变压吸附制氧技术在高炉生产中的应用

变压吸附制氧技术在高炉生产中的应用随着焦煤资源日益紧张，焦炭价格日趋昂贵，寻求价格低廉的其他资源替代焦炭一直是钢铁企业努力的方向。经过近年来的发展，高炉喷吹煤粉技术已经广泛运用于各企业，但要提高喷煤比，实现大喷吹量，除提高风温、改善炉料结构和质量外，提高富氧率是必不可少的手段。由于各企业高炉富氧的氧气来源大多是炼钢生产富余的，造成氧气供应没有保证，富氧率不稳定，不利于炉况的稳定和充分发挥喷煤的作用，而变压吸附制氧新技术为高炉富氧提供了新的选择和方向。富氧喷煤是高效炼铁的有效手段喷吹煤粉是高炉降低焦比、强化冶炼的有效措施，目前中国高炉的喷煤已经达到了较高水平，部分企业已经实现了200kg/t以上的喷煤比。但大多数高炉受条件制约，喷煤比一直在120kg/t甚至更低的水平徘徊，导致入炉焦比居高不下，影响了高炉的强化和效益的提高。特别是近年焦炭价格大幅上涨，喷吹用煤差价在600元以上，提高喷煤比对炼铁生产的影响显得尤为突出。富氧喷煤是高炉富氧鼓风和喷吹煤粉技术的有机结合，是高炉高效喷吹技术的发展方向，是提高喷煤量、改善喷吹效果的重要技术措施，富氧喷煤技术的应用可以强化高炉冶炼，大幅增产节焦、降低成本，是高炉高效炼铁的重要手段。作为一项成熟的技术，目前富氧喷煤已广泛应用于高炉炼铁生产。喷吹煤粉对高炉冶炼的影响风口前理论燃烧温度：由于煤粉的吸热、气化、裂解，喷吹煤粉会导致风口前理论燃烧温度降低，特别是大喷煤量对理论燃烧温度的影响尤为突出。煤气量及鼓风动能：由于煤粉的碳氢化合物含量远高于焦炭，碳氢化合物在风口前气化产生大量氢气使煤气体积增大，煤粉中H/C比越高增加的煤气量越多。另外，煤粉枪喷出的煤粉在风口内和风口前进行脱气、分解、燃烧，燃烧产物与热风形成混合气流，其流速与全焦冶炼时的风速相比要大得多，故喷吹煤粉使煤气量和鼓风动能增大，且煤气量和鼓风动能随着喷煤量的增加而增加，有利于中心发展。间接还原和直接还原反应：喷吹煤粉使得煤气中的还原性气体成分（主要是CO、H2）增加，特别是氢含量增加，促使间接还原反应发展。喷吹煤粉后，矿/焦比的提高改善了间接还原反应，抑制直接还原反应的发展。煤粉的燃烧率及未燃煤粉的行为：煤粉在高炉风口回旋区有限的时间和空间内完全燃烧是不可能的，它的燃烧行为直接影响高炉喷煤的效果和高炉炉况。在没有其他措施配合的情况下，煤粉在风口回旋区内的燃烧率比较低，喷煤量越大，未燃煤粉的绝对量也越大，特别是大喷煤量时存在有大量未燃煤粉。未燃煤粉在炉内有少量被有效利用，大量的未燃煤粉给高炉的冶炼操作带来困难：一部分未燃煤粉随炉顶煤气被带出炉外，另一部分则滞留炉内参加渗碳、气化、直接还原等；当滞留炉内的未燃煤粉超过一定量时会恶化炉况。如炉缸内未燃煤粉过多，就会影响炉渣的透液性，引起炉缸堆积，渣中带铁，大量烧坏风、渣口，炉渣流动性变差，影响出渣出铁。如高炉中上部滞留的未燃煤粉过多，就会影响整个料柱的透气性、透液性，特别是对软熔带部位的透气性影响极大，造成高炉风压上升、风量下降，压差升高，容易造成炉况难行。如果大量的未燃煤粉黏结于炉墙，就容易造成炉墙结厚而影响正常生产。炉顶温度：由于喷吹煤粉使煤气量增加，使得高炉炉顶温度升高。富氧鼓风对高炉冶炼的影响产量：高炉富氧的最大效果是增加产量，理论上鼓风中含氧量每提高1%，将会增产4.76%。风口前理论燃烧温度：富氧鼓风可以显著提高风口前的理论燃烧温度。资料显示，当其他冶炼条件不变时，每提高鼓风中含氧量1%，理论燃烧温度升高41℃。煤气量及鼓风动能：富氧后因鼓风中氧含量提高，其他气体成分相应降低，使得单位生铁炉缸煤气量减少，鼓风动能相应降低，有利于边缘发展。炉顶温度：富氧后，由于鼓风中氧含量提高，单位生铁的耗风量减少，热风带入热量相对减少，同时单位生铁炉缸煤气发生量减少，软熔带下移，上部热交换区扩大，使得炉身中上部温度下降，炉顶温度降低。