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國內變壓吸附制氧技術的發展現狀及應用創新

2020-10-29 11:08:00

中國冶金報 中國鋼鐵新聞網
蘭娜 王慶

  近20年來,國內經濟穩定快速發展,鋼鐵、有色冶金、化工、爐窯、環保等行業生產工藝不斷升級與革新,對于氧氣的需求也日益增大,促進了深冷空分工藝、變壓吸附制氧工藝及膜分離工藝等制氧技術的發展。由于產品純度太低,限制了膜分離工藝的適應性;而國內深冷工藝和變壓吸附工藝取得了長足進步。在新型鋰基吸附劑國產化以及徑向吸附塔開發取得突破性進展后,變壓吸附制氧工藝在國內得到了廣泛的使用和用戶的積極認可。

  變壓吸附制氧技術進展

  變壓吸附制氧技術開發始于20世紀60年代,20世紀80年代初美國和日本相繼實現工業化。近幾年,隨著永磁電動機的開發及制氧工藝的優化,國外變壓吸附制氧電耗最低已降到0.3kW·h/m3以下,雙塔制氧最大規模突破6000Nm3/h以上,變壓吸附制氧成本得到進一步降低,制氧規模逐年增大。

  我國從20世紀80年代末期開始研究變壓吸附制氧技術,直到20世紀90年代初才有了小型工業化裝置。2000年初,以北京北大先鋒科技有限公司為代表的高效鋰基吸附劑生產及采用鋰基吸附劑的變壓吸附制氧工藝的工業化,使國內變壓吸附制氧技術有了快速的進步及廣泛的推廣。目前,北大先鋒建設的變壓吸附兩塔裝置規模已達到6000Nm3/h,純氧電耗也接近0.3kW·h/m3。

  隨著變壓吸附制氧技術一些關鍵性問題,如高效鋰基吸附劑穩定生產、徑向床吸附器的研發、可靠的高頻率以及大口徑蝶閥開發等得以解決,國內變壓吸附制氧技術的產氧規模逐年增大,氧氣電耗逐漸降低,裝置的可靠性穩步提升。裝置規格也從最初的單套兩塔制氧裝置規模不足1000Nm3/h發展到了如今的6000Nm3/h,多塔并聯后規模達到30000Nm3/h以上,單位制氧電耗降低到0.32 kW·h/m3以下,制氧裝置的年開工率達到98%以上。鼓風機的噪聲已達到85dB以下的要求(通過消聲處理、廠房外1m噪聲可以達到70dB以下),大口徑蝶閥無故障率普遍達到8000h以上,分子篩壽命更是延長到了5年以上,讓用戶對國產變壓吸附制氧設備有了嶄新的認識,擴大了變壓吸附制氧設備的應用。僅2018年一年,國內規模超過1000Nm3/h以上變壓吸附制氧裝置建設就超過70套。

  國內如北大先鋒等企業通過不斷努力,改變了變壓吸附制氧分子篩依賴進口的局面,同時在鋰分子篩等產品領域取得了突破,并實現新型分子篩產品的工業化應用。隨著變壓吸附制氧技術的發展與完善,相比深冷制氧技術,變壓吸附制氧技術逐漸形成許多獨特優勢,進一步推動了該技術在國內眾多行業的應用。

  變壓吸附制氧技術的特點

  一是制氧能耗和運行成本低

  制氧工藝中,電耗大概占運行成本的90%以上。隨著變壓吸附制氧技術的不斷優化,其純氧電耗已從20世紀90年代的0.45kW·h/m3,下降到如今的0.32kW·h/m3以下,即使較大規模深冷制氧的純氧電耗最低也在0.42kW·h/m3左右。與深冷制氧技術相比,在企業沒有氮氣需求、用氧工序對氧氣純度及壓力要求不高的工況下,變壓吸附制氧技術具有明顯的成本優勢。

  二是工藝簡單、操作靈活、開停車方便

  變壓吸附制氧與深冷制氧技術相比,工藝比較簡單,主要動力設備為羅茨鼓風機和羅茨真空泵,操作相對簡單、容易維護。由于變壓吸附制氧設備開停車不存在降溫和升溫過程,原始開車只需要30分鐘即可產出合格氧氣,短時間停車則幾分鐘便可產氧,而且裝置停車更加簡單,只需要把動力設備和控制程序關停。相比深冷制氧,變壓吸附制氧技術開停車更加方便,大幅度降低了裝置開停車產生的操作費用。

  三是投資省、建設工期短

  變壓吸附制氧裝置工藝流程簡單,主要由動力系統、吸附系統和閥門切換系統等組成,設備數量較少,可以節省設備的一次性投資成本;裝置占地面積小,可以減少裝置土建成本和建設用地的成本;設備加工制造周期較短,主要設備加工周期一般不超過4個月,正常情況下6個月內即可實現產氧要求,相比深冷制氧接近1年的建設周期,大幅度降低了裝置的建設時間。

  四是設備簡單、維修方便

  變壓吸附制氧技術采用的設備如鼓風機、真空泵和程控閥門等全部可實現國產化,備品備件更換容易,可降低成本、工期容易控制;設備維修簡單、售后服務方便,相比深冷制氧所用的大型離心壓縮機的維護,變壓吸附制氧用戶不需要投入大量維護資金和聘用專業維護工人。

  五是負荷調節便捷

  相比深冷液氧技術,變壓吸附制氧在純氧電耗變化不大的情況下,可以實現產量和純度的快速調節。一般產量可在30%~100%調節,純度可在70%~95%調節,尤其當幾套變壓吸附制氧裝置并聯使用時,負荷調節更加容易。

