供稿|官業(yè)豹，張映海，普利昆，楊明珠 / GUAN Ye-bao, ZHANG Ying-hai, PU Li-kun, YANG Ming-zhu

內(nèi)容導(dǎo)讀

云南昆鋼新區(qū)新建的KDON-40000/80000型空分設(shè)備使昆鋼擁有了大容量的制氧系統(tǒng)，但也存在電能消耗量大的問題，二期工程的停建也造成了生產(chǎn)的能源介質(zhì)利用率低下，大量進(jìn)行放散的情況。針對昆鋼新區(qū)制氧系統(tǒng)的能源情況進(jìn)行分析，從空分變負(fù)荷調(diào)節(jié)開始，采取優(yōu)化生產(chǎn)工藝、動態(tài)調(diào)整操作、對耗能設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造、加強(qiáng)用量需求調(diào)度和增加富氧率等一系列措施降低制氧系統(tǒng)電能消耗，有效地控制了生產(chǎn)過程中氣體放散及提高氧、氮、氬資源利用率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

制氧系統(tǒng)是鋼鐵企業(yè)公輔系統(tǒng)中重要的組成部分，其運(yùn)行能力影響企業(yè)生產(chǎn)。就我國鋼鐵企業(yè)目前的生產(chǎn)情況來看，工業(yè)氣體生產(chǎn)成本主要受電費(fèi)影響，約占生產(chǎn)總成本的18%。因此降低制氧系統(tǒng)的綜合耗電處理，在降低工業(yè)氣體生產(chǎn)成本中具有重要意義[1]。同時，制氧生產(chǎn)的氧氣、氮?dú)獾仁窍掠斡脩糁匾哪茉唇橘|(zhì)，提高氧氣、氮?dú)獾壤眯?，也是?jié)能降耗的主要方式。

昆鋼新區(qū)制氧系統(tǒng)概況

設(shè)備 裝備

新區(qū)制氧系統(tǒng)配有1套KDON-40000/80000型空分設(shè)備，設(shè)有1臺223650 m3/h空壓機(jī)，1臺40000 m3/h氧壓機(jī)，1臺30000 m3/h中壓氮?dú)鈾C(jī)和1臺15000 m3/h低壓氮?dú)鈾C(jī)。與昆鋼新區(qū)主工藝設(shè)備同時投產(chǎn)，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為：氧氣額定生產(chǎn)能力40000 m3/h，氮?dú)忸~定生產(chǎn)能力80000 m3/h，氬氣額定生產(chǎn)能力1400 m3/h。

新區(qū)KDON-40000/80000型空分主體設(shè)備采用國內(nèi)外先進(jìn)壓縮工藝流程，空分設(shè)備采用常溫分子篩凈化空氣，增壓透平膨脹機(jī)制冷，采用規(guī)整填料技術(shù)及全精餾制氬的外壓縮流程。以空氣為原料，通過全低壓精餾分離法把空氣低溫分離、精餾，從空氣中逐步分離出氧氣、氮?dú)饧皻鍤獾葰怏w的工藝。

生產(chǎn) 情況

新區(qū)制氧系統(tǒng)于2012年6月與主生產(chǎn)工藝同時投產(chǎn)。一方面由于制氧系統(tǒng)在較短時間內(nèi)就達(dá)到正常生產(chǎn)水平；另一方面由于主工藝設(shè)備生產(chǎn)系統(tǒng)初期處于調(diào)試階段，生產(chǎn)負(fù)荷不飽滿，用氧需求量處于較低水平。而隨著生產(chǎn)工藝不斷理順，工藝產(chǎn)量逐漸提高，工藝用氧需求也在提高，但仍小于氧氣產(chǎn)量。因此形成了制氧綜合能耗和氧氣放散率居高不下的不利情況?？辗之a(chǎn)品產(chǎn)量、用量及氧氣放散率情況見表1，制氧系統(tǒng)綜合日耗電見表2。

