浅谈制氧站节能优化设计

【摘要】钢铁企业在生产的过程中需要消耗大量的氧气，而氧气的供给源于制氧站，本文结合工程实例对钢铁企业制氧站的设计进行优化，力求达到提高制氧功效，降低资源消耗的目的。

【关键词】钢铁企业制氧站节能

中图分类号：C29 文献标识码：A 文章编号：

钢铁企业作为国民经济中最大的用氧部门，其在生产过程中需要使用大量的氧气、氮气和氩气，如氧气炼钢、高炉富氧、转炉溅渣护炉用氮、钢包底吹用氩等。因此，大中型钢铁企业一般都配备有一定规模的制氧站，制氧站在制取氧气的同时可以生产氮气和氩气等工业气体。在制氧生产中主要消耗的是电能，约占总能耗的80%；从总厂范围来说，制氧分厂是钢铁企业用电大户，约占20%以上。制氧站从选址、规模的确定到设备和管道的配置都需要进行优化设计，才能使工艺更先进，安全可靠性更高，能耗更低。

一、制氧站的规模确定

制氧站的规模需要根据炼钢、炼铁等用户的使用量及使用制度，绘制出用气平衡表，根据平均用气量来确定制氧站的规模。以下是某工程的氧氮氩平衡表。

氧、氮、氩的用量平衡表

通过上表可知，2×100万吨转炉冶炼、2×1280m3高炉富氧以及其它用户等共需氧气41000m3/h，纯度为99.6%；氮气40400m3/h，纯度为99.999%；氩气385m3/h，纯度为99.999%，为满足供应要求，需要建立二套20000m3/h空分装置。

2、制氧分离工艺的选择

目前，空气分离制取氧、氮等产品的方式有三种：变压吸附、膜分离和深冷法。前两种是常温下空气分离，第三种是低温下空气分离。

变压吸附与深冷法比较各有特点：首先，变压吸附流程简单，设备数量少，主要设备仅为鼓风机、吸附塔、贮气罐、真空泵和一些阀门；深冷空分装置流程较为复杂，主要设备包括空压机、预冷器、纯化器、换热器、膨胀机、空分塔、氧压机、氮压机等诸多设备。其次，变压吸附基建费用少，对厂房要求不高；深冷空分装置设备复杂，安装周期长，基建投资高。第三，变压吸附启动时间短，维修费用低；深冷空分装置操作较为复杂，启动时间长，维修费用多。第四，变压吸附产品单一，氧气纯度低（93%），产量少（一般在5000m3/h以下），不能生产氩；深冷法可以同时生产出高纯度的氧（99.6%）、氮（99.999%）、氩（99.999%），产量较高，而其液体产品的体积仅约为气体的八百分之一，所以产品非常便于经济的储存和运输。

膜分离技术与深冷法、变压吸附相比较，具有设备简单，启动时间短，投资少，由于不需要加压设备，故其简易程度超过了变压吸附；但也同样存在产量低，产品纯度低，氮气纯度仅为95%。

钢铁企业一般选用的是深冷法。

二、制氧站设计分析

1、制氧原理及改进措施

深冷分离工艺的基本原理是:空气经压缩、冷却和液化后，利用空气中氧、氮、氩沸点不同，采用多次蒸发、多次冷凝的方法进行精馏分离得到产品氧、氮、氩。再按不同用途将产品加压、贮存和输送供给用户。钢铁企业制氧站主体设备如图1所示。

图1 钢铁企业制氧站主体设备示意图

制氧站制取工业气体的能耗一般通过氧气的单位电耗来衡量。氧气单位电耗计算公式:

式中:N—吨氧耗电量，kWh/m3；

R—气体常数；

T—环境温度，K；

r—空气标准状态下重度，取1.293kg/m3；

P—加工空气压力(绝压)；

V空—加工空气流量，m3/h；

V氧—产品氧气流量，m3/h；

ΔV—设备切换损失，m3/h；

η等—空压机等温效率；

η机—空压机机械效率。

制氧站的单位产品电耗，与工作压力的自然对数成正比，工作压力越低，单位电耗越小，因此尽可能地降低制氧设备的工作压力从而降低电耗。目前全低压流程的制氧装置已经被普遍应用。

此外，提高氧提取率，也即降低V空/V氧，单位电耗N也随之减少。当采用规整填料、全精馏无氢制氩技术，氧提取率可提高到99.8%，氩提取率可达80.7%，且制氩过程完全通过低温精馏来实现，使装置更安全可靠。当上塔采用填料塔后，能降低上塔阻力约0.02MPa，空压机轴功率可降低5%～7%。当采用带氧气增压器的空分流程，充分利用冷凝器的位能(即液柱高度)，使出冷箱的氧气压力达到0.17～0.28MPa，从而使压氧电耗可降低0.03kW/m3左右。

我公司设计的某工程一期2万制氧、二期2万制氧均采用液氧自增压的方式，获得5000~7000Nm3/h，压力为55kPa的低压氧气，直接输送至炼铁区域进行机前富氧，这样即可选用1.5万Nm3/h的氧压机，大量减少了压氧能耗，每套2万机组年节约电量约8.0x106kWh。

