鋼鐵生產(chǎn)與氧氣的關(guān)系及對制氧機的要求
  【摘要】本文介紹了鋼鐵生產(chǎn)與氧氣的關(guān)系，分析了鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)對氧氣制氧機選型的基本要求，最后闡述了鋼鐵企業(yè)氧氣放散等氧氣設(shè)施的幾個問題。
關(guān)鍵詞：空分設(shè)備；鋼鐵工業(yè)；關(guān)系；選型；要求；設(shè)施
中圖分類號：TQll6．11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
1 鋼鐵生產(chǎn)與氧氣的關(guān)系
世界鋼鐵工業(yè)已經(jīng)歷過幾次變革，1865年前后，在英國出現(xiàn)空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法、平爐煉鋼法，后以平爐取代側(cè)吹轉(zhuǎn)爐。為強化平爐冶煉，進(jìn)而采用吹氧操作。1952年奧地利發(fā)明氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法（LD法）后，世界鋼鐵工業(yè)進(jìn)入了一個大飛躍發(fā)展時期。隨著鋼鐵工業(yè)的大飛躍，制氧機迅速向大型化發(fā)展，氧與鋼緊密地聯(lián)系在一起。
美國是繼奧地利之后，世界上較早采用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐的國家。日本從1957年引進(jìn)該技術(shù)并大力發(fā)展，僅十年時間，就把鋼產(chǎn)量從一千萬噸猛增到了一億噸，其發(fā)展速度之快，氧鋼比例之大，當(dāng)時均稱世界第一。而這期間，氧的生產(chǎn)也迅速增加，若1951年氧總產(chǎn)量為100，則1967年就達(dá)到637，十年增長了6．4倍，到1973年達(dá)1998，十六年增長了20倍。日本1973年產(chǎn)鋼突破1億噸。美國到1978年產(chǎn)鋼1．06億噸，消耗氧氣65．23億立方米。鋼鐵部門一直是氧氣行業(yè)最大的工業(yè)用戶，鋼鐵生產(chǎn)用氧量占總氧產(chǎn)量的2／3。
1996年我國鋼產(chǎn)量突破1億噸大關(guān)，近年來我國鋼鐵生產(chǎn)持續(xù)走高，有人預(yù)計2003年鋼產(chǎn)量可超過2．1億噸。鋼鐵生產(chǎn)的增長帶動了氣體行業(yè)的增長，2002年氣體分離設(shè)備行業(yè)所訂大中型空分設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域以鋼鐵為主， 占83．29％[2]。1988～2000年，我國空分設(shè)備行業(yè)共生產(chǎn)大中型空分設(shè)備300套，折合制氧總?cè)萘繛?305815m3／h，其中冶金（鋼鐵和有色）行業(yè)，在空分設(shè)備套數(shù)和制氧容量市場占有率分別達(dá)到60．59％和64．4％。
鋼鐵生產(chǎn)傳統(tǒng)的是長流程，即燒結(jié)、焦化、煉鐵→煉鋼→軋鋼，后來又發(fā)展了短流程，即電爐→ 連鑄→連軋，電爐用氧迅速增長；此外，隨著鋼鐵質(zhì)量的提高和新技術(shù)的發(fā)展，爐外精煉、頂?shù)讖?fù)合吹煉以及濺渣護爐等技術(shù)的采用，不但氧氣用量迅速增加，而且氮氣、氬氣用量也增長較快。高爐富氧鼓風(fēng)、高爐爐頂密封、煤粉噴吹等也是用氧、用氮的大戶。熔融還原煉鐵（corex）技術(shù)的用氧量很大，氧耗在500～700m302／t鐵，使用這項技術(shù)的裝置已在南非及韓國等地建成投產(chǎn)。