出現(xiàn)不利情況的主要原因在于制氧站空分設(shè)備在建設(shè)時考慮了昆鋼二期裝備水平，設(shè)備額定日生產(chǎn)能力大。但是由于鋼鐵行業(yè)產(chǎn)能持續(xù)過剩，鋼價大跌，使得昆鋼二期建設(shè)暫緩。同時在實(shí)際的生產(chǎn)中，為了確保生產(chǎn)供氣的安全性和穩(wěn)定性，提高制氧系統(tǒng)的抗風(fēng)險能力和生產(chǎn)調(diào)峰能力，制氧機(jī)組常常采用提高氧氣生產(chǎn)量的方法，主工藝設(shè)備生產(chǎn)所需氧、氮?dú)庥昧窟h(yuǎn)低于空分的生產(chǎn)產(chǎn)量，這樣導(dǎo)致出現(xiàn)“大馬拉小車”現(xiàn)象，致使制氧系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行效率低、日耗電量高、氣體放散率高。

表1 空分產(chǎn)量、用量及氧氣放散率情況

表2 2012年8—12月制氧系統(tǒng)日耗電情況

鑒于此，從節(jié)能降耗的角度出發(fā)，新區(qū)分公司提出降低制氧系統(tǒng)電耗和氧氣放散率的攻關(guān)工作。

制氧系統(tǒng)節(jié)能降耗實(shí)踐

降低 制氧系統(tǒng)綜合能耗采取的措施

◆ 降低制氧系統(tǒng)綜合耗電量

為了使SPP產(chǎn)生幾何相位，需要利用橫截面旋轉(zhuǎn)對稱的SPP波導(dǎo).本文采用電介質(zhì)內(nèi)核——金屬包層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[11]，如圖1所示.

降低制氧系統(tǒng)綜合耗電量的關(guān)鍵是空分變負(fù)荷調(diào)節(jié)?？辗衷O(shè)備的負(fù)荷調(diào)節(jié)分外增負(fù)荷和減負(fù)荷?？諌簷C(jī)和空分設(shè)備的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍在70%～105%之間，減負(fù)荷時受氮水預(yù)冷系統(tǒng)空冷塔的最低工作壓力(設(shè)計(jì)最低工作壓力為0.38 MPa)、分子篩吸附器再生用氮量、空壓機(jī)喘振曲線等限制。實(shí)際運(yùn)行中，整個裝置調(diào)節(jié)范圍要比設(shè)計(jì)小，主要因?yàn)榭辗衷O(shè)備管網(wǎng)特性曲線和空壓機(jī)的特性曲線雙重因素作用，使空壓機(jī)變負(fù)荷范圍受到限制。

空壓機(jī)工作在安全運(yùn)行區(qū)時，空壓機(jī)實(shí)行恒壓自動控制調(diào)節(jié)，即運(yùn)行壓力小于喘振控制時，開大進(jìn)口導(dǎo)葉，增加流量?？諌簷C(jī)進(jìn)入喘振控制區(qū)，打開放空閥，壓力下降，流量增大，使空壓機(jī)運(yùn)行避開喘振區(qū)。在實(shí)際運(yùn)行中，空壓機(jī)的流量易受外界因素的影響而產(chǎn)生波動，但在一定的壓力范圍內(nèi)，空壓機(jī)的出口流量與空壓機(jī)的電機(jī)電流成線性關(guān)系，空壓機(jī)出口流量對比成空壓機(jī)電流，模型見圖1。

在喘振線右側(cè)的為喘振控制線，其形狀與喘振線一致，與喘振線相距5%～8%。該距離越小，放空閥打開的機(jī)會就越少，能量損失就越少，但對控制系統(tǒng)、閥門的響應(yīng)時間要求越高。該距離越大，放空閥打開的機(jī)會就越大，越能保證機(jī)組的安全運(yùn)行，但能量損失就越大。

