化 國(guó)，崔仁鮮

(中國(guó)昆侖工程公司，北京 100037)

當(dāng)前形勢(shì)下，我國(guó)鋼鐵行業(yè)陷入艱難境地。產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩，落后產(chǎn)能將被淘汰，十二五期間全國(guó)將淘汰落后產(chǎn)能9600萬(wàn)t。我國(guó)現(xiàn)有鋼鐵冶煉企業(yè)近1000家，集中度低、競(jìng)爭(zhēng)力不高;再加上經(jīng)營(yíng)困難，僅2015年一季度虧損就達(dá)110多億元，迫使鋼鐵企業(yè)轉(zhuǎn)型，兼并重組將成為主要發(fā)展方向。由于國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)下行、需求量減少，不少鋼鐵公司紛紛布局海外，提高競(jìng)爭(zhēng)力是迫切的需求。鋼鐵與空分密不可分，所謂“有鋼就有氧”。鋼鐵工業(yè)的現(xiàn)狀也對(duì)空分的發(fā)展應(yīng)用造成了不小的影響。

鋼鐵工業(yè)是空分的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，在目前鋼鐵工業(yè)面臨新一輪調(diào)整之際，對(duì)所配套空分裝置的應(yīng)用特點(diǎn)加以梳理和思考，為進(jìn)一步優(yōu)化尋找方向，筆者相信是有意義的。本文對(duì)空分裝置在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 鋼鐵企業(yè)用氧

1.1 氧氣用量及使用特點(diǎn)

氧氣在鋼鐵企業(yè)中主要用于轉(zhuǎn)爐煉鋼、電爐煉鋼、高爐富氧煉鐵以及鋼材加工過(guò)程中的切焊等。用量一般為:轉(zhuǎn)爐噸鋼耗氧50～60 m3，電爐噸鋼耗氧10～60 m3，軋鋼噸鋼耗氧10～60 m3，鋼材加工、廢鋼切割、加熱等噸鋼耗氧10～60 m3，高爐噸鐵耗氧49～63 m3，Corex熔融煉鐵噸鐵耗氧550～650 m3。高爐富氧煉鐵、轉(zhuǎn)爐煉鋼、軋鋼等綜合耗氧量為100～140 m3O2/t鋼。

轉(zhuǎn)爐煉鋼用氧量大，用氧周期性強(qiáng)，轉(zhuǎn)爐冶煉周期一般為30～45 min，其中吹氧的時(shí)長(zhǎng)為15～20 min。有吹氧時(shí)長(zhǎng)內(nèi)用氧峰值大的特點(diǎn)，如一個(gè)50 t的轉(zhuǎn)爐，40 min的冶煉，吹氧18 min，消耗氧氣約4100 m3/h，而高峰作業(yè)時(shí)的負(fù)荷可達(dá)9300 m3/h。

轉(zhuǎn)爐的用氧純度要求不低于99.5%，鋼鐵企業(yè)配套空分裝置的氧氣純度常選為99.6%。

高爐用氧量基本連續(xù)穩(wěn)定。高爐富氧煉鐵技術(shù)的發(fā)展，使煉鐵用氧成為固定用戶。高爐富氧煉鐵，可提高爐溫、降低焦比以及增加產(chǎn)量。高爐富氧量每增加1%，鐵產(chǎn)量可提高4% ～6%，焦比降低5%～6%。富氧煉鐵對(duì)氧的純度要求不高，一般富氧率4% ～7%，即富氧空氣中氧含量為25% ～28%。從空分制氧的角度看，氧氣純度越低制氧能耗越少，富氧煉鐵采用90%～95%純度氧氣比較經(jīng)濟(jì)合理。

1.2 氧氣壓力

氧氣壓力對(duì)鋼鐵企業(yè)空分流程以及設(shè)備配套有重要影響。鋼鐵企業(yè)氧氣終壓多選為3.0 MPa，但從鋼鐵生產(chǎn)的實(shí)際需要來(lái)看，對(duì)于氧氣壓力的要求遠(yuǎn)低于3.0 MPa。用氧壓力一般為:轉(zhuǎn)爐頂吹煉鋼爐前吹氧壓力為0.85～0.9 MPa，進(jìn)煉鋼車(chē)間氧氣調(diào)節(jié)閥前的壓力為1.2 MPa;電爐煉鋼用氧壓力為0.4～0.5 MPa;高爐富氧煉鐵的用氧壓力一般為0.3～0.35 MPa;切焊用氧壓力，在用于焊接時(shí)一般為0.3～ 0.5 MPa，在用于切割時(shí)一般為 1.2 ～ 1.4 MPa;Corex熔融煉鐵用氧壓力一般小于0.5 MPa。