國外鋼鐵廠通常在不考慮高爐大量富氧情況時，每1百萬噸鋼配置1萬m3／h的制氧能力，即（萬m3／h02）／百萬噸鋼的比值為1。1999年我國10家鋼鐵企業(yè)制氧機配套規(guī)模統(tǒng)計見表1，其中（萬m3／h02）／百萬噸鋼的平均比值為1．33。
有一個通俗的說法，“有氧就有鋼”，它雖然不夠全面和準(zhǔn)確，但卻從一個側(cè)面形象地說明了鋼與氧的緊密關(guān)系。
2 鋼鐵企業(yè)對制氧機選型的基本要求
隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展以及空分設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步，鋼鐵廠內(nèi)的制氧機也不斷更新和進(jìn)步?，F(xiàn)就鋼鐵行業(yè)對制氧機選型的基本要求敘述如下。
2．1 運行安全、穩(wěn)定、可靠
鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)具有連續(xù)性，平時不允許制氧機停產(chǎn)，制氧機的選型必須考慮能長期安全、穩(wěn)定、可靠地運行。
2．2 設(shè)備容量趨向大型化
過去鋼廠設(shè)置的1500m3／h、3200m3／h、6000m3／h制氧機已逐漸為10000～30000m3／h制氧機所替代，目前國內(nèi)鋼廠在用的最大制氧機為72000m3／h。設(shè)備的容量要根據(jù)鋼廠的主體工藝規(guī)模和廠內(nèi)原有的制氧機情況等各方面的因素，經(jīng)分析比較后確定，總的趨向是大型。但不是越大越好，要考慮單臺設(shè)備與其他設(shè)備的配合與協(xié)調(diào)。
2．3 氧、氮、氬并重
隨著鋼鐵生產(chǎn)的發(fā)展，對氧、氮、氬的需求量均增大。過去鋼廠用氧為主，制氧機也多以產(chǎn)氧為主，現(xiàn)在有的鋼廠氮用量已超過氧，隨著鋼鐵質(zhì)量的提高，氬用量也增長。目前鋼鐵廠制氧機氧、氮比一般為1：1?，F(xiàn)代制氧機的氮氣產(chǎn)量可達(dá)氧氣產(chǎn)量的3倍，因此可以根據(jù)廠內(nèi)情況適當(dāng)提高氮產(chǎn)量，氬一般可按常規(guī)流程的最大量提取。這一方面是因為鋼鐵生產(chǎn)的需要；另一方面是因為氬的價值較高，有一定市場，而且提氬后可使氧氣提取率提高，降低氧氣的單位電耗。在有的鋼鐵廠（例如煉不銹鋼的特鋼廠）對氬氣需求量更大，可以采用一些特殊的流程（例如膨脹空氣進(jìn)下塔），以獲得最高的氬提取率。
2．4 要有一定的液體量
為了確保制氧機可靠、穩(wěn)定地運行，有時間處理小事故及小維修，國內(nèi)外都要求氧氣站有一定的液體儲備量。一般要求儲備量為最大制氧機24小時或36小時的產(chǎn)量。此外，由于市場的需要，也要求制氧機有一定的產(chǎn)液量，既滿足了市場要求，又可為公司創(chuàng)造效益。液體產(chǎn)量可根據(jù)公司及周邊市場的需要確定。制氧機可設(shè)置最大及最小液體工況，以滿足不同時期的要求。在整個空分系統(tǒng)中可設(shè)有液體供應(yīng)系統(tǒng)，但由于生產(chǎn)液體的能耗高，用液氧來煉鋼成本高，因此主要用作故障備用氧，不能頻繁作為煉鋼調(diào)峰氣源。
2．5 氧、氮、氬的純度要高
對于轉(zhuǎn)爐煉鋼，一般要求氧的純度不低于99．2％02，高爐用氧純度可低一些，一般在90％以上。鑒于目前制氧機的技術(shù)水平，制氧機的氧氣純度一般為99．6％，用于轉(zhuǎn)爐及高爐的氮氣純度要求不高，為99．99％以上，用于軋鋼等作保護氣的氮氣純度要求較高，為99．999％以上，目前制氧機的氮氣純度一般可到99．999％（10×10－602）以上。氬的純度一般要求99．999％以上（02≤2×10－6， N2≤3×10－6）。
