淺析空分裝置在鋼鐵企業中的應用

化 國，崔仁鮮

(中國昆侖工程公司，北京 100037)

當前形勢下，我國鋼鐵行業陷入艱難境地。產能嚴重過剩，落后產能將被淘汰，十二五期間全國將淘汰落后產能9600萬t。我國現有鋼鐵冶煉企業近1000家，集中度低、競爭力不高;再加上經營困難，僅2015年一季度虧損就達110多億元，迫使鋼鐵企業轉型，兼并重組將成為主要發展方向。由于國內經濟下行、需求量減少，不少鋼鐵公司紛紛布局海外，提高競爭力是迫切的需求。鋼鐵與空分密不可分，所謂“有鋼就有氧”。鋼鐵工業的現狀也對空分的發展應用造成了不小的影響。

鋼鐵工業是空分的傳統應用領域，在目前鋼鐵工業面臨新一輪調整之際，對所配套空分裝置的應用特點加以梳理和思考，為進一步優化尋找方向，筆者相信是有意義的。本文對空分裝置在鋼鐵企業中的應用特點進行分析。

1 鋼鐵企業用氧

1.1 氧氣用量及使用特點

氧氣在鋼鐵企業中主要用于轉爐煉鋼、電爐煉鋼、高爐富氧煉鐵以及鋼材加工過程中的切焊等。用量一般為:轉爐噸鋼耗氧50～60 m3，電爐噸鋼耗氧10～60 m3，軋鋼噸鋼耗氧10～60 m3，鋼材加工、廢鋼切割、加熱等噸鋼耗氧10～60 m3，高爐噸鐵耗氧49～63 m3，Corex熔融煉鐵噸鐵耗氧550～650 m3。高爐富氧煉鐵、轉爐煉鋼、軋鋼等綜合耗氧量為100～140 m3O2/t鋼。

轉爐煉鋼用氧量大，用氧周期性強，轉爐冶煉周期一般為30～45 min，其中吹氧的時長為15～20 min。有吹氧時長內用氧峰值大的特點，如一個50 t的轉爐，40 min的冶煉，吹氧18 min，消耗氧氣約4100 m3/h，而高峰作業時的負荷可達9300 m3/h。

轉爐的用氧純度要求不低于99.5%，鋼鐵企業配套空分裝置的氧氣純度常選為99.6%。

高爐用氧量基本連續穩定。高爐富氧煉鐵技術的發展，使煉鐵用氧成為固定用戶。高爐富氧煉鐵，可提高爐溫、降低焦比以及增加產量。高爐富氧量每增加1%，鐵產量可提高4% ～6%，焦比降低5%～6%。富氧煉鐵對氧的純度要求不高，一般富氧率4% ～7%，即富氧空氣中氧含量為25% ～28%。從空分制氧的角度看，氧氣純度越低制氧能耗越少，富氧煉鐵采用90%～95%純度氧氣比較經濟合理。

1.2 氧氣壓力

氧氣壓力對鋼鐵企業空分流程以及設備配套有重要影響。鋼鐵企業氧氣終壓多選為3.0 MPa，但從鋼鐵生產的實際需要來看，對于氧氣壓力的要求遠低于3.0 MPa。用氧壓力一般為:轉爐頂吹煉鋼爐前吹氧壓力為0.85～0.9 MPa，進煉鋼車間氧氣調節閥前的壓力為1.2 MPa;電爐煉鋼用氧壓力為0.4～0.5 MPa;高爐富氧煉鐵的用氧壓力一般為0.3～0.35 MPa;切焊用氧壓力，在用于焊接時一般為0.3～ 0.5 MPa，在用于切割時一般為 1.2 ～ 1.4 MPa;Corex熔融煉鐵用氧壓力一般小于0.5 MPa。

由此看來，“由氧氣站送入氧氣管網的壓力一般應不低于1.5 MPa”這個結論還是適用的［1］。氧氣終壓選為3.0 MPa，顯然是為了滿足調峰的需要，是解決空分裝置連續供氧與鋼鐵生產間斷用氧之間矛盾的一種措施。不少企業提出了是否需要3.0 MPa氧氣終壓的問題，實際上不少鋼鐵企業已經將氧氣終壓降至2.5 MPa，甚至更低。

