VPSA制氧在鋼包烘烤的應用

李鵬元 徐 陽 方 田 張 雷

(中鋼集團鞍山熱能研究院有限公司)

2020年我國粗鋼、生鐵和鋼材產(chǎn)量分別為105 300萬t、88 752萬t和132 489萬t，同比增長5.2%、4.3%和7.7%，粗鋼產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的58%。2011-2020年，國內(nèi)制造業(yè)增加值與粗鋼產(chǎn)量的年均增速分別為7.9%和5.1%，支撐中國經(jīng)濟的高質(zhì)量發(fā)展。盡管我國噸鋼綜合能耗由2000年的920 kgce/t降到2017年的567 kgce/t，但鋼鐵工業(yè)總能耗仍占全國工業(yè)總能耗的20%～25%，占全國總能耗15%。中國鋼鐵業(yè)碳排放占全國碳排放總量的15%，是制造業(yè)31個門類中碳排放最大的行業(yè)。

近年來隨著全球環(huán)境、氣候問題越來越突出，對全球鋼鐵冶金企業(yè)的節(jié)能、環(huán)保生產(chǎn)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。國內(nèi)許多企業(yè)在“碳達峰、碳中和”的“雙碳目標”背景下探索新的節(jié)能、環(huán)保生產(chǎn)措施。在富氧燃燒、全氧燃燒上進行大量的理論研究和工業(yè)試驗，隨之而來的是企業(yè)氧氣來源及經(jīng)濟性問題。

1 VPSA制氧技術(shù)

1.1 原理介紹

VPSA制氧即加壓吸附真空解吸制氧工藝，利用分子篩對空氣中各單一組分氣體不同狀態(tài)吸附能力的不同，通過加壓吸附空氣中的N2制備O2，真空解析N2后恢復分子篩吸附能力，從而實現(xiàn)穩(wěn)定供氧。當加壓空氣經(jīng)過吸附劑(沸石分子篩)時，大量的N2被捕集吸附，剩余氣體主要成分為O2；當壓力下降時，沸石分子篩吸附的N2釋放，分子篩恢復吸附能力。實際運行中由于空氣中的Ar與O2在沸石分子篩中的吸附能力基本相當，VPSA制氧得到的O2濃度不會大于95%，其中還有Ar和未被完全吸附的N2。

1.2 工藝流程

加壓吸附真空解吸制氧(簡稱VPSA制氧)主要由鼓風機、真空泵、切換閥、吸附塔和氧氣平衡罐組成。原料空氣經(jīng)吸入口過濾器除掉灰塵顆粒后，被羅茨鼓風機增壓送入吸附塔。吸附塔內(nèi)裝填吸附劑，H2O、CO2及少量其他氣體組分在吸附塔入口處被裝填于底部的活性氧化鋁吸附，隨后N2被裝填于活性氧化鋁上部的沸石分子篩吸附，而O2(包括Ar)為非吸附組分從吸附器頂部出口處作為產(chǎn)品氣排至氧氣緩沖罐。

當該吸附塔的吸附劑達到飽和狀態(tài)時，切換閥利用真空泵對其抽真空(與吸附方向相反)；已吸附的H2O、CO2、N2及少量其他氣體組分被抽出并排至大氣，吸附劑得到再生。

結(jié)合上述過程，外部空氣經(jīng)鼓風機前過濾器后加壓送入徑向吸附塔，兩個徑向吸附塔交替工作，分別完成吸附—解析交替的生產(chǎn)過程，交替產(chǎn)生的O2進入緩沖罐緩沖穩(wěn)壓，形成穩(wěn)定低壓O2外供。

1.3 VPSA制氧的優(yōu)勢

VPSA制氧在冶金行業(yè)的應用得益于其相較深冷制氧獨特的技術(shù)和經(jīng)濟性優(yōu)勢。

(1)工藝流程簡單穩(wěn)定，系統(tǒng)設備配套簡單，運動設備少，運行維護成本低。

(2)成套獨立集成，系統(tǒng)操作生產(chǎn)靈活，負荷在50%～100%可調(diào)，更能適應生產(chǎn)波動；開停機靈活，啟動和停止時間不超過30 min。

(3)工程建設占地少，投資成本低，生產(chǎn)規(guī)模一般為2～15 000 m3/h，更能適應企業(yè)不同工序不同氧氣量的需求。

(4)系統(tǒng)產(chǎn)生低壓O2，能更好地配合冶金企業(yè)絕大部分低壓燃燒用氧需求，同時節(jié)約了高壓O2壓縮機的能量消耗。

(5)制氧成本低，通過富氧或全氧燃燒技術(shù)節(jié)約企業(yè)天然氣用量，可以有效降低企業(yè)生產(chǎn)成本。VPSA制氧成本約為0.2～0.3元/m3，遠遠低于傳統(tǒng)深冷制氧的0.5元/m3。

