浅析空分装置在钢铁企业中的应用

化 国，崔仁鲜

(中国昆仑工程公司，北京 100037)

当前形势下，我国钢铁行业陷入艰难境地。产能严重过剩，落后产能将被淘汰，十二五期间全国将淘汰落后产能9600万t。我国现有钢铁冶炼企业近1000家，集中度低、竞争力不高;再加上经营困难，仅2015年一季度亏损就达110多亿元，迫使钢铁企业转型，兼并重组将成为主要发展方向。由于国内经济下行、需求量减少，不少钢铁公司纷纷布局海外，提高竞争力是迫切的需求。钢铁与空分密不可分，所谓“有钢就有氧”。钢铁工业的现状也对空分的发展应用造成了不小的影响。

钢铁工业是空分的传统应用领域，在目前钢铁工业面临新一轮调整之际，对所配套空分装置的应用特点加以梳理和思考，为进一步优化寻找方向，笔者相信是有意义的。本文对空分装置在钢铁企业中的应用特点进行分析。

1 钢铁企业用氧

1.1 氧气用量及使用特点

氧气在钢铁企业中主要用于转炉炼钢、电炉炼钢、高炉富氧炼铁以及钢材加工过程中的切焊等。用量一般为:转炉吨钢耗氧50～60 m3，电炉吨钢耗氧10～60 m3，轧钢吨钢耗氧10～60 m3，钢材加工、废钢切割、加热等吨钢耗氧10～60 m3，高炉吨铁耗氧49～63 m3，Corex熔融炼铁吨铁耗氧550～650 m3。高炉富氧炼铁、转炉炼钢、轧钢等综合耗氧量为100～140 m3O2/t钢。

转炉炼钢用氧量大，用氧周期性强，转炉冶炼周期一般为30～45 min，其中吹氧的时长为15～20 min。有吹氧时长内用氧峰值大的特点，如一个50 t的转炉，40 min的冶炼，吹氧18 min，消耗氧气约4100 m3/h，而高峰作业时的负荷可达9300 m3/h。

转炉的用氧纯度要求不低于99.5%，钢铁企业配套空分装置的氧气纯度常选为99.6%。

高炉用氧量基本连续稳定。高炉富氧炼铁技术的发展，使炼铁用氧成为固定用户。高炉富氧炼铁，可提高炉温、降低焦比以及增加产量。高炉富氧量每增加1%，铁产量可提高4% ～6%，焦比降低5%～6%。富氧炼铁对氧的纯度要求不高，一般富氧率4% ～7%，即富氧空气中氧含量为25% ～28%。从空分制氧的角度看，氧气纯度越低制氧能耗越少，富氧炼铁采用90%～95%纯度氧气比较经济合理。

1.2 氧气压力

氧气压力对钢铁企业空分流程以及设备配套有重要影响。钢铁企业氧气终压多选为3.0 MPa，但从钢铁生产的实际需要来看，对于氧气压力的要求远低于3.0 MPa。用氧压力一般为:转炉顶吹炼钢炉前吹氧压力为0.85～0.9 MPa，进炼钢车间氧气调节阀前的压力为1.2 MPa;电炉炼钢用氧压力为0.4～0.5 MPa;高炉富氧炼铁的用氧压力一般为0.3～0.35 MPa;切焊用氧压力，在用于焊接时一般为0.3～ 0.5 MPa，在用于切割时一般为 1.2 ～ 1.4 MPa;Corex熔融炼铁用氧压力一般小于0.5 MPa。

由此看来，“由氧气站送入氧气管网的压力一般应不低于1.5 MPa”这个结论还是适用的［1］。氧气终压选为3.0 MPa，显然是为了满足调峰的需要，是解决空分装置连续供氧与钢铁生产间断用氧之间矛盾的一种措施。不少企业提出了是否需要3.0 MPa氧气终压的问题，实际上不少钢铁企业已经将氧气终压降至2.5 MPa，甚至更低。

