大型钢铁企业制氧系统的配置

张志义（宝钢工程技术集团有限公司，上海　201900）



大型钢铁企业制氧系统的配置

张志义
（宝钢工程技术集团有限公司，上海201900）

【摘要】论述了高炉冶炼工艺和COREX冶炼工艺中制氧系统配置的特点，分析了钢铁联合企业制氧系统配置中关注重点：氧氮氩纯度、压力及提升工艺、气体管网和保安系统的配置、制氧站总体布置及噪声治理等。

【关键词】制氧系统；配置；工艺

1　前言

钢铁企业在冶炼生产中需大量使用氧、氮、氩等工业气体。炼铁冶炼的高炉和熔融还原炉生产、炼钢冶炼的转炉和电炉生产需使用氧气；炉子密封和工艺保护、炼钢精炼和转炉溅渣护炉、系统保安、用作传热介质及系统吹扫等需使用氮气；炼钢精炼需使用氩气。为适应生产要求，保证生产安全稳定运行，大型钢厂一般配置有制氧站和氧氮氩动力管网。

传统的全流程钢铁冶炼流程组成是：焦炉、烧结、高炉炼铁、转炉或电炉炼钢、轧钢等工序。为简化工艺流程，提升环境保护，近代国际上还应用铁前区域短流程工艺的应用——熔融还原炼铁：在一个冶炼炉中直接将铁矿原料还原成铁水产品。

这两种不同的冶炼工艺流程需要的工业气体是不同的，特别是在使用量上差别大。传统流程中高炉冶炼需用氧量占钢厂总量约28%，炼钢冶炼需用氧量占钢厂总量约40%。而短流程工艺中熔融还原炼铁需用氧量占钢厂总量约78%，炼钢需用氧量占钢厂总量约13%。

此两类流程在宝钢集团企业中都有成熟应用，宝钢股份有限公司罗泾地区曾配置的铁水冶炼为熔融还原炼铁COREX-3000炉（后搬迁至新疆八一钢厂），宝钢集团其他钢厂配置的流程均为常规高炉流程。

宝钢工程技术集团有限公司参加了宝钢股份有限公司本部地区（年产钢量1500万t级）和罗泾地区（年产钢量300万t级）配套的制氧站工程建设，对钢厂制氧站及氧氮氩动力管网系统展开深入研究分析，下面论述两类冶炼流程的需用特点和为满足钢厂要求所设置的制氧站和管网系统的配置。

2　钢厂主要用户对氧氮氩的需求

2.1高炉冶炼工艺

高炉用氧是为强化冶炼，保证炉内的高温要求，氧气不直接参与冶炼反应。氧气在高炉鼓风区段中混入，掺混为富氧空气后送入高炉。随着高炉工艺改进，以增加喷煤量来减少焦炭使用量，并且为提升高炉产能，鼓风富氧率由过去的3%已提高到了5%～7%，吨铁用氧单耗达到60 m3以上。

因供高炉的氧气是和空气掺混提高鼓风氧含量，所以对氧气的纯度品质要求并不高，可以使用低纯度氧气。

高炉鼓风机将空气加压到0.6 MPa后送入高炉。氧气掺入空气系统有两种方式：（1）机前富氧；（2）机后富氧。机前富氧要求混入的氧气压力需达到10 kPa压力以上，机后富氧要求混入的氧气压力要接近0.6 MPa。

高炉系统的氮气是用于密封和吹扫使用，氮气压力要求为0.4 MPa。喷煤系统还需事故保安用氮，因保安氮瞬时用量大，一般配套设置高压储备罐以确保瞬时用量。

2.2COREX炉冶炼工艺

与高炉工艺不同，熔融还原炼铁工艺氧气参与冶炼反应，其用氧量与铁产量有直接的等比关系，COREX炉吨铁用氧耗量为528 m3，约是高炉用氧量的10倍。并且，COREX炉对于维持生产有最小供氧量要求，为正常生产用量的42%。而高炉在低生产负荷时可以实现零富氧率。

COREX炉工艺要求氧气纯度≥95%，氧气压力为0.8 MPa±5%。

COREX炉要求氮气的供应压力须大于氧气供气压力+0.1 MPa。压力波动不能有负偏值，并要求氮气系统保证连续不间断供应。COREX-3000炉正常用氮量1.2万m3/h，停炉时要求氮气必须在3 s内达到3.5万m3/h的保安供应量。

2.3炼钢冶炼工艺

与高炉、COREX炉冶炼方式不同，转炉炼钢用氧为间断使用，吹氧时用氧负荷大。氧气参与炼钢冶炼反应，其用氧量与炼钢产量有直接的等比关系，吨钢用氧耗量约为60 m3。氧气压力＞1.4 MPa，氧气纯度≥99.5%。

