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变压吸附技术在钢铁行业的发展现状
发布者:北大先锋 曾庆国     更新时间:2013-10-16

  变压吸附技术是近40年发展起来的一项新型气体分离与净化技术,进入21世纪以来,变压吸附技术在炼铁、有色、化工等行业迅速发展起来,因其安全环保、节能降耗等优势而得以广泛应用。在钢铁企业主要应用于电炉炼钢、深冷制氧设备的分子筛纯化、预处理、富氧炼铁、高炉煤气回收利用等。其中在富氧炼铁、高炉煤气回收利用方面的应用尤为引人关注,本文着重就这两项技术做详细论述。

关键词:变压吸附   富氧炼铁 高炉煤气利用

 

1.富氧炼铁

高炉炼铁生产是钢铁工业的主要环节。随着炼铁规模的扩大,其原材料,特别是焦炭的供需矛盾日益加剧,外加焦炭价格、铁矿石成本攀升等因素,其生产工艺流程的组织,先进技术的采用就尤显重要,迫使炼铁生产势必走富氧喷煤节焦、增铁之路。高炉炼铁采用富氧喷煤在增加产量、节省焦炭、改善煤气质量等方面具有良好的经济效益及社会效益,因此,富氧技术越来越多地被应用,已成为了行业的共识

1.1 国内富氧炼铁的现状

目前许多钢铁厂通行的做法是将深冷法制氧机组生产的99.6%的高纯氧通过减压到0.3MPa左右与鼓风混合来进行富氧。但这种常规的富氧方法有明显的不足:富氧成本高(用高纯度氧与空气混合);与炼钢共用输配系统,压力损失大(2.5MPa0.3MPa);富氧不稳定,炼铁负荷调节难度大;富氧率不足,目前许多钢铁厂炼钢余氧富氧炼铁的富氧率不足3%,有的甚至1%都难以保证,造成富氧效果不明显,经济效益等并未完全体现。

1.2 富氧炼铁氧源探讨

富氧炼铁对氧气质量没有特殊要求,只是将鼓风中空气的氧含量从原21%增加相应的富氧率,如:富氧率2%,只要求空气的氧含量从原21%提高至23%。目前市场上成熟的制氧方法有深冷制氧法和变压吸附制氧法。

1.2.1 深冷制氧法

原理:利用空气组分沸点不同,将空气在低温高压条件下液化,再逐步提升至各气体沸点,使气体气化后逐一分离(氧气沸点:-182.97℃,101.325KPa,氮气沸点:-195.81℃,101.325KPa)。

深冷制氧法有一百多年的历史,技术成熟、可靠,优点是氧气纯度高、产品种类多,副产品可出售,但价格受市场等因素影响大。装置规模大(一般>30000Nm3/h)时氧气电耗低,适用于高纯度、大规模制氧。

1.2.2 变压吸附制氧法

原理:利用吸附剂对氮气和氧气具有不同的吸附选择性,设计适当的工艺,使氮气和氧气分离制得氧气,其中分子筛的性能是变压吸附制氧技术的关键。

上世纪80年代以来,随着国际上变压吸附制氧技术的逐步成熟,在无需高纯度氧气的环境下,变压吸附制氧逐渐成为世界上低成本制氧的主要方法。国内变压吸附技术起步较晚,但发展速度较快,尤其是自1999年以来,北京大学研发的高效、高交换度(99.5%以上)的锂基分子筛成功工业化,变压吸附制氧突破了一系列技术瓶颈,短短的十几年时间已经完成从小型制氧装置到大型化的发展,分子筛寿命和装置稳定性得到了保障,技术成熟、可靠、先进,目前国内已经先后有了上百套工业装置投产使用,设计和制造能力已达40000Nm3/h水平,规模达15000Nm3/h以上的装置有多套,如贵州开磷的40700Nm3/h制氧设备,上海金煤的22000 Nm3/h制氧设备,赤峰金剑的18750 Nm3/h制氧设备、新疆新鑫矿业的17500 Nm3/h制氧设备等。以上设备目前均运行平稳可靠,并可在变负荷工况下运行,纯度在55%-93%范围内可调,电耗指标达到了0.35kwh/m3,达到了国际先进水平。另外,大型化装置亦可在电耗不变情况下进行多个档位调节。 

 在规模不大,氧气纯度要求不太高的情况下,变压吸附制氧相比深冷法制氧具有更加明显的优势:

