于久明，楊宗翰，馮志超

（鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司,遼寧 朝陽(yáng) 122000）

鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司能源動(dòng)力廠制氧作業(yè)區(qū)配置3臺(tái)萬(wàn)立制氧機(jī)，于2008年由鞍鋼集團(tuán)氧氣分廠移地改造，2010年10月投產(chǎn)，滿足200萬(wàn)t鋼產(chǎn)能的需要（含富氧3%）。隨著企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的發(fā)展，生產(chǎn)運(yùn)行對(duì)產(chǎn)品氮?dú)獾男枨笾饾u趨于穩(wěn)定，從試生產(chǎn)發(fā)展到達(dá)產(chǎn)、達(dá)效，至2012年鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司2臺(tái)制氧機(jī)生產(chǎn)氧氣用量基本維持在運(yùn)行狀態(tài)，而氮?dú)庥昧吭龃笾琳Ｉa(chǎn)水平時(shí)，需3臺(tái)制氧機(jī)組全部運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，挖掘工藝環(huán)節(jié)潛力，減少氮?dú)庀模黾又蒲鯔C(jī)組氮?dú)猱a(chǎn)量，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、滿足公司生產(chǎn)的需要。

1 10000m3/h制氧機(jī)組的現(xiàn)狀

鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司能源動(dòng)力廠制氧作業(yè)區(qū)現(xiàn)有3套制氧機(jī)組，設(shè)備型號(hào)分別為KDONAr-11000/11000/320、KDONAr-11000/11000/320、KDON-10000/10000，其中1#和2#制氧機(jī)組為分子篩流程，由四川空分設(shè)備有限公司制造；3#制氧機(jī)組為板式切換流程，由杭州杭氧股份有限公司制造，具體設(shè)備產(chǎn)能及平衡表見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備產(chǎn)能及平衡表（m3·h-1）

從表1可以看出，在鋼產(chǎn)量200萬(wàn)t情況下，需要3套制氧機(jī)組運(yùn)行滿足公司生產(chǎn)用氧、氮、氬的需要,其中1#制氧機(jī)組配備的原料空壓機(jī)型號(hào)為DH80-21型、功率為54 00 kW，沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠制造；2#制氧機(jī)組配備的原料空壓機(jī)型號(hào)為VC11-04型、功率為5900kW，日本神戶制造；3#制氧機(jī)組配備的原料空壓機(jī)型號(hào)為DH80型、功率為54 00 kW，沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)廠制造；而如果僅啟動(dòng)1#、2#兩套制氧機(jī)組運(yùn)行，則氧氣、氬氣均可滿足需求，而氮?dú)饬看嬖谌笨?，?shí)際按照分子篩流程進(jìn)行計(jì)算，氧、氮產(chǎn)量比可達(dá)1∶2.5，造成實(shí)際送出產(chǎn)量不足的原因是1#和2#制氧機(jī)組產(chǎn)品氮?dú)庖宦匪腿氲獕簷C(jī)提壓，輸送給用戶，而另一路產(chǎn)品氮?dú)庑枧c污氮共同進(jìn)入水冷塔，降低冷卻水溫度，以使空氣進(jìn)入分子篩的空氣溫度≤15.5℃，利于分子篩吸附空氣中的二氧化碳、乙炔、碳?xì)浠衔?，水份等，確?？辗炙s的安全性。

2 制氧機(jī)組增加氮?dú)猱a(chǎn)量可行性分析

雖然在全國(guó)其他鋼鐵企業(yè)中，提高氮?dú)猱a(chǎn)量的方法已有先例，但是，鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司能源動(dòng)力廠要進(jìn)行改造仍需結(jié)合自身生產(chǎn)實(shí)際情況。