2．6 氧、氮壓力要合適
筆者曾有論文論述過鋼鐵廠內(nèi)的氧氣終壓以3．OMPa為宜，國內(nèi)大多數(shù)鋼鐵企業(yè)已建立3．OMPa的管網(wǎng)系統(tǒng)。但有的鋼廠在運行中因球罐本體質(zhì)量及廠內(nèi)節(jié)電計算方法等各種因素， 曾在低于3，OMPa壓力下運行；也有同志對3．OMPa的終壓提出疑問?？紤]到國內(nèi)壓氧設(shè)備的現(xiàn)有系列、鋼鐵廠內(nèi)已有的3．OMPa管網(wǎng)系統(tǒng)以及有利于減少放散等多種因素，目前鋼廠氧氣終壓仍為3．OMPa較好。氮氣壓力過去以0．8MPa為主，由于轉(zhuǎn)爐濺渣護爐等技術(shù)的采用，出現(xiàn)了一個以3．OMPa左右為終壓的氮氣系統(tǒng)。
2．7 能耗低
能耗與制氧機的大小、流程、液體的提取量等均有關(guān)，目前國內(nèi)外制氧機能耗的統(tǒng)計與計算方法不大統(tǒng)一，對不同制氧機做評審時要注意此點。
2．8 具有一定的自動調(diào)節(jié)負(fù)荷和優(yōu)化性能手段
為了減少鋼鐵廠氧氣的放散量和降低能耗，制氧機具有一定的自動負(fù)荷調(diào)節(jié)及優(yōu)化性能手段是有利的。
2．9 流程合適
流程的選擇是與制氧機的技術(shù)發(fā)展以及用戶的工藝參數(shù)要求緊密聯(lián)系的。近年來制氧機技術(shù)發(fā)展較快，目前已普遍采用分子篩吸附、增壓膨脹、規(guī)整填料全精餾制氬等新技術(shù)。至于內(nèi)、外壓縮的選用，需要具體對待。應(yīng)該說內(nèi)壓縮流程對保證制氧機安全特別是主冷及壓氧設(shè)備的安全，是非常有效的；另外有利于提取更多的液體。但是內(nèi)壓縮流程的能耗一般比外壓縮要稍高一點。
此外，國外普遍采用內(nèi)壓縮流程還有一個一次投資的原因，國外氧壓機價格高，容量愈大、壓力愈高，則價格愈貴。我國的情況不同， 國內(nèi)10000m3／h制氧機的氧透在各廠已安全地長期運行，目前20000m3／h制氧機的氧透已投人生產(chǎn)，而氧透的價格又遠(yuǎn)比國外低。但大型空分配套的空氣壓縮機及增壓機目前都考慮進(jìn)口，因此有一個經(jīng)濟比較的問題。
總之，流程選擇是一個比較復(fù)雜的問題，不宜提倡或統(tǒng)一套用一個模式，需要調(diào)研、綜合考慮各廠具體情況并進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟比較后加以選擇。
2．10 提取稀有氣體
氬以外的稀有氣體氖、氦、氪、氙在鋼鐵企業(yè)工藝生產(chǎn)中沒有用途，大型制氧機是否提取這些稀有氣體，主要看市場需要。
以上只是簡要地介紹鋼鐵企業(yè)對制氧機的一些基本要求，限于篇幅并未深入展開討論。這些基本要求是一般性的，一定要根據(jù)每個鋼鐵企業(yè)的實際情況，包括主體工藝的情況要求和有關(guān)參數(shù)、總圖位置、水、電供應(yīng)條件以及周邊市場情況等，結(jié)合基本要求統(tǒng)一考慮，提出窟體的選型要求。
3 有關(guān)鋼鐵企業(yè)氧氣設(shè)施的幾個問題
3．1 氧氣放散問題
由于鋼鐵生產(chǎn)的用氧量大，配置的制氧機組容量大，臺數(shù)多，而鋼鐵生產(chǎn)（特別是頂吹轉(zhuǎn)爐）的間隙生產(chǎn)波動量大，因此在保證生產(chǎn)的前提下如何減少氧氣放散是鋼鐵企業(yè)氧氣生產(chǎn)中一個重要的問題。筆者在“鋼鐵企業(yè)氧氣放散與空分設(shè)備的負(fù)荷調(diào)節(jié)”一文中已就此做了論述，其他一些相關(guān)的文章和資料也做了介紹。氧氣放散問題還需引起大家的重視，各單位應(yīng)相互交流經(jīng)驗，以期整個行業(yè)取得更好的效益。
