蘭振強(qiáng)

（南京鋼鐵聯(lián)合有限公司制氧廠，江蘇南京 210035）

1 南鋼制氧單元介紹

1.1 制氧裝置裝備概況

制氧單元現(xiàn)有5 套深冷空分裝置，將建4 套變壓吸附（VPSA）制氧裝置，合計(jì)產(chǎn)量：氧氣（折合純氧）14 萬(wàn)m3/h，氮?dú)?5 萬(wàn)m3/h，中壓氬氣3200 m3/h。

（1）深冷空分裝置配置

深冷空分裝置可同時(shí)生產(chǎn)氧氣、氮?dú)狻鍤?、液氧、液氮和液氬產(chǎn)品，氧氣產(chǎn)品純度在99.6%O2以上，氮?dú)猱a(chǎn)品含氧量≤10×10-6，氬氣產(chǎn)品含氧量≤2×10-6、含氮量≤3×10-6。1#、2#、4#制氧為外壓縮裝置，3#、5#制氧為內(nèi)壓縮裝置，1#制氧既可壓送低壓氧又可壓送中壓氧，2#制氧只能壓送低壓氧，3#、4#、5#制氧只能壓送中壓氧。深冷空分裝置配置情況如表1。

表1 深冷空分裝置配置表

（2）深冷空分裝置工藝

主要工藝為，原料空氣經(jīng)自潔式過濾器除去灰塵及其它機(jī)械雜質(zhì)，再壓縮至0.5 MPa 左右，經(jīng)預(yù)冷系統(tǒng)得到冷卻和洗滌后，進(jìn)入切換使用的分子篩純化系統(tǒng)除去二氧化碳、部分碳?xì)浠衔锛八莸取？諝饨?jīng)凈化后分兩路進(jìn)入分餾塔，根據(jù)氧、氮、氬沸點(diǎn)不同進(jìn)行物理精餾，下塔主要分離出液氮產(chǎn)品，上塔分離出氮?dú)?、氧氣、液氧產(chǎn)品，然后在粗氬塔和精氬塔中分離出純氬產(chǎn)品。

（3）VPSA制氧裝置及工藝

VPSA 制氧裝置主要由鼓風(fēng)機(jī)、真空泵、切換閥、吸附器、氧氣緩沖罐和氧壓機(jī)組成。原料空氣粗濾后經(jīng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)增壓至45 kPa 左右進(jìn)入吸附塔，水份主要被底部的活性氧化鋁吸附，氮?dú)獾冉M分被沸石分子篩所吸附，而氧氣、氬氣等作為產(chǎn)品氣輸出。當(dāng)該吸附塔吸附飽和后,通過自動(dòng)控制均壓、降壓過程,將吸附塔死空間內(nèi)的部分氧氣回收,同時(shí)將吸附塔壓力降至微負(fù)壓，再利用羅茨真空泵抽真空至-53 kPa左右進(jìn)行解吸再生。

VPSA 的每個(gè)吸附塔都交替執(zhí)行以下步驟:增壓-吸附-解吸-均壓，其主要性能指標(biāo)如表2。

1.2 主要保供模式

（1）保供能力分析

在5 套深冷空分和4 套VPSA 制氧全部正常生產(chǎn)狀態(tài)下，中壓氧氣供應(yīng)能力為8 萬(wàn)m3/h，壓力2.6 MPa；低壓氧氣供應(yīng)能力為6.6 萬(wàn)m3/h，壓力0.7 MPa；中壓氮?dú)?2 萬(wàn)m3/h，壓力2.3 MPa；低壓氮?dú)? 萬(wàn)m3/h，壓力0.7 MPa；中壓氬氣3 200 m3/h，壓力2.6 MPa；詳見表3。具體供應(yīng)量根據(jù)公司的需求作不同生產(chǎn)組合，靈活調(diào)整5 萬(wàn)～14 萬(wàn)制氧模式，做到氧、氮、氬兼顧，保證生產(chǎn)使用，減少放散，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

