王宏強

    傳統的高爐富氧鼓風技術多是采用深冷制氧工藝生產的高壓氧氣，但因為深冷制氧投資比較大，所 以高爐富氧多半是煉鋼的富余高壓氣，這也就決定了高爐富氧的方式大多為機后富氧。隨著冶煉技術的進步，富氧煉鐵成為強化高爐冶煉的有效手段，如何得到穩 定、價格低廉的氧氣成為高爐富氧的關鍵所在。先進的變壓吸附制氧技術生產出廉價的氧氣，為高爐大幅度提高富氧率提供了可能性。而機前富氧工藝的應用又將變 壓吸附制氧在高爐的應用更延伸一步。

變壓吸附制氧原理及其優點

    變壓吸附法即PSA法是在較高的壓力下吸附，實現氣體分離，在較 低壓力下實現吸附劑再生。該法是基于分子篩對空氣中的氧、氮組分選擇性吸附而使空氣分離獲得氧氣。當空氣經過壓縮，通過裝有分子篩的吸附塔時，氮氣分子優 先被吸附，氧分子留在氣相中而成為氧氣。吸附達到平衡時，利用減壓或抽真空將分子篩表面所吸附的氮分子驅除，恢復分子篩的吸附能力。為了連續提供氧氣，裝 置通常設置兩個或兩個以上的吸附塔，一個塔吸附產氧，另一個塔解吸，以達到連續產氧的目的。

    PSA法能夠生產純度80%~95%的氧氣，制氧電耗一般在0.32kWh/m3～0.37kWh/m3，吸附壓力高于大氣壓，一般在30kPa～100kPa，流程簡單，常溫下工作，自動化水平高，可實現無人化管理，特別是安全性好。在真空解吸流程中，裝置操作壓力低，容器等不受壓力容器規范控制。變壓吸附工藝按吸附器的數量，分為單塔流程、兩塔流程、三塔流程和五塔流程等。五塔流程的變壓吸附法最為常用，就是用5個吸附床、4臺鼓風機和2臺真空泵，整個周期中保持2個床在吸附和抽真空，解決了大規模產氧的技術問題 。

變壓吸附制氧工藝具有以下優點：

    一是采用大氣進氣壓差自動充壓技術，減少鼓風機送風量，延長設備使用壽命，降低氧氣制造成本。

    二是設備簡單，主要設備羅茨鼓風機和真空泵運行穩定、可靠，分子篩的使用壽命在10年以上，無需維護。

    三是產生的氧氣量及純度可根據實際使用情況進行調節，穩定純度可達93%，經濟純度為80%~90%；產氧時間快，一般30min以內就可以達到80%以上的純度；單位電耗僅0.32kWh/Nm3～0.37kWh/Nm3。

    四是變壓吸附制氧與深冷法制氧對比有以下特點：投資低、流程簡單，占地少、設備少，運動部件少；自動化程度高，基本可實現無人化管理；能夠滿足高爐富氧鼓風工藝要求。

兩種供氧方式對比

    變壓吸附制氧產生的氧氣壓力一般在30kPa～100kPa，目前采用的供氧方式有兩種：

    第一種是機后富氧，從吸附塔出來的低壓氧再通過活塞式氧壓機加壓到600kPa后， 通過氧氣壓力調節閥減壓調節，將氧氣通過氣流分配器輸入高爐風機出口冷風管道內（從風機到熱風爐之間的冷風管道）與空氣混合進行富氧；一般配有調壓閥組及 相應的安全系統，以滿足生產工藝的需要。該種方式投資大，特別是氧壓機每臺的投資少則百萬元多則幾百萬元，并且氧氣加壓后電耗增加0.1kWh/Nm3。更為重要的是，高壓氧氣的加壓和輸送對設備等各個方面的安全要求更高，在施工過程中如果達不到標準很容易發生爆炸事故。

    第二種是機前富氧，直接采用從吸附塔出來的低壓氧輸送到風機前吸風口吸入的一種供氧方式。該種方式氧氣輸送壓力為5kPa~10kPa，壓力低、流速慢，因此需要增大供氧管道直徑來滿足流量。同時，為了使通過風機吸風口吸入的 氧氣與空氣充分混勻，在進口處增加氧氣分配器以滿足工藝需要，達到富氧的目的。該方式省去氧氣壓縮機，既減少了成本投入，又節約了電耗。因為是低壓輸送氧 氣，對氧氣的儲存和輸送都執行低壓標準，降低了設備的制造費用，而且施工標準也比較低，無需安裝減壓及防爆裝置，節省了施工的成本，能更好地確保高爐富氧 煉鐵的安全性。筆者建議重點推廣該工藝。

應用實例與注意事項

    河南省舞鋼中加鋼鐵有限公司2011年4月19日與北京北大先鋒科技有限公司簽訂了技術合作意向，8月10日開工建設10600Nm3/h變壓吸附制氧項目，于2012年5月9日建成。該項目為中加公司為3座高爐富氧而專門建設的獨立制氧站，采用機前富氧方式給高爐富氧，一次投產成功。高爐實現富氧率5%，增產20%，煤比增加35千克/噸鐵，取得了良好的經濟效益。截至目前，中加公司已通過2年多的應用實踐，設備運行穩定，安全可靠，氧氣純度、流量都超設計水平，而且噪音控制得很好，廠房40米處的居民無任何異議。

    氧氣生產成本計算如下： 總氧量為4079961立方米/月，電總量為1372601千瓦時， 電耗為0.33643千瓦時/立方米*0.65元/千瓦時=0.218679元/立方米，鹽消耗為0.0012元/立方米， 壓縮空氣為0.002167元/立方米， 工資為0.00598元/立方米，折舊按0.022元/立方米計算，利息為0.028元/立方米， 油費為0.0002253元/立方米，其他材料費用為0.0000751元/立方米， 合計成本為0.2783269元/立方米（含稅）。

    由于該工藝應用羅茨風機，故在廠房設計、施工等環節一定要注意克服噪音和設備振動兩大事項。 在降噪音方面應從多方面入手，比如廠房的進排風風機加裝消音器、廠房內部采用高效隔音材料、真空泵排風口由消音器改為消音效果好的消音塔、所有放空點加裝 高效消音器等主要措施，從根本上降低了噪音的產生，從而使該項目能夠在居民生活區內以符合國家標準的噪音平穩運行。針對風機振動大的問題，對風機進出口加 裝彈性軟連接，出口管道設計減震管道等措施。但是由于風機出口熱交換器在選型時為方形結構形式，經過實際驗證，該結構形式無法高效吸收緩解振動而造成換熱 器外殼經常振裂。經過技術交流發現，外形為圓形熱交換器可以更好地吸收振動而本身不受影響，從而從根本上解決了振動問題。

    當前，受成本壓力的影響，高爐綜合入爐礦品位普遍降低，渣量增大，大比例富氧已經成為各大鋼鐵廠的選擇。但僅僅利用煉鋼的富余氧，會受到量的限制；大比例使用深冷制氧工藝的氧氣，勢必受氧氣成本的制約（富氧超過4%經濟不合算）。變壓吸附制氧這一經濟的富氧工藝的應用，使高爐大比例富氧成為可能，專門為高爐組建制氧站的時機已成熟，變壓吸附制氧工藝有望成為首選。選擇變壓吸附制氧，建議采用機前富氧工藝。