1.3 调峰与氧气放散

由于钢铁企业用氧的不均衡性，存在调峰问题，一般采用“气体球罐+液体气化”的调峰措施。钢铁企业一般都配置了大型球罐，用以满足峰值和事故状态下的氧气需求;在非峰值时段将氧气存入球罐。使用球罐调峰，压力能损失严重。空分制氧能耗可达 0.38 ～0.42 kWh/m3O2，而压氧能耗可达0.14 ～0.20 kWh/m3O2，约占制氧能耗的 40%。由于生产液体的能耗高，液体气化的方式不能频繁用于调峰。球罐调峰速度快，液体气化调峰能力强;两者的结合很好的满足了钢铁企业的用氧需求，也为降低氧气终压提供了保障。

各大钢厂普遍存在氧气放散问题，在钢铁市场波动大时，此问题更加突出。为减少氧气放散，需要增大球罐总容积或提高氧气压力。增大球罐容积，增加了占地和投资;提高氧气压力，意味着压氧能耗的增加。这是与钢铁企业节能降耗、减少投资的整体要求相违背的。

钢铁企业的现行措施，在一定程度上满足了自身的用氧需求。但压氧能耗高以及氧气放散问题的存在，说明氧气压力、空分流程以及设备配置等方面还是有可优化的空间的。

2 氮、氩等产品的应用

氮在钢铁企业中主要用作保护气和吹扫气。如在溅渣护炉技术中，要使用氮气作为喷吹气体。氮气还用作喷粉输送气、仪表气、阻燃气等。氩气主要用以提高钢材质量。如向熔融的钢水中吹入氩气，使成分均匀，钢液净化，并可除掉溶解在钢水中的氢、氧、氮等杂质，提高钢坯质量。炼铁、炼钢、轧钢的综合氮耗80～120 m3/t钢，综合氩耗3～4 m3/t钢。

钢铁企业生产中所需的氮、氧比例基本为1∶1，近年来用氮量有上升的趋势。空分装置所能生产的氮、氧比例可达3∶1。可见，钢铁企业配套的空分装置，在氮产品的产量上还具有很大的可挖掘潜力，当空分装置从钢铁企业的下属分厂走向市场甚至成为独立经营的气体公司时，充分挖掘潜力就变的非常有价值了。

3 钢铁企业空分配置

由于钢铁企业的生产与市场需求紧密相关，在钢铁市场需求减少时，钢铁企业需要减产，甚至关停多座高炉和转炉。这就要求空分的配置方案具有灵活性，配置多套空分装置显然更能适应这一要求。但多台套的配置方案能耗高、投资大、占地多、运行管理不便。钢铁企业配套的空分装置总体上来说趋向于大型化，但一般都配置两套以上的空分装置，以提高保障率。

市场化是钢铁企业配套空分装置的一个发展趋势。市场化对空分装置大型化更加有利，并可氦、氖、氪、氙等稀有气体全提取。稀有气体附加值高，可以显著增加空分产品的经济效益。

4 钢铁企业空分流程选择

国内钢铁企业所配套的空分装置多采用外压缩流程;而国外通常只选择内压缩流程。

国内空分装置的发展现状是外压缩流程及氧压机已经发展的比较成熟。钢铁企业用气压力低，液体需求量少，具备选择外压缩流程的特点。但从氧气放散问题突出以及压氧能耗高等方面来看，“外压缩流程搭配3.0 MPa氧气终压”这一模式还是存在弊端的。近年来有不少钢铁企业已经采用了内压缩流程。如首钢京唐钢引进的2套75 000 m3/h空分设备就采用了氮气循环内压缩流程［2］。

内压缩流程液体产量大、安全性高。但在国内的应用之所以受到限制，主要是因为增压机、膨胀机、低温液体泵、高压主换等关键设备都需要进口，设备投资高。

对于钢铁企业，单就流程的适应性来看，内、外压缩流程都可采用。单就制氧而言两者区别不大，主要差别在于对钢铁企业用气特点的满足程度上。这又和钢铁企业空分装置的运营制度是有很大关系的，当空分装置走向市场时，采用内压缩流程投入产出比大，可以为市场供应更多的液体产品，创造更大的经济价值。