依據(jù)公司生產(chǎn)用能的需要，考慮到降低成本、達(dá)到節(jié)能、降耗的目的，啟動(dòng)二套制氧機(jī)組氮?dú)獠粔?，就要通過(guò)對(duì)空氣預(yù)冷系統(tǒng)改造，將此環(huán)節(jié)中的氮?dú)馓鎿Q出來(lái)，用于外送。而冷卻常溫水的原料氣來(lái)自空分的部分污氮?dú)怏w，其流量為12 000 m3/h、壓力為16.5 kPa（其余污氮應(yīng)用于分子篩再生和冷箱充氣)和部分產(chǎn)品氮?dú)?，其流量?1 000 m3/h、壓力為16.8 kPa?？諝忸A(yù)冷系統(tǒng)簡(jiǎn)易流程圖見(jiàn)圖1所示。

圖1中空分產(chǎn)品氮?dú)馀c污氮主要作為冷卻常溫水的原料氣，使來(lái)水溫度降低到≤15.5℃。如果把這部分氮?dú)馓鎿Q出來(lái)，就會(huì)影響水溫的變化，導(dǎo)致空氣進(jìn)入分子篩溫度升高，尤其在夏季環(huán)境溫度偏高時(shí)，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重，使分子篩吸附效果降低，不利于空分塔精餾的安全性。

分子篩流程中，空氣自空壓機(jī)Φ630 mm×6 mm管道進(jìn)入空冷塔AT1101，先同常溫水進(jìn)行換熱冷卻，由外部供水，經(jīng)常溫泵1#環(huán)水泵（2#環(huán)水泵）提壓，流量為125 m3/h，經(jīng)過(guò)塔內(nèi)的氣液逆流接觸換熱，空氣為減濕降溫過(guò)程，傳熱方向均由空氣傳給水；冷卻后再經(jīng)過(guò)低溫泵1#冷水泵（2#冷水泵），流量為30 m3/h，進(jìn)行二次冷卻，而水的出塔溫度將可能高于進(jìn)塔空氣露點(diǎn)，塔底的傳質(zhì)是由水傳給空氣，而塔頂?shù)膫髻|(zhì)是由空氣傳給水，故在全塔內(nèi)傳質(zhì)方向是不同的。在改變傳質(zhì)方向的塔截面處，水溫將等于空氣露點(diǎn),空氣溫度降低≤15.5℃，送入分子篩純化系統(tǒng)進(jìn)行凈化，而僅通過(guò)常溫水無(wú)法冷卻至此溫度。空氣進(jìn)入空冷塔要增加水冷塔，使用氮?dú)饧拔鄣獙⒊厮鋮s為低溫水，對(duì)水冷塔而言，當(dāng)未飽和的冷污氮從塔底進(jìn)入，與塔頂加入的熱水逆流接觸時(shí)，污氮在塔內(nèi)被加熱增濕，水在塔內(nèi)被冷卻。在塔頂，污氮被加熱的極限是進(jìn)塔水表面的飽和濕污氮狀態(tài)。實(shí)際上，由于存在傳遞阻力，污氮出塔溫度將低于進(jìn)塔水溫，故進(jìn)塔水的溫度與其表面上的飽和濕度必然大于出塔污氮的溫度和濕度。于是塔頂?shù)膫鳠岷蛡髻|(zhì)都是從水傳給污氮。在塔底，水被冷卻的極限是污氮進(jìn)塔狀態(tài)下的濕球溫度，而實(shí)際出塔水溫要高于濕球溫度。但因進(jìn)塔污氮是未飽和的，濕球溫度低于污氮溫度，故出塔水溫將有可能低于進(jìn)塔污氮溫度。在此情況下，塔底的傳熱由污氮傳給水，而傳質(zhì)仍然是水傳給污氮。從而可知在全塔內(nèi)，傳質(zhì)方向都是由水傳給污氮，故污氮在塔內(nèi)是增濕過(guò)程；而傳熱方向是不同的，在塔內(nèi)某一截面處改變傳熱方向，此處的污氮溫度等于水溫，但在全塔內(nèi)仍是冷卻過(guò)程。這樣產(chǎn)生低溫水，再使用低溫水冷卻空冷塔空氣，使之達(dá)到工藝要求。

