楊瑜亮

（南京鋼鐵聯(lián)合有限公司制氧廠，江蘇南京 210035）

引言

鋼鐵企業(yè)制氧機組主要用戶為高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、電爐煉鋼、軋鋼等，根據(jù)工藝特點，煉鋼、軋鋼用戶氧氣用量總體穩(wěn)定，而高爐用戶由于受到原燃料等外界因素影響，高爐爐況基本處于長期波動狀態(tài)，嚴重時甚至出現(xiàn)休風(fēng)、停爐等中斷性生產(chǎn)現(xiàn)象。上述情況導(dǎo)致鋼鐵企業(yè)制氧機組被迫進行工況調(diào)整，對制氧機的穩(wěn)定、經(jīng)濟運行影響較大，因此探索出滿足企業(yè)實際需求的氧氣供應(yīng)模式是制氧企業(yè)高效運行的重要前提。

1 鋼鐵行業(yè)氧氣供應(yīng)模式類型

鋼鐵企業(yè)屬于長流程工藝，自建廠開始從設(shè)計、使用、改造、再設(shè)計等不斷循環(huán)的全壽命周期中迭代更新，因此出現(xiàn)了較多的工藝流程和裝置。而其中氧氣供應(yīng)模式的合理與完善是典型代表之一。隨著技術(shù)進步，目前鋼鐵企業(yè)中主要存在以下幾種氧氣供應(yīng)模式：

1.1 模式一

鋼鐵企業(yè)（也是大多數(shù)企業(yè)）傳統(tǒng)氧氣供應(yīng)模式基本為深冷制氧機組產(chǎn)出氧氣，通過系統(tǒng)總管網(wǎng)，以制氧機組輸送的中壓氧氣（約3.0MPa）供應(yīng)至各用戶端，隨后根據(jù)各用戶工藝需求分別進行減壓，以滿足各自需求，該模式介質(zhì)參數(shù)單一，通用性強，但系統(tǒng)經(jīng)濟性最差，使用成本高，同時氧氣輸送風(fēng)險較大。

1.2 模式二

少數(shù)鋼鐵企業(yè)在上一輪經(jīng)濟危機期間實施節(jié)能降本，對傳統(tǒng)氧氣模式進行改進，對部分（高爐用氧）中壓氧氣進行改造，采用低壓氧壓機工藝，減少氧氣供應(yīng)能源消耗，該流程比較切合實際，介質(zhì)中以壓力需求進行分別供應(yīng)，相比經(jīng)濟性較好，目前行業(yè)內(nèi)企業(yè)用戶逐步擴大。

1.3 模式三

極少數(shù)用戶通過系統(tǒng)優(yōu)化，結(jié)合企業(yè)自身內(nèi)部氧氣用戶介質(zhì)差異化工藝需求，采用行業(yè)先進技術(shù)，自主集成并創(chuàng)新多流程供氧模式，適應(yīng)企業(yè)發(fā)展需求，解決鋼鐵企業(yè)氧氣供應(yīng)波動難題，實現(xiàn)多流程組合供氧模式和系統(tǒng)經(jīng)濟運行目標(biāo)。該組合流程以自身個性化需求為主，經(jīng)濟性最佳，同時跟隨技術(shù)潮流同步發(fā)展，不斷更新原有裝置性能，以系統(tǒng)性為出發(fā)點，實用性強，通過不斷改進、優(yōu)化，系統(tǒng)運行風(fēng)險較低，是企業(yè)精細化、專業(yè)化發(fā)展的方向。

2 創(chuàng)新多流程組合供氧模式的系統(tǒng)實踐

南京鋼鐵聯(lián)合有限公司（以下簡稱南鋼）近年來隨著企業(yè)的不斷發(fā)展，高爐富氧率水平和氧氣用量不斷提升，以如何滿足企業(yè)的用氧量并適應(yīng)氧氣量的變化作為重要工作內(nèi)容，創(chuàng)新性自主集成并研究出多流程組合供氧模式，通過系統(tǒng)實踐，取得較好的效果。下面就研究和實施過程進行簡要介紹。