表2 VPSA主要性能指標(biāo)參照表

（2）低壓氧分配

低壓氧有深冷空分≥99.6%氧氣和VPSA≥80%氧氣組成，為確保氧氣管道的安全流速和經(jīng)濟(jì)供應(yīng)，根據(jù)公司生產(chǎn)用氧變化情況，對(duì)供氧模式進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，各模式下低壓氧氣分配和氧氣純度變化如表4。

2 公司用戶對(duì)氧、氮、氬產(chǎn)品需求特點(diǎn)

2.1 氧、氮、氬的主要用途

氧氣具有強(qiáng)氧化性，作為助燃劑，轉(zhuǎn)爐、電爐、軋鋼等用戶要求氧純度不低于99.2%，煉鐵高爐、燃供廠等主要用于富氧燃燒用戶對(duì)氧純度要求不太高。氮?dú)饩哂兄舷⑿裕鳛槊芊鈿?、保護(hù)氣、吹掃氣、儀表動(dòng)力氣，在煉鋼廠、煉鐵廠、軋鋼廠、燃供廠、燃?xì)鈴S、燒結(jié)廠、發(fā)電廠、水廠等廣泛使用，一般要求含氧量不超過1%。氬氣作為目前工業(yè)上應(yīng)用很廣的稀有氣體，它的性質(zhì)十分不活潑，主要使用在鋼水?dāng)嚢?、保護(hù)氣，主要用戶為煉鋼廠的轉(zhuǎn)爐、電爐、精煉爐、連鑄等。

表3 氧、氮、氬氣生產(chǎn)能力配置表 m3/h

表4 各模式下低壓氧氣用量、氧氣純度指導(dǎo)表

2.2 特殊情況的安全保供

為確保氧氣使用安全流速，一鐵廠中壓氧總流量控制不超過30 000 m3/h，低壓氧總流量控制不超過45 000 m3/h；二鐵廠低壓氧總流量控制不超過40 000 m3/h，4#高爐中壓氧總流量控制不超過20 000 m3/h，5#高爐中壓氧總流量控制不超過20 000 m3/h。

若遇到制氧機(jī)組跳車等突發(fā)事件：當(dāng)?shù)蛪貉鯕鈮毫Σ蛔銜r(shí)，高爐根據(jù)富氧需求可適當(dāng)增加中壓氧用量，以補(bǔ)充低壓氧缺口；當(dāng)中壓氧氣壓力不足低于1.5 MPa，首先考慮停制氧廠液化裝置，其次增加其它制氧機(jī)至滿負(fù)荷，最后減少兩個(gè)鐵廠氧氣用量，氧壓一旦低于1.3 MPa，高爐停富氧；當(dāng)?shù)獨(dú)獠蛔?，低?.8 MPa，首先停液化系統(tǒng)，其次考慮一煉鋼或二煉鋼的轉(zhuǎn)爐短時(shí)停煉，直到壓力回升。一旦發(fā)生大面積停電造成制氧機(jī)跳車，立刻安排停止液化系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)停止2 個(gè)煉鐵的富氧，一、二煉鋼廠轉(zhuǎn)爐陸續(xù)停爐，盡快恢復(fù)后備汽化系統(tǒng)供電，啟運(yùn)氧、氮汽化泵，必須保住一鐵廠和二鐵廠的氮?dú)鈮毫Σ坏陀?.8 MPa。

3 創(chuàng)新優(yōu)化，協(xié)同創(chuàng)效

3.1 創(chuàng)新低壓氧供應(yīng)模式，高爐氧氣保供流程再造

南鋼現(xiàn)有三個(gè)制氧站區(qū)，各區(qū)域通過現(xiàn)有氧、氮、氬管廊互相溝通，并送全廠用戶使用。之前制氧廠送至各用戶的氧氣均為中壓氧氣，壓力為2.2～2.7 MPa，由各用戶根據(jù)自身需要調(diào)壓使用。高爐富氧氧氣在制氧機(jī)將常壓氧氣（15 kPa）壓縮至3.0 MPa 中壓氧氣后，再在高爐富氧前減壓至0.65 MPa 左右后混入鼓風(fēng)機(jī)后冷風(fēng)管道使用，前端制氧廠在增壓、調(diào)壓過程中損失大量能耗，能源浪費(fèi)較大，安全風(fēng)險(xiǎn)也較高。

