng)正常投入前的用量要求（此部分將在管網系統(tǒng)配置中描述）。并重點研究備份系統(tǒng)在各種異常情況下的系統(tǒng)運行保證，如供電的配置、蒸發(fā)器的形式、加熱源的供應保證、閥門的操作方式控制連鎖等技術。

制氧站備份系統(tǒng)是鋼廠穩(wěn)定生產和安全的保證，但此系統(tǒng)利用時間少。所以，設備配置力求簡潔，充分利用氣體管網系統(tǒng)的調節(jié)能力優(yōu)化備份系統(tǒng)的配置，以節(jié)約建設投資。

3.6系統(tǒng)調節(jié)性

鋼廠的用氣特點是：用氣量大，用量變化大。為滿足此特點，調節(jié)設施有：制氧系統(tǒng)配置液體備份系統(tǒng)、動力管網上配置的氣體罐。

制氧機組的配置需分析機組的能力組合、機組的負荷調節(jié)能力，考慮到鋼廠用量頻繁變化的特點，而深冷工藝的制氧機組存在調節(jié)要求高、響應時間慢的特性，為減少氧氣放散量、避免操作失誤，特別是對于大型制氧機組應該配置自動負荷調節(jié)功能。

如果液體產品市場供應條件好，在制氧站內可同時配置氧氣、氮氣液化裝置，將部分氣體深冷液化為液體產品，既提高了系統(tǒng)調節(jié)功能，又可充分利用機組能力，外銷液體產品，提高經濟效益以降低機組運行成本。

對于正常運行時氧氣、氮氣用量變化特別大的鋼廠，則需考慮在制氧機組中可實現產品氣體、液體互換供應量的功能，以降低運行能耗。

3.7總圖布置

鋼廠鐵前區(qū)大氣環(huán)境質量較差，軋鋼區(qū)環(huán)境質量較好。因制氧機組氣源取自環(huán)境空氣，所以要求制氧機組盡量布置在周圍環(huán)境較好的區(qū)域，全年主導風向的上風側，以保證空氣源清潔，制氧站場地選擇應嚴格執(zhí)行制氧機組的吸風口與有害物的安全距離規(guī)定，盡量避免周邊設置可能存在有害氣體排放的設施，如煤氣柜、煤氣排放塔等。

對于低壓氧氣供高爐機前富氧，制氧站可設置在高爐鼓風站附近，有利于大口徑低壓氧管線的布置。

3.8噪聲治理

制氧機組配置有大型回轉氣體壓縮機，設備運行噪聲高達110 dB(A)；系統(tǒng)中配置有大量的氣體管道，氣體流動產生的喘流噪聲、管壁振動噪聲以及氣體放散噪聲，其最大噪聲源可達125 dB(A)。所以制氧站降噪是工程建設中必須考慮的問題，可以從幾方面考慮防噪措施：

總圖布置中盡量將產生高噪聲的設備遠離廠界布置，大型靜設備如液罐等靠廠界側布置，將有利于阻斷噪聲。

對產生高噪聲的壓縮機設備需設置隔聲罩，考慮到電機的散熱量大，壓縮機電機盡量選用低噪聲電機（≤85 dB(A)），這樣電機可以不需要再進行隔聲處理，以減少壓縮機隔聲罩的換風扇能力。在必要的壓縮機出入口管道上采用管道消聲器，以隔斷設備的動力機械噪聲和電磁噪聲。隔聲罩內壁和消聲器采用性能良好的吸聲材料，并對設備基礎采取良好的減振隔振措施。

壓力氣體放散采用消聲器或混凝土排放塔以降低噪聲；對流速大的管道采用隔聲包扎措施。

對臨廠界的廠房圍墻可采用實體結構，或在廠界周邊種植高大灌木，可阻擋噪聲傳播。

4　氧氮氬動力管網系統(tǒng)配置

制氧站的產品氣體通過管網輸送到各用戶，不同介質、不同壓力等級的氣體成各自獨立的管線系統(tǒng)。因在制氧站的產品壓力確定時已綜合考慮了各用戶的要求，在管網系統(tǒng)中一般不再配置中間加壓系統(tǒng)。若用戶對壓力有特別要求，可在用戶側設置必要的壓縮機或減壓系統(tǒng)。

根據冶煉特點：鋼廠煉鋼、軋鋼用戶的使用量波動大，而制氧機組的工藝特點產量相對恒定供應，所以在管網系統(tǒng)中設置必要的氣體緩沖罐，利用儲氣壓力差，增大供應的緩沖量。

一般在動力管網上配置有3.0 MPa級的氧氣、氮氣、氬氣緩沖罐、0.6～1.0 MPa級的氮氣緩沖罐。

為滿足COREX工藝要求的氧氣、氮氣壓力穩(wěn)定性，在氧、氮中壓管網上配置穩(wěn)壓罐。為提供氧氣、氮氣在短時間增加用量的要求，動力管網在高、中壓管網上設置聯通管線，高壓氣體通過調壓閥降壓后并入中壓管網。在制氧站內還設有高壓液體備份系統(tǒng)，高壓氣體備份系統(tǒng)可通過上述的聯通管線為中壓氣體系統(tǒng)保安，簡化了液體備份系統(tǒng)的設備配置。

寶鋼公司為提高整體能源供應的可靠性和能源介質的資源共享，利用地理位置有利條件，在上海北部地區(qū)建設一個貫穿四家分公司的能源通廊。此能源通廊主要將兩大氧氣站供應中心——寶鋼本部地區(qū)和寶鋼羅涇地區(qū)的氧氮氬氣體管網相連通，成為一個大管網系統(tǒng)，此系統(tǒng)增強了供氣調配的靈活性，提高了制氧機組設備檢修和發(fā)生事故時系統(tǒng)的應對能力，提高了氧氮氬整體供應的可靠性和安全性。

5　結束語

制氧系統(tǒng)的合理配置是鋼鐵企業(yè)生產運行的基本保障，特別在大型聯合鋼鐵企業(yè)中各冶煉工藝對氧氮氬的要求不同，需要根據工藝特點，進行全面的分析研究，制定出的制氧系統(tǒng)配置方式才能確保合理可行，滿足鋼廠生產的要求。

The Configuration of Oxygen Generating System in Large Steel Enterprises

Zhang Zhiyi
(Baosteel Engineering & Technology Co., Ltd., Shanghai 201900, China)

【Abstract】The configuration features of the oxygen generating system for blast furnace ironmaking process and COREX process are discussed. The focuses in the configuration of oxygen generating system in united steel enterprises are analyzed, such as the purity, pressure and pressure step-up process of oxygen, nitrogen and argon, the configuration of pipe network and system security, the overall layout of oxygen station and noise suppression.

【Keywords】oxygen generating system; configuration; process

作者簡介：張志義（1962－），女，1984年畢業(yè)于上海同濟大學燃氣熱能專業(yè)，高級工程師，現從事冶金系統(tǒng)燃氣技術工作。

收稿日期：2015－07－13

【中圖分類號】TB6

【文獻標識碼】B

【文章編號】1006-6764(2015)10-0028-04