基于變壓吸附制氧技術(shù)的高爐富氧方案比選與分析

楊澤萌

(1.北京首鋼國際工程技術(shù)有限公司能源環(huán)境分公司熱能事業(yè)部，2.北京市冶金三維仿真設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心)

隨著國家“碳達(dá)峰、碳中和”政策的深入推進(jìn)，鋼鐵行業(yè)低碳、綠色、高效冶煉技術(shù)得到廣泛關(guān)注。提升高爐富氧率作為增強(qiáng)冶煉強(qiáng)度的低碳技術(shù)正處于高速發(fā)展階段。國內(nèi)眾多大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，高爐富氧率普遍維持在2%～7%。富氧率的提高能夠在爐內(nèi)為介質(zhì)燃燒創(chuàng)造良好氛圍，使燃燒反應(yīng)更加充分，對高爐冶煉產(chǎn)品整體品質(zhì)的提升有重要意義。但是，為實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有高爐的進(jìn)一步富氧改造，需解決諸如制氧技術(shù)方案、富氧方式、氧槍匹配等一系列問題。

目前，國內(nèi)大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)制氧站均采用深冷法進(jìn)行空氣分離制取氧氣、氮?dú)?。空分制氧站?guī)模主要根據(jù)煉鋼用戶對氧、氮和氬氣的用量、純度與壓力的要求進(jìn)行匹配，同時(shí)兼顧高爐煉鐵、燒結(jié)及其它小用戶等。對于內(nèi)壓縮型空分，冷箱出口氧氣由液氧泵提高氧氣壓力至1.6～3.0 MPa。高爐富氧水平較低的企業(yè)，煉鐵氧氣根據(jù)煉鋼需求進(jìn)行調(diào)壓匹配，將中、高壓純氧(一般≥99.6%)降至低壓后送入鼓風(fēng)機(jī)后冷風(fēng)管，進(jìn)行機(jī)后富氧。目前，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)主要采用該方法進(jìn)行富氧，既造成氧氣能級的損失，也是對氧氣品位的浪費(fèi)。由于高爐富氧對純度要求較低，且深冷制氧機(jī)后富氧方式存在不足，因此，選擇適用于高爐富氧的低成本制氧技術(shù)與富氧方式至關(guān)重要。

1 高爐富氧現(xiàn)狀與優(yōu)勢

為降低高爐焦比、提高煤比，目前寶武、首鋼、馬鋼等大型聯(lián)合鋼鐵企業(yè)在高爐富氧強(qiáng)化冶煉領(lǐng)域進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。根據(jù)調(diào)研，國內(nèi)主要鋼鐵企業(yè)煉鐵高爐富氧現(xiàn)狀見表1[1-8]。

根據(jù)理論燃燒溫度公式進(jìn)行核算，高爐鼓風(fēng)富氧率每提高1%，高爐內(nèi)介質(zhì)的理論燃燒溫度提高35～43 ℃。由表1可知，高爐鼓風(fēng)富氧率每提高1%，高爐噴煤比提高3.5～20 kg/t，高爐焦比降低3.0～18.5 kg/t。同時(shí)，隨著富氧率的提高，爐內(nèi)氧氣濃度升高，CO燃燒更加充分，使得高爐煤氣發(fā)生量顯著提高。因此，高爐富氧過程具有降低冶煉成本、增強(qiáng)冶煉強(qiáng)度、低碳節(jié)能環(huán)保的作用。

表1 國內(nèi)鋼鐵企業(yè)高爐富氧現(xiàn)狀

2 高爐富氧應(yīng)用方案

2.1 應(yīng)用實(shí)例

國內(nèi)某大型鋼鐵企業(yè)共有3座高爐，單座高爐建設(shè)階段設(shè)計(jì)富氧率為5.5%，高爐鼓風(fēng)采用降壓機(jī)后富氧方式，氧氣流量約35 000 m3/h。結(jié)合煉鋼連鑄及其它小用戶氧氣平均用量核定深冷空分建設(shè)規(guī)模，目前制氧作業(yè)區(qū)制氧機(jī)組氧氣產(chǎn)能為2.3×105m3/h，高爐實(shí)際富氧率維持在6%～7%，基本實(shí)現(xiàn)氧氣供需平衡。為響應(yīng)國家能源環(huán)保要求以及“雙碳”政策，進(jìn)一步降低高爐冶煉焦比，提高煤粉噴吹量，計(jì)劃將3座高爐富氧率提高至9%；統(tǒng)籌考慮進(jìn)一步提高富氧能力、改善富氧方式，遠(yuǎn)期規(guī)劃高爐富氧率≥12%。因此，需要在深冷法氧氣平衡基礎(chǔ)上新增低成本的制氧、富氧設(shè)施，在增強(qiáng)冶煉強(qiáng)度條件下降低冶煉成本。

