新模式下南鋼制氧生產保供創新優化

蘭振強

（南京鋼鐵聯合有限公司制氧廠，江蘇南京 210035）

1 南鋼制氧單元介紹

1.1 制氧裝置裝備概況

制氧單元現有5 套深冷空分裝置，將建4 套變壓吸附（VPSA）制氧裝置，合計產量：氧氣（折合純氧）14 萬m3/h，氮氣15 萬m3/h，中壓氬氣3200 m3/h。

（1）深冷空分裝置配置

深冷空分裝置可同時生產氧氣、氮氣、氬氣、液氧、液氮和液氬產品，氧氣產品純度在99.6%O2以上，氮氣產品含氧量≤10×10-6，氬氣產品含氧量≤2×10-6、含氮量≤3×10-6。1#、2#、4#制氧為外壓縮裝置，3#、5#制氧為內壓縮裝置，1#制氧既可壓送低壓氧又可壓送中壓氧，2#制氧只能壓送低壓氧，3#、4#、5#制氧只能壓送中壓氧。深冷空分裝置配置情況如表1。

表1 深冷空分裝置配置表

（2）深冷空分裝置工藝

主要工藝為，原料空氣經自潔式過濾器除去灰塵及其它機械雜質，再壓縮至0.5 MPa 左右，經預冷系統得到冷卻和洗滌后，進入切換使用的分子篩純化系統除去二氧化碳、部分碳氫化合物及水份等。空氣經凈化后分兩路進入分餾塔，根據氧、氮、氬沸點不同進行物理精餾，下塔主要分離出液氮產品，上塔分離出氮氣、氧氣、液氧產品，然后在粗氬塔和精氬塔中分離出純氬產品。

（3）VPSA制氧裝置及工藝

VPSA 制氧裝置主要由鼓風機、真空泵、切換閥、吸附器、氧氣緩沖罐和氧壓機組成。原料空氣粗濾后經羅茨鼓風機增壓至45 kPa 左右進入吸附塔，水份主要被底部的活性氧化鋁吸附，氮氣等組分被沸石分子篩所吸附，而氧氣、氬氣等作為產品氣輸出。當該吸附塔吸附飽和后,通過自動控制均壓、降壓過程,將吸附塔死空間內的部分氧氣回收,同時將吸附塔壓力降至微負壓，再利用羅茨真空泵抽真空至-53 kPa左右進行解吸再生。

VPSA 的每個吸附塔都交替執行以下步驟:增壓-吸附-解吸-均壓，其主要性能指標如表2。

1.2 主要保供模式

（1）保供能力分析

在5 套深冷空分和4 套VPSA 制氧全部正常生產狀態下，中壓氧氣供應能力為8 萬m3/h，壓力2.6 MPa；低壓氧氣供應能力為6.6 萬m3/h，壓力0.7 MPa；中壓氮氣12 萬m3/h，壓力2.3 MPa；低壓氮氣5 萬m3/h，壓力0.7 MPa；中壓氬氣3 200 m3/h，壓力2.6 MPa；詳見表3。具體供應量根據公司的需求作不同生產組合，靈活調整5 萬～14 萬制氧模式，做到氧、氮、氬兼顧，保證生產使用，減少放散，經濟運行。

表2 VPSA主要性能指標參照表

（2）低壓氧分配

低壓氧有深冷空分≥99.6%氧氣和VPSA≥80%氧氣組成，為確保氧氣管道的安全流速和經濟供應，根據公司生產用氧變化情況，對供氧模式進行動態調整，各模式下低壓氧氣分配和氧氣純度變化如表4。

2 公司用戶對氧、氮、氬產品需求特點

2.1 氧、氮、氬的主要用途

氧氣具有強氧化性，作為助燃劑，轉爐、電爐、軋鋼等用戶要求氧純度不低于99.2%，煉鐵高爐、燃供廠等主要用于富氧燃燒用戶對氧純度要求不太高。氮氣具有窒息性，作為密封氣、保護氣、吹掃氣、儀表動力氣，在煉鋼廠、煉鐵廠、軋鋼廠、燃供廠、燃氣廠、燒結廠、發電廠、水廠等廣泛使用，一般要求含氧量不超過1%。氬氣作為目前工業上應用很廣的稀有氣體，它的性質十分不活潑，主要使用在鋼水攪拌、保護氣，主要用戶為煉鋼廠的轉爐、電爐、精煉爐、連鑄等。

