深冷制氧和变压吸附制氧在冶金生产的应用

深冷制氧和变压吸附制氧在冶金生产的应用

李维亮 1，郭驰 1，高首坤 1，罗东卫 1

1.中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西 西安， 710054

摘要：我国工业的发展逐步完善，氧气在冶金工业生产中的地位举足轻重。本文论述了变压吸附制氧法与深冷分离法工艺指标和工程指标的对比，比较了两种制氧法在冶金生产中不同工况下应用的优劣势，讨论了两种制氧法在冶金生产中的应用情况。

关键词：工业制氧；变压吸附法；深冷分离法；指标对比

中图分类号：TF05 文献标志码：A 文章编号：

在我国的工业发展过程中，氧气是生产中无法替代的原材料，且需求量日益增大。主要涉及的行业有：冶金、化工、采矿、医药、机械、环保等。其中对冶金行业的影响最大，无论有色金属还是黑色金属的冶炼，通过制氧、混氧产生的富氧风参与到对金属矿物的焙烧环境中，可在鼓风量不变的条件下提高矿物氧化还原过程的效率，减少焦炭等还原剂的用量。随着国家对节能减排工作的深入，富氧鼓风技术发展迅速，目前国内主流的工业制氧技术有：深冷分离工艺^[1]、变压吸附工艺^[2,3]。两种工艺均趋于成熟，本文就变压吸附制氧工艺的设备配置进行阐述，并与深冷分离工艺的应用作分析和比较。

1 深冷分离法

深冷分离法（又称低温精馏法）以空气为原料，先经过滤器将杂质过滤，再通过空压机压缩后送入空冷塔，冷却至9℃左右进入分子筛吸附器将H₂O、CO₂、乙炔等去除，纯化后的空气随后送入分馏塔。分馏塔内的空气一部分先经增压机中增压，再被冷却水冷却至常温后进入主换热器，在主换热器内冷却至-100℃左右后送入气体膨胀机膨胀制冷，可为系统提供足够的冷量，膨胀后进入上塔参与精馏；而分馏塔内大部分空气直接进入主换热器，与反流的氧气、氮气等气体进行热交换，冷却至饱和温度后进入下塔参与精馏。在精馏过程将空气液化成液氧、液氮和液态稀有气体的混合物，并利用各组分沸点不同的特性，通过双级精馏塔的精馏使各种气体分离，从而获得高纯氧、高纯氮和稀有气体等。深冷分离法产出的氧气纯度≥99.5%，同时也可制取氮气、氩气等特种惰性气体，适用于对高纯度多组份气体应用的领域。

2 变压吸附法

在工业中采用的变压吸附制氧工艺多为真空解吸变压吸附（VPSA^[1]），制氧流程为：鼓风机将空气加压至50~60kPa，再将经干燥、过滤、冷却至40℃左右的空气鼓入装填有分子筛的吸附塔内，分子筛将空气中除氧气外的大部分组分吸附，而大量未被吸附的氧气富集在吸附塔出口，随后进入氧气缓冲罐内；吸附结束后，通过真空泵对吸附塔进行抽真空至-45~-55kPa，将解吸的氮气、水分等杂质排出系统。

3 深冷分离法与变压吸附法对比

变压吸附法和深冷分离法以建设生产12000Nm³/h纯氧的制氧设备为例，其工艺指标对比、工程指标对比详见表1、表2。

表1 深冷分离法与变压吸附法工艺指标对比

表2 深冷分离法与变压吸附法工程指标对比

深冷分离法和变压吸附法制氧在冶金工业中应用各有优势：

（1）深冷分离法的优势在于制取高纯度氧气（≥99.6%）的同时，还能制得氮气、氩气等副产气体，且应用在冶金工业中多为大型设备，可满足生产中对大量高纯度氧气的需求，在大规模制氧场合中优势明显。但由于其工艺操作过程复杂，设备工艺标准高（耐压、保冷）^[4]，工作时将空气冷却至凝结温度等特点，造成其运行电耗相对较高，启动时间长；设备的安全要求高，操作复杂，建设周期长且占地面积大，一次性投资高。