2.2 變壓吸附制氧

V=Q(C1-21)/(C-21)

(1)

式中：V為高爐富氧鼓風(fēng)氧氣用量，m3/h；Q為煉鐵提供鼓風(fēng)量，m3/h；C1為設(shè)定的富氧濃度，%；C為氧氣濃度，%。

由公式(1)計(jì)算可知，當(dāng)富氧率提高至9%時(shí)，高爐鼓風(fēng)需增加純氧約48 000 m3/h。而氮?dú)鈨H在高爐富氧系統(tǒng)的氧氣流量調(diào)節(jié)、快速切斷閥后使用，實(shí)際需求量約3 000 m3/h?？梢?，高爐富氧項(xiàng)目對氧氣需求量大，對氮?dú)庑枨罅靠珊雎?。僅針對煉鐵區(qū)域高爐用戶選擇深冷法進(jìn)行空氣分離，不僅投資大、運(yùn)行成本高，且制取的氮?dú)夥派?huì)造成能源浪費(fèi)。因此，根據(jù)實(shí)例特點(diǎn)，需另外配置投資規(guī)模小、運(yùn)行成本低、純度符合鼓風(fēng)要求的制氧方案。

真空變壓吸附(VPSA)制氧是除深冷法外，應(yīng)用最成熟且運(yùn)行成本相對較低的制氧方案，其廣泛用于對氧氣純度要求低、氮?dú)庑枨罅啃〉牟Ａ?、有色冶煉和曝氣生化等行業(yè)。VPSA利用具有吸附選擇特性的吸附劑實(shí)現(xiàn)氧氮分離，由于氧氣、氮?dú)夥肿优紭O矩不同，氮?dú)庠趬毫顟B(tài)下被吸附，氧氣在氣相富集后流出吸附床；抽真空狀態(tài)下吸附的氮?dú)饷摳?，吸附劑通過壓力變換實(shí)現(xiàn)再生。VPSA與深冷法制氧相關(guān)性能指標(biāo)見表2。結(jié)合實(shí)例，高爐富氧中的低成本制氧技術(shù)宜采用VPSA方案。

表2 VPSA與深冷法制氧技術(shù)對比

2.3 高爐富氧方式

高爐鼓風(fēng)富氧根據(jù)氧氣管道連接位置不同，分為機(jī)前與機(jī)后富氧兩種方式。在實(shí)例中，制氧作業(yè)區(qū)深冷空分3.0 MPa氧氣輸送至煉鐵區(qū)域后，經(jīng)兩級調(diào)壓至0.6～0.8 MPa送入冷風(fēng)管道進(jìn)行機(jī)后富氧，富氧率最大維持在7%。基于此，為進(jìn)一步提升高爐富氧率，在保證機(jī)前富氧安全的前提下，應(yīng)盡可能采用機(jī)前富氧方式。這是由于VPSA制備的氧氣壓力為15～45 kPa，采用機(jī)前富氧方式氧氣無需增壓，可在鼓風(fēng)機(jī)前通過混氧器使氣相混合均勻后送入高爐系統(tǒng)。根據(jù)生產(chǎn)區(qū)域或容器內(nèi)氧氣動(dòng)火極限與風(fēng)機(jī)安全性能要求，機(jī)前富氧≤23%符合安全用氧規(guī)定[9]。因此，實(shí)例高爐富氧率提高至9%，全部采用機(jī)前富氧形式。遠(yuǎn)期計(jì)劃富氧率提升至12%，新增氧氣可通過外置氧壓機(jī)進(jìn)行增壓，再采用機(jī)后富氧形式與冷風(fēng)管道連通。應(yīng)用實(shí)例中，企業(yè)遠(yuǎn)期規(guī)劃的高爐富氧方式與工藝流程，如圖1所示。

