多流程組合供氧模式在鋼鐵企業(yè)的應(yīng)用與研究

楊瑜亮

（南京鋼鐵聯(lián)合有限公司制氧廠，江蘇南京 210035）

引言

鋼鐵企業(yè)制氧機(jī)組主要用戶為高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、電爐煉鋼、軋鋼等，根據(jù)工藝特點(diǎn)，煉鋼、軋鋼用戶氧氣用量總體穩(wěn)定，而高爐用戶由于受到原燃料等外界因素影響，高爐爐況基本處于長(zhǎng)期波動(dòng)狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)休風(fēng)、停爐等中斷性生產(chǎn)現(xiàn)象。上述情況導(dǎo)致鋼鐵企業(yè)制氧機(jī)組被迫進(jìn)行工況調(diào)整，對(duì)制氧機(jī)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響較大，因此探索出滿足企業(yè)實(shí)際需求的氧氣供應(yīng)模式是制氧企業(yè)高效運(yùn)行的重要前提。

1 鋼鐵行業(yè)氧氣供應(yīng)模式類型

鋼鐵企業(yè)屬于長(zhǎng)流程工藝，自建廠開始從設(shè)計(jì)、使用、改造、再設(shè)計(jì)等不斷循環(huán)的全壽命周期中迭代更新，因此出現(xiàn)了較多的工藝流程和裝置。而其中氧氣供應(yīng)模式的合理與完善是典型代表之一。隨著技術(shù)進(jìn)步，目前鋼鐵企業(yè)中主要存在以下幾種氧氣供應(yīng)模式：

1.1 模式一

鋼鐵企業(yè)（也是大多數(shù)企業(yè)）傳統(tǒng)氧氣供應(yīng)模式基本為深冷制氧機(jī)組產(chǎn)出氧氣，通過(guò)系統(tǒng)總管網(wǎng)，以制氧機(jī)組輸送的中壓氧氣（約3.0MPa）供應(yīng)至各用戶端，隨后根據(jù)各用戶工藝需求分別進(jìn)行減壓，以滿足各自需求，該模式介質(zhì)參數(shù)單一，通用性強(qiáng)，但系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最差，使用成本高，同時(shí)氧氣輸送風(fēng)險(xiǎn)較大。

1.2 模式二

少數(shù)鋼鐵企業(yè)在上一輪經(jīng)濟(jì)危機(jī)期間實(shí)施節(jié)能降本，對(duì)傳統(tǒng)氧氣模式進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)部分（高爐用氧）中壓氧氣進(jìn)行改造，采用低壓氧壓機(jī)工藝，減少氧氣供應(yīng)能源消耗，該流程比較切合實(shí)際，介質(zhì)中以壓力需求進(jìn)行分別供應(yīng)，相比經(jīng)濟(jì)性較好，目前行業(yè)內(nèi)企業(yè)用戶逐步擴(kuò)大。

1.3 模式三

極少數(shù)用戶通過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化，結(jié)合企業(yè)自身內(nèi)部氧氣用戶介質(zhì)差異化工藝需求，采用行業(yè)先進(jìn)技術(shù)，自主集成并創(chuàng)新多流程供氧模式，適應(yīng)企業(yè)發(fā)展需求，解決鋼鐵企業(yè)氧氣供應(yīng)波動(dòng)難題，實(shí)現(xiàn)多流程組合供氧模式和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行目標(biāo)。該組合流程以自身個(gè)性化需求為主，經(jīng)濟(jì)性最佳，同時(shí)跟隨技術(shù)潮流同步發(fā)展，不斷更新原有裝置性能，以系統(tǒng)性為出發(fā)點(diǎn)，實(shí)用性強(qiáng)，通過(guò)不斷改進(jìn)、優(yōu)化，系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較低，是企業(yè)精細(xì)化、專業(yè)化發(fā)展的方向。

2 創(chuàng)新多流程組合供氧模式的系統(tǒng)實(shí)踐

南京鋼鐵聯(lián)合有限公司（以下簡(jiǎn)稱南鋼）近年來(lái)隨著企業(yè)的不斷發(fā)展，高爐富氧率水平和氧氣用量不斷提升，以如何滿足企業(yè)的用氧量并適應(yīng)氧氣量的變化作為重要工作內(nèi)容，創(chuàng)新性自主集成并研究出多流程組合供氧模式，通過(guò)系統(tǒng)實(shí)踐，取得較好的效果。下面就研究和實(shí)施過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2.1 南鋼制氧系統(tǒng)原裝置概況及供應(yīng)模式