3．2 安全問題
由于鋼鐵生產(chǎn)的全廠連續(xù)性，鋼鐵主體停產(chǎn)會帶來巨大經(jīng)濟損失，另外氧氣生產(chǎn)的安全還關(guān)聯(lián)到氧氣設(shè)備本身和操作人員，因此對氧氣設(shè)施的安全生產(chǎn)應(yīng)高度重視，任何時候都不能放松。前一段時間在新余鋼廠和萍鄉(xiāng)鋼廠等發(fā)生了制氧機重大事故，引起了大家的高度重視。近一段時間雖未發(fā)生類似上述的重大事故，但仍有一些小事故，例如某廠俄制氧氣透平壓縮機著火燒毀；某廠調(diào)壓站調(diào)壓閥及氧氣過濾器著火燃燒；某廠煉鋼廠氧氣管道燃燒等。由于部、委機構(gòu)的精簡，一些行業(yè)協(xié)會的工作未能及時跟上，再加上其他原因，未能及時總結(jié)事故的教訓(xùn)，交流經(jīng)驗，這不利于安全生產(chǎn)及防范，希望能引起有關(guān)部門的重視。
3． 3 設(shè)備更新改造
近年來鋼鐵生產(chǎn)很熱，除了一些新建廠新增制氧設(shè)備外，一些老廠一方面淘汰老設(shè)備，或者對老設(shè)備進(jìn)行更新改造，例如由切換板式流程改為分子篩吸附及無氫制氬流程等，另一方面又新增設(shè)備。由于主體工藝的急需及資金的限制等，沒有一個總體規(guī)劃，有的上得比較零亂。如果有可能，最好能有一個總體規(guī)劃。
3．4 管理問題
由于每個鋼鐵廠內(nèi)的制氧機套數(shù)越來越多，單機的容量不斷增大，設(shè)備流程和技術(shù)不斷提高，因此對操作者的素質(zhì)要求也越來越高，而管理顯得格外重要。
以上就鋼鐵生產(chǎn)與氧氣的關(guān)系、鋼鐵企業(yè)對制氧機的基本要求以及當(dāng)前氧氣生產(chǎn)的幾個問題，談了一點個人看法，其中有些觀點是否合適，請同行和專家指正。
參考文獻(xiàn)：
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作者簡介：肖家立（1932－），男，教授級高級工程師，1952年華南工程學(xué)院化工系畢業(yè)，原北京鋼鐵設(shè)計研究總院燃?xì)馐抑魅巍?br />
   鋼鐵生產(chǎn)中對工業(yè)制氧機生產(chǎn)氧氣的數(shù)量和質(zhì)量有什么要求
   1、轉(zhuǎn)爐煉鋼，要求高純度的氧氣，含氧大于99.5％。同時，對壓力也有一定要求，工作壓力大于1.3MPa。冶煉噸鋼的氧氣消耗量在50～60立方米。
   2、高爐富氧鼓風(fēng)。提高高爐鼓風(fēng)中的含氧，可以增加煤粉的噴吹量，提高生鐵產(chǎn)量。當(dāng)噸鐵噴煤量達(dá)200kg／t時，要求鼓風(fēng)含氧量在25％～29％。鼓風(fēng)中含氧量提高1％，生鐵產(chǎn)量增加3％，每噸鐵的噴煤量可增加13kg。目前，富氧含量一般為23％～25％，最高達(dá)27％。高爐鼓風(fēng)量很大，每噸鐵需12000立方米的空氣，雖然富氧程度不高，氧氣的消耗量也是相當(dāng)大的。含氧提高1％，對每噸鐵約需16～18立方米的氧氣。雖然煉鐵對氧氣純度沒有什么特殊要求，但是，如果專門為煉鐵配置單獨的制氧機系統(tǒng)，與煉鋼用氧不能相互調(diào)配，所以一般仍由高純氧系統(tǒng)供氧。氧氣一般從鼓風(fēng)機進(jìn)口吸入，所以對氧氣壓力沒有要求。
   3、熔融還原煉鐵。它用煤對鐵礦石進(jìn)行還原，要求氧氣純度在95％以上，每噸鐵的氧消耗量為500～550立方米。
   小常識：空分設(shè)備中的擴壓器是壓縮機上主要元件之一，氣體進(jìn)入擴壓器后流通面積增大，流速降低，后面的氣體不斷推擠前面的氣體，進(jìn)而氣體密度增大，壓力升高。