圖 1 空壓機(jī)出口流量對比成空壓機(jī)電流模型圖

2013年4月采取降低空氣量操作，入口空氣量由原來的20.5萬m3/h降低到18.5萬m3/h，制氧系統(tǒng)日耗電量由原來79萬kWh/d降低至78萬kWh/d。第二次降負(fù)荷操作于2013年7月實(shí)施，主要采取降低空壓機(jī)排氣壓力的措施實(shí)現(xiàn)，空壓機(jī)排氣壓力由0.435 MPa降到0.42 MPa，制氧系統(tǒng)日耗電量從78萬kWh/d降低至77萬kWh/d。

在滿足新區(qū)生產(chǎn)工序?qū)ρ鯕?、氮?dú)猱a(chǎn)品的安全使用前提下，進(jìn)行合理調(diào)度、分階段降低工序供氧氣壓力、供氮?dú)鈮毫Φ燃墝?shí)驗(yàn)。自2015年5月7日開始分五個階段再次對新區(qū)制氧系統(tǒng)生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。在保證煉鐵廠噴煤使用中壓氮?dú)鈮毫Υ笥?.8 MPa的前提下，制氧站中壓氮壓機(jī)出口壓力由原來的2.3 MPa降低到2.1 MPa。在保證煉鋼廠氧氣壓力大于1.9 MPa前提下，制氧站氧壓機(jī)出口壓力由原來的2.2 MPa降到2.0 MPa。空壓機(jī)出口壓力由原來的0.42 MPa降低到0.418 MPa，進(jìn)而降低氧氣、氮?dú)鈮嚎s機(jī)的壓送能耗。

◆ 采用蒸汽加熱器替換電加熱器

空氣中的雜質(zhì)(如水分、二氧化碳和碳?xì)浠衔?，主要通過兩臺交替循環(huán)使用的分子篩吸附器吸附清理。吸附器中裝有活性氧化鋁和分子篩，兩臺交替使用的吸附器由來自分餾塔的反流污氮?dú)猓ㄟ^加熱器加熱后對分子篩吸附器進(jìn)行交替循環(huán)再生。新區(qū)制氧站分子篩純化系統(tǒng)有2臺德國Elmess公司生產(chǎn)的HG/SE-1392型電加熱器，每臺加熱器功率1392 kW，每天運(yùn)行6次，每次75 min，平均日耗電量在1.8萬kWh。

經(jīng)過研究，決定采用蒸汽加熱器替換電加熱器工作。從2014年4月15日開工建設(shè)，2014年8月安裝結(jié)束，2014年10月28日開始對加熱器閥門及管路系統(tǒng)進(jìn)行空載調(diào)試，12月20日系統(tǒng)帶負(fù)荷試車，12月23日蒸汽加熱器投入運(yùn)行。采用蒸汽加熱器替換電加熱器后，正常工作時采用蒸汽加熱器，原電加熱器作為備用，在檢修復(fù)產(chǎn)時或者發(fā)生故障時才啟用電加熱器。采用蒸汽加熱器后減少制氧站分子篩純化系統(tǒng)日耗電量在1.7萬kWh左右。

◆ 采取措施取得的效果

通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝、動態(tài)調(diào)整操作以及對耗能設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，實(shí)施情況見表3。措施實(shí)施后空分每天耗電量由77萬kWh降低至76萬kWh，到2015年已經(jīng)基本上穩(wěn)定控制在75萬kWh/d以內(nèi)，較實(shí)施前降低了4萬kwh/d。至此降負(fù)荷前后制氧系日耗電變化情況見表4。

表4 實(shí)施措施后制氧系統(tǒng)日耗電變化情況

降低 氧氣放散率采取的措施

◆ 增加高爐富氧量

隨著高爐穩(wěn)定順行程度的不斷提高，同時上下道工序的生產(chǎn)不斷理順，高爐具備了進(jìn)一步強(qiáng)化冶煉的條件，新區(qū)2500 m3高爐不斷提高富氧量，到目前為止基本上能穩(wěn)定在15000 m3/h，富氧率也達(dá)到了3.54%。近年來新區(qū)2 500 m3高爐富氧率變化情況，見圖2。

◆ 煉鋼系統(tǒng)高產(chǎn)

