杨泽萌

(1.北京首钢国际工程技术有限公司能源环境分公司热能事业部，2.北京市冶金三维仿真设计工程技术研究中心)

随着国家“碳达峰、碳中和”政策的深入推进，钢铁行业低碳、绿色、高效冶炼技术得到广泛关注。提升高炉富氧率作为增强冶炼强度的低碳技术正处于高速发展阶段。国内众多大型钢铁联合企业，高炉富氧率普遍维持在2%～7%。富氧率的提高能够在炉内为介质燃烧创造良好氛围，使燃烧反应更加充分，对高炉冶炼产品整体品质的提升有重要意义。但是，为实现钢铁企业现有高炉的进一步富氧改造，需解决诸如制氧技术方案、富氧方式、氧枪匹配等一系列问题。

目前，国内大型钢铁联合企业制氧站均采用深冷法进行空气分离制取氧气、氮气。空分制氧站规模主要根据炼钢用户对氧、氮和氩气的用量、纯度与压力的要求进行匹配，同时兼顾高炉炼铁、烧结及其它小用户等。对于内压缩型空分，冷箱出口氧气由液氧泵提高氧气压力至1.6～3.0 MPa。高炉富氧水平较低的企业，炼铁氧气根据炼钢需求进行调压匹配，将中、高压纯氧(一般≥99.6%)降至低压后送入鼓风机后冷风管，进行机后富氧。目前，国内大多数企业主要采用该方法进行富氧，既造成氧气能级的损失，也是对氧气品位的浪费。由于高炉富氧对纯度要求较低，且深冷制氧机后富氧方式存在不足，因此，选择适用于高炉富氧的低成本制氧技术与富氧方式至关重要。

1 高炉富氧现状与优势

为降低高炉焦比、提高煤比，目前宝武、首钢、马钢等大型联合钢铁企业在高炉富氧强化冶炼领域进行技术攻关。根据调研，国内主要钢铁企业炼铁高炉富氧现状见表1[1-8]。

根据理论燃烧温度公式进行核算，高炉鼓风富氧率每提高1%，高炉内介质的理论燃烧温度提高35～43 ℃。由表1可知，高炉鼓风富氧率每提高1%，高炉喷煤比提高3.5～20 kg/t，高炉焦比降低3.0～18.5 kg/t。同时，随着富氧率的提高，炉内氧气浓度升高，CO燃烧更加充分，使得高炉煤气发生量显著提高。因此，高炉富氧过程具有降低冶炼成本、增强冶炼强度、低碳节能环保的作用。

表1 国内钢铁企业高炉富氧现状

2 高炉富氧应用方案

2.1 应用实例

国内某大型钢铁企业共有3座高炉，单座高炉建设阶段设计富氧率为5.5%，高炉鼓风采用降压机后富氧方式，氧气流量约35 000 m3/h。结合炼钢连铸及其它小用户氧气平均用量核定深冷空分建设规模，目前制氧作业区制氧机组氧气产能为2.3×105m3/h，高炉实际富氧率维持在6%～7%，基本实现氧气供需平衡。为响应国家能源环保要求以及“双碳”政策，进一步降低高炉冶炼焦比，提高煤粉喷吹量，计划将3座高炉富氧率提高至9%；统筹考虑进一步提高富氧能力、改善富氧方式，远期规划高炉富氧率≥12%。因此，需要在深冷法氧气平衡基础上新增低成本的制氧、富氧设施，在增强冶炼强度条件下降低冶炼成本。

2.2 变压吸附制氧

V=Q(C1-21)/(C-21)

(1)

式中：V为高炉富氧鼓风氧气用量，m3/h；Q为炼铁提供鼓风量，m3/h；C1为设定的富氧浓度，%；C为氧气浓度，%。

由公式(1)计算可知，当富氧率提高至9%时，高炉鼓风需增加纯氧约48 000 m3/h。而氮气仅在高炉富氧系统的氧气流量调节、快速切断阀后使用，实际需求量约3 000 m3/h。可见，高炉富氧项目对氧气需求量大，对氮气需求量可忽略。仅针对炼铁区域高炉用户选择深冷法进行空气分离，不仅投资大、运行成本高，且制取的氮气放散会造成能源浪费。因此，根据实例特点，需另外配置投资规模小、运行成本低、纯度符合鼓风要求的制氧方案。

真空变压吸附(VPSA)制氧是除深冷法外，应用最成熟且运行成本相对较低的制氧方案，其广泛用于对氧气纯度要求低、氮气需求量小的玻璃、有色冶炼和曝气生化等行业。VPSA利用具有吸附选择特性的吸附剂实现氧氮分离，由于氧气、氮气分子偶极矩不同，氮气在压力状态下被吸附，氧气在气相富集后流出吸附床；抽真空状态下吸附的氮气脱附，吸附剂通过压力变换实现再生。VPSA与深冷法制氧相关性能指标见表2。结合实例，高炉富氧中的低成本制氧技术宜采用VPSA方案。