2 應用實例

國內(nèi)某鋼鐵公司對其3臺120 t鋼包烘烤器進行了全氧燃燒改造，燃燒方式由天然氣+空氣助燃改造為天然氣+全氧(O2濃度91%)燃燒。該部分O2由VPSA制氧系統(tǒng)供應。考慮到3臺鋼包烘烤器同時使用率及廠內(nèi)可提供部分剩余O2補充，該VPSA制氧系統(tǒng)供氧量為800 m3/h，O2濃度≥91%。

3 設計改造內(nèi)容

(1)燃燒器及燃燒系統(tǒng)改造

燃燒器選用高速天然氣和氧氣噴嘴，采用分級供氧助燃，設中心天然氣噴嘴、中心一次供氧和偏心二次供氧，燃燒器一體化安裝。燃燒器供熱能力2 MW，天然氣額定流量200 m3/h，熱值33 440 kJ/m3。

對原燃燒系統(tǒng)進行改造，將原空氣助燃風機及管道拆除，新建一套氧氣供給控制閥組，控制閥組設流量調(diào)節(jié)閥和應急切斷閥，確保氧氣供給安全。

(2)自動控制升級

對原控制系統(tǒng)進行升級，以天然氣和氧氣燃燒流量配比控制為主要控制邏輯，實現(xiàn)應急報警、自動切斷和烘烤的功能。

(3)其他改造

根據(jù)改造燃燒器的尺寸及載荷需求，對鋼包蓋、卷揚提升機構(gòu)、包蓋內(nèi)襯耐火材料、旋轉(zhuǎn)大臂等結(jié)構(gòu)進行相應地改造。

4 效果分析

4.1 節(jié)能減排效果

改造前單臺120 t鋼包新包烘烤時天然氣消耗量平均為227.0 m3/h，改造后平均為131.6 m3/h，平均節(jié)約天然氣消耗量95.4 m3/h，平均O2消耗量315.84 m3/h，天然氣節(jié)約率42%。考慮鋼包烘烤設備使用頻率，以單臺烤包器年生產(chǎn)時間6 000 h計，年節(jié)約天然氣572 400 m3；以天然氣熱值33 440 kJ/m3計，相當于節(jié)約654.1 tce/a，減排CO21 124.4 t/a。相當于在鋼包烘烤中，每投入1m3O2，能節(jié)約0.3 m3左右的天然氣，減排CO2約1.96 kg。

4.2 經(jīng)濟效益

該企業(yè)天然氣為管道供氣，全年平均價格為3.5元/m3；O2采用VPSA制氧技術(shù)，考慮運行維護及人員工資等綜合折算成本為0.4元/m3。由于VPSA制氧技術(shù)O2濃度≥91%，實際操作為保證天然氣燃燒充分，燃燒煙氣氧含量控制在3%左右，維持氧氣與燃氣比值在2.4；改造后平均O2消耗量為131.6 m3/h×2.4=315.84 m3/h。

在不考慮其他因素影響的情況下對經(jīng)濟效益進行核算，單臺烘烤器新增氧氣成本=315.84×6 000×0.4=758 016元/a，單臺烘烤器節(jié)約天然氣費用=95.4×6 000×3.5=2 003 400元/a，單臺烤包器改造直接經(jīng)濟效益=單臺烘烤器節(jié)約天然氣費用-單臺烘烤器新增氧氣成本=124.5萬元/a；

5 結(jié)語

(1)VPSA制氧相較于深冷制氧特有的技術(shù)優(yōu)勢，更能適應冶金行業(yè)低氧用氧負荷多變的工藝需求。降低企業(yè)在投資、建設用地、運行維護等方面的成本和風險，有利于企業(yè)在現(xiàn)有生產(chǎn)工藝上進行優(yōu)化升級。

(2)VPSA制氧全費用成本約為0.4元/m3，采用全氧燃燒后，每投入1 m3O2，能節(jié)約天然氣約0.3 m3，減排CO2約1.96 kg，年節(jié)約生產(chǎn)成本約124.5萬元，經(jīng)濟效益和環(huán)境效益顯著。

(3)目前該烤包器空氣與燃氣的比值為2.4，測算后煙氣中剩余氧含量在3%左右；鑒于氧氣助燃的燃燒速率和火焰?zhèn)鞑ニ俾?，該氧燃比仍有進一步優(yōu)化的空間。

(4)文章只針對VPSA制氧與鋼包烘烤的聯(lián)產(chǎn)進行了分析，VPSA制氧在冶金行業(yè)其他工序的應用有待進一步探討。