VPSA制氧在钢包烘烤的应用

李鹏元 徐 阳 方 田 张 雷

(中钢集团鞍山热能研究院有限公司)

2020年我国粗钢、生铁和钢材产量分别为105 300万t、88 752万t和132 489万t，同比增长5.2%、4.3%和7.7%，粗钢产量占世界总产量的58%。2011-2020年，国内制造业增加值与粗钢产量的年均增速分别为7.9%和5.1%，支撑中国经济的高质量发展。尽管我国吨钢综合能耗由2000年的920 kgce/t降到2017年的567 kgce/t，但钢铁工业总能耗仍占全国工业总能耗的20%～25%，占全国总能耗15%。中国钢铁业碳排放占全国碳排放总量的15%，是制造业31个门类中碳排放最大的行业。

近年来随着全球环境、气候问题越来越突出，对全球钢铁冶金企业的节能、环保生产提出了严峻的挑战。国内许多企业在“碳达峰、碳中和”的“双碳目标”背景下探索新的节能、环保生产措施。在富氧燃烧、全氧燃烧上进行大量的理论研究和工业试验，随之而来的是企业氧气来源及经济性问题。

1 VPSA制氧技术

1.1 原理介绍

VPSA制氧即加压吸附真空解吸制氧工艺，利用分子筛对空气中各单一组分气体不同状态吸附能力的不同，通过加压吸附空气中的N2制备O2，真空解析N2后恢复分子筛吸附能力，从而实现稳定供氧。当加压空气经过吸附剂(沸石分子筛)时，大量的N2被捕集吸附，剩余气体主要成分为O2；当压力下降时，沸石分子筛吸附的N2释放，分子筛恢复吸附能力。实际运行中由于空气中的Ar与O2在沸石分子筛中的吸附能力基本相当，VPSA制氧得到的O2浓度不会大于95%，其中还有Ar和未被完全吸附的N2。

1.2 工艺流程

加压吸附真空解吸制氧(简称VPSA制氧)主要由鼓风机、真空泵、切换阀、吸附塔和氧气平衡罐组成。原料空气经吸入口过滤器除掉灰尘颗粒后，被罗茨鼓风机增压送入吸附塔。吸附塔内装填吸附剂，H2O、CO2及少量其他气体组分在吸附塔入口处被装填于底部的活性氧化铝吸附，随后N2被装填于活性氧化铝上部的沸石分子筛吸附，而O2(包括Ar)为非吸附组分从吸附器顶部出口处作为产品气排至氧气缓冲罐。

当该吸附塔的吸附剂达到饱和状态时，切换阀利用真空泵对其抽真空(与吸附方向相反)；已吸附的H2O、CO2、N2及少量其他气体组分被抽出并排至大气，吸附剂得到再生。

结合上述过程，外部空气经鼓风机前过滤器后加压送入径向吸附塔，两个径向吸附塔交替工作，分别完成吸附—解析交替的生产过程，交替产生的O2进入缓冲罐缓冲稳压，形成稳定低压O2外供。

1.3 VPSA制氧的优势

VPSA制氧在冶金行业的应用得益于其相较深冷制氧独特的技术和经济性优势。

(1)工艺流程简单稳定，系统设备配套简单，运动设备少，运行维护成本低。

(2)成套独立集成，系统操作生产灵活，负荷在50%～100%可调，更能适应生产波动；开停机灵活，启动和停止时间不超过30 min。

(3)工程建设占地少，投资成本低，生产规模一般为2～15 000 m3/h，更能适应企业不同工序不同氧气量的需求。

(4)系统产生低压O2，能更好地配合冶金企业绝大部分低压燃烧用氧需求，同时节约了高压O2压缩机的能量消耗。

(5)制氧成本低，通过富氧或全氧燃烧技术节约企业天然气用量，可以有效降低企业生产成本。VPSA制氧成本约为0.2～0.3元/m3，远远低于传统深冷制氧的0.5元/m3。

2 应用实例

国内某钢铁公司对其3台120 t钢包烘烤器进行了全氧燃烧改造，燃烧方式由天然气+空气助燃改造为天然气+全氧(O2浓度91%)燃烧。该部分O2由VPSA制氧系统供应。考虑到3台钢包烘烤器同时使用率及厂内可提供部分剩余O2补充，该VPSA制氧系统供氧量为800 m3/h，O2浓度≥91%。

3 设计改造内容

(1)燃烧器及燃烧系统改造

燃烧器选用高速天然气和氧气喷嘴，采用分级供氧助燃，设中心天然气喷嘴、中心一次供氧和偏心二次供氧，燃烧器一体化安装。燃烧器供热能力2 MW，天然气额定流量200 m3/h，热值33 440 kJ/m3。

对原燃烧系统进行改造，将原空气助燃风机及管道拆除，新建一套氧气供给控制阀组，控制阀组设流量调节阀和应急切断阀，确保氧气供给安全。

(2)自动控制升级

对原控制系统进行升级，以天然气和氧气燃烧流量配比控制为主要控制逻辑，实现应急报警、自动切断和烘烤的功能。

(3)其他改造

根据改造燃烧器的尺寸及载荷需求，对钢包盖、卷扬提升机构、包盖内衬耐火材料、旋转大臂等结构进行相应地改造。

4 效果分析

4.1 节能减排效果

改造前单台120 t钢包新包烘烤时天然气消耗量平均为227.0 m3/h，改造后平均为131.6 m3/h，平均节约天然气消耗量95.4 m3/h，平均O2消耗量315.84 m3/h，天然气节约率42%。考虑钢包烘烤设备使用频率，以单台烤包器年生产时间6 000 h计，年节约天然气572 400 m3；以天然气热值33 440 kJ/m3计，相当于节约654.1 tce/a，减排CO21 124.4 t/a。相当于在钢包烘烤中，每投入1m3O2，能节约0.3 m3左右的天然气，减排CO2约1.96 kg。

4.2 经济效益

该企业天然气为管道供气，全年平均价格为3.5元/m3；O2采用VPSA制氧技术，考虑运行维护及人员工资等综合折算成本为0.4元/m3。由于VPSA制氧技术O2浓度≥91%，实际操作为保证天然气燃烧充分，燃烧烟气氧含量控制在3%左右，维持氧气与燃气比值在2.4；改造后平均O2消耗量为131.6 m3/h×2.4=315.84 m3/h。

在不考虑其他因素影响的情况下对经济效益进行核算，单台烘烤器新增氧气成本=315.84×6 000×0.4=758 016元/a，单台烘烤器节约天然气费用=95.4×6 000×3.5=2 003 400元/a，单台烤包器改造直接经济效益=单台烘烤器节约天然气费用-单台烘烤器新增氧气成本=124.5万元/a；

5 结语

(1)VPSA制氧相较于深冷制氧特有的技术优势，更能适应冶金行业低氧用氧负荷多变的工艺需求。降低企业在投资、建设用地、运行维护等方面的成本和风险，有利于企业在现有生产工艺上进行优化升级。

(2)VPSA制氧全费用成本约为0.4元/m3，采用全氧燃烧后，每投入1 m3O2，能节约天然气约0.3 m3，减排CO2约1.96 kg，年节约生产成本约124.5万元，经济效益和环境效益显著。

(3)目前该烤包器空气与燃气的比值为2.4，测算后烟气中剩余氧含量在3%左右；鉴于氧气助燃的燃烧速率和火焰传播速率，该氧燃比仍有进一步优化的空间。

(4)文章只针对VPSA制氧与钢包烘烤的联产进行了分析，VPSA制氧在冶金行业其他工序的应用有待进一步探讨。