2.1 南鋼制氧系統(tǒng)原裝置概況及供應(yīng)模式

南鋼制氧共有5 套制氧裝置（共計12 萬m3/h 氧氣），根據(jù)原工藝設(shè)計，采用傳統(tǒng)氧氣供應(yīng)模式見圖1所示，裝置概況性能見表1所示。

圖1 原有傳統(tǒng)供氧模式

表1 南鋼制氧裝置及性能概況

隨著企業(yè)管理的不斷進步，鋼鐵生產(chǎn)過程中高爐大富氧、轉(zhuǎn)爐吹煉節(jié)奏不斷加快，能源介質(zhì)尤其是氧氣介質(zhì)的穩(wěn)定供應(yīng)是保證生產(chǎn)連續(xù)性的前提，但受限于各種因素，高爐爐況波動導(dǎo)致氧氣隨著波動的現(xiàn)象較為頻繁。而氧氣供應(yīng)模式的選擇優(yōu)劣對于下游用戶的生產(chǎn)至關(guān)重要。

以南鋼生產(chǎn)實際為例，通過統(tǒng)計分析，2018 年度高爐氧氣用量在40000～75000 m3/h 之間波動，一般同類型企業(yè)的供氧裝置無法滿足此波動要求。另外原有的氧氣裝置供應(yīng)量也不能滿足日益增長的產(chǎn)能需求，需外購液氧氣化補充。因此，系統(tǒng)性、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性氧氣供應(yīng)模式的研究是滿足生產(chǎn)需求的出發(fā)點和落腳點。

2.2 創(chuàng)新多流程供氧模式及實施

2.2.1 多流程供氧流程改造方案確定

(1)針對系統(tǒng)經(jīng)濟性指標(biāo)，參考供應(yīng)模式二，依據(jù)煉鐵系統(tǒng)高爐富氧的特點，結(jié)合南鋼自身生產(chǎn)調(diào)節(jié)，建設(shè)性采用中、低壓氧氣分壓運行模式實施節(jié)能改造（配套建設(shè)相應(yīng)低壓氧氣管線），實現(xiàn)雙流程供氧模式改造，同步針對原有的1#、2#制氧裝置實施分餾塔填料下塔改造，實現(xiàn)變負荷調(diào)節(jié)功能，以滿足裝置經(jīng)濟運行和大范圍的調(diào)節(jié)能力需求。

(2)依據(jù)公司發(fā)展計劃，2018年開始制定1100萬噸鋼產(chǎn)能提升要求，氧氣系統(tǒng)平衡缺口約1.72 萬m3/h，如表2 所示。為此綜合考慮需配建設(shè)2萬m3/h制氧機組以滿足高爐用氧需求。

表2 1100萬噸鋼系統(tǒng)平衡表

2.2.2 多流程組合供氧模式的實施

（1）自2018年開始，分別實施1#、2#制氧機低壓氧改造，將原有中壓氧壓機拆除、新增一臺低壓氧壓機；基礎(chǔ)、電儀系統(tǒng)、水路、氣路、行車等總體利舊，部分改造（設(shè)備基礎(chǔ)采用在線切割、植筋方式滿足基礎(chǔ)要求）。自2018年6月15日-2019年2月3日先后完成2 臺2 萬m3/h 空分配套中壓氧壓機改低壓氧壓機改造。氧氣供應(yīng)壓力由2.6 MPa 降至0.63 MPa，壓縮單耗由0.189 kWh/m3降至0.105 kWh/m3，能耗下降44%。實現(xiàn)公司高爐大富氧系統(tǒng)優(yōu)化節(jié)能。

（2）同期配套低壓氧管道流量按照機后富氧量7萬m3/h考慮，降低流速、減少阻力損失同時為后續(xù)總量提升創(chuàng)造條件。1#制氧區(qū)域與2#制氧區(qū)域通過低壓氧管道（1500 m、DN400）聯(lián)通、加裝閥門等控制設(shè)施。低壓氧氣經(jīng)新建管道送至一、二鐵廠鼓風(fēng)機站內(nèi)，其中一鐵廠低壓富氧量按4.4 萬m3/h 計，二鐵廠低壓富氧量按2.6 萬m3/h 計。低壓氧氣管道起點壓力約為0.65 MPa，管道全長約6 km。低壓氧氣管道流速控制在15 m/s 左右。在5 個高爐鼓風(fēng)機后分別設(shè)置控制閥門、流量計、止回閥與現(xiàn)有調(diào)壓系統(tǒng)聯(lián)通，實現(xiàn)低壓氧用量不足時中壓氧補充如圖2所示。

