摘要：vpsa制氧装置   高炉富氧  变压吸附制氧  深冷制氧  能耗  稳定性  吸附塔 分子筛

1.前言

高炉是生产率和热效率都很高的炼铁设备，其主要目的是用燃料和铁矿石及溶剂，经济而高效率地得到温度和成分合乎要求的液态生铁。目前，炼铁系统正受到投资、资源、成本、能源、环境和运输等方面金融风暴的巨大影响，面临着严重的挑战。而利用技术进步减轻这些压力是高炉炼铁系统继续生存和发展的关键。高炉富氧喷煤技术可以使高炉大幅度降低焦碳消耗，缓解各方面的压力，提高高炉的竞争力。高炉富氧喷煤技术是炼铁系统结构优化的中心环节。

我国高炉富氧鼓风所用氧气与炼钢所用氧气一样, 一般都由深冷空分制氧机生产, 氧气纯度在99%以上, 制氧电耗高，制氧工艺非常复杂，操作困难。而且为满足炼钢用氧,高炉用氧得不到保证, 很大程度上制约了富氧喷煤技术的推广。若给高炉配备制氧机, 根据制氧纯度与电耗的关系见图(1), 用含氧80%~85%的低纯度氧气以及与高炉风压相匹配的氧压, 省掉制氧厂的氧气加压与高炉旁的减压系统, 可使氧气电耗由目前工业氧的0.5kwh/nm³ 降低到0.3kwh/nm³, 有利于富氧喷煤效益的提高。

2 高炉富氧鼓风

2.1何谓高炉富氧鼓风

富氧鼓风是指往高炉鼓风加入工业氧(一般含氧80%~99.5％)，使鼓风含氧超过大气含氧量，其目的是提高冶炼强度以增加高炉产量和强化喷吹燃料在风口前燃烧。高炉富氧鼓风具有提高产量、增加煤比、降低焦比的显著作用。

2.2加氧方式

富氧鼓风的操作方法主要有两种:一种是从鼓风机吸入口加入低压氧气，其优点是氧气不用专门氧压机加压，可节约投资与电耗，高炉操作方便，氧漏损较多，漏损率达到15%，该方法在前苏联普遍采用;另一种是采用高压供氧即工业氧通过加压后直接加入高炉管道内，其优点是可与炼钢用氧联网，保持制氧机全负荷运行，但需增设氧压机加压，投资多，电耗高。

2.3 高炉富氧鼓风对冶炼的影响

高炉炼铁是将铁矿石/焦炭/造渣剂（石灰石等）与空气在高炉内相互反应生成铁水、炉渣与高炉，其化学反应式如下：

c+o2—co2+热量 co2+c—2co—热量

feo+co—fe+co2—热量 feo+c—fe+co—热量

从化学式看出高炉富氧后

(1)提高冶炼强度：

(2)提高理论燃烧温度；

(3)增加中的co含量，促进间接还原；

(4)降低炉顶温度。

2.4 高炉富氧鼓风对产量和焦比的影响

(1)富氧鼓风加速碳素燃烧，煤比不变则产量增加，提高含氧1％可增产4.76％，这是理论增产率，随着富氧率提高，增产率递减。

(2)一般原来焦比较高，富氧率不变时，因热能利用改善，焦比将有所降低。

3.变压吸附装置技术特点及适用性

与传统深冷空分技术相比, 变压吸附制氧技术特点主要是: 工艺流程简单, 不需要复杂的预处理装置, 自动化程度高; 装置运行独立性强, 稳定性好, 可靠性高, 可连续供氧; 开停车时间短(一般30min内可达使用要求); 在常温常压下运行, 安全性能好;运行和维护费用低, 建工程费用低, 水电消耗少电耗仅为0. 30kwh /nm³ )。根据国家相关政策要求, 冶金企业要充分利用现有炼钢余氧, 并大力提倡有能力的企业为炼铁高炉建vpsa制氧机, 以保证其稳定连续用氧的需求。传统深冷空分装置能耗高,而作为工艺流程简单、结构紧凑、自动化程度高、投资和运行成本相对较低的变压吸附制氧技术,其应用前景十分广阔, 也符合企业快速集约发展的要求。在资金及其他外围条件许可的条件下, 各大钢厂应积极考虑上马变压吸附制氧装置, 以保证铁前系统稳定均衡运行, 促进钢铁行业快速可持续发展。

4.变压吸附装置技术

炼铁高炉富氧鼓风所需氧气纯度达到80% ~85%即可, 该纯度的氧气采用变压吸附装置制取是经济合理的。所谓变压吸附, 就是利用气体在吸附剂上的吸附能力不同, 对空气进行分离的一种非低温空气分离技术。一般采用常压吸附真空解吸法(简称vpsa 法) , vpsa制氧系统主要由鼓风机、真空泵、切换阀、吸附器和氧气缓冲罐组成。原料空气经吸入口过滤器除掉灰尘颗粒后,被罗茨鼓风机增压至0.45barg而进入其中一只吸附器内。吸附器内装填吸附剂,其中水分、、及少量其它气体组分在吸附器入口处被装填于底部的活性氧化铝所吸附,随后被装填于活性氧化铝上部的沸石分子筛所吸附。而氧气(包括气)为非吸附组分从吸附器顶部出口处作为产品至氧气缓冲罐。