圖 2 近年來新區(qū)2 500 m3高爐富氧率變化情況

由于高爐強(qiáng)化冶煉后，高爐日均產(chǎn)量提高到6200 t左右，為煉鋼高水平生產(chǎn)提供了充足的鐵水需求，促進(jìn)了煉鋼廠的高水平生產(chǎn)，在保持噸鋼氧氣消耗不變的情況下，由于鋼產(chǎn)量的有效提高，導(dǎo)致每天氧氣消耗量大幅度升高。煉鋼廠日產(chǎn)量及噸鋼耗氧量變化情況見表5。

◆ 回收氧、氮、氬氣拓展外銷業(yè)務(wù)

氧氣產(chǎn)品一部分通過主換熱器復(fù)熱后出冷箱，經(jīng)氧壓縮機(jī)加壓后與外部管網(wǎng)相接，供用戶使用；另一部分抽取液氧送入液氧貯槽。從冷箱抽出的液氧產(chǎn)品儲存在常壓平底儲槽中。一旦設(shè)備停機(jī)，從儲槽抽出的液氧通過送出泵升至所需壓力，經(jīng)空浴式汽化器蒸發(fā)，進(jìn)入氧氣管網(wǎng)。

氮?dú)猱a(chǎn)品經(jīng)氮壓縮機(jī)加壓后分別與外部管網(wǎng)相接，另一部分作為水冷塔冷源供給。從冷箱抽出的液氮產(chǎn)品儲存在2000 m3液氮儲槽。2000 m3液氮儲槽配有水浴式汽化器系統(tǒng)，保證緊急狀態(tài)下氮?dú)夤┙o。

液氬從精氬塔的底部抽出，一部分送入500 m3液氬儲槽。另一部分進(jìn)入精氬泵加壓后通過主換熱器復(fù)熱后供用戶使用。 500 m3液氬儲槽配有空浴式汽化器系統(tǒng)，保證用戶氬氣供給。

表5 煉鋼廠日產(chǎn)量及噸鋼耗氧量變化情況

在滿足生產(chǎn)用氣的情況下，通過聯(lián)合昆鋼動力能源分公司進(jìn)行液態(tài)氣體市場競價銷售，大力推廣富余液氧、液氮、液氬的銷售。從2013年開始陸續(xù)推廣外賣銷售到2015年，目前產(chǎn)品銷售覆蓋昆明、大理、玉溪、曲靖、師宗、河口、怒江、昭通、貴州紅河、文山、越南、老撾等區(qū)域。累計(jì)銷售約3690萬m3，氧氣每年銷售約占產(chǎn)量的4.5%左右，可減少氣體放散。

◆ 鍋爐富氧技術(shù)改造

昆鋼新區(qū)熱電站共有2臺150 t燃?xì)忮仩t，鍋爐富氧改造工程于2015年8月10日開始。主要從新區(qū)二期氧氣管道預(yù)留DN400閥門后(鼓風(fēng)機(jī)站附近)接出氧氣主管，沿現(xiàn)有管道支架鋪設(shè)到發(fā)電站附近，進(jìn)富氧調(diào)壓站，在富氧調(diào)壓站，氧氣管經(jīng)阻火管、過濾器、調(diào)壓閥，最后分別與1#、2#鍋爐的送風(fēng)機(jī)出口相接，2015年11月份投入使用以來，2座鍋爐富氧量長時間穩(wěn)定在5 000 m3/h左右，有效提高了富裕氧氣的利用。

結(jié)束語

通過對新區(qū)制氧系統(tǒng)降負(fù)荷操作，采用蒸汽加熱器替換電加熱器，達(dá)到了節(jié)電的目標(biāo)。通過增加氧氣用量、新增用戶點(diǎn)及外銷的措施，有效提高了氧氣利用率，大幅度降低了氧氣放散率，提高資源綜合利用。新區(qū)制氧系統(tǒng)綜合耗電量從79.24萬kWh/天降低到74.27萬kWh/d，氧氣放散率逐漸降低，2015年降低到14.75%，2016年1—6月降低到11.35%。

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