由此看來(lái)，“由氧氣站送入氧氣管網(wǎng)的壓力一般應(yīng)不低于1.5 MPa”這個(gè)結(jié)論還是適用的［1］。氧氣終壓選為3.0 MPa，顯然是為了滿足調(diào)峰的需要，是解決空分裝置連續(xù)供氧與鋼鐵生產(chǎn)間斷用氧之間矛盾的一種措施。不少企業(yè)提出了是否需要3.0 MPa氧氣終壓的問(wèn)題，實(shí)際上不少鋼鐵企業(yè)已經(jīng)將氧氣終壓降至2.5 MPa，甚至更低。

1.3 調(diào)峰與氧氣放散

由于鋼鐵企業(yè)用氧的不均衡性，存在調(diào)峰問(wèn)題，一般采用“氣體球罐+液體氣化”的調(diào)峰措施。鋼鐵企業(yè)一般都配置了大型球罐，用以滿足峰值和事故狀態(tài)下的氧氣需求;在非峰值時(shí)段將氧氣存入球罐。使用球罐調(diào)峰，壓力能損失嚴(yán)重?？辗种蒲跄芎目蛇_(dá) 0.38 ～0.42 kWh/m3O2，而壓氧能耗可達(dá)0.14 ～0.20 kWh/m3O2，約占制氧能耗的 40%。由于生產(chǎn)液體的能耗高，液體氣化的方式不能頻繁用于調(diào)峰。球罐調(diào)峰速度快，液體氣化調(diào)峰能力強(qiáng);兩者的結(jié)合很好的滿足了鋼鐵企業(yè)的用氧需求，也為降低氧氣終壓提供了保障。

各大鋼廠普遍存在氧氣放散問(wèn)題，在鋼鐵市場(chǎng)波動(dòng)大時(shí)，此問(wèn)題更加突出。為減少氧氣放散，需要增大球罐總?cè)莘e或提高氧氣壓力。增大球罐容積，增加了占地和投資;提高氧氣壓力，意味著壓氧能耗的增加。這是與鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗、減少投資的整體要求相違背的。

鋼鐵企業(yè)的現(xiàn)行措施，在一定程度上滿足了自身的用氧需求。但壓氧能耗高以及氧氣放散問(wèn)題的存在，說(shuō)明氧氣壓力、空分流程以及設(shè)備配置等方面還是有可優(yōu)化的空間的。

2 氮、氬等產(chǎn)品的應(yīng)用

氮在鋼鐵企業(yè)中主要用作保護(hù)氣和吹掃氣。如在濺渣護(hù)爐技術(shù)中，要使用氮?dú)庾鳛閲姶禋怏w。氮?dú)膺€用作噴粉輸送氣、儀表氣、阻燃?xì)獾取鍤庵饕靡蕴岣咪摬馁|(zhì)量。如向熔融的鋼水中吹入氬氣，使成分均勻，鋼液凈化，并可除掉溶解在鋼水中的氫、氧、氮等雜質(zhì)，提高鋼坯質(zhì)量。煉鐵、煉鋼、軋鋼的綜合氮耗80～120 m3/t鋼，綜合氬耗3～4 m3/t鋼。

鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中所需的氮、氧比例基本為1∶1，近年來(lái)用氮量有上升的趨勢(shì)?？辗盅b置所能生產(chǎn)的氮、氧比例可達(dá)3∶1。可見(jiàn)，鋼鐵企業(yè)配套的空分裝置，在氮產(chǎn)品的產(chǎn)量上還具有很大的可挖掘潛力，當(dāng)空分裝置從鋼鐵企業(yè)的下屬分廠走向市場(chǎng)甚至成為獨(dú)立經(jīng)營(yíng)的氣體公司時(shí)，充分挖掘潛力就變的非常有價(jià)值了。

3 鋼鐵企業(yè)空分配置

由于鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)與市場(chǎng)需求緊密相關(guān)，在鋼鐵市場(chǎng)需求減少時(shí)，鋼鐵企業(yè)需要減產(chǎn)，甚至關(guān)停多座高爐和轉(zhuǎn)爐。這就要求空分的配置方案具有靈活性，配置多套空分裝置顯然更能適應(yīng)這一要求。但多臺(tái)套的配置方案能耗高、投資大、占地多、運(yùn)行管理不便。鋼鐵企業(yè)配套的空分裝置總體上來(lái)說(shuō)趨向于大型化，但一般都配置兩套以上的空分裝置，以提高保障率。