流程选择是一个比较复杂的问题。外压缩流程未必是钢铁企业最适用的空分流程，内压缩流程在钢铁企业的应用值得深入研究。

5 自动变负荷技术的应用

5.1 自动变负荷调节(ALC)

自动变负荷调节的基本原理是根据用氧量的变化，按所建立的数学模型，通过软件计算出相关的关键参数，再将这些关键参数逐渐调节到设定的范围之内，实现最优化操作。

国内引进的一些自动变负荷调节技术，在钢铁企业的应用中收效不明显。从实际运行来看，ALC自动变负荷的调节速率为(0.2% ～0.25%)/min，实现一次变负荷80% ～110%，全过程约需耗时150～200 min。ALC自动变负荷速率慢，无法与钢铁企业周期性负荷变化大的特征相匹配，限制了其在钢铁企业中的应用。

5.2 液氧与液氮周期倒灌的自动变负荷(VAROX)

液氧与液氮周期倒灌的自动变负荷，是一种快速变负荷技术，通过液氧和液氮的周期倒灌，实现氧气产量的增减。

这种形式的变负荷速率快，从最初的每分钟变化3%已经提高到每分钟6%～8%。VAROX自动变负荷无论是在周期性变化规律还是在变负荷速度方面都能很好的满足钢铁企业的需求。首钢氧气厂引进的液空35 000 m3/h空分设备，在国内首次应用了这一变负荷技术，氧气放散率大幅度降低，收到了良好的效果［3］。在首钢京唐钢引进的75 000 m3/h空分装置上，又应用了这一变负荷技术［2］。

5.3 对已运行空分装置的变负荷措施

设置外液化装置，实现可变负荷的氧氮互换，并配以大型液氧和液氮储槽是解决已运行空分装置变负荷的有效措施。液化装置调节速度快，弥补了空分装置调节速度慢的缺陷。宝钢设置了两套300 t/d液化装置，使得氧气放散率大幅度下降，并积极扩大液体产品外销，取得了相当可观的市场效益［4］。

6 发展区域供应的思考

欧美国家钢铁工业用气大多是由区域供气中心供应。而我国钢铁企业习惯于自建气体分厂，空分产品很少外销。这种模式存在着诸多弊病，主要有:空分设备能力利用不足，资源浪费严重，空分装置的投资效果差。钢铁企业配套的空分装置以氧气用量确定建设规模，氮气大量富余，氩气也有富余，其它稀有气体如氖、氦、氪、氙等没有用处，造成了大量资源浪费。即使对于氧气，由于钢铁企业的停检修及减产，造成放散损失，空分装置的产能也不能充分发挥。钢铁企业的用气量及用气特征，也限制了空分装置的大型化。大型空分装置在能耗、单位投资上的优势难以利用。

依托钢铁企业，积极发展区域性管网供气和液体产品外销，弱化钢铁用氧与空分产氧不匹配的矛盾，充分挖掘空分装置的潜能，可显著提高空分装置的经济性，使得生产最优化和利益最大化。目前，钢铁企业在亏损严重的情况下，已将利润增长点转向非钢产业，许多钢铁企业下属的气体分厂已经面向市场经营。近年来，发展外销业务的气体分厂经济效益良好。

7 结束语

只有建立新的运行管理模式，才能够体现出现代空分装置的先进性和经济性。钢铁企业配套空分装置，从只满足本企业的需要到走向市场，正在为越来越多的企业所认知和接受，是钢铁企业空分装置的一大发展趋势。从市场化的角度来看，就要充分挖掘空分装置的潜力以实现利益最大化。从这一角度来看，钢铁企业配套空分装置对于氧气压力的选定、空分流程的选择、空分设备的配置、空分装置大型化等方面都值得重新思考研究。

［1］江楚标.钢铁企业用空分装置的调峰、氧气终压及适应流程的探讨［J］.深冷技术，2002(5):1-7.

［2］孙德英.首钢京唐钢制氧工程的设计构思浅析［J］.深冷技术，2009(2):5-8.

［3］孙德英.大型空分设备在钢铁企业应用的探讨［J］.气体分离，2007(2):16-18.

［4］拓西梅.宝钢制氧采用优化系统的探讨［J］.宝钢技术，2003(2):49-51.