經(jīng)綜合研究，決定新建低壓氧氣管網(wǎng)，1#、2#空分裝置處氧氣總管管徑為DN400，1#、2#區(qū)域需通過低壓氧管道實(shí)現(xiàn)聯(lián)通（該段長(zhǎng)度約1.3 km），在同心路處分兩支：一支為DN400 管道至一鐵廠鼓風(fēng)機(jī)站，另一支為DN400 至二鐵廠富氧站，管道全長(zhǎng)約6.3 km。以生產(chǎn)低壓（0.8 MPa）氧氣不放散為原則，將常壓氧氣（15 kPa）壓縮至0.8 MPa 后單送高爐直接富氧，可節(jié)約氧氣壓力從0.8 MPa 升至2.7 MPa 的電能消耗。實(shí)施后，氧壓機(jī)電流從原250 A 降低至134 A，壓氧能耗由0.19 kWh/m3降至0.105 kWh/m3，節(jié)能效益明顯，同時(shí)氧氣管道和高爐氧氣調(diào)節(jié)閥安全風(fēng)險(xiǎn)降低，安全系數(shù)大幅度提高。

3.2 制氧系統(tǒng)再挖潛，生產(chǎn)工藝再優(yōu)化

1#、2#制氧機(jī)分別于2003 年和2005 年建成投產(chǎn)運(yùn)行，篩板塔下塔阻力高且無(wú)法變負(fù)荷操控，相比當(dāng)下制氧行業(yè)新設(shè)備、工藝、自動(dòng)控制等有改進(jìn)提升空間。若對(duì)制氧機(jī)單體設(shè)備節(jié)能改造和系統(tǒng)工藝流程優(yōu)化，為制氧機(jī)變負(fù)荷提供基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)制氧節(jié)能運(yùn)行目的。

經(jīng)過反復(fù)調(diào)研和可行性分析，做如下創(chuàng)新優(yōu)化：

（1）在不拆除氧氮精餾塔下塔的前提下，采用現(xiàn)場(chǎng)拼接組裝的方式，將下塔由72層篩板塔改為54層高效填料塔。

（2）對(duì)空分塔內(nèi)工藝管線進(jìn)行優(yōu)化和改造，滿足制氧機(jī)變工況運(yùn)行條件要求。

（3）建立老制氧機(jī)不同負(fù)荷下生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)控制模型，開發(fā)自動(dòng)變負(fù)荷控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)1#、2#制氧自動(dòng)變負(fù)荷控制。

（4）將空壓機(jī)出口翻板單向閥改為最新軸流單向閥，降低空壓機(jī)出口壓力。

（5）在現(xiàn)有分子篩區(qū)域新增1臺(tái)蒸汽加熱器，充分利用公司低品位蒸汽來(lái)節(jié)約分子篩加熱電耗。

綜合挖潛后，裝置阻力下降30 kPa，下塔阻力100%工況下由20.44 kPa下降至3.17 kPa，為目前行業(yè)內(nèi)改造業(yè)績(jī)最佳水平；液氬產(chǎn)量提升300 m3/h；裝置實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷能力80%～105%，變負(fù)荷速度達(dá)到2 min/1%，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平；三臺(tái)分子篩系統(tǒng)增設(shè)蒸汽加熱爐，節(jié)電600 萬(wàn)kWh/a；制氧機(jī)信號(hào)進(jìn)EMS 系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)公司氧氣能源管理大系統(tǒng)平衡智能制造。該項(xiàng)目進(jìn)行多項(xiàng)節(jié)能挖潛改造，實(shí)現(xiàn)了制氧機(jī)柔性生產(chǎn)，有效減少制氧系統(tǒng)氧氣放散和生產(chǎn)成本。氧氣放散率從2%降至0.2%，制氧裝置氧氣供應(yīng)單耗從 0.754 kWh/ m3下降至0.632 kWh/m3，降幅達(dá)16%。

