多流程組合供氧模式在鋼鐵企業的應用與研究

楊瑜亮

（南京鋼鐵聯合有限公司制氧廠，江蘇南京 210035）

引言

鋼鐵企業制氧機組主要用戶為高爐煉鐵、轉爐煉鋼、電爐煉鋼、軋鋼等，根據工藝特點，煉鋼、軋鋼用戶氧氣用量總體穩定，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，嚴重時甚至出現休風、停爐等中斷性生產現象。上述情況導致鋼鐵企業制氧機組被迫進行工況調整，對制氧機的穩定、經濟運行影響較大，因此探索出滿足企業實際需求的氧氣供應模式是制氧企業高效運行的重要前提。

1 鋼鐵行業氧氣供應模式類型

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

1.1 模式一

鋼鐵企業（也是大多數企業）傳統氧氣供應模式基本為深冷制氧機組產出氧氣，通過系統總管網，以制氧機組輸送的中壓氧氣（約3.0MPa）供應至各用戶端，隨后根據各用戶工藝需求分別進行減壓，以滿足各自需求，該模式介質參數單一，通用性強，但系統經濟性最差，使用成本高，同時氧氣輸送風險較大。

1.2 模式二

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

1.3 模式三

極少數用戶通過系統優化，結合企業自身內部氧氣用戶介質差異化工藝需求，采用行業先進技術，自主集成并創新多流程供氧模式，適應企業發展需求，解決鋼鐵企業氧氣供應波動難題，實現多流程組合供氧模式和系統經濟運行目標。該組合流程以自身個性化需求為主，經濟性最佳，同時跟隨技術潮流同步發展，不斷更新原有裝置性能，以系統性為出發點，實用性強，通過不斷改進、優化，系統運行風險較低，是企業精細化、專業化發展的方向。

2 創新多流程組合供氧模式的系統實踐

南京鋼鐵聯合有限公司（以下簡稱南鋼）近年來隨著企業的不斷發展，高爐富氧率水平和氧氣用量不斷提升，以如何滿足企業的用氧量并適應氧氣量的變化作為重要工作內容，創新性自主集成并研究出多流程組合供氧模式，通過系統實踐，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 南鋼制氧系統原裝置概況及供應模式

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

圖1 原有傳統供氧模式

表1 南鋼制氧裝置及性能概況

隨著企業管理的不斷進步，鋼鐵生產過程中高爐大富氧、轉爐吹煉節奏不斷加快，能源介質尤其是氧氣介質的穩定供應是保證生產連續性的前提，但受限于各種因素，高爐爐況波動導致氧氣隨著波動的現象較為頻繁。而氧氣供應模式的選擇優劣對于下游用戶的生產至關重要。

以南鋼生產實際為例，通過統計分析，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量也不能滿足日益增長的產能需求，需外購液氧氣化補充。因此，系統性、經濟性、穩定性氧氣供應模式的研究是滿足生產需求的出發點和落腳點。

2.2 創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)針對系統經濟性指標，參考供應模式二，依據煉鐵系統高爐富氧的特點，結合南鋼自身生產調節，建設性采用中、低壓氧氣分壓運行模式實施節能改造（配套建設相應低壓氧氣管線），實現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，實現變負荷調節功能，以滿足裝置經濟運行和大范圍的調節能力需求。

(2)依據公司發展計劃，2018年開始制定1100萬噸鋼產能提升要求，氧氣系統平衡缺口約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、電儀系統、水路、氣路、行車等總體利舊，部分改造（設備基礎采用在線切割、植筋方式滿足基礎要求）。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%。實現公司高爐大富氧系統優化節能。

（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總量提升創造條件。1#制氧區域與2#制氧區域通過低壓氧管道（1500 m、DN400）聯通、加裝閥門等控制設施。低壓氧氣經新建管道送至一、二鐵廠鼓風機站內，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 個高爐鼓風機后分別設置控制閥門、流量計、止回閥與現有調壓系統聯通，實現低壓氧用量不足時中壓氧補充如圖2所示。

圖2 高爐低壓氧系統流程圖

（3）為適應1100 萬噸鋼產能的需求，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周期長（15 個月），同時新建制氧主要滿足高爐富氧需求，結合多種工藝流程優缺點，綜合評定選用建設周期短（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濟性，確定在現有情況下補充符合高爐富氧需求的80%純度氧氣可最優化高爐生產工藝，降低長期使用成本，裝置設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、低壓氧系統構成多流程組合供氧模式，實現系統氧氣供應大范圍調節的及時性和靈活性要求。工藝規模研究確定為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。項目于2019 年1 月10 日-7 月26 日建設實施，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供高爐富氧，在高爐富氧用量＞62000 m3/h 時實現原有中壓減低壓調節補充，長期實現系統優化運行。項目實施完成經測試，不含壓氧能耗0.296 kWh/m3，產量4×6350 m3/h，為同類型在用裝置性能指標最佳。

經上述系列改造后南鋼氧氣系統供應實現多流程組合供應新模式如圖3 所示。系統調節范圍廣，實用性強，組合運行和調節手段多，系統經濟指標實現大幅度提升，裝置生產運行能耗位于同類型企業前列。

5 實施效果及評價

多流程組合供氧模式投用后，系統調節能力和經濟運行指標大幅度提升，實現了40000 m3/h 的調節供氧能力，高爐富氧氧氣供應適應了高爐的較大范圍波動需求，氧氣銷量單耗下降明顯。通過改造實現供氧模式的系統全流程優化（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

經過統計測算，多流程供氧模式實踐后產生直接節能效益3948 萬元/年，核算企業綜合效益約1.2億元/年。

6 結束語

與原有傳統鋼鐵企業的供氧模式相比，多流程組合供氧模式在系統經濟性、大范圍調節優勢明顯。隨著國內制氧技術的不斷進步，采用行業先進技術集成多種流程制氧工藝綜合供氧，在企業的創新發展和實際應用中綜合效益巨大。