新模式下南钢制氧生产保供创新优化

2020-12-07兰振强

冶金动力 2020年11期

关键词：制氧制氧机深冷

兰振强

（南京钢铁联合有限公司制氧厂，江苏南京 210035）

1 南钢制氧单元介绍

1.1 制氧装置装备概况

制氧单元现有5 套深冷空分装置，将建4 套变压吸附（VPSA）制氧装置，合计产量：氧气（折合纯氧）14 万m3/h，氮气15 万m3/h，中压氩气3200 m3/h。

（1）深冷空分装置配置

深冷空分装置可同时生产氧气、氮气、氩气、液氧、液氮和液氩产品，氧气产品纯度在99.6%O2以上，氮气产品含氧量≤10×10-6，氩气产品含氧量≤2×10-6、含氮量≤3×10-6。1#、2#、4#制氧为外压缩装置，3#、5#制氧为内压缩装置，1#制氧既可压送低压氧又可压送中压氧，2#制氧只能压送低压氧，3#、4#、5#制氧只能压送中压氧。深冷空分装置配置情况如表1。

表1 深冷空分装置配置表

（2）深冷空分装置工艺

主要工艺为，原料空气经自洁式过滤器除去灰尘及其它机械杂质，再压缩至0.5 MPa 左右，经预冷系统得到冷却和洗涤后，进入切换使用的分子筛纯化系统除去二氧化碳、部分碳氢化合物及水份等。空气经净化后分两路进入分馏塔，根据氧、氮、氩沸点不同进行物理精馏，下塔主要分离出液氮产品，上塔分离出氮气、氧气、液氧产品，然后在粗氩塔和精氩塔中分离出纯氩产品。

（3）VPSA制氧装置及工艺

VPSA 制氧装置主要由鼓风机、真空泵、切换阀、吸附器、氧气缓冲罐和氧压机组成。原料空气粗滤后经罗茨鼓风机增压至45 kPa 左右进入吸附塔，水份主要被底部的活性氧化铝吸附，氮气等组分被沸石分子筛所吸附，而氧气、氩气等作为产品气输出。当该吸附塔吸附饱和后,通过自动控制均压、降压过程,将吸附塔死空间内的部分氧气回收,同时将吸附塔压力降至微负压，再利用罗茨真空泵抽真空至-53 kPa左右进行解吸再生。

VPSA 的每个吸附塔都交替执行以下步骤:增压-吸附-解吸-均压，其主要性能指标如表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 制氧全部正常生产状态下，中压氧气供应能力为8 万m3/h，压力2.6 MPa；低压氧气供应能力为6.6 万m3/h，压力0.7 MPa；中压氮气12 万m3/h，压力2.3 MPa；低压氮气5 万m3/h，压力0.7 MPa；中压氩气3 200 m3/h，压力2.6 MPa；详见表3。具体供应量根据公司的需求作不同生产组合，灵活调整5 万～14 万制氧模式，做到氧、氮、氩兼顾，保证生产使用，减少放散，经济运行。

表2 VPSA主要性能指标参照表

（2）低压氧分配

低压氧有深冷空分≥99.6%氧气和VPSA≥80%氧气组成，为确保氧气管道的安全流速和经济供应，根据公司生产用氧变化情况，对供氧模式进行动态调整，各模式下低压氧气分配和氧气纯度变化如表4。

2 公司用户对氧、氮、氩产品需求特点

2.1 氧、氮、氩的主要用途

氧气具有强氧化性，作为助燃剂，转炉、电炉、轧钢等用户要求氧纯度不低于99.2%，炼铁高炉、燃供厂等主要用于富氧燃烧用户对氧纯度要求不太高。氮气具有窒息性，作为密封气、保护气、吹扫气、仪表动力气，在炼钢厂、炼铁厂、轧钢厂、燃供厂、燃气厂、烧结厂、发电厂、水厂等广泛使用，一般要求含氧量不超过1%。氩气作为目前工业上应用很广的稀有气体，它的性质十分不活泼，主要使用在钢水搅拌、保护气，主要用户为炼钢厂的转炉、电炉、精炼炉、连铸等。

表3 氧、氮、氩气生产能力配置表 m3/h

表4 各模式下低压氧气用量、氧气纯度指导表

2.2 特殊情况的安全保供

为确保氧气使用安全流速，一铁厂中压氧总流量控制不超过30 000 m3/h，低压氧总流量控制不超过45 000 m3/h；二铁厂低压氧总流量控制不超过40 000 m3/h，4#高炉中压氧总流量控制不超过20 000 m3/h，5#高炉中压氧总流量控制不超过20 000 m3/h。

若遇到制氧机组跳车等突发事件：当低压氧气压力不足时，高炉根据富氧需求可适当增加中压氧用量，以补充低压氧缺口；当中压氧气压力不足低于1.5 MPa，首先考虑停制氧厂液化装置，其次增加其它制氧机至满负荷，最后减少两个铁厂氧气用量，氧压一旦低于1.3 MPa，高炉停富氧；当氮气不足，低于1.8 MPa，首先停液化系统，其次考虑一炼钢或二炼钢的转炉短时停炼，直到压力回升。一旦发生大面积停电造成制氧机跳车，立刻安排停止液化系统的运行，同时停止2 个炼铁的富氧，一、二炼钢厂转炉陆续停炉，尽快恢复后备汽化系统供电，启运氧、氮汽化泵，必须保住一铁厂和二铁厂的氮气压力不低于0.8 MPa。