3.3 生產(chǎn)智能管控

根據(jù)南鋼新模式下用氧特點(diǎn)，建立中壓氧、低壓氧、吸附氧運(yùn)行組合模型，制定生產(chǎn)調(diào)度規(guī)則。隨著中壓氧、低壓氧、吸附氧組合投用，中壓氧氣主要給煉鋼、各軋鋼廠等使用，吸附氧和空分低壓氧并網(wǎng)后主要給高爐使用，制定氧氣分質(zhì)、分壓調(diào)度管理規(guī)定，對(duì)生產(chǎn)管理人員和調(diào)度進(jìn)行培訓(xùn)，確保氧氣生產(chǎn)和使用柔性銜接。同時(shí)測(cè)算公司各狀態(tài)下2 個(gè)鐵廠和3 個(gè)煉鋼中壓氧、低壓氧、吸附氧使用量，將建立5 臺(tái)深冷空分制氧+4 臺(tái)VPSA 制氧不同組合生產(chǎn)模型，靠信息化手段動(dòng)態(tài)調(diào)整，打造智能制氧，確保制氧系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

另外，完善EMS 系統(tǒng)對(duì)制氧機(jī)組的數(shù)據(jù)采集，使系統(tǒng)工序能耗數(shù)據(jù)得以完善，通過報(bào)表管理，形成制氧的生產(chǎn)日?qǐng)?bào)、工序單耗、單位用電成本等綜合統(tǒng)計(jì)報(bào)表，為南鋼財(cái)務(wù)日成本統(tǒng)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐,為在生產(chǎn)全過程中實(shí)現(xiàn)較好的節(jié)能、降耗和環(huán)保創(chuàng)造條件。

3.4 供需協(xié)同創(chuàng)效

掌握煉鐵富氧關(guān)鍵環(huán)節(jié)，站在大系統(tǒng)的層面協(xié)同綜合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)大降本。由于低壓氧管網(wǎng)沒有管容緩沖，低壓氧氣總量必須小于高爐富氧總量，煉鐵高爐富氧，需優(yōu)先使用低壓氧氣，不足部分使用中壓氧氣補(bǔ)充，杜絕低壓氧氣放散、中壓氧氣氣化的能源浪費(fèi)現(xiàn)象。煉鐵高爐調(diào)度根據(jù)制氧調(diào)度分配低壓氧氣量，分別對(duì)內(nèi)部高爐低壓富氧做好安排與分配，若有高爐停氧操作，內(nèi)部進(jìn)行低壓氧重新分配調(diào)整。中壓氧根據(jù)管網(wǎng)壓力和公司檢修情況，可通過深冷空分變負(fù)荷、啟動(dòng)液化設(shè)備液化、開停機(jī)等手段進(jìn)行調(diào)整，也可結(jié)合鋼鐵實(shí)際計(jì)劃產(chǎn)量，通過多轉(zhuǎn)低壓氧氣進(jìn)行動(dòng)態(tài)平衡。高爐檢修，要全停4 套VPSA。若電爐或1 座轉(zhuǎn)爐檢修，高爐富氧不減，通過鑄鐵維持鐵、鋼平衡，則可以保持負(fù)荷不動(dòng)，汽化壓力盡量在1.6 MPa 操作執(zhí)行。若高爐富氧低于70 000 m3/h，先考慮退增氧、空分轉(zhuǎn)液氧工況、同時(shí)視中壓氧氣管網(wǎng)壓力4 套機(jī)組同比例減負(fù)荷。

另外，隨著設(shè)備、產(chǎn)品與技術(shù)革新，一線用戶對(duì)氧、氮、氬產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，生產(chǎn)中遇到的專業(yè)技術(shù)性難題也越來(lái)越棘手。雙方建立有效的溝通服務(wù)機(jī)制，及時(shí)互動(dòng)并解決氧、氮、氬使用中遇到的難題，方能切實(shí)做到協(xié)同創(chuàng)效。

4 結(jié)束語(yǔ)

只有深入研究現(xiàn)有狀況下制氧大系統(tǒng)的新生產(chǎn)模式、新工藝組合，探討工藝優(yōu)化使裝置達(dá)最佳運(yùn)行點(diǎn)，利用信息化、數(shù)字化、智能化等手段，形成獨(dú)特的氧、氮、氬供應(yīng)技術(shù)，才能更好實(shí)現(xiàn)氧、氮、氬安全優(yōu)質(zhì)保供且最大限度地降低生產(chǎn)能耗的目標(biāo)。