表3 氧、氮、氬氣生產能力配置表 m3/h

表4 各模式下低壓氧氣用量、氧氣純度指導表

2.2 特殊情況的安全保供

為確保氧氣使用安全流速，一鐵廠中壓氧總流量控制不超過30 000 m3/h，低壓氧總流量控制不超過45 000 m3/h；二鐵廠低壓氧總流量控制不超過40 000 m3/h，4#高爐中壓氧總流量控制不超過20 000 m3/h，5#高爐中壓氧總流量控制不超過20 000 m3/h。

若遇到制氧機組跳車等突發事件：當低壓氧氣壓力不足時，高爐根據富氧需求可適當增加中壓氧用量，以補充低壓氧缺口；當中壓氧氣壓力不足低于1.5 MPa，首先考慮停制氧廠液化裝置，其次增加其它制氧機至滿負荷，最后減少兩個鐵廠氧氣用量，氧壓一旦低于1.3 MPa，高爐停富氧；當氮氣不足，低于1.8 MPa，首先停液化系統，其次考慮一煉鋼或二煉鋼的轉爐短時停煉，直到壓力回升。一旦發生大面積停電造成制氧機跳車，立刻安排停止液化系統的運行，同時停止2 個煉鐵的富氧，一、二煉鋼廠轉爐陸續停爐，盡快恢復后備汽化系統供電，啟運氧、氮汽化泵，必須保住一鐵廠和二鐵廠的氮氣壓力不低于0.8 MPa。

3 創新優化，協同創效

3.1 創新低壓氧供應模式，高爐氧氣保供流程再造

南鋼現有三個制氧站區，各區域通過現有氧、氮、氬管廊互相溝通，并送全廠用戶使用。之前制氧廠送至各用戶的氧氣均為中壓氧氣，壓力為2.2～2.7 MPa，由各用戶根據自身需要調壓使用。高爐富氧氧氣在制氧機將常壓氧氣（15 kPa）壓縮至3.0 MPa 中壓氧氣后，再在高爐富氧前減壓至0.65 MPa 左右后混入鼓風機后冷風管道使用，前端制氧廠在增壓、調壓過程中損失大量能耗，能源浪費較大，安全風險也較高。

經綜合研究，決定新建低壓氧氣管網，1#、2#空分裝置處氧氣總管管徑為DN400，1#、2#區域需通過低壓氧管道實現聯通（該段長度約1.3 km），在同心路處分兩支：一支為DN400 管道至一鐵廠鼓風機站，另一支為DN400 至二鐵廠富氧站，管道全長約6.3 km。以生產低壓（0.8 MPa）氧氣不放散為原則，將常壓氧氣（15 kPa）壓縮至0.8 MPa 后單送高爐直接富氧，可節約氧氣壓力從0.8 MPa 升至2.7 MPa 的電能消耗。實施后，氧壓機電流從原250 A 降低至134 A，壓氧能耗由0.19 kWh/m3降至0.105 kWh/m3，節能效益明顯，同時氧氣管道和高爐氧氣調節閥安全風險降低，安全系數大幅度提高。

3.2 制氧系統再挖潛，生產工藝再優化

1#、2#制氧機分別于2003 年和2005 年建成投產運行，篩板塔下塔阻力高且無法變負荷操控，相比當下制氧行業新設備、工藝、自動控制等有改進提升空間。若對制氧機單體設備節能改造和系統工藝流程優化，為制氧機變負荷提供基礎，實現制氧節能運行目的。