南鋼制氧共有5 套制氧裝置（共計(jì)12 萬(wàn)m3/h 氧氣），根據(jù)原工藝設(shè)計(jì)，采用傳統(tǒng)氧氣供應(yīng)模式見圖1所示，裝置概況性能見表1所示。

圖1 原有傳統(tǒng)供氧模式

表1 南鋼制氧裝置及性能概況

隨著企業(yè)管理的不斷進(jìn)步，鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中高爐大富氧、轉(zhuǎn)爐吹煉節(jié)奏不斷加快，能源介質(zhì)尤其是氧氣介質(zhì)的穩(wěn)定供應(yīng)是保證生產(chǎn)連續(xù)性的前提，但受限于各種因素，高爐爐況波動(dòng)導(dǎo)致氧氣隨著波動(dòng)的現(xiàn)象較為頻繁。而氧氣供應(yīng)模式的選擇優(yōu)劣對(duì)于下游用戶的生產(chǎn)至關(guān)重要。

以南鋼生產(chǎn)實(shí)際為例，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，2018 年度高爐氧氣用量在40000～75000 m3/h 之間波動(dòng)，一般同類型企業(yè)的供氧裝置無(wú)法滿足此波動(dòng)要求。另外原有的氧氣裝置供應(yīng)量也不能滿足日益增長(zhǎng)的產(chǎn)能需求，需外購(gòu)液氧氣化補(bǔ)充。因此，系統(tǒng)性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性氧氣供應(yīng)模式的研究是滿足生產(chǎn)需求的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。

2.2 創(chuàng)新多流程供氧模式及實(shí)施

2.2.1 多流程供氧流程改造方案確定

(1)針對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，參考供應(yīng)模式二，依據(jù)煉鐵系統(tǒng)高爐富氧的特點(diǎn)，結(jié)合南鋼自身生產(chǎn)調(diào)節(jié)，建設(shè)性采用中、低壓氧氣分壓運(yùn)行模式實(shí)施節(jié)能改造（配套建設(shè)相應(yīng)低壓氧氣管線），實(shí)現(xiàn)雙流程供氧模式改造，同步針對(duì)原有的1#、2#制氧裝置實(shí)施分餾塔填料下塔改造，實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷調(diào)節(jié)功能，以滿足裝置經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和大范圍的調(diào)節(jié)能力需求。

(2)依據(jù)公司發(fā)展計(jì)劃，2018年開始制定1100萬(wàn)噸鋼產(chǎn)能提升要求，氧氣系統(tǒng)平衡缺口約1.72 萬(wàn)m3/h，如表2 所示。為此綜合考慮需配建設(shè)2萬(wàn)m3/h制氧機(jī)組以滿足高爐用氧需求。

表2 1100萬(wàn)噸鋼系統(tǒng)平衡表

2.2.2 多流程組合供氧模式的實(shí)施

（1）自2018年開始，分別實(shí)施1#、2#制氧機(jī)低壓氧改造，將原有中壓氧壓機(jī)拆除、新增一臺(tái)低壓氧壓機(jī)；基礎(chǔ)、電儀系統(tǒng)、水路、氣路、行車等總體利舊，部分改造（設(shè)備基礎(chǔ)采用在線切割、植筋方式滿足基礎(chǔ)要求）。自2018年6月15日-2019年2月3日先后完成2 臺(tái)2 萬(wàn)m3/h 空分配套中壓氧壓機(jī)改低壓氧壓機(jī)改造。氧氣供應(yīng)壓力由2.6 MPa 降至0.63 MPa，壓縮單耗由0.189 kWh/m3降至0.105 kWh/m3，能耗下降44%。實(shí)現(xiàn)公司高爐大富氧系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能。

（2）同期配套低壓氧管道流量按照機(jī)后富氧量7萬(wàn)m3/h考慮，降低流速、減少阻力損失同時(shí)為后續(xù)總量提升創(chuàng)造條件。1#制氧區(qū)域與2#制氧區(qū)域通過(guò)低壓氧管道（1500 m、DN400）聯(lián)通、加裝閥門等控制設(shè)施。低壓氧氣經(jīng)新建管道送至一、二鐵廠鼓風(fēng)機(jī)站內(nèi)，其中一鐵廠低壓富氧量按4.4 萬(wàn)m3/h 計(jì)，二鐵廠低壓富氧量按2.6 萬(wàn)m3/h 計(jì)。低壓氧氣管道起點(diǎn)壓力約為0.65 MPa，管道全長(zhǎng)約6 km。低壓氧氣管道流速控制在15 m/s 左右。在5 個(gè)高爐鼓風(fēng)機(jī)后分別設(shè)置控制閥門、流量計(jì)、止回閥與現(xiàn)有調(diào)壓系統(tǒng)聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)低壓氧用量不足時(shí)中壓氧補(bǔ)充如圖2所示。