目前钢厂普遍采用氮气溅渣护炉工艺技术以提高转炉的使用年限，此氮气为间断使用，使用时负荷量大。要求的氮气压力＞1.4 MPa。

炼钢精炼需用氩气，随着产钢品种提升，精炼配置增加，用氩量也普遍提高。

2.4冷轧工艺

冷轧机组普冷产品用氮量单耗一般＜50 m3/t，热镀锌产品用氮量单耗＞100 m3/t。随着钢厂冷轧机组的后期产能扩大，钢厂的用氮量需求也会增加明显。

3　制氧系统工艺配置

因各钢厂的工艺流程不同，对氧氮氩的供应要求也就不一致。针对钢厂的特点，在制氧系统工艺方案中就如何确定制氧机组的能力、产品纯度、输送压力和升压工艺、总体布置、系统保安、噪声治理等因素需做专题认证分析，以提出优选方案。下面就各专题提出关注重点。

3.1制氧机组能力配置

钢厂的主要设备需定期停运维护，所以各生产工序用能有作业小时平均使用量和日历小时平均使用量两种参数。日历小时平均使用量用于工序能耗分析，作业小时平均使用量是反映钢厂正常生产时设备的使用量要求，制氧机组能力配置更多取用用户的作业小时平均使用量参数作设计依据。

大型钢铁企业一般都考虑分步建设，逐步发展。制氧机组随着制造业的发展也趋向于大型机组，所以在前期总体规划中，制氧站的总体布置和制氧机组的配置能力等需考虑钢厂发展的需求。

我们发现，钢厂各工序氧气实际使用量和设计量比较一致；但氮气因用点多，控制水平相对较低，氮气实际用量大大超出设计量，所以氮气能力配置中需充分考虑此因素。

大型制氧机组采用的工艺流程均为深冷空气分离技术。空气中氧气含量21%，氮气含量78%，制氧机组配置主要是根据氧气用量需求确定制氧机组能力，同时提取一定量的产品氮气，多余的氮气用于制氧机组工艺净化、预冷系统使用。对于高炉工艺流程的钢厂，在不需要满负荷生产时高炉用氧量可能降低较大，而此时整个钢厂的氮气需量仍需保持，所以制氧机组配置要求在氧气产量减少的条件下也要保证一定的氮气产量，在制氧机组的预冷系统和氮气压送设备的配置中要满足此要求。

大型钢厂用氧量大，传统的高炉工艺流程年产1000万t的钢厂用氧量约15万m3/h；COREX炉工艺流程年产300万t的钢厂用氧量要达到24万m3/h，制氧机组也将优先选用大型机组。目前行业中成熟的中大型制氧机组的能力有3万～8万m3/h，在制氧机组的配置时应从设备投资、运行能耗、备件互用、运行调节灵活响应情况、场地条件、设备维护条件等因素进行综合分析，提出组合方案。

3.2制氧机组产品纯度

制氧机组可生产高纯氧或低纯氧，高纯氧机组还可同时提取氩、氪、氙、氖、氦等稀有气体。氧纯度低于95%的制氧机组则不能提取稀有气体产品。因氖、氦在石油气中容易提取，一般制氧机组不做提取。低纯氧机组的设备投资和运行能耗比高纯氧机组相对要低约10%。

高炉冶炼工艺、COREX炉冶炼工艺对氧气的纯度要求不高，用于高炉富氧的氧气可以低至80%。炼钢工艺对氧气的品质要求高，氧气纯度≥99.5%。

因炼钢工艺需用高纯氧和精炼需用氩，所以钢厂必须配置有高纯氧的制氧机组，同时生产氩产品。但是否考虑全部配置高纯氧机组，则需综合分析钢厂低纯氧和高纯氧的使用量比例、单台高纯氧制氧机组检修维护或故障时运行机组的供应量是否可满足炼钢等高纯氧的用量要求、机组运行能耗、稀有气体产品的外销情况等因素来选择。

COREX炉冶炼工艺要求的氧气纯度可低至95%，但在COREX-3000炉的配置中考虑到炼铁的产能提升要求，及后续可能配置的MIDREX炉要求的工艺气体对COREX炉提出了高纯氧气供应要求，故宝钢罗泾地区的制氧机组供氧纯度为99.6%。

3.3输送压力

若高炉采用机前富氧工艺，应充分利用制氧机组产品氧的压能输送，不再另配加压设备。一般制氧机组低压氧送出压力为40 kPa。若输送管线过长，则可利用制氧机组蒸发压力来提高低压氧送出压力，低压氧压力可达到80 kPa。

若高炉采用机后富氧工艺，则氧气压力与鼓风机后的空气压力要相匹配，以节约压缩能耗，一般供机后富氧的氧气压力为0.6～0.8 MPa。

对于高炉冶炼工艺是采取机前富氧还是机后富氧工艺，还需分析鼓风机的配置能力、比较运行能耗等因素来确定。

COREX炉要求的氧气压力为0.8 MPa±5%。COREX炉单元配置有流量调节装置，没有压力调节装置，所以在制氧站的输送管线上设置有压力调节系统，以保证供COREX炉氧气稳定的压力要求。