經過反復調研和可行性分析，做如下創新優化：

（1）在不拆除氧氮精餾塔下塔的前提下，采用現場拼接組裝的方式，將下塔由72層篩板塔改為54層高效填料塔。

（2）對空分塔內工藝管線進行優化和改造，滿足制氧機變工況運行條件要求。

（3）建立老制氧機不同負荷下生產運行穩態和動態控制模型，開發自動變負荷控制系統，實現1#、2#制氧自動變負荷控制。

（4）將空壓機出口翻板單向閥改為最新軸流單向閥，降低空壓機出口壓力。

（5）在現有分子篩區域新增1臺蒸汽加熱器，充分利用公司低品位蒸汽來節約分子篩加熱電耗。

綜合挖潛后，裝置阻力下降30 kPa，下塔阻力100%工況下由20.44 kPa下降至3.17 kPa，為目前行業內改造業績最佳水平；液氬產量提升300 m3/h；裝置實現變負荷能力80%～105%，變負荷速度達到2 min/1%，達到國際領先水平；三臺分子篩系統增設蒸汽加熱爐，節電600 萬kWh/a；制氧機信號進EMS 系統，實現公司氧氣能源管理大系統平衡智能制造。該項目進行多項節能挖潛改造，實現了制氧機柔性生產，有效減少制氧系統氧氣放散和生產成本。氧氣放散率從2%降至0.2%，制氧裝置氧氣供應單耗從 0.754 kWh/ m3下降至0.632 kWh/m3，降幅達16%。

3.3 生產智能管控

根據南鋼新模式下用氧特點，建立中壓氧、低壓氧、吸附氧運行組合模型，制定生產調度規則。隨著中壓氧、低壓氧、吸附氧組合投用，中壓氧氣主要給煉鋼、各軋鋼廠等使用，吸附氧和空分低壓氧并網后主要給高爐使用，制定氧氣分質、分壓調度管理規定，對生產管理人員和調度進行培訓，確保氧氣生產和使用柔性銜接。同時測算公司各狀態下2 個鐵廠和3 個煉鋼中壓氧、低壓氧、吸附氧使用量，將建立5 臺深冷空分制氧+4 臺VPSA 制氧不同組合生產模型，靠信息化手段動態調整，打造智能制氧，確保制氧系統經濟運行。

另外，完善EMS 系統對制氧機組的數據采集，使系統工序能耗數據得以完善，通過報表管理，形成制氧的生產日報、工序單耗、單位用電成本等綜合統計報表，為南鋼財務日成本統計提供數據支撐,為在生產全過程中實現較好的節能、降耗和環保創造條件。

3.4 供需協同創效

掌握煉鐵富氧關鍵環節，站在大系統的層面協同綜合優化，實現系統大降本。由于低壓氧管網沒有管容緩沖，低壓氧氣總量必須小于高爐富氧總量，煉鐵高爐富氧，需優先使用低壓氧氣，不足部分使用中壓氧氣補充，杜絕低壓氧氣放散、中壓氧氣氣化的能源浪費現象。煉鐵高爐調度根據制氧調度分配低壓氧氣量，分別對內部高爐低壓富氧做好安排與分配，若有高爐停氧操作，內部進行低壓氧重新分配調整。中壓氧根據管網壓力和公司檢修情況，可通過深冷空分變負荷、啟動液化設備液化、開停機等手段進行調整，也可結合鋼鐵實際計劃產量，通過多轉低壓氧氣進行動態平衡。高爐檢修，要全停4 套VPSA。若電爐或1 座轉爐檢修，高爐富氧不減，通過鑄鐵維持鐵、鋼平衡，則可以保持負荷不動，汽化壓力盡量在1.6 MPa 操作執行。若高爐富氧低于70 000 m3/h，先考慮退增氧、空分轉液氧工況、同時視中壓氧氣管網壓力4 套機組同比例減負荷。

另外，隨著設備、產品與技術革新，一線用戶對氧、氮、氬產品質量的要求越來越高，生產中遇到的專業技術性難題也越來越棘手。雙方建立有效的溝通服務機制，及時互動并解決氧、氮、氬使用中遇到的難題，方能切實做到協同創效。

4 結束語

只有深入研究現有狀況下制氧大系統的新生產模式、新工藝組合，探討工藝優化使裝置達最佳運行點，利用信息化、數字化、智能化等手段，形成獨特的氧、氮、氬供應技術，才能更好實現氧、氮、氬安全優質保供且最大限度地降低生產能耗的目標。