吸附制氧及机前富氧在炼铁高炉的研究与应用

刘志,孙冰冰

摘要：针对目前广泛应用的高炉机后富氧方式存在的电能消耗过度问题，本文介绍了变压吸附制氧的原理、优点及机前富氧的概念、优点，给出了变压吸附制氧与机前富氧相结合应用于高炉富氧的技术方案，机前富氧在应用时需要考虑的安全措施，既减少了深冷空分制氧的氮气过量问题及现有机后富氧氧压机电能浪费。

关键词 高炉富氧 机前富氧 变压吸附制氧

高炉富氧是指在高炉冷风中加入一定量的纯度较高的氧气，使冷风中的氧浓度升高，从而提高高炉的冶炼强度，增加高炉铁产量。高炉以提高富氧率作为高炉提产增效降低成本为重要手段。由于公司配套深冷空分制氧产量不能满足高炉大量、稳定富氧生产的需要，鉴于高炉富氧氧气纯度要求不高的特点，通过对比深冷制氧及变压吸附制氧的介质平衡投资效益分析拟采用变压吸附制氧方式为高炉提供氧气。为了节省氧压机电耗，拟采用鼓风机前管道混氧方式。该套系统直接提高电拖风机冷风含氧量。同时作为企业氧气供应的调节器，如深冷空分产氧气有余量或不足时，真空变压吸附制氧装置可随时启停来控制增减产量为高炉提供氧气。

1 变压吸附及高炉机前富氧优点

1. 1 变压吸附制氧

变压吸附制氧的基本原理：原料空气经罗茨鼓风机进口过滤器去除杂质后进入鼓风机，被鼓风机增压后，通过管道和气动切换阀门进入吸附剂床层，原料空气中的水分和二氧化碳被底部的PU-8/TS吸附剂吸附，净化后的空气在吸附器内继续上升，经过PU-8制氧吸附剂的过程中氮气逐渐被吸附，从而在吸附器顶部富集到氧气。产品氧气从吸附器顶部流出后，进入氧气缓冲罐，供用户使用。为了连续获得氧气，一般设两个或两个以上的吸附器，一个吸附器在较高压力下吸附空气中的氮气，从吸附器出口端获得产品氧气；其他的吸附器在较低压力下解吸或升压，以便在下一个周期内吸附原料空气中的氮气。几个吸附器轮流切换，从而达到连续产氧的目的。

1. 2 高炉机前富氧

高炉富氧方式根据氧气混入高炉冷风的位置不同，分为机前富氧和机后富氧。机前富氧是指将制氧设备生产的氧气送入鼓风机的吸入管道内，与空气充分混合后，由鼓风机一起加压送入高炉，达到高炉富氧目的。此方式优点在于不再需要将氧气加压，而是将低压氧气直接送到高炉鼓风机的吸入管道内，不需要配备氧气升压装置，既节约了设备投资，又可以减少压缩功浪费。

鼓风机机后富氧指将制氧设备生产的纯氧经减压后送入高炉鼓风机的出口冷风管道内，进入高炉。机后富氧的方式为制氧设备生产的氧气经氧压机加压压，加压后直接送入鼓风机机后冷风管道;，所以需将氧气加压至大于鼓风机出口风压方可使氧气混入冷风，由于高炉对氧气浓度要求不高，只是控制混入后的氧含量或富氧量。结合变压吸附制氧和高炉机前富氧优势，将变压吸附制氧设备生产的低纯度氧气直接送入鼓风机前富氧装置中，由鼓风机一起加压，送入纯度要求不高的高炉富氧上，优势非常明显。

2 应用方案

将变压吸附制氧与机前富氧相结合应用于高炉富氧，需在保留原有纯氧气加压送入鼓风机后富氧模式基础上，新增一套变压吸附制氧设备及机前富氧装置。利用变压吸附装置生产低压低纯度氧气，作为高炉富氧的基数，再通过机后富氧装置调节高炉整体富氧量。

高炉富氧系统包括变压吸附制氧装置、空分制氧装置，分别连接于鼓风机前后端的机前富氧装置和机后富氧装置，机前富氧装置一端与变压吸附氧气发生装置相连接，另一端连接至机前氧气管道; 机后富氧装置一端与空分制氧装置相连接，另一端通过氧压机增压后连接至机后氧气管道。该系统操作上更加灵活多变，既可以采用机前、机后富氧装置同时运行，又可以采用机后富氧装置单独运行的方式保证高炉富氧的稳定供应。具体流程如图1所示。

项目建成后分别对3座高炉多提供30000Nm3/h、80%O2富氧，折合24000Nm3/h纯氧，提高高炉富氧率。采用合理的机前氧气浓度含量，并自动监测机前富氧运行情况,保证设备安全运转，并研究设计应对突发情况的安保措施。手动/自动调节机前富氧流量，保证高炉的富氧率稳定。采用机前混合装置使氧气与空气混合更均匀，避免了因空气局部含氧量过高对风机造成的负面作用。机前富氧配合风机后高压氧，两种供氧调节，增加调节手段保证高炉氧气量需求。使高炉富氧量调节更为精准、稳定。提高1%的富氧，相对降低焦比0.5%，提高煤比，日提产2.5%。

图 1 变压吸附制氧应用于高炉机前富氧系统图

3 安全措施

机前富氧最关键的是确保安全，为避免重大事故的发生，应用时主要采取了以下安全措施 :

(1) 当气体温度接近燃点时，控制系统自动捕捉信号，并发出指令启动设备的自动灭火装置，熄灭火源。

(2) 在高炉风机前加装气体分析系统，监测气体的富氧比和流量、压力，控制系统监测到不正常时，自动发出信号，并快速启动安全保护装置切断氧气供应。

(3) 在高炉风机后加装气体分析系统，当氧气含量超标时，控制系统会自动发出信号，快速启动安全保护装置切断氧气供应。

(4) 当高炉鼓风机出现停机、喘振时，控制系统自动发出信号，快速启动安全保护装置切断氧气供应。

(5) 当高炉鼓风机的任何一项工况出现异常时，控制系统自动发出信号，快速启动安全保护装置切断氧气供应。

(6) 控制系统在系统停止使用及检修时自动将氮气充入氧气管线，保护管线安全。

(7) 机前富氧接点处设置混合器，保障氧气与空气充分混合，避免局部含氧量高。各高炉风机氧气快切阀后设置不锈钢材质阻火器，管道上设置过滤器。在采取了各种保护措施后，高炉富氧采用鼓风机机前富氧方式的安全得到了保障。

4 效益分析

将变压吸附制氧与机前富氧相结合应用于高炉富氧上所产生的效益，主要有两个方面: 一是变压吸附制氧产生的低压低纯度氧气代替高压高纯度氧气，减少了氧气产品的高质低用的能源浪费; 二是充分利用鼓风机余量，将低压氧气加压送入高炉，与机后高压氧调配使用，大大方便了高炉富氧的运行调整，减少了能源浪费。

5 结论

随着高炉富氧技术的发展，高炉高富氧冶炼模式是今后一大发展趋势，如何降低高炉富氧成本是钢铁企业必须重点考虑的。文章在采取必要的安全措施前提下，改变传统的高炉富氧方式，将变压吸附制氧与机前富氧相结合应用于高炉富氧，节能效果非常明显，值得广大钢铁企业借鉴。

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作者简介：刘志，男，河北定州人，1985.4生，高级工程师，本科，研究方向：钢铁企业动力系统生产技术管理。