1.3 調峰與氧氣放散

由于鋼鐵企業用氧的不均衡性，存在調峰問題，一般采用“氣體球罐+液體氣化”的調峰措施。鋼鐵企業一般都配置了大型球罐，用以滿足峰值和事故狀態下的氧氣需求;在非峰值時段將氧氣存入球罐。使用球罐調峰，壓力能損失嚴重。空分制氧能耗可達 0.38 ～0.42 kWh/m3O2，而壓氧能耗可達0.14 ～0.20 kWh/m3O2，約占制氧能耗的 40%。由于生產液體的能耗高，液體氣化的方式不能頻繁用于調峰。球罐調峰速度快，液體氣化調峰能力強;兩者的結合很好的滿足了鋼鐵企業的用氧需求，也為降低氧氣終壓提供了保障。

各大鋼廠普遍存在氧氣放散問題，在鋼鐵市場波動大時，此問題更加突出。為減少氧氣放散，需要增大球罐總容積或提高氧氣壓力。增大球罐容積，增加了占地和投資;提高氧氣壓力，意味著壓氧能耗的增加。這是與鋼鐵企業節能降耗、減少投資的整體要求相違背的。

鋼鐵企業的現行措施，在一定程度上滿足了自身的用氧需求。但壓氧能耗高以及氧氣放散問題的存在，說明氧氣壓力、空分流程以及設備配置等方面還是有可優化的空間的。

2 氮、氬等產品的應用

氮在鋼鐵企業中主要用作保護氣和吹掃氣。如在濺渣護爐技術中，要使用氮氣作為噴吹氣體。氮氣還用作噴粉輸送氣、儀表氣、阻燃氣等。氬氣主要用以提高鋼材質量。如向熔融的鋼水中吹入氬氣，使成分均勻，鋼液凈化，并可除掉溶解在鋼水中的氫、氧、氮等雜質，提高鋼坯質量。煉鐵、煉鋼、軋鋼的綜合氮耗80～120 m3/t鋼，綜合氬耗3～4 m3/t鋼。

鋼鐵企業生產中所需的氮、氧比例基本為1∶1，近年來用氮量有上升的趨勢。空分裝置所能生產的氮、氧比例可達3∶1。可見，鋼鐵企業配套的空分裝置，在氮產品的產量上還具有很大的可挖掘潛力，當空分裝置從鋼鐵企業的下屬分廠走向市場甚至成為獨立經營的氣體公司時，充分挖掘潛力就變的非常有價值了。

3 鋼鐵企業空分配置

由于鋼鐵企業的生產與市場需求緊密相關，在鋼鐵市場需求減少時，鋼鐵企業需要減產，甚至關停多座高爐和轉爐。這就要求空分的配置方案具有靈活性，配置多套空分裝置顯然更能適應這一要求。但多臺套的配置方案能耗高、投資大、占地多、運行管理不便。鋼鐵企業配套的空分裝置總體上來說趨向于大型化，但一般都配置兩套以上的空分裝置，以提高保障率。

市場化是鋼鐵企業配套空分裝置的一個發展趨勢。市場化對空分裝置大型化更加有利，并可氦、氖、氪、氙等稀有氣體全提取。稀有氣體附加值高，可以顯著增加空分產品的經濟效益。

4 鋼鐵企業空分流程選擇

國內鋼鐵企業所配套的空分裝置多采用外壓縮流程;而國外通常只選擇內壓縮流程。

國內空分裝置的發展現狀是外壓縮流程及氧壓機已經發展的比較成熟。鋼鐵企業用氣壓力低，液體需求量少，具備選擇外壓縮流程的特點。但從氧氣放散問題突出以及壓氧能耗高等方面來看，“外壓縮流程搭配3.0 MPa氧氣終壓”這一模式還是存在弊端的。近年來有不少鋼鐵企業已經采用了內壓縮流程。如首鋼京唐鋼引進的2套75 000 m3/h空分設備就采用了氮氣循環內壓縮流程［2］。

內壓縮流程液體產量大、安全性高。但在國內的應用之所以受到限制，主要是因為增壓機、膨脹機、低溫液體泵、高壓主換等關鍵設備都需要進口，設備投資高。

對于鋼鐵企業，單就流程的適應性來看，內、外壓縮流程都可采用。單就制氧而言兩者區別不大，主要差別在于對鋼鐵企業用氣特點的滿足程度上。這又和鋼鐵企業空分裝置的運營制度是有很大關系的，當空分裝置走向市場時，采用內壓縮流程投入產出比大，可以為市場供應更多的液體產品，創造更大的經濟價值。