表2 VPSA与深冷法制氧技术对比

2.3 高炉富氧方式

高炉鼓风富氧根据氧气管道连接位置不同，分为机前与机后富氧两种方式。在实例中，制氧作业区深冷空分3.0 MPa氧气输送至炼铁区域后，经两级调压至0.6～0.8 MPa送入冷风管道进行机后富氧，富氧率最大维持在7%。基于此，为进一步提升高炉富氧率，在保证机前富氧安全的前提下，应尽可能采用机前富氧方式。这是由于VPSA制备的氧气压力为15～45 kPa，采用机前富氧方式氧气无需增压，可在鼓风机前通过混氧器使气相混合均匀后送入高炉系统。根据生产区域或容器内氧气动火极限与风机安全性能要求，机前富氧≤23%符合安全用氧规定[9]。因此，实例高炉富氧率提高至9%，全部采用机前富氧形式。远期计划富氧率提升至12%，新增氧气可通过外置氧压机进行增压，再采用机后富氧形式与冷风管道连通。应用实例中，企业远期规划的高炉富氧方式与工艺流程，如图1所示。

图1 高炉富氧方式与工艺流程

3 方案对比分析

3.1 VPSA方案对比

根据鼓风机与真空泵工作原理的不同，VPSA制氧分为罗茨风机、真空泵变压吸附制氧工艺和离心风机、真空泵变压吸附制氧工艺；吸附塔主要有2塔、3塔、5塔与7塔工艺。目前，以罗茨风机、真空泵配合2塔的VPSA工艺技术成熟度最高、应用最广泛。但是，该工艺国内单体最大能力仅7 500 m3/h，制氧规模较大的项目需多套机组，占地面积大；方案共需8套，氧气纯度80%。2018年后，以离心风机、真空泵配合3塔的VPSA工艺技术已有大型工程应用案例；方案单体规模15 625 m3/h，共4套，氧气纯度80%。两种VPSA制氧方案在技术、经济等方面的对比分析如表3所示。对于氧气需求量小、纯度要求较低的项目，适于采用罗茨风机、真空泵配合2塔VPSA工艺，技术成熟稳定、可靠性高。而对于氧气需求量大的项目，应考虑单机能力，平衡多套机组的耦合效应。应用实例需根据项目实际采取定性与定量相结合方式进行方案比选。

表3 不同VPSA制氧方案的技术、经济性能对比

3.2 定性分析与比选

结合应用实例特点，采用机前富氧方式将高炉富氧率提高至9%。经核算，VPSA方案制氧60 000 m3/h(氧气纯度80%)。项目定性分析采用德尔菲法进行方案比选，邀请专家人数不少于20人，包括行业内技术、经济和管理领域专家。根据两方案在工艺流程、消耗定额、自动控制、公用工程、三废排放、占地面积、人力资源、风险防控等不同维度的先进性、适用性、可靠性进行打分。通过数理统计、加权平均法进行比较，从而优选适宜该项目的工艺方案。除德尔菲法外，也可将价值工程理论[10]应用到实例中，比较在相同投资限额下的方案效益值；其中，量化指标仍采用专家打分方式，针对效益指标赋予不同权重值，求得方案加权平均值。通过不同领域专家两轮打分汇总后，离心风机、真空泵配合3塔的VPSA工艺技术更适用于项目。

3.3 定量分析与比选

应用VPSA方案比选在资源约束条件下进行，定量分析采用Weingartner整数规划法。Weingartner目标函数F(x)和资源约束条件分别如公式(2)和公式(3)所示。根据应用实例特点，VPSA方案为互斥型关系，可接受其中1个方案，也可全部拒绝，因此，VPSA方案约束条件如式(4)所示。将各VPSA方案预计的财务净现值、初始投资代入目标函数与资源约束条件公式，结合方案间互相约束关系，在MATLAB中建立模型。通过计算可知，离心风机、真空泵配合3塔的VPSA工艺技术的x值为1，即该方案经定量分析比选后可被接受。

(2)

(3)

(4)

式中：m为VPSA方案数目；NPVi为备选方案净现值；Ri为方案初期资源投入值；Rt为方案资源投用总值；xi为决策变量，接受方案取值1，拒绝方案取值0。

4 结论

为落实国家“双碳”政策，钢铁行业高炉高富氧、强冶炼模式将得到进一步发展。在此背景下，构建适用于高炉富氧的低成本制氧技术与富氧方式对钢铁联合企业至关重要。结合应用实例，将VPSA制氧技术与机前、机后富氧方式统筹规划，应用于高炉富氧。对变压吸附制氧方案进行比选与分析，提供定性与定量分析方法，供企业借鉴。最终，选择了离心风机、真空泵配合3塔的VPSA工艺方案。该方案是目前国内单体规模最大的VPSA制氧工艺，技术先进。进入新时代，在国家低碳节能环保政策引领下，科技人员与企业均应树立责任意识，以技术创新为突破，勇于创新方式方法，加快推进行业“碳中和”目标进程。