综述评论中国钢铁企业工业气体的现状和发展趋势李树德(石家庄钢铁有限责任公司　石家庄市和平东路517号　050031)对钢铁企业工业气体的配置及综合利用有一定的参考价值。

关键词:钢铁工业　气体　发展现状 中国钢铁企业既是工业气体产生源也是消耗地,但工业气体的综合利用始终未能得到很好解决,其中既有方法问题又有认识问题。

钢铁企业在整个生产过程中为完成各工序生产大量地使用工业气体,随之也产生大量尾气即工业气体,如高炉冶炼需鼓风助燃以满足冶炼过程对温度的要求,而还原反应过程又产生了含有大量的一氧化碳、二氧化碳的高炉煤气,转炉炼钢吹氧随之产生大量转炉煤气等。

钢铁企业生产过程中应用的工业气体有:压缩空气、氧气、氮气、氩气,焦炉煤气,转炉煤气,高炉煤气等。

受传统习惯影响由于工业气体应用多,研究和综合利用少,因此,带来的是污染严重,资源和能源浪费,若能加以综合利用,既能产生较大的经济效益又能改变周围环境。

1　压缩空气在钢铁企业压缩空气属于企业动力,几乎整个生产过程都离不开它。

主要作为助燃气用于鼓风燃烧;作为原料气用于空气分离氧、氮、氩;作为控制气用于仪表和气动控制系统。

作为助燃气不必处理可直接使用,作为原料气必须清除机械杂质水、二氧化碳和碳氢化合物,作为控制气也必须清除机械杂质和水才能使用。

2　氧气在钢铁企业将制氧工序称之为心脏,常用有氧就有钢来形容其重要性,同时也显示出其地位。

211　设计与使用传统设计的一般年产100万t钢的企业其氧气生产能力为冶炼过程平均耗氧量的2～3倍。

贮存系统均配以球罐,它的外供能力可以保证事故状态下炼钢一个吹炼周期的用氧,液氧通常为备用,即在检修或突发事故状态下启动,启动时按液氧泵,启动时间约为20多m in,贮备量为单机产量4～12h的产量。

这就形成氧产量远大于贮备和使用量而造成大量放散。

在生产、贮供、使用中造成不平衡,这是因为产氧是连续均衡生产,而炼钢(指转炉)间断不连续。

这种设计的不合理就带来了使用上浪费惊人。

当制氧设备出现故障需检修时炼钢只有减产或停产,炼铁高炉富氧在氧气充足时供给,不足时首先停供,满足不了高炉用氧要求。

为了保证企业钢铁生产,制氧设备通常不按计划检修而是被动检修,即在炼钢设备检修时才安排制氧设备检修,使本可小修能解决的设备故障得不到及时处理而造成大事故,长此下去使空分设备带病作业,隐患难消。

这也是冶金空分设备远不如化工行业按计划检修的设备安全可靠的原因之一,更不能与国外气体公司网络供气相比,同时设备备件、事故备件储备增加造成占用资金多。

这种设计流程框图见图1。

212　生产方法国内大型钢铁企业几乎清一色用深冷法(A SU )生产氧气,这种方法今后将是主导方法,在钢铁企业长流程炼钢上的不可代替性将使其得以延续。

这是由于除可得到转炉炼钢所需纯度氧气外,还可以同时得到所需要的氮和氩,就是说一套空气分离设备就可以满足钢铁生产全过程对空分气体的需要。

但随着钢铁企业短流程电炉炼钢领域的拓宽,特别是传统设计中很少关照高炉炼铁富氧的需要,另外一种制氧方法即变压吸附法(V P 2SA )将会占有一席之地。

短流程电炉炼钢由于对氧气纯度要求不如转炉高,因此变压吸附法产氧可以满足其需要,据不完全统计,国内已有近20套V PSA 装置投运,最大装置生产能力为3000m 3 h ,已取得了明显的经济效益和使用上的优势,这主要得益于此法投资省,占地少,运行费用低,设备可随开随停,常温运行,自动化程度高等。

钢铁企业利用此法早在70年代已在马钢、本钢做过实验,但由于选择的工艺流程、分子筛性能和控制阀等方面出现问题而失败。

随着现在设备工艺的不断改进,提取率的提高(由只能提取一种气体变为两种以上),能耗的进一步降低以及分子筛性能的进一步改善,变压吸附法将会与深冷法发生激烈的市场竞争。