流程選擇是一個比較復雜的問題。外壓縮流程未必是鋼鐵企業最適用的空分流程，內壓縮流程在鋼鐵企業的應用值得深入研究。

5 自動變負荷技術的應用

5.1 自動變負荷調節(ALC)

自動變負荷調節的基本原理是根據用氧量的變化，按所建立的數學模型，通過軟件計算出相關的關鍵參數，再將這些關鍵參數逐漸調節到設定的范圍之內，實現最優化操作。

國內引進的一些自動變負荷調節技術，在鋼鐵企業的應用中收效不明顯。從實際運行來看，ALC自動變負荷的調節速率為(0.2% ～0.25%)/min，實現一次變負荷80% ～110%，全過程約需耗時150～200 min。ALC自動變負荷速率慢，無法與鋼鐵企業周期性負荷變化大的特征相匹配，限制了其在鋼鐵企業中的應用。

5.2 液氧與液氮周期倒灌的自動變負荷(VAROX)

液氧與液氮周期倒灌的自動變負荷，是一種快速變負荷技術，通過液氧和液氮的周期倒灌，實現氧氣產量的增減。

這種形式的變負荷速率快，從最初的每分鐘變化3%已經提高到每分鐘6%～8%。VAROX自動變負荷無論是在周期性變化規律還是在變負荷速度方面都能很好的滿足鋼鐵企業的需求。首鋼氧氣廠引進的液空35 000 m3/h空分設備，在國內首次應用了這一變負荷技術，氧氣放散率大幅度降低，收到了良好的效果［3］。在首鋼京唐鋼引進的75 000 m3/h空分裝置上，又應用了這一變負荷技術［2］。

5.3 對已運行空分裝置的變負荷措施

設置外液化裝置，實現可變負荷的氧氮互換，并配以大型液氧和液氮儲槽是解決已運行空分裝置變負荷的有效措施。液化裝置調節速度快，彌補了空分裝置調節速度慢的缺陷。寶鋼設置了兩套300 t/d液化裝置，使得氧氣放散率大幅度下降，并積極擴大液體產品外銷，取得了相當可觀的市場效益［4］。

6 發展區域供應的思考

歐美國家鋼鐵工業用氣大多是由區域供氣中心供應。而我國鋼鐵企業習慣于自建氣體分廠，空分產品很少外銷。這種模式存在著諸多弊病，主要有:空分設備能力利用不足，資源浪費嚴重，空分裝置的投資效果差。鋼鐵企業配套的空分裝置以氧氣用量確定建設規模，氮氣大量富余，氬氣也有富余，其它稀有氣體如氖、氦、氪、氙等沒有用處，造成了大量資源浪費。即使對于氧氣，由于鋼鐵企業的停檢修及減產，造成放散損失，空分裝置的產能也不能充分發揮。鋼鐵企業的用氣量及用氣特征，也限制了空分裝置的大型化。大型空分裝置在能耗、單位投資上的優勢難以利用。

依托鋼鐵企業，積極發展區域性管網供氣和液體產品外銷，弱化鋼鐵用氧與空分產氧不匹配的矛盾，充分挖掘空分裝置的潛能，可顯著提高空分裝置的經濟性，使得生產最優化和利益最大化。目前，鋼鐵企業在虧損嚴重的情況下，已將利潤增長點轉向非鋼產業，許多鋼鐵企業下屬的氣體分廠已經面向市場經營。近年來，發展外銷業務的氣體分廠經濟效益良好。

7 結束語

只有建立新的運行管理模式，才能夠體現出現代空分裝置的先進性和經濟性。鋼鐵企業配套空分裝置，從只滿足本企業的需要到走向市場，正在為越來越多的企業所認知和接受，是鋼鐵企業空分裝置的一大發展趨勢。從市場化的角度來看，就要充分挖掘空分裝置的潛力以實現利益最大化。從這一角度來看，鋼鐵企業配套空分裝置對于氧氣壓力的選定、空分流程的選擇、空分設備的配置、空分裝置大型化等方面都值得重新思考研究。

［1］江楚標.鋼鐵企業用空分裝置的調峰、氧氣終壓及適應流程的探討［J］.深冷技術，2002(5):1-7.

［2］孫德英.首鋼京唐鋼制氧工程的設計構思淺析［J］.深冷技術，2009(2):5-8.

［3］孫德英.大型空分設備在鋼鐵企業應用的探討［J］.氣體分離，2007(2):16-18.

［4］拓西梅.寶鋼制氧采用優化系統的探討［J］.寶鋼技術，2003(2):49-51.