Ø 设备投资小,建设周期短,占地面积小,土建及公用工程费用低。

Ø 工艺简单,设备少,维护费用低,操作简单,可实现无人自动化运行。

Ø 能耗低,水耗、电耗均远低于深冷法制氧的耗用量。

Ø 常温常压运行,负荷调整方便,可随开随停。

总之,随着变压吸附制氧技术的不断进步,产氧规模逐步扩大,并在有色金属冶炼等领域的富氧燃烧方面开始大量成熟化地应用,已成为钢铁行业富氧炼铁的新途径。

1.2.3 变压吸附法与深冷法富氧炼铁的经济性对比

传统的深冷法制氧技术在大型、特大型高纯度用氧场合具有优势,而变压吸附法在灵活、多变的用氧场合且氧气纯度要求不太高的情况下更具优势。针对富氧炼铁工艺,现结合两种技术的特点,从经济效益角度进行对比:

项目

变压吸附法

深冷法

设备价格

工艺流程简单,设备少,造价低

工艺流程复杂,设备价格与工艺流程选择有较大的差距,设备价格与配套设备水平相关性较大

制氧电耗

单位电耗:0.320.37kwh/Nm3,(不含压氧)

随制氧规模变化略有变化。

例一:1000Nm3/h

有用功功耗:0.7kwh/Nm3

综合电耗:0.850.95kwh/Nm3

例二:20000Nm3/h

有用功功耗:0.400.42kwh/Nm3

综合电耗:0.5kwh/Nm3

冷却水用量

多,产氧量相同情况下,耗水量是变压吸附的1012

操作人员

基本可实现无人化操作,仅需12/

需经验丰富,经专门培训人员进行看护,一般35/班(不含专业维修人员)

年维修费用

10年平均)

低,一般为总投资的1-1.5%

高,一般为总投资的2.5-5%,同样产氧量深冷设备总投资高

土建

设备简单,占地面积小,安装容易,安装周期短

设备复杂,机组多,占地面积大,需专业安装队伍,安装周期长

由此看出,变压吸附法制氧具有节省投资、操作方便、效益明显等优势,比深冷法更适合应用于富氧炼铁工艺中。现阶段国内已有不少钢铁企业采用变压吸附法制氧,取得了良好效益,变压吸附制氧技术将在冶金行业得到越来越广泛的应用。

 

2.高炉煤气回收利用技术

目前,环境问题已经受到各国越来越多的重视,尤其在我国,环境和成本问题是制约钢铁企业发展的重要因素,我国的钢铁工业仍然是依靠资源的高消耗来推动增长的,因此钢铁厂要实现节能减排、低碳炼铁的绿色环保经济,必须充分挖掘能源、技术等方面的潜力,提高资源的利用效率,最大限度地减少资源浪费。在钢铁生产过程中,存在大量的副产煤气资源:高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气,这三种气体能量综合利用是实现节能降耗的突破口。在钢厂三气中,高炉煤气虽然有效气体含量最低,但其排放量最大。据统计,在三气二次能源总量中高炉煤气约占64%,焦炉气约占29%,转炉气约占7%,因此高炉煤气的有效利用是钢厂节能降耗的重中之重。高炉煤气气热值低,仅为33003800kJ/Nm3,常温下燃烧不稳定,理论燃烧温度只有l300℃左右,一般工业炉不能单一以高炉煤气为燃料。高炉煤气的主要利用技术如下:

2.1 高炉热风炉

高炉热风炉是目前单一使用高炉煤气应用最广泛的工业炉。

2.2 复热式炼焦炉

复热式炼焦炉直接使用高炉煤气为燃料,通过将高炉煤气和助燃空气通过蓄热室的格子砖预热到1000℃左右,然后进入燃烧室立火道燃烧,可使炭化室炉墙加热到1100℃以上。

2.3 与高热值气体掺混为混合燃气

   高炉煤气可与焦炉煤气、天然气、液化石油气等混合为混合煤气,作为均热炉、加热炉、热处理炉等的燃料,并可用于烧结机点火、加热热轧的钢锭、预热钢水包等。

2.4 蓄热式轧钢加热炉

蓄热式轧钢加热炉是应用高温空气燃烧技术,将高炉煤气与助燃空气双预热到1000℃以上,使单一高炉煤气的理论燃烧温度达到2200℃以上。蓄热式轧钢加热炉热效率比常规加热炉提高30%以上,燃烧产物中NOX含量低,自动化程度高。目前该技术已在部分厂家应用,但现有的蓄热式加热炉还需要进一步完善,如:炉压有待进一步稳定、燃烧控制技术需进一步优化等。

