变压吸附技术领航者
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提升高炉富氧鼓风经济性 选对制氧方式很关键
发布者:admin 2019-02-22 | 916

高炉炼铁是将铁矿石、焦炭、造渣剂(石灰石等)与空气在高炉内相互反应生成铁水、炉渣与高炉煤气,其化学反应式如下:

C+O2→CO2+热量                 CO2+C→2 CO—热量

FeO+ CO→Fe +CO2—热量          FeO+C→Fe+ CO—热量

评价高炉生产运行的主要技术指标有:

--焦比:Kg焦炭/吨铁,每吨铁耗焦炭量;

--鼓风量:m3空气/吨铁,每吨铁耗空气量;

--利用系数:吨铁/ m3 高炉/天,每m3高炉每天生产的生铁数量;

--富氧率%:比空气中氧含量(20.9%)高出的百分点。

高炉炼铁流程离不开焦炉生产的焦炭,焦炭生产流程的特点是投资高、流程复杂、污染严重等。因此,降低炼铁过程中的焦炭耗量不仅能降低生铁的生产成本,同时也有利于环境保护。

喷煤是降低焦比的最有效措施。经过几十年的发展,我国的高炉喷煤已达到较高的水平,主要表现:一是所有的高炉都配置了喷煤设施,二是某些钢厂高炉已连续多年实现200kg/t铁煤比。但是,统计结果显示:多年来,全国高炉的平均煤比一直在120kg/t铁的水平上徘徊,使得焦比居高不下。因此,在生产规模不断扩大、而焦炭价格大幅度上升的情况下,如何有效地提高高炉炼铁煤比是今后我国炼铁行业需重点考虑的课题。

高炉富氧鼓风具有提高煤比的显著作用,这一点无论在理论还是实践上都已得到充分证明。高炉炼铁富氧率为1%可增产4.76%,风口理论燃烧温度提高35~45℃,使煤气发热值提高3.24%,允许增加的喷煤~20kg/t铁。

目前我国的炼铁生产中,燃料费用在生铁成本中约占25%,为了减少焦炭耗量、降低生铁成本、提高高炉的生产率,我国已开创了适合我国国情的高风温、低富氧、大喷煤的技术路线。为维持高炉的正常生产,要求理论燃烧温度要大于2000℃。高炉喷煤粉10千克/t铁,会使理论燃烧温度降低20℃(无烟煤)至30℃(烟煤),因此在富氧率为0的情况下,喷煤比最大只能达到130千克/t铁,喷煤比大于130Kg时,富氧就不可缺少了。

为了实现最大程度地降低高炉焦比,未来高炉的煤比应在200kg/t铁以上。为实现这一目标,除了继续改进炉料结构和质量以及提高风温外,大幅度提高富氧率是必不可少的手段。从目前的状况推断,富氧率3~5%应是实现煤比200kg/t铁以上的必备条件。

高炉采用富氧之后,除了可以显著降低焦比外,还具有以下一些益处:

提高高炉煤气的热值。富氧后,由于煤气中N2量减少,有效的CO、H2相对增加,能提高煤气的热值。鞍钢的统计结果为:富氧1%,高炉煤气的热值提高3.4%,热风炉反应好烧炉。

高炉富氧后,更有利于冶炼能耗高的铁种。对于综合焦比很高的铁种,如铸造铁、硅铁等耗热量大的铁种,不仅能大大降低其燃耗,还能提高其产量。

另外,从提高高炉生产率的角度,富氧的作用更显著。这也是为什么国内外一些企业不断提高富氧率的原因。因此,高富氧率将成为未来高炉生产的标志性参数。

虽然富氧鼓风的作用早已被认可,但是长期以来,我国的高炉富氧一直被当作可有可无的操作手段,不仅富氧率很低,氧气来源也得不到保证。除个别厂的高炉在特定一段时期内具有较高的富氧率外,富氧率普遍<3%,一般仅为1%左右,许多高炉甚至没有富氧设施。

造成这种现象的原因是多方面的。首先从成本上考虑,在前些年的焦炭价格和生铁价格体系下,富氧所带来的增煤节焦和增产效益,不能抵消氧气消耗带来的成本上升。因此,在行业中产生了富氧不够经济的印象。

另外一个原因是氧气来源的问题。钢铁厂的氧气是供转炉炼钢使用的工业纯氧,由炼钢的规模决定制氧量,因此,各厂的氧气除供应炼钢外,基本无富裕。

但是,目前的焦炭和生铁价格已大幅度提高,而且这种趋势将相对保持下去,富氧在经济上已存在可行性。

富氧鼓风的效益体现在增产和降低焦比上。若以5%的富氧率计算,吨铁增加的富氧量约为60m3。如氧气价格按0.5元/Nm3计算,则吨铁增加成本30元。如果富氧5%可提高煤比80kg/t 铁、节焦72kg/t铁,则可获得效益约40元;富氧鼓风增产带来的效益估算为30元;两项效益之和已超过氧气成本的1倍以上。如果单位氧气的成本能够降低,效益会更加明显。

当然,各厂还应当依据各自的条件进行具体测算,但是可以说,在目前的生铁和焦炭的价格体系下,富氧鼓风高炉炼铁在成本上能得到有效的补偿,并将是高炉炼铁的一个赢利效果突出的手段。目前,高炉富氧鼓风面临的最大问题是氧气的来源。现在国内各钢铁厂的高炉富氧基本来自转炉炼钢的剩余氧气。富氧1%相当于吨铁耗氧12Nm3,当富氧3%左右时,吨铁的氧耗相当于转炉吨钢氧耗的约42%。一般钢铁厂现有的制氧能力显然无法满足高炉富氧鼓风的需要。

解决的方法是针对高炉鼓风富氧需求,建设专门的制氧设备。由于高炉富氧鼓风并不需要高纯度和高压,例如富氧率3%表示进入高炉的富氧空气的氧浓度仅比大气氧浓度(20.9%)高3个百分点(~24%),因此有多种制氧方法可供选择。特大规模的可选择深冷法制氧,中、大规模的可选择变压吸附法或深冷法制氧,中小规模的除前述两种方法外甚至可选择液氧气化获得氧源,总之,应根据高炉的情况而决定。

常规的深冷法制氧机组一是投资大,二是建设周期长。再者,深冷法空分制氧装置纯度一般都在99.3%,压力在1.3MPa(氧枪入口,氧气加压2.5MPa);而高炉富氧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%增加到23%,目前有的钢厂将深冷法制氧机组生产的99.3%的高纯度氧通过减压到0.3MPa左右与鼓风混合达到富氧率要求。这种常规的提高高炉富氧率的方法有明显的不足: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(2.5MPa→0.3MPa)。

近几年来,随着VPSA变压吸附制氧技术的不断进步,产氧规模逐步扩大,工艺水平逐步提高,并在有色金属冶炼等领域的富氧燃烧方面开始大量运用,已完全可以成为钢铁高炉富氧的新的手段。

上述两项制氧工艺的特点对比:深冷分离工艺是传统制氧技术,有一百多年的历史,技术成熟,氧气纯度高、产品种类多,适用于大规模制氧;VPSA变压吸附工艺相对前者为新兴技术,投资小、能耗低,适用于氧气纯度不太高、中小规模应用场合。

综上,深冷法和VPSA变压吸附法各有优点和缺点,但是在制氧规模不大(≤20000 Nm3/h)的情况下,变压吸附制氧在工艺、操作、维护、经济性等各方面存在着较为明显的优势,是高炉富氧喷煤的理想供氧方式。


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