变压吸附制氧效益核算.docx

变压吸附制氧在中小高炉中的应用及成本核算摘要摘要：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：关键词：变压吸附制氧；VPSA；富氧喷煤；高炉前言前言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1.1. 变压吸附制氧概述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-82000 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1.11.1 VPSAVPSA 制氧原理制氧原理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1.21.2 VPSAVPSA 制氧特点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2.2. 高炉富氧对冶炼的影响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。

3.3. 中小高炉中小高炉 VPSAVPSA 制氧应用实例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3.13.1 VPSAVPSA 制氧装置使用成本制氧装置使用成本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 0.35kWh3.23.2 山西某钢铁企业山西某钢铁企业 1 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 高炉富氧喷煤数据富氧前富氧后富氧率/(%)04利用系数/(t/m3·d)3.6554.202喷煤比/(kg/t)120170入炉焦比/(kg/t)420350风温/(℃)12001200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3.33.3 山西某钢铁企业山西某钢铁企业 2 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 高炉富氧喷煤数据富氧前富氧后富氧率/(%)06利用系数/(t/m3·d)3.8614.430喷煤比/(kg/t)122180入炉焦比/(kg/t)495420风温/(℃)11101150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4.4. 结论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.。