市場(chǎng)化是鋼鐵企業(yè)配套空分裝置的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。市場(chǎng)化對(duì)空分裝置大型化更加有利，并可氦、氖、氪、氙等稀有氣體全提取。稀有氣體附加值高，可以顯著增加空分產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益。

4 鋼鐵企業(yè)空分流程選擇

國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)所配套的空分裝置多采用外壓縮流程;而國(guó)外通常只選擇內(nèi)壓縮流程。

國(guó)內(nèi)空分裝置的發(fā)展現(xiàn)狀是外壓縮流程及氧壓機(jī)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟。鋼鐵企業(yè)用氣壓力低，液體需求量少，具備選擇外壓縮流程的特點(diǎn)。但從氧氣放散問(wèn)題突出以及壓氧能耗高等方面來(lái)看，“外壓縮流程搭配3.0 MPa氧氣終壓”這一模式還是存在弊端的。近年來(lái)有不少鋼鐵企業(yè)已經(jīng)采用了內(nèi)壓縮流程。如首鋼京唐鋼引進(jìn)的2套75 000 m3/h空分設(shè)備就采用了氮?dú)庋h(huán)內(nèi)壓縮流程［2］。

內(nèi)壓縮流程液體產(chǎn)量大、安全性高。但在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用之所以受到限制，主要是因?yàn)樵鰤簷C(jī)、膨脹機(jī)、低溫液體泵、高壓主換等關(guān)鍵設(shè)備都需要進(jìn)口，設(shè)備投資高。

對(duì)于鋼鐵企業(yè)，單就流程的適應(yīng)性來(lái)看，內(nèi)、外壓縮流程都可采用。單就制氧而言兩者區(qū)別不大，主要差別在于對(duì)鋼鐵企業(yè)用氣特點(diǎn)的滿足程度上。這又和鋼鐵企業(yè)空分裝置的運(yùn)營(yíng)制度是有很大關(guān)系的，當(dāng)空分裝置走向市場(chǎng)時(shí)，采用內(nèi)壓縮流程投入產(chǎn)出比大，可以為市場(chǎng)供應(yīng)更多的液體產(chǎn)品，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

流程選擇是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。外壓縮流程未必是鋼鐵企業(yè)最適用的空分流程，內(nèi)壓縮流程在鋼鐵企業(yè)的應(yīng)用值得深入研究。

5 自動(dòng)變負(fù)荷技術(shù)的應(yīng)用

5.1 自動(dòng)變負(fù)荷調(diào)節(jié)(ALC)

自動(dòng)變負(fù)荷調(diào)節(jié)的基本原理是根據(jù)用氧量的變化，按所建立的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)軟件計(jì)算出相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，再將這些關(guān)鍵參數(shù)逐漸調(diào)節(jié)到設(shè)定的范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化操作。

國(guó)內(nèi)引進(jìn)的一些自動(dòng)變負(fù)荷調(diào)節(jié)技術(shù)，在鋼鐵企業(yè)的應(yīng)用中收效不明顯。從實(shí)際運(yùn)行來(lái)看，ALC自動(dòng)變負(fù)荷的調(diào)節(jié)速率為(0.2% ～0.25%)/min，實(shí)現(xiàn)一次變負(fù)荷80% ～110%，全過(guò)程約需耗時(shí)150～200 min。ALC自動(dòng)變負(fù)荷速率慢，無(wú)法與鋼鐵企業(yè)周期性負(fù)荷變化大的特征相匹配，限制了其在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用。

5.2 液氧與液氮周期倒灌的自動(dòng)變負(fù)荷(VAROX)

液氧與液氮周期倒灌的自動(dòng)變負(fù)荷，是一種快速變負(fù)荷技術(shù)，通過(guò)液氧和液氮的周期倒灌，實(shí)現(xiàn)氧氣產(chǎn)量的增減。

這種形式的變負(fù)荷速率快，從最初的每分鐘變化3%已經(jīng)提高到每分鐘6%～8%。VAROX自動(dòng)變負(fù)荷無(wú)論是在周期性變化規(guī)律還是在變負(fù)荷速度方面都能很好的滿足鋼鐵企業(yè)的需求。首鋼氧氣廠引進(jìn)的液空35 000 m3/h空分設(shè)備，在國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用了這一變負(fù)荷技術(shù)，氧氣放散率大幅度降低，收到了良好的效果［3］。在首鋼京唐鋼引進(jìn)的75 000 m3/h空分裝置上，又應(yīng)用了這一變負(fù)荷技術(shù)［2］。