加快碳素燃烧：碳的气化速度与气相中氧的浓度成正比，氧浓度提高，加快氧向碳表面传递速度，因而反应速度加快，故富氧鼓风会加快碳素燃烧。喷吹煤粉与富氧鼓风相结合效果好从喷吹煤粉与富氧鼓风对高炉冶炼的影响情况可以看出，富氧和喷煤技术有机结合，相辅相成，可以充分发挥富氧和喷煤各自的优势，形成劣势互补，可产生最大的经济效益。1）富氧可以提高鼓风中氧的浓度，加速碳素燃烧，提高煤粉燃烧率，改进煤粉燃烧效率，减少未燃煤粉比例，为大喷煤量提供了必要的保障。2）富氧可以提高理论燃烧温度，而喷煤使理论燃烧温度降低，二者形成互补，以保证高炉冶炼所必须保持的理论燃烧温度，保持炉况的顺行稳定。3）煤气量及炉顶温度形成互补，富氧使单位生铁煤气量减少，炉顶温度降低，而喷吹煤粉的作用正好相反，二者相辅相成。高富氧率有利于高炉接受高煤量，有利于炉况的稳定顺行及生产指标的改善。4）提高喷煤比是高炉生产追求的目标，而煤粉燃烧率及喷煤置换比是限制喷煤量提高的因素，富氧鼓风为提高喷煤比提供了较好的条件。高富氧的目的在于增加生铁产量和减少炉腹煤气量，达到高产能、高煤比时炉况的稳定顺行。生产实践证明，3%~5%的富氧率是实现200kg/以上喷煤比的必要条件。变压吸附制氧技术稳定富氧率富氧鼓风面临的最大问题是氧气的供应。作为钢铁联合企业，制氧厂生产的氧气首先要保证炼钢生产，有富余时才供给高炉，有可能造成高炉富氧率不稳定，对高炉炉况的稳定和喷煤效果的发挥极为不利。江苏省某钢铁企业炼铁厂于2009年投产，高炉富氧状况不理想，由于炼钢的生产能力和炼铁的生产水平不匹配，造成铁水量一座转炉吃不了、两座转炉不够吃的状况；而制氧的能力在炼钢单炉生产时稍有富余，双炉生产保炼钢都很勉强。高炉富氧时有时无，对炉况的稳定和喷煤量的提高、喷吹效果的发挥造成极大影响。为了保证喷煤量和喷吹效果，该厂曾尝试购买液氧，但液氧的成本较高。为确保高炉有一个较高且稳定的富氧率，为下一步大喷煤量做准备，通过考查论证，他们选择了由北京北大先锋科技有限公司提供的成套ZO-4000/90型变压吸附制氧（VPSA）设备。该设备于2011年底投入使用。生产实践证明，该套设备具有工艺流程简单、投资少、占地面积小、结构紧凑、自动化程度高、操作灵活方便、成本（能耗）低等优点，且开停机方便、设备性能可靠、故障率低（基本免维护）。该设备的主要生产指标为：氧气纯度80%~93%可调、氧气输送压力MPa≥0.6、氧气温度≤40℃、氧气产量5200Nm3/h~4200Nm3/h(随纯度可调)，电耗0.36为kWh/Nm3~0.44kWh/Nm3，完全能够满足高炉富氧的需求。变压吸附法是利用吸附剂在不同的压力下对气体的吸附能力不同，对空气中各种气体进行分离。其工作原理是：空气经加压（约高于常压）后穿过分子筛（吸附剂床），利用分子筛（吸附剂床）对氮气的吸附能力远大于对氧气的吸附能力的特点，使空气中的氮被选择性吸附后分离出氧；当分子筛吸附氮气达到饱和状态后，减压使氮脱附，吸附剂便可再生重复使用；利用两个及两个以上的吸附剂床交替切换工作，便可连续生产出氧气。变压吸附制氧设备投用后，该厂高炉的富氧率基本稳定，喷煤比稳中提高，高炉炉况稳定顺行，经济效益显著，高炉生产技术经济指标明显改善，为下一步提高喷煤比提供了有力保障。目前，该厂正对喷煤系统进行改造，下一阶段的目标是在保证炉况稳定顺行、保证高置换比的前提下，把喷煤量提高到160kg/t~180kg/t，充分发挥大喷煤的优势，强化冶炼，降低焦比，切实提高技术经济指标，最大限度地创造经济效益。富氧鼓风是高炉提高喷煤比、置换比的必要条件，高富氧率、大喷煤量技术的运用使高炉炼铁的技术经济指标进一步改善。变压吸附制氧技术因其能耗低进一步降低了氧气的成本，经济效益显著，在高炉炼铁生产中应用前景看好。