  六是操作安全性高

  由于變壓吸附制氧為常溫下的低壓操作,而且不會出現液氧、乙炔富集等現象,相對于深冷制氧低溫高壓操作,安全性更高。

  變壓吸附制氧技術主要應用領域

  隨著變壓吸附制氧規模逐年增大、可靠性逐年提高及制氧電耗的逐漸降低,同時變壓吸附制氧技術具有操作靈活、負荷調節簡單、電耗低、裝置建設周期短以及安全性高等優點,對于需要靈活使用富氧的行業,變壓吸附制氧技術無疑可成為深冷制氧的替代工藝,其應用范圍也在逐年擴大。近幾年,變壓吸附制氧工藝在鋼鐵、有色冶金、化工、爐窯、環保等行業得到了廣泛應用。

  一是高爐富氧工藝

  隨著高爐富氧技術的發展,高爐已經成為鋼鐵企業主要用氧源之一。在高爐富氧技術最初應用時,高爐可以作為供氧的調節器,產氧量多時,高爐富氧率則高,產氧量不足時,高爐富氧率則低。隨著鋼企對高爐富氧技術在煉鐵工藝的重要性認識逐漸清晰,高爐富氧率的穩定成為低成本、高效煉鐵的重要操作參數。由于鋼鐵企業用氧的工序較多,用氧負荷每周甚至每天都會發生波動,而深冷制氧技術負荷調節性較差,開停車時間長,當用氧量少時,多余氧氣需液化儲存供以后使用或作為產品賣出,有時甚至會出現氧氣放空現象。鑒于高爐富氧用氧壓力低、氧氣純度要求不高等特點,許多鋼鐵企業可在高爐附近建設變壓吸附制氧裝置直接給高爐配套,同時作為鋼鐵企業氧氣供應的調節器,如企業深冷空分產氧氣有余量或不足時,變壓吸附制氧裝置可隨時啟停來控制增減產量為高爐提供氧氣。目前,許多鋼鐵企業高爐采用變壓吸附制氧技術供氧后,大幅度地降低了氧氣的使用成本。高爐采用變壓吸附制氧作為富氧氧源,已在大部分鋼鐵企業形成了共識。

  二是電爐煉鋼工藝

  以前國內大部分鋼鐵企業認為電爐煉鋼需要用深冷空分制純氧,而在日本約有60%~70%的電爐煉鋼企業則采用變壓吸附制93%純度的氧氣法煉鋼。理論上電爐煉鋼主要靠電弧熔化來煉鋼,氧氣只起輔助作用,變壓吸附生產的93%的氧氣完全可以應用于電爐煉鋼。目前,國內如池州貴航金屬制品有限公司、遵義長嶺特殊鋼有限公司和瀘州益鑫鋼鐵有限公司等企業已經開始使用變壓吸附制氧裝置為電爐煉鋼供氧。根據電爐煉鋼企業反饋,采用變壓吸附制氧裝置為電爐供氧,對鋼材質量沒有影響,可明顯降低電爐煉鋼的生產成本。

  三是有色冶金行業應用

  近10年,變壓吸附制氧技術在銅、鉛、鋅等冶煉領域,得到了很高的認可度。多數有色金屬冶煉工藝對氧的純度要求一般在24%~90%之間,用氧負荷變動也比較大,而且有色冶煉企業幾乎不需要氮氣。由于變壓吸附制氧技術具備操作簡單、電耗低等特點,十分適合有色金屬冶煉。目前,銅陵有色、紫金礦業和云南銅業等國內大部分有色冶煉企業均選擇變壓吸附制氧裝置作為富氧來源。包頭華鼎銅業有限公司隨著銅產量的增加以及煉銅工藝的改進,已相繼建設了4套變壓吸附制氧裝置,總用氧規模達到25000Nm3/h以上。云南楚雄銅冶煉廠隨著產銅規模增加,相繼建設了3套變壓吸附制氧裝置,總用氧規模達到30000Nm3/h。

  四是化工等行業應用

  目前,國內部分中小型氮肥廠采用富氧連續造氣工藝對原有間歇制氣工藝進行改進,而富氧的來源多為變壓吸附制氧技術。富氧連續氣化技術對煤的適用性高,提高了制氣裝置的生產能力;國內外大部分造紙企業選擇變壓吸附技術來生產氧氣;變壓吸附制氧技術在其他領域也有較為廣泛的應用,例如玻璃纖維行業浮法玻璃和水泥窯爐的富氧燃燒工藝、垃圾焚燒的富氧助燃工藝、污水處理富氧曝氣工藝以及臭氧等領域。

  變壓吸附制氧技術的發展展望

  變壓吸附制氧技術作為近20年快速發展的制氧新技術,隨著其技術不斷的進步和應用領域的擴大,逐漸得到眾多用氧企業的認可。以降低制氧能耗為目的,開發新型吸附材料以及嘗試與膜分離或深冷工藝進行耦合,通過優勢互補,拓展更大的應用領域,是未來變壓吸附制氧技術的重要研發方向。例如變壓吸附制氧技術與膜分離技術耦合可以獲得純度大于99%的氧氣,在偏遠地區或一些需要移動式裝備的工況下可以替代低溫空分制氧。國內變壓吸附制氧生產企業如北大先鋒都十分注重研發工作,希望通過不斷加大投入爭取在未來的發展中搶占先機。隨著變壓吸附制氧技術日趨完善,變壓吸附制氧技術必將具備多種優勢和巨大的潛力,將擁有更廣闊的應用前景。

來源:中國冶金報-中國鋼鐵新聞網

編輯:陳曦

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