圖1 高爐富氧方式與工藝流程

3 方案對比分析

3.1 VPSA方案對比

根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)與真空泵工作原理的不同，VPSA制氧分為羅茨風(fēng)機(jī)、真空泵變壓吸附制氧工藝和離心風(fēng)機(jī)、真空泵變壓吸附制氧工藝；吸附塔主要有2塔、3塔、5塔與7塔工藝。目前，以羅茨風(fēng)機(jī)、真空泵配合2塔的VPSA工藝技術(shù)成熟度最高、應(yīng)用最廣泛。但是，該工藝國內(nèi)單體最大能力僅7 500 m3/h，制氧規(guī)模較大的項(xiàng)目需多套機(jī)組，占地面積大；方案共需8套，氧氣純度80%。2018年后，以離心風(fēng)機(jī)、真空泵配合3塔的VPSA工藝技術(shù)已有大型工程應(yīng)用案例；方案單體規(guī)模15 625 m3/h，共4套，氧氣純度80%。兩種VPSA制氧方案在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面的對比分析如表3所示。對于氧氣需求量小、純度要求較低的項(xiàng)目，適于采用羅茨風(fēng)機(jī)、真空泵配合2塔VPSA工藝，技術(shù)成熟穩(wěn)定、可靠性高。而對于氧氣需求量大的項(xiàng)目，應(yīng)考慮單機(jī)能力，平衡多套機(jī)組的耦合效應(yīng)。應(yīng)用實(shí)例需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際采取定性與定量相結(jié)合方式進(jìn)行方案比選。

表3 不同VPSA制氧方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性能對比

3.2 定性分析與比選

結(jié)合應(yīng)用實(shí)例特點(diǎn)，采用機(jī)前富氧方式將高爐富氧率提高至9%。經(jīng)核算，VPSA方案制氧60 000 m3/h(氧氣純度80%)。項(xiàng)目定性分析采用德爾菲法進(jìn)行方案比選，邀請專家人數(shù)不少于20人，包括行業(yè)內(nèi)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和管理領(lǐng)域?qū)＜?。根?jù)兩方案在工藝流程、消耗定額、自動(dòng)控制、公用工程、三廢排放、占地面積、人力資源、風(fēng)險(xiǎn)防控等不同維度的先進(jìn)性、適用性、可靠性進(jìn)行打分。通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)、加權(quán)平均法進(jìn)行比較，從而優(yōu)選適宜該項(xiàng)目的工藝方案。除德爾菲法外，也可將價(jià)值工程理論[10]應(yīng)用到實(shí)例中，比較在相同投資限額下的方案效益值；其中，量化指標(biāo)仍采用專家打分方式，針對效益指標(biāo)賦予不同權(quán)重值，求得方案加權(quán)平均值。通過不同領(lǐng)域?qū)＜覂奢喆蚍謪R總后，離心風(fēng)機(jī)、真空泵配合3塔的VPSA工藝技術(shù)更適用于項(xiàng)目。

3.3 定量分析與比選

應(yīng)用VPSA方案比選在資源約束條件下進(jìn)行，定量分析采用Weingartner整數(shù)規(guī)劃法。Weingartner目標(biāo)函數(shù)F(x)和資源約束條件分別如公式(2)和公式(3)所示。根據(jù)應(yīng)用實(shí)例特點(diǎn)，VPSA方案為互斥型關(guān)系，可接受其中1個(gè)方案，也可全部拒絕，因此，VPSA方案約束條件如式(4)所示。將各VPSA方案預(yù)計(jì)的財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值、初始投資代入目標(biāo)函數(shù)與資源約束條件公式，結(jié)合方案間互相約束關(guān)系，在MATLAB中建立模型。通過計(jì)算可知，離心風(fēng)機(jī)、真空泵配合3塔的VPSA工藝技術(shù)的x值為1，即該方案經(jīng)定量分析比選后可被接受。

(2)

(3)

(4)

式中：m為VPSA方案數(shù)目；NPVi為備選方案凈現(xiàn)值；Ri為方案初期資源投入值；Rt為方案資源投用總值；xi為決策變量，接受方案取值1，拒絕方案取值0。

4 結(jié)論

為落實(shí)國家“雙碳”政策，鋼鐵行業(yè)高爐高富氧、強(qiáng)冶煉模式將得到進(jìn)一步發(fā)展。在此背景下，構(gòu)建適用于高爐富氧的低成本制氧技術(shù)與富氧方式對鋼鐵聯(lián)合企業(yè)至關(guān)重要。結(jié)合應(yīng)用實(shí)例，將VPSA制氧技術(shù)與機(jī)前、機(jī)后富氧方式統(tǒng)籌規(guī)劃，應(yīng)用于高爐富氧。對變壓吸附制氧方案進(jìn)行比選與分析，提供定性與定量分析方法，供企業(yè)借鑒。最終，選擇了離心風(fēng)機(jī)、真空泵配合3塔的VPSA工藝方案。該方案是目前國內(nèi)單體規(guī)模最大的VPSA制氧工藝，技術(shù)先進(jìn)。進(jìn)入新時(shí)代，在國家低碳節(jié)能環(huán)保政策引領(lǐng)下，科技人員與企業(yè)均應(yīng)樹立責(zé)任意識(shí)，以技術(shù)創(chuàng)新為突破，勇于創(chuàng)新方式方法，加快推進(jìn)行業(yè)“碳中和”目標(biāo)進(jìn)程。