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，而宝联气体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。