3 创新优化，协同创效

3.1 创新低压氧供应模式，高炉氧气保供流程再造

南钢现有三个制氧站区，各区域通过现有氧、氮、氩管廊互相沟通，并送全厂用户使用。之前制氧厂送至各用户的氧气均为中压氧气，压力为2.2～2.7 MPa，由各用户根据自身需要调压使用。高炉富氧氧气在制氧机将常压氧气（15 kPa）压缩至3.0 MPa 中压氧气后，再在高炉富氧前减压至0.65 MPa 左右后混入鼓风机后冷风管道使用，前端制氧厂在增压、调压过程中损失大量能耗，能源浪费较大，安全风险也较高。

经综合研究，决定新建低压氧气管网，1#、2#空分装置处氧气总管管径为DN400，1#、2#区域需通过低压氧管道实现联通（该段长度约1.3 km），在同心路处分两支：一支为DN400 管道至一铁厂鼓风机站，另一支为DN400 至二铁厂富氧站，管道全长约6.3 km。以生产低压（0.8 MPa）氧气不放散为原则，将常压氧气（15 kPa）压缩至0.8 MPa 后单送高炉直接富氧，可节约氧气压力从0.8 MPa 升至2.7 MPa 的电能消耗。实施后，氧压机电流从原250 A 降低至134 A，压氧能耗由0.19 kWh/m3降至0.105 kWh/m3，节能效益明显，同时氧气管道和高炉氧气调节阀安全风险降低，安全系数大幅度提高。

3.2 制氧系统再挖潜，生产工艺再优化

1#、2#制氧机分别于2003 年和2005 年建成投产运行，筛板塔下塔阻力高且无法变负荷操控，相比当下制氧行业新设备、工艺、自动控制等有改进提升空间。若对制氧机单体设备节能改造和系统工艺流程优化，为制氧机变负荷提供基础，实现制氧节能运行目的。

经过反复调研和可行性分析，做如下创新优化：

（1）在不拆除氧氮精馏塔下塔的前提下，采用现场拼接组装的方式，将下塔由72层筛板塔改为54层高效填料塔。

（2）对空分塔内工艺管线进行优化和改造，满足制氧机变工况运行条件要求。

（3）建立老制氧机不同负荷下生产运行稳态和动态控制模型，开发自动变负荷控制系统，实现1#、2#制氧自动变负荷控制。

（4）将空压机出口翻板单向阀改为最新轴流单向阀，降低空压机出口压力。

（5）在现有分子筛区域新增1台蒸汽加热器，充分利用公司低品位蒸汽来节约分子筛加热电耗。

综合挖潜后，装置阻力下降30 kPa，下塔阻力100%工况下由20.44 kPa下降至3.17 kPa，为目前行业内改造业绩最佳水平；液氩产量提升300 m3/h；装置实现变负荷能力80%～105%，变负荷速度达到2 min/1%，达到国际领先水平；三台分子筛系统增设蒸汽加热炉，节电600 万kWh/a；制氧机信号进EMS 系统，实现公司氧气能源管理大系统平衡智能制造。该项目进行多项节能挖潜改造，实现了制氧机柔性生产，有效减少制氧系统氧气放散和生产成本。氧气放散率从2%降至0.2%，制氧装置氧气供应单耗从 0.754 kWh/ m3下降至0.632 kWh/m3，降幅达16%。

3.3 生产智能管控

根据南钢新模式下用氧特点，建立中压氧、低压氧、吸附氧运行组合模型，制定生产调度规则。随着中压氧、低压氧、吸附氧组合投用，中压氧气主要给炼钢、各轧钢厂等使用，吸附氧和空分低压氧并网后主要给高炉使用，制定氧气分质、分压调度管理规定，对生产管理人员和调度进行培训，确保氧气生产和使用柔性衔接。同时测算公司各状态下2 个铁厂和3 个炼钢中压氧、低压氧、吸附氧使用量，将建立5 台深冷空分制氧+4 台VPSA 制氧不同组合生产模型，靠信息化手段动态调整，打造智能制氧，确保制氧系统经济运行。

另外，完善EMS 系统对制氧机组的数据采集，使系统工序能耗数据得以完善，通过报表管理，形成制氧的生产日报、工序单耗、单位用电成本等综合统计报表，为南钢财务日成本统计提供数据支撑,为在生产全过程中实现较好的节能、降耗和环保创造条件。

3.4 供需协同创效

掌握炼铁富氧关键环节，站在大系统的层面协同综合优化，实现系统大降本。由于低压氧管网没有管容缓冲，低压氧气总量必须小于高炉富氧总量，炼铁高炉富氧，需优先使用低压氧气，不足部分使用中压氧气补充，杜绝低压氧气放散、中压氧气气化的能源浪费现象。炼铁高炉调度根据制氧调度分配低压氧气量，分别对内部高炉低压富氧做好安排与分配，若有高炉停氧操作，内部进行低压氧重新分配调整。中压氧根据管网压力和公司检修情况，可通过深冷空分变负荷、启动液化设备液化、开停机等手段进行调整，也可结合钢铁实际计划产量，通过多转低压氧气进行动态平衡。高炉检修，要全停4 套VPSA。若电炉或1 座转炉检修，高炉富氧不减，通过铸铁维持铁、钢平衡，则可以保持负荷不动，汽化压力尽量在1.6 MPa 操作执行。若高炉富氧低于70 000 m³/h，先考虑退增氧、空分转液氧工况、同时视中压氧气管网压力4 套机组同比例减负荷。

另外，随着设备、产品与技术革新，一线用户对氧、氮、氩产品质量的要求越来越高，生产中遇到的专业技术性难题也越来越棘手。双方建立有效的沟通服务机制，及时互动并解决氧、氮、氩使用中遇到的难题，方能切实做到协同创效。