变压吸附制氧：解决电炉炼钢的用氧“痛点”

2016年7月底，央视曝光江苏某钢铁公司违法违规生产销售“地条钢”，此后，一场整治“地条钢”的风暴席卷全国。到2017年6月底，我国累计取缔关停700余家“地条钢”企业，出清1.4亿吨产能。

随着我国供给侧改革和去产能的不断深入，特别是地条钢产能的快速退出，我国钢铁工业实现了扭亏为盈，废钢市场呈现价格触底反弹，废钢产业转暖向好的势头。从长远考虑，扩大短流程减少长流程，是多用废钢、节能环保的重要措施。加大电炉炼钢的工业技术，是钢铁工业绿色发展的长远目标。

在此前提下，国内电炉复产、新建项目日益增多，同时随着技术的进步越来越多的新技术新工艺在生产实践中得到应用，尤其是对氧气的依赖度越来越高。电炉炼钢过程中，氧气的应用无处不在：加氧油、氧燃喷嘴，二次燃烧、兑加铁水等等，氧气的应用可以提高产量，缩短加热周期，维持较高的耐火温度，减少燃料消耗，氧气在电炉生产中起着重要的作用。经济性好，运行稳定的变压吸附制氧装置是电炉企业的第一选择。

行业用氧现状及痛点

电炉企业传统制氧方式主要选用深冷分离法，又称低温精馏法，1902年由林德教授发明，实质就是气体液化技术。通常采用机械方法，如用节流膨胀或绝热膨胀等方法，把气体压缩、冷却后，利用不同气体沸点上的差异进行精馏，使不同气体得到分离。

该方法的特点是产品气体纯度高，但压缩、冷却的能耗很大，随着规模不同，制氧成本在0.25-0.7元/Nm3不等。同时，电炉生产对氧气的需要是间断式的，深冷制氧工况是连续不断的，所以为了满足生产需要，在生产过程中通常会有放散的情况发生，放散率一般在10%左右，高的可达20%以上。

随着近两年电炉复产的热潮，还有很多复产的电炉因为无氧可用，而制氧装置建设周期较长，企业只能通过采购液氧气化来实现生产供氧，由于钢铁行情的持续火热，现在市场上液氧价格在1200-3000元/吨不等，这样企业的用氧成本在1.7-4.3元/Nm3不等，远高于行业平均水平。

还有一些企业受环保政策，地方供电限制等因素影响，在生产中经常面临非计划短期停车，生产不能持续进行的尴尬境地。而深冷分离制氧装置，开停车比较繁琐，顺利的情况下冷启动仍需要2-3天左右，在面临政策性停产的企业，并不适用这种制氧方式。

相比深冷分离制氧方式，变压吸附制氧技术具有制氧成本低、开停车简单、负荷调节方便的特点，更加契合电炉生产对氧气的需要。

变压吸附制氧特点

变压吸附制氧技术是利用变压吸附专用分子筛与氮分子的四极矩之间的较强作用，使氮气吸附在沸石吸附剂上，氧气则吸附较少，从而使氧氮分离。该技术在上世纪50年代由普莱克斯发明，发展至今，在国内变压吸附领军企业北京北大先锋的推动下，中国已经是变压吸附制氧全球最大的市场。

变压吸附制氧装置主要由动力系统（鼓风机、真空泵、切换系统（同PLC控制）、吸附系统等组成。原料空气经吸入口过滤器除掉灰尘颗粒后，被罗茨鼓风机增压-而进入其中一只吸附器内。吸附器内装填吸附剂，通过预处理，除掉空气中的水分、二氧化碳、及少量其它气体组分，随后氮气被变压吸附专用分子筛所吸附。而氧气(包括氩气)为非吸附组分从吸附器顶部出口处作为产品气排至氧气缓冲罐，产品气纯度在50-93%之间可以调节。

当该吸附器吸附到一定程度,其中的吸附剂将达到饱和状态,此时通过切换阀利用真空泵对之进行抽真空(与吸附方向相反)。已吸附的水分、二氧化碳、氮气及少量其它气体组分被抽出并排至大气,吸附剂得到再生。上述工艺步骤由PLC和切换阀系统来实现自动控制。

