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變壓吸附製氧:解決電爐煉鋼的用氧“痛點”

發布時間:2019-05-02 14:09 瀏覽量: 分享到:

隨著我國供給側結構性改革和去產能的不斷深入,特別是“地條鋼”產能的快速退出,我國鋼鐵工業實現了扭虧為盈,廢鋼市場呈現價格觸底反彈、廢鋼產業轉暖向好的勢頭。從長遠考慮,增加短流程、減少長流程,是多用廢鋼、節能環保的重要措施。加大電爐煉鋼先進技術裝備應用,是鋼鐵工業綠色發展的長遠目標。
  在此前提下,國內電爐複產、新建項目日益增多,同時隨著技術的進步,越來越多的新技術新工藝在生產實踐中得到應用,尤其是對氧氣的依賴度越來越高。在電爐煉鋼過程中,氧氣的應用無處不在。氧氣的應用可以提高產量,縮短加熱周期,減少燃料消耗,氧氣在電爐生產中起著重要的作用。經濟性好、運行穩定的變壓吸附製氧裝置,是電爐企業的優先選擇。
  行業用氧現狀及“痛點”
  電爐企業的傳統製氧方式主要選用深冷分離法,又稱低溫精餾法,1902年由林德教授發明,實質就是氣體液化技術。深冷製氧通常采用機械方法,如用節流膨脹或絕熱膨脹等方法,把氣體壓縮、冷卻後,利用不同氣體沸點上的差異進行精餾,使不同氣體得到分離。
  該方法的特點是產品氣體純度高,但壓縮、冷卻的能耗很大,隨著規模不同,製氧單耗為0.3元/標準立方米~1元/標準立方米。同時,電爐生產對氧氣的需要是間斷式的,深冷製氧工況是連續不斷的,為了滿足生產需要,在生產過程中通常會有放散的情況發生,放散率一般在10%左右,高的可達20%以上。
  隨著近兩年電爐複產的熱潮興起,一些複產的電爐因為無氧可用,而製氧裝置建設周期較長,企業隻能通過采購液氧氣化來實現生產供氧。由於鋼鐵行情的持續火熱,市場上液氧價格在1200元/噸~3000元/噸,這樣企業的用氧成本在1.7元/標準立方米~4.3元/標準立方米,遠高於行業平均水平。
  還有一些企業受環保政策、地方供電限製等因素影響,在生產中經常麵臨非計劃短期停機,生產不能持續進行的尷尬境地。而深冷分離製氧裝置,開停機比較繁瑣,順利的情況下冷啟動仍需要2天~3天,麵臨政策性停產的企業並不適用這種製氧方式。
  相比深冷分離製氧方式,變壓吸附製氧技術具有製氧成本低、開停機簡單、負荷調節方便的特點,更加契合電爐生產對氧氣的需要。
  變壓吸附製氧特點
  變壓吸附製氧技術是利用變壓吸附專用分子篩與氮分子的四極矩之間的較強作用,使氮氣吸附在沸石吸附劑上,氧氣則吸附較少,從而使氧氮分離。該技術在上世紀50年代由普萊克斯發明,發展至今,在國內變壓吸附領軍企業北京北大先鋒科技有限公司的推動下,中國已經是變壓吸附製氧全球最大的市場。
  變壓吸附製氧裝置主要由動力係統(鼓風機)、真空泵、切換係統(同PLC控製)、吸附係統等組成。原料空氣經吸入口過濾器除掉灰塵顆粒後,被羅茨鼓風機增壓而進入其中一隻吸附器內。吸附器內裝填吸附劑,通過預處理,除掉空氣中的水分、二氧化碳及少量其他氣體組分,隨後氮氣被變壓吸附專用分子篩所吸附。而氧氣(包括氬氣)為非吸附組分,從吸附器頂部出口處作為產品氣被排至氧氣緩衝罐,產品氣純度在50%~93%範圍內可以調節。
  當該吸附器吸附到一定程度,其中的吸附劑將達到飽和狀態,此時通過切換閥利用真空泵對之進行抽真空(與吸附方向相反)。已吸附的水分、二氧化碳、氮氣及少量其他氣體組分被抽出並排至大氣,吸附劑得到再生。上述工藝步驟由PLC和切換閥係統來實現自動控製。
  變壓吸附製氧裝置有以下特點:
  一是能耗比較低,製氧單耗在0.2元/標準立方米左右。
  二是維護成本低,動設備為羅茨鼓風機和羅茨真空泵,因其工作原理都為容積式,無油,極易維護。
  三是整套設備的自動化程度高,動設備與製氧機是同步控製,隻須按一下啟動按鈕,整套設備即可正常運行,常規配置每班2人,可實現無人值守。
  四是負荷調節方便,裝置可以通過時序調節,很快實現50%~100%範圍內的負荷調節。
  五是開停機方便,裝置通過吸附方式實現製氧,裝置開機後20分鍾可產出合格的產品氧氣。
  六是建設周期短,真空泵鼓風機都屬於常規設備,生產周期短,從投資建設到產出合格氧氣約6個月左右。
  變壓吸附在市場的應用情況
  國內電爐企業已經開始將廠內的深冷分離製氧或液氧儲罐替換為變壓吸附裝置。浙江萬泰特鋼有限公司、遵義長嶺特殊鋼有限公司、瀘州益鑫鋼鐵有限公司等一些電爐煉鋼企業在近幾年均進行了製氧裝置的替換,用變壓吸附製氧裝置替換原有的製氧方式。
  變壓吸附製氧裝置可以生產純度高達93%的氧氣,有電爐企業擔心變壓吸附純度較低,不能煉特鋼,事實上電爐煉特鋼和煉普鋼前端的過程都是相同的,在電爐中加入配料,改變鋼的成分,吹氧助燃和斷電吹氧脫碳,從而得到需要的鋼種,而在精煉工序中無須吹氧。因此,電爐煉特鋼與煉普鋼本質上對氧氣的要求是一樣的。
  變壓吸附製得的氧氣中含有約3%的氮氣和4%的氬氣,有電爐企業擔心其中的氮氣會影響特鋼驗收指標,事實上我國對常溫狀態使用的合金鋼如彈簧鋼、軸承鋼、無縫鋼管等種類中的氮氣都沒有明確規定(對普鋼更沒有規定)。過多的氮氣會對耐低溫衝擊用鋼(我國對耐低溫衝擊用鋼比如船舶用鋼、油井管用鋼的含氮量有明確規定,要≤70ppm)造成含氮量超標的問題。而我們的電爐煉鋼企業大多是不煉耐低溫衝擊用鋼的,因此,變壓吸附應用於電爐冶煉特鋼的前景非常廣闊。
  充分的數據調研結果顯示,國外也有豐富的電爐用氧實踐經驗。美國普萊克斯公司對電爐煉鋼做過很長時間的調研,其檢測結果證明:電弧爐使用變壓吸附製備的氧氣煉鋼不會引起鋼水中氮含量的增加。日本約60%~70%的電爐煉鋼企業選擇變壓吸附作為製氧方式,目前世界上已有近百座電爐采用了變壓吸附製備的氧氣進行煉鋼。長期的實踐也證明了變壓吸附製備的氧氣滿足電爐煉鋼的要求。

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