（2）变压吸附法制氧的优势在于对氧气纯度要求不太高（≤93%），设备运行压力较低且没有氮气等气体需求的生产工况下，变压吸附制氧在工艺设备、操作流程、电耗、启停调节、工程造价、占地面积等方面有着较为明显的优势，较短的建设周期可以快速补齐企业生产中的氧气缺口。生产运行时的压力较低，安全性好，无污染，产氧量和纯度在一定范围内可以灵活调节。

4 冶金生产中的应用情况

（1）有色冶金富氧鼓风。在有色金属冶炼中，富氧鼓风的应用非常广泛，尤其应用在铜、铅、锌的冶炼^[5]。物料在氧化、还原焙烧过程中，相较于鼓入空气，鼓入适量的富氧可提高还原剂的反应速率并降低其用量，同时减少鼓风总量，使产生的烟尘量降低，并减少了被烟尘带出的热量。由于氧气在绝大部分工艺中都起助燃作用，因而对氧气的纯度和产量要求不高，但用氧负荷变化较大，变压吸附制氧占地小、产能调节幅度大的特点，与有色金属冶炼的富氧鼓风更加匹配。

（2）高炉富氧^[6]。钢铁企业对氧气的需求主要在高炉炼铁工段，提高鼓风中氧气浓度可降低焦比，提高炼铁产量。富氧率也是影响该工段产能、质量、损耗的重要参数，保持富氧率的稳定尤为重要。在实际生产中，钢铁生产的用氧工序较多，需氧量不断波动，制氧设备根据需求来对氧气产量进行调节，深冷分离法由于其产能调节幅度较小，无法完全匹配生产需求，造成多产的氧气需液化存储或直接排空。变压吸附制氧启停时间短，产能调节幅度大等优势，可直接为高炉供氧或配合深冷分离制氧来平衡全厂的用氧需求，从而降低生产中的氧气成本，实现节能降耗。

（3）电炉用氧。在电炉炼钢过程中，加氧油、氧燃喷嘴、二次燃烧、兑加铁水等工序中都需要氧气的参与，适量的氧气可提高产量，缩短加热周期，使炉内保持较高的耐火温度，同时减少燃料消耗。电炉炼钢相对于传统炼钢（高炉—转炉—连铸）属于短流程工艺，生产时对氧气的需求是间断的，变压吸附制氧启停速度快、产能调节速度快的优势，更适合电炉炼钢，也是电炉炼钢绿色发展和节能环保的长远措施。

5 结语

如今我国的经济发展迅猛，工业体系日趋完善，能源结构也在不断优化，对氧气的需求日趋渐进。深冷分离法在制取高纯度氧气领域应用广泛，变压吸附制氧工艺因其低成本、自动化程度高和安全性好等优势，在冶金生产中的应用越来越广，但在生产规模大型化上仍有很长的路要走。

参考文献

[1]郭震.深冷空气分离装置工艺特点及设计原则探究[J].低碳世界,2016,(17):245-246.

[2]胡旭,张勇,周历科,杨中贵.变压吸附技术在气体分离提纯中的应用[J].化工管理,2022,(05):49-51.

[3]靳九如,徐建平.国内变压吸附制氧技术的发展现状及应用创新[J].通用机械,2020,(07):12-15.

[4]李立卫.深冷空气分离法在制氧系统中的应用探析[J].化工时刊,2021,35(11):25-27.

[5]李维亮.回转窑焙烧处理锌浸出渣机制及模拟研究[D].西安建筑科技大学,2020.

[6]张轶,闵文博,薛正良,等.变压吸附制氧在高炉富氧喷煤中的应用[J].炼铁,2021,40(5):4.