    当该吸附器吸附到一定程度,其中的吸附剂将达到饱和状态, 此时通过切换阀,首先经过一均压降压过程,将吸附塔死空间内的部分氧气回收,同时将吸附塔压力降至微负压，再利用真空泵对之进行抽真空(与吸附方向相反),真空度为-0.50barg。已吸附的水分、、及少量其它气体组分被抽出并排至大气,吸附剂得到再生。

昆山锦程气体2015年在甘肃华北经贸承建了1套vpsao-6250-4b型制氧机为业主方取得了良好的经济效益。在甘肃华北经贸的基础上，昆山锦程加大研发力度，2019年初喜获南钢25000nm3/h的vpsa制氧机供货合同。昆山锦程气体设备有限公司是一家从事变压吸附制氧设备应用研究开发的高新技术企业制造业公司。企业的使命是，始终坚持做“良心企业、价格公道”的好产品。昆山锦程vpsa制氧机的吸附剂一次装填可使用10年以上，气动蝶阀300万次无需更换密封件。目前昆山锦程已在国内及国外有色冶金、化工、高炉富氧、臭氧氧源等行业建成近三百套装置,运行状态良好。

5.大型vpsao-6250/80型2塔vpsa制氧设备研发：

  变压吸附制氧技术在空分领域中逐步余深冷空分分庭抗礼的局面。根据国内外在用的制氧机评价材料证明,10000nm3/h o2以下制氧机，深冷法制氧机除了有可生产副产品液体的优势外相对变压吸附优势已经不明显。而根据现国内陆续投产的几套大型变压吸附制氧装置使用资料显示，20000nm3/ho₂以下制氧机组，低温制氧机与变压吸附也是优势互存。但在装置大型化上低温制氧机的优势还是明显的，国内已经能做到83000nm3/h，国外也已经能做到100000nm3/h。变压吸附因为受主机制造质量和容量的影响，也受大口径切换蝶阀制造难度和新型高效吸附塔开发研究滞后等原因影响，目前还做不到这样大的装置。

   从上文说明了vpsa大型化（单套5000nm³/h纯氧）的难度。近年来经过不断研究、开发，昆山锦程气体已能做到两塔5000nm³/h的纯氧vpsa制氧装置，比同等规模的深冷空分装置更经济、操作更简单。vpsao-6250/80制氧装置，突破了国内外变压吸附制氧装置大于纯氧5000nm³/h的大型空分制氧装置的界限，让国内vpsa制氧大型化又上了一个台阶。目前昆山锦程正在积极研发多塔型模组化vpsa制氧装置。

   在研发大型化vpsa制氧机时遇到遇到不少技术难题，例如吸附塔采用何种形式，vpsa制氧装置的吸附塔，主要形式有：轴向流和径向流。轴向流吸附塔国内外制造工艺成熟而稳定；经过20多年的发展，已经受住工业的考验，稳定性、可靠性、安全性得到了保证；昆山锦程气体在国内行业早开始变压吸附研究和应用，早期项目已经经过二十年的考验和验证，设备稳定性和可靠性国内反响好。径向流吸附塔国外林德公司应得到了成熟的发展和应用，国内近两年开始流行，有很大部分没有在实际工业中得到了应用，所以稳定和和可靠性没有得到验证。径向流如果未掌握核心技术，容易出现分子筛分化和孔板脱焊、纯度波动大等现象；在国内未发展成熟。径向流吸附塔聚酯复合膜压紧，膜的材料非常重要，通常国内的膜每三个月就要更换，两年左右分子筛就出现粉化。

   昆山锦程vpsao-6250/80采用目前流行的双塔流程，因为吸附制氧每个塔都是需要少吸附和解吸两个过程，所以产氧不是连续的，早的三塔（或多塔）流程就是基于要连续制取氧气而被发明出来。该流程分子筛用量大。为了减少分子筛的用量，四塔流程被开发出来，相当于两组设备交替工作，两个吸附塔保证每时每刻都有氧气制出。随着分子筛性能的提高和工艺的成熟，两塔流程越来越成熟。两塔流程周期更短，通过缓冲罐连续供应氧气。在大型设备上目前都采用两塔工艺。

6.中小高炉vpsa制氧应用实例

目前国内介绍大型高炉富氧喷煤应用的文章很多，但是vpsa制氧在中小高炉中的应用介绍较少。目前，昆山锦程已经为国内多家钢铁企业高炉配套vpsa制氧装置，下面简介甘肃华北经贸高炉配套vpsa制氧设备的使用情况：

该企业高炉配套的是一套6250/80型vpsa制氧设备，高炉富氧率约为6%。目前已稳定运行超过3年。自从对高炉采用vpsa制氧富氧喷煤后，该企业高炉工况变化明显，具体如表6.1

表6.1  甘肃华北经贸高炉富氧喷煤数据

7.结论

7.1vpsa制氧技术目前已比较成熟，因其投资少、电耗低、项目建设周期短、设备简单等特点特别适用于高炉富氧。

7.2vpsa制氧的纯度达不到纯氧，但高炉富氧只是提高富氧率，vpsa制氧完全满足要求，vpsa制氧能耗达到0.3kwh/nm3以下，有非常高的经济效益。

7.3vpsa制氧单套单套产量达到5000nm3/h,解决了高炉用氧量大的问题。