圖2 高爐低壓氧系統(tǒng)流程圖

（3）為適應(yīng)1100 萬(wàn)噸鋼產(chǎn)能的需求，新建配套制氧機(jī)組。由于受制氧工藝流程限制，若選用深冷制氧空分建設(shè)周期長(zhǎng)（15 個(gè)月），同時(shí)新建制氧主要滿足高爐富氧需求，結(jié)合多種工藝流程優(yōu)缺點(diǎn)，綜合評(píng)定選用建設(shè)周期短（7 個(gè)月）、能耗低（折合純氧單耗＜0.3 kWh/ m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于深冷制氧0.46 kWh/m3）、見效快的新型變壓吸附制氧工藝流程。經(jīng)過(guò)充分論證，同時(shí)考慮氧氣用量的波動(dòng)和高爐用氧純度的經(jīng)濟(jì)性，確定在現(xiàn)有情況下補(bǔ)充符合高爐富氧需求的80%純度氧氣可最優(yōu)化高爐生產(chǎn)工藝，降低長(zhǎng)期使用成本，裝置設(shè)計(jì)為一體化控制變壓吸附制氧集群（簡(jiǎn)稱：VPSA 集群）。該裝置與已有的中、低壓氧系統(tǒng)構(gòu)成多流程組合供氧模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)氧氣供應(yīng)大范圍調(diào)節(jié)的及時(shí)性和靈活性要求。工藝規(guī)模研究確定為4×6250 m3/h，80%純度，0.65 MPa，通過(guò)已有的低壓氧管道貫通送兩個(gè)鐵廠高爐生產(chǎn)。項(xiàng)目于2019 年1 月10 日-7 月26 日建設(shè)實(shí)施，建成投運(yùn)后滿足高爐低壓氧62000m3/h（折合純氧），低壓富氧與純氧組合生產(chǎn)供高爐富氧，在高爐富氧用量＞62000 m3/h 時(shí)實(shí)現(xiàn)原有中壓減低壓調(diào)節(jié)補(bǔ)充，長(zhǎng)期實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行。項(xiàng)目實(shí)施完成經(jīng)測(cè)試，不含壓氧能耗0.296 kWh/m3，產(chǎn)量4×6350 m3/h，為同類型在用裝置性能指標(biāo)最佳。

經(jīng)上述系列改造后南鋼氧氣系統(tǒng)供應(yīng)實(shí)現(xiàn)多流程組合供應(yīng)新模式如圖3 所示。系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍廣，實(shí)用性強(qiáng)，組合運(yùn)行和調(diào)節(jié)手段多，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)大幅度提升，裝置生產(chǎn)運(yùn)行能耗位于同類型企業(yè)前列。

5 實(shí)施效果及評(píng)價(jià)

多流程組合供氧模式投用后，系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行指標(biāo)大幅度提升，實(shí)現(xiàn)了40000 m3/h 的調(diào)節(jié)供氧能力，高爐富氧氧氣供應(yīng)適應(yīng)了高爐的較大范圍波動(dòng)需求，氧氣銷量單耗下降明顯。通過(guò)改造實(shí)現(xiàn)供氧模式的系統(tǒng)全流程優(yōu)化（見表3）,供氧單耗由2017 年0.693 kWh/m3O2下降至2019 年0.635kWh/m3O2，降幅8.5%（見表3）。

圖3 多流程組合供氧模式

表3 多流程供氧模式的裝置配置表

表4 流程改造前后供氧單耗

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)測(cè)算，多流程供氧模式實(shí)踐后產(chǎn)生直接節(jié)能效益3948 萬(wàn)元/年，核算企業(yè)綜合效益約1.2億元/年。

6 結(jié)束語(yǔ)

與原有傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)的供氧模式相比，多流程組合供氧模式在系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、大范圍調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì)明顯。隨著國(guó)內(nèi)制氧技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用行業(yè)先進(jìn)技術(shù)集成多種流程制氧工藝綜合供氧，在企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用中綜合效益巨大。