空分装置在钢铁行业的应用（常规高炉冶炼和熔融还原工艺及用氧计算）

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钢铁企业冶炼生产工艺中需大量使用氧气、氮气、氩气等工业气体。氧气主要用于高炉、熔融还原炼炉、转炉、电炉冶炼；氮气主要用于炉子密封、保护气、炼钢精炼、转炉溅渣护炉、保安气体、传热介质及系统吹扫等；氩气主要用于炼钢精炼等。为适应生产要求，保证生产安全稳定运行，大型钢厂均配置有专供的制氧站和氧氮氩动力管网系统。




大型全流程钢铁企业目前配置的常规流程为：焦炉、烧结、高炉炼钢、转炉电炉炼钢、轧钢工序等。因强调环境保护，简化工艺流程，国际钢铁行业近代开发出铁前区域短流程工艺-熔融还原炼铁，在一个冶炼炉中直接将铁矿原料还原为铁水。



两种不同冶炼工艺流程需要的工业气体有较大差别，常规冶炼高炉需要氧气量占钢厂总需氧量28%，炼钢需要的氧气量占钢厂总需用量的40%；而熔融还原（COREX）工艺炼铁生产需要氧气量占钢厂总需用量的78%，炼钢需用的氧气量占钢厂总需用氧气量的13%。



上述两种流程尤其熔融还原炼铁工艺在我国已经开始推广。




钢厂用气要求:



高炉冶炼的供氧主要作用是冶炼中保证一定的炉内高温，而不是直接参与冶炼反应。氧气混入高炉鼓风中，参混为富氧空气进入高炉。以前工艺提出的鼓风富氧效率一般在3%以下，随着高炉工艺的改进，为了节约焦炭，采用大喷煤工艺后，以及为满足高炉生产提升产量，要求鼓风富氧率提高到5∽6%，用氧单耗达60Nm3/T铁。



因高炉用氧参混的是富氧空气，所以氧气纯度可为低纯度。



熔融还原炼钢工艺氧气需要参与冶炼反应，其用氧量与炼钢产量直接成等比关系，熔融还原炉用氧单耗为528Nm3/t铁，是高炉流程用氧量的10倍。熔融还原炉要求维持生产的最小供氧量为正常生产用量的42%。



熔融还原炉要求的氧气纯度大于95%以上，氧气压力为0.8∽1.0 MPa,压力波动范围要求控制在0.8MPa±5%，氧气必须确保有一定时间连续量的供应，例如对于COREX-3000炉，需考虑液氧贮备550t。



炼钢工艺与高炉、熔融还原炉冶炼方式不同，转炉炼钢用氧为间断使用，吹氧时负荷大，并且氧气参与冶炼反应，其需要氧量与炼钢产量有直接的等比关系，用氧单耗约为60Nm3/t钢，要求的氧气压力大于1.4MPa,氧气纯度≥99.5%。



为了提高转炉使用年限，目前钢厂普遍采用氮气溅渣护炉工艺技术，氮气为间断使用，使用时负荷大，要求的氮气压力大于1.4MPa。



炼钢精炼需要氩气，随着产钢品种提升，精炼要求更高，用氩量逐步增加。



冷轧机组用氮量要求单耗达50∽67Nm3/t,随着钢厂轧钢区域冷轧机组的增建，钢厂的用氮量提升很快。



电炉炼钢主要利用电弧热，在电弧作用区，温度高达4000℃。冶炼过程一般分为熔化期、氧化期和还原期，在炉内不仅能造成氧化气氛，还能造成还原气氛，因此脱磷、脱硫的效率很高。中频电弧炉是一种将工频50HZ交流电转变为中频（300HZ以上至1000HZ）的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，供给由电容和感应线圈里流过的中频交变电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，并切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。氧单耗达42∽45 Nm3/t。



平炉炼钢工艺用的原材料为：①钢铁料如生铁或铁水、废钢；②氧化剂如铁矿石、工业纯氧、人造富矿；③造渣剂如石灰（或石灰石）、萤石、铁矾石等；④脱氧剂和合金添加剂。



氧气作用为提供氧化性气氛，平炉熔炼室内燃烧气体（炉气）中含有O2、CO2、H2O等，在高温下，强氧化性气体向熔池供氧量每小时可达金属重量的0.2～0.4%，对熔池起氧化作用，使炉渣始终有较高的氧化性。



提示：单靠炉气供氧，速度慢，加铁矿石或吹氧可加速反应过程。



钢厂用氧特点：氧气放散和用氧调峰。



怎样满足钢厂用氧需求？一般采取以下方式满足：



*  采用变负荷，自动化程度高的先进控制，以减少氧气放散，可以多套组合

*  应用传统方式采用多组调峰球罐，以加大缓冲力度，使得某一时间段内用氧总量稳定，可以减少氧气放散量，同时减小装置规模

*  在用氧低谷时，采用抽取液氧方式将多余氧气抽出；用氧高峰时，采用汽化方式弥补氧气量；当液氧外抽量受冷量不足限制时，采用外液化方式将放散氧气液化，采用汽化方式将液氧汽化

*  采用多家钢厂联合并网供气，根据用气时间点的不同，使得总供氧规模稳定




空分装置的配套工艺



在制定制氧站的工艺方案时需要对机组能力、产品纯度、输送压力、升压工艺、系统保安、总体布置、噪声治理做专题认证。



大型钢厂用氧量大，例如年产1000万吨钢厂的高炉工艺流程用氧量要达到15万Nm3/h，年产300万吨钢厂的熔融还原炉工艺流程用氧量要达到24万Nm3/h，目前配套成熟特大型空分装置为6∽10万等级，在选择装置规模时应当从总设备投资、运行能耗、备件维护、占地面积等方面考虑。



钢厂炼钢用氧计算




例如单台炉子，周期是70min,用气时间50min。用气时用气量为8000Nm3/h，则需要空分装置（连续）产气为总气量8000×（50/60）÷（70/60）=5715Nm3/h.则空分装置可以选择5800Nm3/h。



一般吨钢用氧量为42-45Nm3/h(每吨)，需要两者核算，并且以此为准。



当前我国钢铁企业的产能已跃居世界前列，但特种钢材尤其一些关乎国计民生的重要领域用钢仍然依赖进口，所以以宝武钢厂为首的国内钢铁企业任重而道远，对于高精尖领域的突破尤为紧迫。



近年来钢铁行业对空分产品的需求越来越多样化，许多用户不仅需要氧气，而且需要高纯度的氮气和氩气，甚至其它稀有气体。目前武钢、首钢等几大钢厂均已有多套全提取空分装置在运行，空分装置副产稀有气体不仅可以满足国民生产需求，而且可以较大的经济效益。



随着钢厂的大型化发展，与其配套空分装置也向大型化迈进，空分行业在经历了数十年的大发展后，国内空分企业也在积极赶超世界领先企业，国产供货商以杭氧股份等空分制造厂为代表，已研发出8-12万等级的超大型空分设备，稀有气体装置国内也已成功研发，电子特气国内起步较晚，但也在加大研发力度，相信随着科学技术的进步，我国气体分离行业将会走出国门、走向世界。