变压吸附制氧装置有以下特点：

1、能耗比较低，制氧单耗在0.2元/Nm3左右；

2、维护成本低，动设备为罗茨鼓风机和罗茨真空泵，因其工作原理都为容积式，无油，极易维护；

3、整套设备的自动化程度高，动设备与制氧机是同步控制，只需按一下启动按钮，整套设备即可正常运行，常规配置每班2人，可实现无人值守；

4、负荷调节方便，装置可以通过时序调节，可以很快实现50-100%范围内的负荷调节；

5、开停车方便，装置通过吸附方式实现制氧，装置开车后20分钟可产出合格的产品氧气；

6、建设周期短，真空泵鼓风机都属于常规设备，生产周期短，从投资建设到产出合格氧气约6个月左右。

变压吸附在市场的应用情况

国内电炉企业已经开始将厂内的深冷分离制氧或液氧储罐替换为变压吸附装置。浙江万泰特钢有限公司、遵义长岭特殊钢有限公司、泸州益鑫钢铁有限公司、池州市贵池区贵航金属制品有限公司等一些电炉炼钢企业在近几年均进行了制氧装置的替换，用变压吸附制氧装置替换原有的制氧方式。

变压吸附制氧装置可以生产纯度高达93%的氧气，有电炉企业担心变压吸附纯度较低，不能炼特钢，事实上电炉炼特钢和炼普钢前端的过程都是相同的，在电炉中加入配料，改变钢的成分，吹氧助燃和断电吹氧脱碳，从而得到需要的钢种，而在精炼工序中无需吹氧。所以电炉炼特钢与炼普钢本质上对氧气的要求是一样的。

变压吸附制得的氧气中含有约3%的氮气以及4%的氩气，有电炉企业担心其中的氮气会影响特钢验收指标，事实上我国对常温状态使用的合金钢如弹簧钢、轴承钢、无缝钢管等种类中的氮气都没有明确规定（对普钢更没有规定）。过多的氮气会对耐低温冲击用钢（我国对耐低温冲击用钢比如船舶用钢、油井管用钢的含氮量有明确规定要≤70ppm）造成含氮量超标的问题。而我们的电炉炼钢企业大多是不炼耐低温冲击用钢的，因此，变压吸附应用于电炉冶炼特钢的前景非常广阔。

经过充分的数据调研，国外也有丰富的电炉用氧实践经验。美国普莱克斯公司对电炉炼钢做过很长时间的调研，经检测结果证明：电弧炉使用变压吸附制备的氧气炼钢不会引起钢水中氮含量的增加。台湾和日本约60-70%的电炉炼钢企业选择变压吸附作为制氧方式，目前世界上已有近百座电炉采用了变压吸附制备的氧气进行炼钢，长期的实践也证明了变压吸附制备的氧气适合于电炉炼钢的要求。

（摘自：《气体分离》杂志）

以下简要介绍变压吸附在乙二醇项目中的应用

合成气制乙二醇工艺是以煤为原料，通过气化、变换、净化及分离提纯后分别得到高纯的CO和H2，其中CO经催化偶联合成及精制生产草酸酯，再经与H2进行加氢反应并通过精制后获得聚酯级乙二醇的过程。北大先锋掌握了世界领先的变压吸附分离CO技术和制H2技术，产品气纯度高、收率高，可以充分满足煤制乙二醇工艺对原料气提纯净化的需求。

驱动煤制乙二醇产业化的第一股力量

通辽金煤化工首期20万吨/年煤制乙二醇装置是国内首套采用煤制乙二醇技术的生产线，该项目已于2009年底建成投产，并于2010年5月3日试产出合格草酸产品，2011年11月18日成功达产。北大先锋为该项目设计建设一套规模为22000Nm3/h(纯度>98.5%)的变压吸附分离提纯CO装置，一套规模为40000Nm3/h(纯度>99.9%)的变压吸附分离提纯H2装置，一套规模为22000Nm3/h(纯度>91%)的变压吸附制氧装置，以上三套装置为金煤化工乙二醇生产提供稳定、高品质的原料气。这是我国首次将变压吸附气体分离技术成功应用到煤制乙二醇生产线，确立了北大先锋在合成气制乙二醇领域的专业、领先技术供应商地位。