圖2 高爐低壓氧系統(tǒng)流程圖

（3）為適應(yīng)1100 萬噸鋼產(chǎn)能的需求，新建配套制氧機組。由于受制氧工藝流程限制，若選用深冷制氧空分建設(shè)周期長（15 個月），同時新建制氧主要滿足高爐富氧需求，結(jié)合多種工藝流程優(yōu)缺點，綜合評定選用建設(shè)周期短（7 個月）、能耗低（折合純氧單耗＜0.3 kWh/ m3，遠遠低于深冷制氧0.46 kWh/m3）、見效快的新型變壓吸附制氧工藝流程。經(jīng)過充分論證，同時考慮氧氣用量的波動和高爐用氧純度的經(jīng)濟性，確定在現(xiàn)有情況下補充符合高爐富氧需求的80%純度氧氣可最優(yōu)化高爐生產(chǎn)工藝，降低長期使用成本，裝置設(shè)計為一體化控制變壓吸附制氧集群（簡稱：VPSA 集群）。該裝置與已有的中、低壓氧系統(tǒng)構(gòu)成多流程組合供氧模式，實現(xiàn)系統(tǒng)氧氣供應(yīng)大范圍調(diào)節(jié)的及時性和靈活性要求。工藝規(guī)模研究確定為4×6250 m3/h，80%純度，0.65 MPa，通過已有的低壓氧管道貫通送兩個鐵廠高爐生產(chǎn)。項目于2019 年1 月10 日-7 月26 日建設(shè)實施，建成投運后滿足高爐低壓氧62000m3/h（折合純氧），低壓富氧與純氧組合生產(chǎn)供高爐富氧，在高爐富氧用量＞62000 m3/h 時實現(xiàn)原有中壓減低壓調(diào)節(jié)補充，長期實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化運行。項目實施完成經(jīng)測試，不含壓氧能耗0.296 kWh/m3，產(chǎn)量4×6350 m3/h，為同類型在用裝置性能指標(biāo)最佳。

經(jīng)上述系列改造后南鋼氧氣系統(tǒng)供應(yīng)實現(xiàn)多流程組合供應(yīng)新模式如圖3 所示。系統(tǒng)調(diào)節(jié)范圍廣，實用性強，組合運行和調(diào)節(jié)手段多，系統(tǒng)經(jīng)濟指標(biāo)實現(xiàn)大幅度提升，裝置生產(chǎn)運行能耗位于同類型企業(yè)前列。

5 實施效果及評價

多流程組合供氧模式投用后，系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力和經(jīng)濟運行指標(biāo)大幅度提升，實現(xiàn)了40000 m3/h 的調(diào)節(jié)供氧能力，高爐富氧氧氣供應(yīng)適應(yīng)了高爐的較大范圍波動需求，氧氣銷量單耗下降明顯。通過改造實現(xiàn)供氧模式的系統(tǒng)全流程優(yōu)化（見表3）,供氧單耗由2017 年0.693 kWh/m3O2下降至2019 年0.635kWh/m3O2，降幅8.5%（見表3）。

圖3 多流程組合供氧模式

表3 多流程供氧模式的裝置配置表

表4 流程改造前后供氧單耗

經(jīng)過統(tǒng)計測算，多流程供氧模式實踐后產(chǎn)生直接節(jié)能效益3948 萬元/年，核算企業(yè)綜合效益約1.2億元/年。

6 結(jié)束語

與原有傳統(tǒng)鋼鐵企業(yè)的供氧模式相比，多流程組合供氧模式在系統(tǒng)經(jīng)濟性、大范圍調(diào)節(jié)優(yōu)勢明顯。隨著國內(nèi)制氧技術(shù)的不斷進步，采用行業(yè)先進技術(shù)集成多種流程制氧工藝綜合供氧，在企業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展和實際應(yīng)用中綜合效益巨大。