5.3 對(duì)已運(yùn)行空分裝置的變負(fù)荷措施

設(shè)置外液化裝置，實(shí)現(xiàn)可變負(fù)荷的氧氮互換，并配以大型液氧和液氮儲(chǔ)槽是解決已運(yùn)行空分裝置變負(fù)荷的有效措施。液化裝置調(diào)節(jié)速度快，彌補(bǔ)了空分裝置調(diào)節(jié)速度慢的缺陷。寶鋼設(shè)置了兩套300 t/d液化裝置，使得氧氣放散率大幅度下降，并積極擴(kuò)大液體產(chǎn)品外銷(xiāo)，取得了相當(dāng)可觀的市場(chǎng)效益［4］。

6 發(fā)展區(qū)域供應(yīng)的思考

歐美國(guó)家鋼鐵工業(yè)用氣大多是由區(qū)域供氣中心供應(yīng)。而我國(guó)鋼鐵企業(yè)習(xí)慣于自建氣體分廠，空分產(chǎn)品很少外銷(xiāo)。這種模式存在著諸多弊病，主要有:空分設(shè)備能力利用不足，資源浪費(fèi)嚴(yán)重，空分裝置的投資效果差。鋼鐵企業(yè)配套的空分裝置以氧氣用量確定建設(shè)規(guī)模，氮?dú)獯罅扛挥?，氬氣也有富余，其它稀有氣體如氖、氦、氪、氙等沒(méi)有用處，造成了大量資源浪費(fèi)。即使對(duì)于氧氣，由于鋼鐵企業(yè)的停檢修及減產(chǎn)，造成放散損失，空分裝置的產(chǎn)能也不能充分發(fā)揮。鋼鐵企業(yè)的用氣量及用氣特征，也限制了空分裝置的大型化。大型空分裝置在能耗、單位投資上的優(yōu)勢(shì)難以利用。

依托鋼鐵企業(yè)，積極發(fā)展區(qū)域性管網(wǎng)供氣和液體產(chǎn)品外銷(xiāo)，弱化鋼鐵用氧與空分產(chǎn)氧不匹配的矛盾，充分挖掘空分裝置的潛能，可顯著提高空分裝置的經(jīng)濟(jì)性，使得生產(chǎn)最優(yōu)化和利益最大化。目前，鋼鐵企業(yè)在虧損嚴(yán)重的情況下，已將利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)轉(zhuǎn)向非鋼產(chǎn)業(yè)，許多鋼鐵企業(yè)下屬的氣體分廠已經(jīng)面向市場(chǎng)經(jīng)營(yíng)。近年來(lái)，發(fā)展外銷(xiāo)業(yè)務(wù)的氣體分廠經(jīng)濟(jì)效益良好。

7 結(jié)束語(yǔ)

只有建立新的運(yùn)行管理模式，才能夠體現(xiàn)出現(xiàn)代空分裝置的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。鋼鐵企業(yè)配套空分裝置，從只滿足本企業(yè)的需要到走向市場(chǎng)，正在為越來(lái)越多的企業(yè)所認(rèn)知和接受，是鋼鐵企業(yè)空分裝置的一大發(fā)展趨勢(shì)。從市場(chǎng)化的角度來(lái)看，就要充分挖掘空分裝置的潛力以實(shí)現(xiàn)利益最大化。從這一角度來(lái)看，鋼鐵企業(yè)配套空分裝置對(duì)于氧氣壓力的選定、空分流程的選擇、空分設(shè)備的配置、空分裝置大型化等方面都值得重新思考研究。

［1］江楚標(biāo).鋼鐵企業(yè)用空分裝置的調(diào)峰、氧氣終壓及適應(yīng)流程的探討［J］.深冷技術(shù)，2002(5):1-7.

［2］孫德英.首鋼京唐鋼制氧工程的設(shè)計(jì)構(gòu)思淺析［J］.深冷技術(shù)，2009(2):5-8.

［3］孫德英.大型空分設(shè)備在鋼鐵企業(yè)應(yīng)用的探討［J］.氣體分離，2007(2):16-18.

［4］拓西梅.寶鋼制氧采用優(yōu)化系統(tǒng)的探討［J］.寶鋼技術(shù)，2003(2):49-51.