213　工厂设计根据国内钢铁企业制氧用氧自成体系这一显著特点,特别是顶吹转炉已成为长流程炼钢主要手段的今天,钢铁企业的氧气产贮供系统应改变传统方法和设计来适应新的需要。

我国钢铁企业已自成体系,各钢铁企业间相距甚远。

企业利益形成的产贮供体系不能与欧美钢铁企业供氧方式相比。

而且这种现实状况短期是无法改变的。

根据国内钢铁企业分布状况,一旦企业决策者们认识到工业气体是企业财源之一时,钢铁企业将成为当地150km 范围内空分气体的主要供应商,会收到显著的经济效益。

据此钢铁企业空分设备生产能力的设计在满足本企业钢铁生产需要的基础上应留有外销量,产、贮、供工艺框图见图2。

由图2可知,当进行制氧机组生产能力设计时,应保证本企业炼钢需要和其它方面用氧需要是其设计产量,氧压机组与生产能力相匹配,气贮(球罐)能力应保证最大炼钢设备一个吹炼周期用氧,在调压分配满足企业用氧同时,制氧设备维持铭牌产量并利用设备自身潜能生产5%～10%液氧入液体贮槽,液体贮槽系统应由一个低压贮槽以及供两个自动切换的中压贮槽组成,并配有自增压系统,使中压贮槽处于常备压力状态(压力设定应满足炼钢吹炼最低压力需要),贮槽后汽化器根据需要的气量来设定,整个液贮供系统依靠压力传感实现自动控制,低压贮槽设有外销液氧安全排放出口,系统贮备量应以满足炼钢24～36h 需要量为宜。

制氧机组应具备变工况操作能力以备特殊情况下多提取液体。

这个子系统的设计可以解决目前钢铁企业空分机组能力偏大,气贮有限,液贮小且偏重事故状态急用的问题,但吹炼时(特殊条件下具备多台转炉需同时吹炼时)氧气瞬时流量加快,供氧压力急剧下降,影响炼钢顺利进行,非吹炼过程氧压升高,造成大量放散,形成制氧收益偏低。

与此同时以低成本外供氧、氮、氩与周边空分气体企业形成网络供应,降低社会空分成本,满足周边市场需要。

但仅此还不能完全解决钢铁联合企业氧气供需平衡问题。

在此系统还设计了另一个子系统来解决高炉炼铁对氧的需要量,使用压力也远低于炼钢转炉,同时高炉炼铁富氧需要连续均衡供应以保持高炉炉况稳定。

转炉吹炼需瞬时大流量氧气,需在规定时间内完成一次吹炼过程,非吹炼时用氧为零,即间隔用氧引发了氧气供应不能均衡的矛盾。

可以说此系统专供炼铁使用也可以兼供电炉由V PSA 装置完成,设计生产能力视各企业情况而定,一般按高炉富氧率2%～3%掌握,纯度为93%较为经济,正常状态专供高炉炼铁兼供电炉,高炉不用时也可作原料气供A SU 机组多提取液氧,当V PSA 设备有故障需检修时由A SU 贮备系统调供高炉用氧。

3　氮气在钢铁企业氮气用户正逐步扩展,目前氮气主要用于转炉溅渣护炉,烟罩密封,焦炉门密封,电炉喷煤保护,仪表气源,高炉喷煤浓相输送载体,也用于冶炼非优质钢时代替氩气吹炼等。