2.5 高炉煤气蒸汽联合循环发电

  高炉煤气蒸汽联合循环发电(简称CCPP)。高炉煤气燃烧速度低,发热量低,含尘量大。使用高炉煤气蒸汽联合循环发电技术要求工厂有足够的煤气量,每年至少要有上十亿立方米的富余高炉煤气,否则规模太小将增加单位投资和发电成本。据分析,CCPP发电成本中,材料费、折旧费和检修费要占90%以上。另外,高炉煤气蒸汽联合循环发电一次性投资较高。

2.6 高炉煤气变压吸附回收利用技术

以上阐述的是目前较常用的高炉煤气利用方法,为提高能源使用效率及减少放散率,眼下钢铁行业仍在寻找开拓高炉煤气等优质二次能源的利用途径。发电并不是唯一利用方式,而且发电具有效率低、投资大等固有缺陷。

近年来北京北大先锋科技有限公司开发了一种新型的高炉煤气利用技术——高炉煤气提纯(富化)技术。高炉煤气提纯(富化)技术是北大先锋利用其开发的专有高效CO吸附剂,采用变压吸附的方式将高炉煤气中的主要可燃气体CO进行提纯(富化),根据使用需求可得到40%99.99%CO产品气,该产品气可作为高热值燃烧气体、还原性气体,还可用于化工生产等。对于普遍存在高炉煤气放散现象的钢铁企业而言,可将提纯得到的CO替代天然气、液化气使用,缓解资源紧张,帮助企业实现节能减排,低碳炼铁。该技术已在国内钢铁厂成功应用,应用方向如下图所示:

 高炉煤气利用方式

应用一:提纯后作为高热值燃料

将高炉煤气提纯(富化)后,根据需要,可将产品气中CO纯度控制在40%90%间的任意纯度,则得到热值区间在500011500kJm3的混合气体。采用这种方式回收利用高炉煤气,完全符合国家政策,尤其适合于企业没有焦炉气、焦炉气量不足或高炉煤气存在放散的情况。这种方式实现了能源的梯次利用,且利用率远高于采用燃气机组的形式。目前,国内一家大型钢铁企业已采用该项先进技术,正在建设世界上第一套变压吸附提纯高炉煤气CO装置。

应用二:作为高炉喷吹还原性气体

高炉喷吹还原性气体技术的工艺路线是:将高炉煤气中的还原气体(主要是CO)通过变压吸附的方式提纯(富化)后,作为还原介质通过炉身某个合适的部位喷吹入高炉内,参与炉内铁氧化物的还原反应,减少焦炭等还原剂的消耗,通过改善高炉能量利用效率来达到系统节能的目的。另外富集后的高炉煤气还可以通过部分变换反应时富集高炉煤气转化为合成气,可以作为直接还原铁工艺的还原气。

应用三:提纯后做化工原料

采用变压吸附技术可将高炉煤气中CO提纯(富化),纯度可达99.99%以上,产品完全满足作为羰基合成原料的要求,可用来合成乙二醇、丁辛醇、醋酸、醋酐、TDIMDI、光气(碳酰氯)、双光气等,化工企业制造CO原料气除造气工序投资非常大以外,CO成本也较高,如果能将钢铁和化工实现联产,那么高炉就成为了化工厂的造气炉,为化工厂提供原料,这将营造一个双赢的局面。化工企业可以用较低的成本获得CO原料气,降低生产成本,增加企业的核心竞争力;钢铁企业实现了变废为宝,在减少碳排放的同时又可以为企业带来可观的经济效益。目前钢化联产在国外已逐步推广应用,鉴于国内因整体规划、行业间差异等因素,相比国外在实际应用中仍有一定差距,但就国内钢铁企业发展形势来看,钢化联产将是钢铁厂实现节能减排、增强竞争力有效的途径。

3.总结

综上所述,变压吸附技术在钢铁行业可以发挥显著的节能减排、降耗增效作用。在富氧喷煤工艺中,变压吸附制氧技术为高炉提高富氧率供应氧气;在高炉煤气回收利用中,变压吸附技术可解决尾气提纯(富化)高纯度CO的难题。

同传统深冷法制氧装置相比,变压吸附装置具有工艺流程简单、能耗低、操作条件温和、运行可靠性和安全性好、自动化程度高、投资少等优点。在高炉煤气净化利用方面,利用变压吸附技术分离出高纯度的CO,合成具有高附加值的化工产品,可为生产企业节省大笔造气费用,实现钢化联产。因此,变压吸附制氧和变压吸附提纯CO技术已显现广阔的市场前景,钢铁企业将大有可为。