变压吸附制氧:解决电炉炼钢的用氧“痛点”

随着我国供给侧结构性改革和去产能的不断深入,特别是“地条钢”产能的快速退出,我国钢铁工业实现了扭亏为盈,废钢市场呈现价格触底反弹、废钢产业转暖向好的势头。从长远考虑,增加短流程、减少长流程,是多用废钢、节能环保的重要措施。加大电炉炼钢先进技术装备应用,是钢铁工业绿色发展的长远目标。

变压吸附制氧

在此前提下,国内电炉复产、新建项目日益增多,同时随着技术的进步,越来越多的新技术新工艺在生产实践中得到应用,尤其是对氧气的依赖度越来越高。在电炉炼钢过程中,氧气的应用无处不在。氧气的应用可以提高产量,缩短加热周期,减少燃料消耗,氧气在电炉生产中起着重要的作用。经济性好、运行稳定的变压吸附制氧装置,是电炉企业的优先选择。
行业用氧现状及“痛点”
电炉企业的传统制氧方式主要选用深冷分离法,又称低温精馏法,1902年由林德教授发明,实质就是气体液化技术。深冷制氧通常采用机械方法,如用节流膨胀或绝热膨胀等方法,把气体压缩、冷却后,利用不同气体沸点上的差异进行精馏,使不同气体得到分离。
该方法的特点是产品气体纯度高,但压缩、冷却的能耗很大,随着规模不同,制氧单耗为0.3元/标准立方米~1元/标准立方米。同时,电炉生产对氧气的需要是间断式的,深冷制氧工况是连续不断的,为了满足生产需要,在生产过程中通常会有放散的情况发生,放散率一般在10%左右,高的可达20%以上。
随着近两年电炉复产的热潮兴起,一些复产的电炉因为无氧可用,而制氧装置建设周期较长,企业只能通过采购液氧气化来实现生产供氧。由于钢铁行情的持续火热,市场上液氧价格在1200元/吨~3000元/吨,这样企业的用氧成本在1.7元/标准立方米~4.3元/标准立方米,远高于行业平均水平。
还有一些企业受环保政策、地方供电限制等因素影响,在生产中经常面临非计划短期停机,生产不能持续进行的尴尬境地。而深冷分离制氧装置,开停机比较繁琐,顺利的情况下冷启动仍需要2天~3天,面临政策性停产的企业并不适用这种制氧方式。
相比深冷分离制氧方式,变压吸附制氧技术具有制氧成本低、开停机简单、负荷调节方便的特点,更加契合电炉生产对氧气的需要。
变压吸附制氧特点
变压吸附制氧技术是利用变压吸附专用分子筛与氮分子的四极矩之间的较强作用,使氮气吸附在沸石吸附剂上,氧气则吸附较少,从而使氧氮分离。该技术在上世纪50年代由普莱克斯发明,发展至今,在国内变压吸附领军企业北京北大先锋科技有限公司的推动下,中国已经是变压吸附制氧全球最大的市场。
变压吸附制氧装置主要由动力系统(鼓风机)、真空泵、切换系统(同PLC控制)、吸附系统等组成。原料空气经吸入口过滤器除掉灰尘颗粒后,被罗茨鼓风机增压而进入其中一只吸附器内。吸附器内装填吸附剂,通过预处理,除掉空气中的水分、二氧化碳及少量其他气体组分,随后氮气被变压吸附专用分子筛所吸附。而氧气(包括氩气)为非吸附组分,从吸附器顶部出口处作为产品气被排至氧气缓冲罐,产品气纯度在50%~93%范围内可以调节。
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,此时通过切换阀利用真空泵对之进行抽真空(与吸附方向相反)。已吸附的水分、二氧化碳、氮气及少量其他气体组分被抽出并排至大气,吸附剂得到再生。上述工艺步骤由PLC和切换阀系统来实现自动控制。
变压吸附制氧装置有以下特点
一是能耗比较低,制氧单耗在0.2元/标准立方米左右。
二是维护成本低,动设备为罗茨鼓风机和罗茨真空泵,因其工作原理都为容积式,无油,极易维护。
三是整套设备的自动化程度高,动设备与制氧机是同步控制,只须按一下启动按钮,整套设备即可正常运行,常规配置每班2人,可实现无人值守。
四是负荷调节方便,装置可以通过时序调节,很快实现50%~100%范围内的负荷调节。
五是开停机方便,装置通过吸附方式实现制氧,装置开机后20分钟可产出合格的产品氧气。
六是建设周期短,真空泵鼓风机都属于常规设备,生产周期短,从投资建设到产出合格氧气约6个月左右。
  
变压吸附在市场的应用情况
国内电炉企业已经开始将厂内的深冷分离制氧或液氧储罐替换为变压吸附装置。浙江万泰特钢有限公司、遵义长岭特殊钢有限公司、泸州益鑫钢铁有限公司等一些电炉炼钢企业在近几年均进行了制氧装置的替换,用变压吸附制氧装置替换原有的制氧方式。
变压吸附制氧装置可以生产纯度高达93%的氧气,有电炉企业担心变压吸附纯度较低,不能炼特钢,事实上电炉炼特钢和炼普钢前端的过程都是相同的,在电炉中加入配料,改变钢的成分,吹氧助燃和断电吹氧脱碳,从而得到需要的钢种,而在精炼工序中无须吹氧。因此,电炉炼特钢与炼普钢本质上对氧气的要求是一样的。
变压吸附制得的氧气中含有约3%的氮气和4%的氩气,有电炉企业担心其中的氮气会影响特钢验收指标,事实上我国对常温状态使用的合金钢如弹簧钢、轴承钢、无缝钢管等种类中的氮气都没有明确规定(对普钢更没有规定)。过多的氮气会对耐低温冲击用钢(我国对耐低温冲击用钢比如船舶用钢、油井管用钢的含氮量有明确规定,要≤70ppm)造成含氮量超标的问题。而我们的电炉炼钢企业大多是不炼耐低温冲击用钢的,因此,变压吸附应用于电炉冶炼特钢的前景非常广阔。
充分的数据调研结果显示,国外也有丰富的电炉用氧实践经验。美国普莱克斯公司对电炉炼钢做过很长时间的调研,其检测结果证明:电弧炉使用变压吸附制备的氧气炼钢不会引起钢水中氮含量的增加。日本约60%~70%的电炉炼钢企业选择变压吸附作为制氧方式,目前世界上已有近百座电炉采用了变压吸附制备的氧气进行炼钢。长期的实践也证明了变压吸附制备的氧气满足电炉炼钢的要求。
来源:中钢网

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