液氮还用于消防灭火或作低温冷源。

氮气在钢铁联合企业还用于化肥生产。

总之氮气现已成为钢铁企业必不可少的空分气体。

氮气来源于深冷法的空分设备,因其自身具有惰性、无毒,开发利用远没有终止。

市场开发正积极进行。

4　氩气在空分气体中氩气产量远小于氧、氮,但其利用范围和价值与氧氮不相上下。

优质合金钢精炼过程几乎离不开用氩气吹炼,冶炼钢过程吹氩是最佳的质量保障手段。

随着钢铁工业的发展,其用量也将大增。

目前大型钢铁企业产量一般大于消耗量,它是空分气体外销之首,也给企业带来可观的经济效益。

如广钢、唐钢等企业在氩气销售收入上取得了巨大的利润。

5　焦炉煤气焦炉煤气是在炼焦过程中产生的,除焦炉自身消耗外,过去主要作为气体燃料应用于钢铁企业的加热环节同时作为当地的民用气。

近年来氢气在钢铁企业的用量不断增加,传统的电解法制氢一方面能耗大,另一方面纯度也越来越满足不了使用要求,不少钢铁联合企业利用变压吸附法从焦炉煤气中制取氢。

首先使用的单位是武钢,鞍钢、攀钢装置也已投运,大有扩展趋势,提氢后的焦炉煤气由于甲烷组分增加仍可作为高热值燃料加以利用,其工艺流程示意图见图3。

图3　变压吸附提取纯氢工艺示意图6　高炉煤气 高炉煤气在钢铁企业中是随着高炉炼铁过程而产生的,其产量很高,一般鼓1m 3空气可产生113m 3高炉煤气,自身消耗约50%,其余除安全放散外,几乎全部都用作气体燃料,因其热值低,在使用时受到限制而被迫放散,污染环境,也成为治理对象。

目前主要用于燃烧锅炉、轧钢加热炉等。

为解决其热值低的问题,可采用变压吸附法将其有效成分一氧化碳加以提纯再加以利用。

其工艺框图见图4。

此种利用多种常规吸附剂的变压吸附工艺分二段完成的方法称为二段法。

吸附剂(分子筛)采用已工业化的常规吸附剂。

在将高炉煤气作为原料气经除尘降温后加压进入第一段吸附装置脱除二氧化碳、水和硫化物等杂质,再使其它气体组分进入第二段装置,然后被第二段排出的废气冲洗掉,第二段吸附塔内装有专门吸附一氧化碳的吸附剂,用来吸附第一段来气,然后依靠降压或抽真空得到产品气,产品气中一氧化碳浓度在60%～9915%之间变化,成为较高热值的气体燃料。

当一氧化碳浓度达到96%以上时还可以作为多种有机化工的原料气。

此法产生的原料气也可以用作钢铁企业的转炉气和电炉气。

7　二氧化碳钢铁企业生产的二氧化碳自身应用较少。

其原料气目前只是石灰生产过程产生的石灰窑尾气称为石灰窑气,其中含二氧化碳25%～30%。

二氧化碳主要用于食品添加剂和焊接保护气,消防、烟丝膨化和粮食储藏也在应用,超临界二氧化碳应用于医药和食品有效成分的萃取上。

制定的相应的国家标准有:GB 1917-94(发酵法)食品添加剂二氧化碳标准,GB 10621-89(石灰窑和合成氨法)食品添加剂二氧化碳标准,GB 4396-84二氧化碳灭火剂,GB 6052-84工业液体二氧化碳。

传统制取二氧化碳的方法采用吸收法,此法是将稍高于常压的石灰窑气经水洗除去灰尘和大约60%的硫化物后进入碱洗塔,原料气中的二氧化碳被碱液吸收生成N aHCO 3,而后将此碱液在高温下(126～130℃)下解吸,碱液回收循环使用,解吸的二氧化碳去压缩机冷凝充瓶,回收率40%左右。

近年发展起来的变压吸附法其原理类似于变压吸附制氧、制氮,依靠分子筛选择吸附达到分离的目的。

其工艺流程框图见图5。

国内用此法制取二氧化碳的钢铁企业有重钢、广钢、武钢、宝钢等。

主要作为食品添加剂。

钢铁企业已完成炼钢底吹二氧化碳替代底吹氩工作,此项技术现已在宝钢、鞍钢炼钢中应用,使炼钢成本降低,成分稳定,国家冶金局已开始推广。

由于受国标限制,作为食品添加剂生产厂商必须采用国际著名厂商标准才能有望进入国际市场。

随着对具有温室效应的气体排放量的限制和二氧化碳应用范围的扩大,钢铁企业将成为二氧化碳生产的主要厂商,同时也将会给企业带来可观的经济效益,成为新的利润增长点。

总之钢铁企业对工业气体的应用开发还远未到位,资源浪费惊人,环境污染严重。

最近国家冶金局在宝山召开专题研讨会以推动钢铁企业工业气体的综合利用,可以预见随着国家各项能源环保政策的加强和落实,工业气体的应用开发必将引起企业各方面的关注。