我公司设计的某工程1.6万Nm3/h制氧采用了污氮气与增压空气进行换热的设计，节约了能耗。

2、减少氧气放散率

1)合理配置液体储槽和气体球罐。

液化装置的配置与使用是减少放散率、保证供气稳定性、安全性和增加制氧设备投资效益的一个重要手段。液化装置包括液氧、液氮和液氩储存及汽化系统。液化装置较空分设备容易开停，负荷可以增减，生产的液体产品可以进入后备汽化系统以保障气体供应，也可以进入市场销售，为企业带来可观的效益。液化装置的能力大小一般取决于氧气放散量的大小、氮气的富裕状况及对液体的需求量，一般以氧气总产量的5%～10%为宜，氧、氮、氩液化同时考虑。

氧气球罐的有效储量，需满足正常生产时的不均衡用量，包括转炉按一定规律用氧时的周期性高峰低谷的波动量和由于换出钢口、生产调度等原因造成不均衡用氧的富裕储量，同时还应考虑空分设备突然故障停止供氧时保证转炉仍能吹完一炉铁水所需的安全储量。转炉溅渣护炉是氮气用量波动较大的用户，每个冶炼周期吹氮时间为2～4min，因此氮气球罐的最小储量应能够满足其周期性波动的要求。

2)变负荷功能。

为了降低制氧单耗而增加氧气产量，但由于氧气需求的不连续性，氧气在部分时间会因用不了而放散掉。空分设备在选型时应该考虑变负荷功能。

装置自动调节负荷操作可以通过调节冷箱进口空气的流量，即靠增大或减少空气透平压缩机的排气量来实现。而空气透平压缩机通过控制其进口导叶，使轴功率随着排气量的变化而变化，可以实现变负荷操作平稳运行的同时达到降低能耗的目的。

三、制氧系统的优化节能

1、选择节电的设备及技术

从制氧装置规划起，就把节能作为工艺规划、设备选型的一个重要原则，把设备的价格、能耗、性能等放在一个系统中进行综合考虑。

空压机是空分装置中最大的耗能设备，也是制氧主厂房内最大件设备，在选择空压机时不仅要考虑设备投资，还应考虑电耗，业主使用习惯，最大件重量，气体进出口方式以及设备基础、对主厂房的要求等因素。例如，某工程一期2万制氧选用的是沈鼓设备，需设置8m高二层平台；二期2万制氧选用的是交大赛尔设备，需设置6.5m高二层平台；另某工程1#、2#2万制氧均选用的是陕鼓设备，设置在厂房地坪基础上；而某工程1.6万制氧Atlas的设备，设置在室外地坪基础上。

许多设备可利用变频技术节电，如循环水泵、循环氩泵等具备采用变频技术条件的设备，都采用变频技术。在循环水系统采用节电装置有效地控制了水泵的功耗。

我公司设计的某工程2x2.2万制氧分子筛系统加热器采用蒸汽加热器和电加热器配合，在蒸汽能满足供应的情况下，单独使用蒸汽加热器；蒸汽供应不足时，蒸汽加热器和电加热器配合使用，相比于单独使用电加热器，节能效果明显，每套2.2万机组年节约电量约3.74x106kWh。

2、提高设备作业率

任何原因造成制氧设备停机，启动后至少要空耗3 h以上的能耗才能进行产品生产。因此，制氧节能降耗一个最重要的方面就是稳定生产，那么零工况波动为运行的最高目标。与此同时，探索最佳的压缩机压力，加温活化的时间，上、下塔的压力，机组膨胀量，氧氮的纯度等因素对耗能的影响，找到最佳的工艺点。平时根据用户的使用情况及时地调整工况和开停压缩机，力争在满足生产使用的前提下，电耗最少。由于钢铁企业氧气、氮气用户的压力等级为两个，一是0.8 MPa以下的氧气、低压氮气，二是0.8～3.0 MPa的中压氧气、氮气。以前中压采用压缩的方法供应、低压采用中压节流的方法供应，势必造成能量损失，可采用中压和低压分开供应的方法，增设了低压氧气、氮气管网，有效地减少了氧气、氮气压缩的电耗，粗略估算每套2万机组年节约电量约16.6 x 106kWh。

一般制氧启动时间需48小时，如果能缩短启动时间，提前出氧，就可减少设备作为无用功时间，节约电耗。我公司设计的某工程1#、2#2万制氧在制氧启动积液过程中，当主冷凝蒸发器见液并排放干净后，将储槽或槽车中的液氧返供主冷，比正常开车缩短20小时，每套2万机组每次开车节电量约3.06 x 105kWh。

四、结束语

制氧机组单体设备的改进可以降低制氧机组本身电耗，而确定合理的制氧规模以及采取变负荷等相关措施可以最大限度地减少氧气的放散率，避免不必要的浪费。液体储槽、气体球罐以及管网的优化布置可以节约投资成本，并满足氧、氮、氩气体用量的不稳定性。

参考文献

[1] 王长华. 制氧系统的节能降耗途径[J]. 能源研究与利用. 2007(06)

[2] 吴绍刚. 适用于联合钢铁企业的制氧流程初步构想[J]. 深冷技术. 2010(02)