炼钢用氧、溅渣护炉用氮、精炼用氩为间断使用方式，使用压力在1.4 MPa左右，因制氧机组的产品是恒定供应方式，为满足炼钢间断性、大用量的特点，供此类用户的氧气、氮气、氩气压力均为3.0 MPa等级，在动力管网系统中设置大型气体罐，利用气体压差满足使用特点。

供炉子密封、保护气、做传热介质及系统吹扫等氮气一般采用0.4～1.0 MPa的中压氮气。

3.4升压工艺

制氧站的氧氮氩气体产品通过管道送入动力管网系统到各用户点，为达到管网的供气压力要求，产品气体有两种升压方式：外压缩工艺流程和内压缩工艺流程。外压缩工艺是出空分装置的产品为低压气体产品，通过气体压缩机实现升压。内压缩工艺是产品液体通过液泵升压后再经空分装置内的热交换器复热到气体产品送出。

外压缩工艺需配置气体压缩机；内压缩工艺需配置空气增压机、产品液泵。比较外压缩和内压缩工艺特点：外压缩工艺机组生产调节灵活性大，但氧压机的危险性大，容易引发着火等事故。而氧产品内压缩工艺则可取消氧压机，避免了这类危险。内压缩工艺设备占地较小，设备投资小，但对于机组负荷调节要求高。

在制氧机组产品升压工艺选择上除考虑上述因素，还需重点研究选用的压缩工艺如何满足钢厂用气特点。

冶金系统以前基本使用外压缩机流程，1995年宝钢股份公司6#6万m3/h制氧机组采用了高压氧气、高压氮气、高压氩气内压缩流程；中压氮气外压缩流程，之后内压缩流程在国内冶金企业中的大型配套制氧机组中得到推广应用。

宝钢罗泾地区的制氧机组考虑到COREX炉用气的特点：中压氧气、中压氮气要求稳定保证，高压氮气用量变化大，以及考虑制氧机组的最优配置，选用工艺为：中压氧气采用内压缩流程、高压氧气从中压氧气中引源再采用外压缩流程；中压氮气、高压氩气采用内压缩流程；高压氮气从低压氮气中引源采用外压缩流程。生产实际运行效果反映此工艺流程与COREX炉的生产特点相适应。

3.5系统保安

制氧机组正常运行时气体产品稳定供应，但存在设备的突发故障减产或用户短时间增加用气量的要求，此时产气量就会小于需用量。但制氧机组因深冷工艺的特点，其产量变化的调整需要一定的响应时间，所以制氧站内需配置备份系统，以保证钢厂供应安全和生产要求。

大型制氧机组在制取气体产品同时，还配置有一定量的液体产品，液体产品储存在深冷液体贮罐中，一旦钢厂中需用量大于制氧机组供应量时，备份系统可在短时间内投入运行，通过蒸发器将液体复热到常温气体产品补充气体输出量以提高供应量。

分析用户的使用特点来考虑备份系统投入的响应时间。若要求快速响应，则需在备份系统中设置高压液体贮罐，或将液体备份泵处于冷态（热备用），此形式的液体备份泵可达到在2～3 min内快速投运。

COREX炉工艺要求炉子停车时氮气必须在3 s内增加2.1万m3/h，并保证连续供应。则备份系统按快速响应方式配置，同时在动力管网系统中配置气体缓冲罐，以提供在备份系统正常投入前的用量要求（此部分将在管网系统配置中描述）。并重点研究备份系统在各种异常情况下的系统运行保证，如供电的配置、蒸发器的形式、加热源的供应保证、阀门的操作方式控制连锁等技术。

制氧站备份系统是钢厂稳定生产和安全的保证，但此系统利用时间少。所以，设备配置力求简洁，充分利用气体管网系统的调节能力优化备份系统的配置，以节约建设投资。

3.6系统调节性

钢厂的用气特点是：用气量大，用量变化大。为满足此特点，调节设施有：制氧系统配置液体备份系统、动力管网上配置的气体罐。

制氧机组的配置需分析机组的能力组合、机组的负荷调节能力，考虑到钢厂用量频繁变化的特点，而深冷工艺的制氧机组存在调节要求高、响应时间慢的特性，为减少氧气放散量、避免操作失误，特别是对于大型制氧机组应该配置自动负荷调节功能。

如果液体产品市场供应条件好，在制氧站内可同时配置氧气、氮气液化装置，将部分气体深冷液化为液体产品，既提高了系统调节功能，又可充分利用机组能力，外销液体产品，提高经济效益以降低机组运行成本。