綜合分析論證，如果分離出這部分氮?dú)猓钣行У姆椒ň褪强紤]增設(shè)水冷機(jī)組冷卻經(jīng)污氮冷卻的低溫水，使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)論證分析，該方案具備實(shí)施可行性，因此還需結(jié)合鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)，經(jīng)計(jì)算進(jìn)行進(jìn)一步論證。

3 方案計(jì)算

3.1 空氣預(yù)冷系統(tǒng)參數(shù)

空氣預(yù)冷系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 空氣預(yù)冷系統(tǒng)參數(shù)

3.2 熱力計(jì)算

（1）冷凝熱計(jì)算

干空氣質(zhì)量流量為：

式中，G1為加工空氣量，G1=59 000 m3/h。

冷凝水量為：

式中，△H為出水冷塔下段空氣與出空冷塔空氣含濕量差值，△H=0.011 kgH2O/kg

冷凝熱為：

式中，γ0為水汽化潛熱，γ0=2 498.3 kJ/kgH2O。

上段空氣顯熱計(jì)算如下：

顯熱即空冷塔中水直接換熱帶走的熱量。

上段濕空氣的平均溫度為：

式中，t2a為空氣出空冷塔下段的溫度，℃，t2a=t7+1.5=30.5℃，t7為冷卻水上水溫度，為29℃；t3為空冷塔出口溫度，t3=15.5℃。

濕空氣比熱為：

式中，H為tas溫度下空氣含濕量，H=0.015 kgH2O/kg

空氣出空冷塔下段的溫度為：

顯熱為：

熱負(fù)荷（空冷塔上段總熱量）為：

（2）水冷機(jī)組測(cè)算

上段水溫升為：

即冷凍水進(jìn)空冷塔水溫為:

式中，t15為空冷塔中段冷凝水回水溫度，為23℃；c為水的比熱容，c=4.2 kJ/（kg·℃）；m為冷凍水進(jìn)空冷塔水量的質(zhì)量，m=30 000 kg。

因此，為滿足空冷塔內(nèi)空氣溫降，水冷塔中水將由29℃降至13.7℃釋放熱量。

在不使用水冷機(jī)組情況下，

式中，Qw與空冷塔上段空氣顯熱在將去水冷塔氮?dú)夥蛛x出之后，水冷塔再生氣量降至12 000 m3/h，則：

式中，G4為水冷塔氮?dú)?、污氮總量，?3 000 m3/h。

水出水冷塔溫度為：

因此，需要水冷機(jī)組將溫度降至13.7℃，水冷機(jī)組制冷量至少為921 991 kJ，即需要256.1 kW的水冷機(jī)組。

鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司通過(guò)實(shí)施改造，經(jīng)污氮冷卻的低溫水在經(jīng)過(guò)水冷機(jī)組冷卻后能夠達(dá)到工藝需求；低溫水在空冷塔充分熱交換，最終使空氣進(jìn)入分子篩溫度≤15.5℃，確保了生產(chǎn)工藝的需要。

4 制氧機(jī)組增加氮?dú)猱a(chǎn)量的措施及效益

4.1 增氮措施

通過(guò)對(duì)空氣預(yù)冷系統(tǒng)替換氮?dú)夥治龃_定，該方案滿足公司生產(chǎn)氮?dú)夤┙o。結(jié)合水冷塔本身的流程，綜合考慮決定，在1#和2#制氧機(jī)組空氣預(yù)冷系統(tǒng)的1#冷水泵、2#冷水泵出口管道增設(shè)水冷機(jī)組，確保水冷塔水溫進(jìn)入空冷塔達(dá)到≤15.5℃，改造后空氣預(yù)冷系統(tǒng)流程示意圖見(jiàn)圖2。圖2中虛線框?yàn)樾略鏊錂C(jī)組。經(jīng)過(guò)夏季實(shí)際檢驗(yàn)，完全滿足工藝環(huán)節(jié)的需要，從而使氮?dú)馊刻鎿Q出來(lái)，因此啟動(dòng)二套制氧機(jī)組可滿足公司生產(chǎn)用能的需要。

