大型变压吸附氧气分离法在冶金生产中的应用

2019-04-15李鹏

世界有色金属 2019年2期

李鹏

（甘肃工业职业技术学院，甘肃天水 741025）

由于自然能源在工业领域应用的逐渐短缺、生产成本的日益增高以及生态保护需求的提高，节省自然资源、降低生产成本以及消除或降低生态污染已经成为如今我国绝大部分工业需要着重解决的关键问题[1]。而氧气作为我们日常工业生产的一种助燃气体，在金属冶炼、化学工业等领域内有着非常广泛的使用，在绝大多数状况下，这种应用不单单是工业技术上需要，更是为了实现工业生产上节能减排、经济效益上增产增效。最近几十年一来，工业用氧的需要程度越来越大，大型变压吸附氧气分离设置在这几十年中也获得了令人惊讶的发展。最近几年以来大型变压吸附氧气分离制氧装置在有色金属冶炼中也获得了非常宽泛的使用。因为绝大多数的冶金生产对氧气纯度的需求程度并不高，而大型变压吸附氧气分离制氧装置由于易于操作、手段灵活、节能减排的特点可以非常好地满足冶金生产的经济和生产需求[2]。有色冶金技艺中逐渐使用富氧替代空气冶炼，能够大幅度地提高炉温，进而增加熔炼效果，减少氮气的摄入量，达到节能减排目的的同时也降低烟气的排放量。所以，富氧在有色冶金领域的应用能够带来非常大的社会效益和经济利益，且有利于生态保护。

1 大型变压吸附氧气分离法在冶金生产中的应用

在有色金属的冶炼环节之中，通过富氧来去代氧气，是如今冶金行业内部加强生产效益、降低能源消耗成本、减少生态环境的污染、强化冶金技术的技艺水平、提升社会效益河北经济效益的有力手段。在全世界范围内，改革老化冶炼工厂的传统技艺水平、研发新兴技艺水准都广泛使用富氧。大多数状况下氧气是根据深冷制造法获取的，而传统的深冷制造法中的制氧技术虽然拥有技艺熟练、运转稳定的优势，但也存在投资成本比较高、运转成本比较高以及易燃易爆等缺点。最近几十年以来，变压吸附制氧工艺的发展速度逐年增加，其在操作简单、灵活多变的用氧场所中具有极高的优势，存在非常高的社会竞争力，因而在冶金产业内被迅速推广。

（1）高炉冶炼。高炉冶炼的生产环节过程中是离不开焦炉生产的参与，而焦炭生产环节明显的内部运行特征便是投资成本比较高、操作环节比较复杂、存在对焦炉生产燃料极高的依赖性，且对生态环境的污染程度也比较严重。在高炉冶炼的具体生产环节中，我国如今用在工业生产的燃料经费在生铁成本总经费中大约占到百分之二十五，为了大幅度降低焦炭使用量和成本，降低对环境的污染，提高高炉冶炼的生产率，国内目前已经开创了适宜我国经济和自然能源国情的高温度、低富氧、大操作的技术执行力。另一方面，高炉冶炼富氧百分之一就能够大幅度增产百分之五，风口原理燃烧温度提高到三十五一四十五摄氏度的时候，允许添加的有色金属含量加就会高达十二至二十千克/吨，进而促使熔炉的发热值大幅度提高了百分之四。为了维护高炉的正常运转，其理论上要求的基本燃烧温度必须大于二百摄氏度。高炉喷粉的含量需要达到20千克/吨，这也会推动理论基本燃烧温度降低到二十摄氏度(无烟化)至三十摄氏度(烟气)，因而当有色金属含量大于140千克/吨的时候就有必要进行富氧鼓风；大于150Kg的时候其富氧就会不可或缺了。换句话说，富氧的纯度必须控制在大于百分之九十七的范围最好。在工业应用固有炼钢余氧的时候，一旦有能力的时候就能够为冶炼构建一个专门化的变压制氧机。特别是在我国社会主义市场经济体制下焦炭生产成本常年居高不下的前提状况，具备节能减排、低含量富氧的冶金技术就很有必要了。因而对于中小型高炉设备完全可以采取VPPA高压条件下制氧，一台或者几台设备进行并联。富氧压力需要视氧地点的不一样，采取的手段以及氧气结构也会随之不一样。

（2）熔炉富化。在有色金属冶炼过程当中，其熔炉对富氧的燃烧使用是和高炉富氧鼓风机理论中空气能够大量产生极高的火焰温度，这能够大幅度的促使熔炉的热容量提高到百分之二十至百分之四十左右，大大减低了燃料消耗量(外国应用天然气的时候能够提高到百分之五十左右)，且不增加烟气污染，从而大大延长了熔炉的生产寿命。富氧燃烧的优点就是可以提高环境保护程度，由于燃烧时间内中产生的氮氧化合物(NOx)需要持续向大气排放烟火气体，从而造成大气污染。利用富氧取代空气可以取消燃烧环节内的大部分氮气，所以氮氧化物(Nox)的大气排放量也得到了降低。

（3）吸附器及其气流分布器。吸附器及其气流分布器，用于变压吸附制氧装置的关键吸附器，更是制氧设备的中心设备。为了大幅度降低空气阻力，消除气体对吸附剂产生的不利影响，就必须严格控制吸附器中空气塔的主要流动速度。所以，相对而言，吸附器一般情况下会具备比较大的直径用以降低其流动速度。虽然吸附器加大直径可以有效确保比较低的流动速度，但想要实现气流分布均匀就比较麻烦了。可是在这个过程中，变压吸附制氧仪器的吸附器就需要实现气流分布均匀才可以有效利用吸附剂；而一旦气流分布不均，就势必会导致局部流动速度过大,对仪器长期使用寿命产生消极影响，大大降低氧气的纯度。

2 大型变压吸附氧气分离法在冶金生产中的应用结果

大型变压吸附氧气分离法采取的是鼓风炉进行熔炼，其中联吹炉更是国内中小型有色金属冶炼行业中被广泛应用的新型工艺。由于联吹炉的炉龄普遍情况下应该是八十天左右，且两台炉子必须定期定时进行更替检修，所以鼓风炉进行高温作业的时候就必须随着联吹炉的工作周期进行调整。当其中一台联吹炉进行作业的时候，其制氧设备仅仅需要开关组合就可以满足冶金生产中的用氧需求。试营业期间，熔炼制酸体系内部因为仪器或手续发生故障的时候，其制氧装置就能够随时开关，且做到即时停、送氧，大大方便了冶金生产的运行。为保证本文提出的大型变压吸附氧气分离法的有效性，进行实验论证。为保证实验的严谨性，采用传统深冷法制氧作为实验论证对比，具体对比见下表。