目前，该项目的变压吸附分离CO、H2设备至今已平稳运行多年，设备运行指标稳定在设计值以上。

电石尾气“完胜”煤造气 乙二醇成本创新低

2013年初，新疆天业集团电石炉尾气回收利用合成5万吨/年乙二醇项目一次开车成功，消息一经宣布便引发市场强烈关注。北大先锋为该项目承建电石炉尾气提纯CO装置和制H2装置，稳定生产出高纯度CO、H2产品，这是新疆天业集团将工业废气变为优等品乙二醇的先决条件。

随着新疆天业一期5万吨乙二醇项目的顺利运行，北大先锋再次与新疆天业达成深度合作，双方签署了天业二期电石炉尾气综合利用制20万吨/年乙二醇、17万吨/年1,4丁二醇项目配套的变压吸附提纯CO、H2装置供应合同。北大先锋建设的CO产量为24000Nm3/h(纯度>99.5%)，H2产量86000Nm3/h(纯度>99.9%)的变压吸附装置在2015年3月随着乙二醇生产线的全面启动顺利投产，至今满负荷运行。

电石炉尾气组分复杂，分离提纯出用于合成乙二醇的高纯CO，是北大先锋CO分离技术具有相当强的原料气适应性，在用气需求复杂多变的工况下，其吸附剂性能不受影响，吸附效率保持高效，得以保证设备稳定运转;而常规的CO吸附剂很难保证这一点，另外一种深冷分离技术在氮气或其他杂质的干扰下，更加无法实现CO高效分离，其经济性也与变压吸附法相去甚远。

显而易见的是，通过电石尾气合成乙二醇的工艺路线进一步扩大了成本优势，节省了煤造气环节所应耗费的投资，乙二醇的综合成本迎来了“史上最低”，更加有利于增强企业整体抗风险能力和市场竞争力。有了天业一期、二期电石尾气利用制乙二醇的宝贵经验，新疆天业扩能增效的10万吨/年煤制乙二醇项目于2016年底正式启动，北大先锋继续为其提供装置和服务，装置预计将于今年投产。

样板项目“遍地开花” 煤制乙二醇发展前景喜人

随着合成及配套工艺技术日臻成熟，国内多个煤制乙二醇样板项目已能实现连续高负荷运作和产出聚酯级乙二醇。

安阳永金年产20万吨乙二醇项目于2012年一次开车打通全流程，随即创造原始开车不停车连续生产4个月的纪录；2015年8月装置负荷提升至90%以上，最高日产突破578吨；目前日均乙二醇产量超550吨，产品优等品率达98%以上。北大先锋为该项目配套的22000Nm3/h变压吸附分离CO装置和42000Nm3/h变压吸附H2装置自开车以来稳定运行，满足机组高负荷运行工况的多样化需求，气体产品源源不断地供给下游生产线，有效保证全线达标达产，屡破记录。

2016年通辽金煤化工对造气炉及合成装置进行扩能改造，生产负荷有所调整，上半年生产乙二醇减至6.21万吨，产品销售情况良好。北大先锋积极配合通辽金煤的增产需求，新增一条变压吸附分离CO、H2生产装置，实现了乙二醇25万吨、草酸12万吨的产能。

2016年中石化湖北化肥20万吨/年合成气制乙二醇工业示范装置先后完成二轮满负荷72小时技术标定及110%高负荷试验。2017年3月，该项目接受国家石化有机原料合成树脂质量监督检验中心抽样检验，各项指标达到工业用乙二醇国家优等品要求。北大先锋为该项目配套21500Nm3/h(纯度>99.5%)变压吸附分离CO装置和75000Nm3/h(纯度>99.9%)变压吸附H2装置均一次开车成功，进一步稳固北大先锋品牌在乙二醇行业的技术优势。

北大先锋凭借多年来服务乙二醇行业的工程实施经验，将持续完善和优化变压吸附气体分离工艺，进一步为煤化工企业提供优质的产品和服务，助力企业增产达效。

（摘自：《气体分离》杂志）

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