每臺(tái)制氧機(jī)組氮?dú)庠O(shè)計(jì)壓力為16.8 kPa，流量為11 000 m3/h，將去水冷塔的氮?dú)夥蛛x出來(lái)，氮?dú)猱a(chǎn)量達(dá)到22 000 m3/h。由于氮?dú)猱a(chǎn)量增加，產(chǎn)品氮?dú)獠⒕W(wǎng)管道閥門(mén)由原來(lái)的DN250閥門(mén)改為DN400閥門(mén),使增加的氮?dú)猱a(chǎn)量全部送入管網(wǎng)，并利用產(chǎn)品壓縮機(jī)提壓將氮?dú)廨斔徒o用戶。

空氣預(yù)冷系統(tǒng)替換氮?dú)飧脑烨芭c改造后產(chǎn)能對(duì)比見(jiàn)表3所示。

表3 改造前與改造后產(chǎn)能對(duì)比表（m3·h-1）

由表3可知，改造后制氧機(jī)組氮?dú)猱a(chǎn)能增加，不僅達(dá)到了節(jié)能的目的，又滿足了公司生產(chǎn)氮?dú)庥媚艿男枰?，空分工況精餾穩(wěn)定、參數(shù)正常。

由于氮?dú)鈴目諝忸A(yù)冷系統(tǒng)中分離出，可以靈活調(diào)整制氧機(jī)的運(yùn)行，在高爐生產(chǎn)不富氧的情況下，可以開(kāi)1臺(tái)制氧機(jī)組；高爐富氧時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)制氧機(jī)，均少開(kāi)1套制氧機(jī)組。

4.2 效益計(jì)算

（1）投資

以30日內(nèi)死亡率為評(píng)價(jià)終點(diǎn)，參考趙偉英所著研究報(bào)告，以NEWS評(píng)分結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比兩種評(píng)分法在危重癥預(yù)測(cè)上的一致性[3]。

水冷機(jī)組需80萬(wàn)元，氮?dú)馑统雠酝ㄩy需5萬(wàn)元，合計(jì)費(fèi)用為85萬(wàn)元。

（2）效益

為了滿足鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司生產(chǎn)要求，單臺(tái)制氧機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，日耗電量為30萬(wàn)kWh；2臺(tái)制氧機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，日耗電量為50萬(wàn)kWh；3臺(tái)制氧機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，日耗電量為65萬(wàn)kWh。

高爐未富氧時(shí)需要單臺(tái)制氧機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)，日節(jié)電量為50-30=20萬(wàn)kWh，電價(jià)為0.653元/kWh，日節(jié)約13萬(wàn)元。

高爐富氧時(shí)，2臺(tái)制氧機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)可滿足鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司生產(chǎn)要求，日節(jié)約電量為65-50=15萬(wàn)kWh，日節(jié)約 10萬(wàn)元。

按2012年公司實(shí)際生產(chǎn)情況，第一季度高爐未采用富氧，合計(jì)90天，二季度開(kāi)始采用高爐富氧，合計(jì)270天。

年效益為：

年純利潤(rùn)為：

5 結(jié)語(yǔ)

鞍鋼集團(tuán)朝陽(yáng)鋼鐵有限公司能源動(dòng)力廠依靠技術(shù)進(jìn)步，挖掘設(shè)備的自身潛力，發(fā)揮設(shè)備整體優(yōu)勢(shì)，通過(guò)新增水冷機(jī)組技術(shù)改造，提高制氧機(jī)氮?dú)猱a(chǎn)量技術(shù)上可行，通過(guò)水冷機(jī)組將水冷塔用氮?dú)馓鎿Q出來(lái)并外送，能夠大幅提高設(shè)備效率、提高產(chǎn)品產(chǎn)能；在經(jīng)濟(jì)性上投資小、收益大，年純利潤(rùn)達(dá)3 785萬(wàn)元，為同類制氧機(jī)提供借鑒。