对于正常运行时氧气、氮气用量变化特别大的钢厂，则需考虑在制氧机组中可实现产品气体、液体互换供应量的功能，以降低运行能耗。

3.7总图布置

钢厂铁前区大气环境质量较差，轧钢区环境质量较好。因制氧机组气源取自环境空气，所以要求制氧机组尽量布置在周围环境较好的区域，全年主导风向的上风侧，以保证空气源清洁，制氧站场地选择应严格执行制氧机组的吸风口与有害物的安全距离规定，尽量避免周边设置可能存在有害气体排放的设施，如煤气柜、煤气排放塔等。

对于低压氧气供高炉机前富氧，制氧站可设置在高炉鼓风站附近，有利于大口径低压氧管线的布置。

3.8噪声治理

制氧机组配置有大型回转气体压缩机，设备运行噪声高达110 dB(A)；系统中配置有大量的气体管道，气体流动产生的喘流噪声、管壁振动噪声以及气体放散噪声，其最大噪声源可达125 dB(A)。所以制氧站降噪是工程建设中必须考虑的问题，可以从几方面考虑防噪措施：

总图布置中尽量将产生高噪声的设备远离厂界布置，大型静设备如液罐等靠厂界侧布置，将有利于阻断噪声。

对产生高噪声的压缩机设备需设置隔声罩，考虑到电机的散热量大，压缩机电机尽量选用低噪声电机（≤85 dB(A)），这样电机可以不需要再进行隔声处理，以减少压缩机隔声罩的换风扇能力。在必要的压缩机出入口管道上采用管道消声器，以隔断设备的动力机械噪声和电磁噪声。隔声罩内壁和消声器采用性能良好的吸声材料，并对设备基础采取良好的减振隔振措施。

压力气体放散采用消声器或混凝土排放塔以降低噪声；对流速大的管道采用隔声包扎措施。

对临厂界的厂房围墙可采用实体结构，或在厂界周边种植高大灌木，可阻挡噪声传播。

4　氧氮氩动力管网系统配置

制氧站的产品气体通过管网输送到各用户，不同介质、不同压力等级的气体成各自独立的管线系统。因在制氧站的产品压力确定时已综合考虑了各用户的要求，在管网系统中一般不再配置中间加压系统。若用户对压力有特别要求，可在用户侧设置必要的压缩机或减压系统。

根据冶炼特点：钢厂炼钢、轧钢用户的使用量波动大，而制氧机组的工艺特点产量相对恒定供应，所以在管网系统中设置必要的气体缓冲罐，利用储气压力差，增大供应的缓冲量。

一般在动力管网上配置有3.0 MPa级的氧气、氮气、氩气缓冲罐、0.6～1.0 MPa级的氮气缓冲罐。

为满足COREX工艺要求的氧气、氮气压力稳定性，在氧、氮中压管网上配置稳压罐。为提供氧气、氮气在短时间增加用量的要求，动力管网在高、中压管网上设置联通管线，高压气体通过调压阀降压后并入中压管网。在制氧站内还设有高压液体备份系统，高压气体备份系统可通过上述的联通管线为中压气体系统保安，简化了液体备份系统的设备配置。

宝钢公司为提高整体能源供应的可靠性和能源介质的资源共享，利用地理位置有利条件，在上海北部地区建设一个贯穿四家分公司的能源通廊。此能源通廊主要将两大氧气站供应中心——宝钢本部地区和宝钢罗泾地区的氧氮氩气体管网相连通，成为一个大管网系统，此系统增强了供气调配的灵活性，提高了制氧机组设备检修和发生事故时系统的应对能力，提高了氧氮氩整体供应的可靠性和安全性。

5　结束语

制氧系统的合理配置是钢铁企业生产运行的基本保障，特别在大型联合钢铁企业中各冶炼工艺对氧氮氩的要求不同，需要根据工艺特点，进行全面的分析研究，制定出的制氧系统配置方式才能确保合理可行，满足钢厂生产的要求。

The Configuration of Oxygen Generating System in Large Steel Enterprises

Zhang Zhiyi
(Baosteel Engineering & Technology Co., Ltd., Shanghai 201900, China)

【Abstract】The configuration features of the oxygen generating system for blast furnace ironmaking process and COREX process are discussed. The focuses in the configuration of oxygen generating system in united steel enterprises are analyzed, such as the purity, pressure and pressure step-up process of oxygen, nitrogen and argon, the configuration of pipe network and system security, the overall layout of oxygen station and noise suppression.

【Keywords】oxygen generating system; configuration; process

作者简介：张志义（1962－），女，1984年毕业于上海同济大学燃气热能专业，高级工程师，现从事冶金系统燃气技术工作。

收稿日期：2015－07－13

【中图分类号】TB6

【文献标识码】B

【文章编号】1006-6764(2015)10-0028-04