1、收稿日期 : 2006207219 ; 修回日期 : 2006210219作者简介 : 吴绍刚 (1962 ) , 男 , 高级工程师 , 1983 年毕业于内蒙古工学院化工机械专业 , 现在中冶东方工程技术有限公司秦皇岛研究设计院市政所从事氧气站、乙炔站、保护气体站和压力容器设计工作。转炉炼钢氧气供求不均衡及配套空分设备发展趋势吴 绍 刚(中冶东方工程技术有限公司秦皇岛研究设计院 , 河北省秦皇岛市 119 信箱 066004)摘要 : 分析了氧气顶吹转炉炼钢的氧气需求量与所配套空分设备氧气供应量之间的不均衡关系 ; 对氧气供应量不足时 , 消耗的液氧费用与钢产量提高所增加的利润进行了比较
2、; 阐述了与转炉配套空分设备流程的发展趋势 , 并提出了一种新的流程设想。关键词 : 空分设备 ; 气体应用 ; 流程 ; 发展趋势中图分类号 : TB65717 文献标识码 : AOxygen supply imbalance for converter steel2making anddeveloping trend of supporting air separation unitWu Shao2gang( Qinhuangdao Designing Institute , B ERIS Engineering and Research Corporation , P1O1Box 119
3、 ,Qinhuangdao 066004 , Hebei , P1R1China)Abstract : The imbalance between oxygen requirement from Linz2Donawitz process steel2making system and oxygensupply of supporting air separation unit is analyzed. The comparison is made between expense for additional liquid oxygenand extra profit from increas
4、ed steel product , when the gas oxygen supply is insufficient. After a description of the trendof supporting air separation unit for converter , a novel conceptual process is also proposed.Keywords : Air separation unit ; Gas application ; Process ; Developing trend氧气顶吹转炉炼钢是当今效率最高的炼钢方法之一 , 在我国钢铁产量中顶
5、吹转炉钢的比例也越来越大 , 氧气顶吹转炉炼钢技术日趋完善。大型氧气顶吹转炉月平均冶炼周期已缩短到 24 28min , 但要达到这样的冶炼效率 , 必须要有充足的氧气、氮气和氩气供应。1 氧气顶吹转炉炼钢耗氧量及空分设备配置氧气顶吹转炉炼钢 , 每 1t 钢耗氧量及冶炼周期的设计值与实际值比较见表 1。这就是目前大多数钢铁厂的冶炼状况。由于转炉在实际冶炼过程中每 1t钢耗氧量、最大钢产量表 1 氧气顶吹转炉炼钢每 1t 钢耗氧量和冶炼周期项 目 设计值 实际值25 80t 中、小型转炉每 1t 钢耗氧 / m3 61 65 70 80冶炼周期 / min 30 40 23 25100t 以上
6、大型转炉每 1t 钢耗氧 / m3 55 60 65冶炼周期 / min 40 24 28大于设计值 , 冶炼周期小于设计值 , 使得配置的空分设备的实际制氧能力要大于设计值。但有的空分设备制氧能力即使大于设计值 , 在实际冶炼过程中仍需要汽化液氧进行补充 , 以保持管网压力。不同吨位转炉空分设备配置情况见表 2。23表 2 不同吨位转炉空分设备配置情况转炉吨位 / t空分设备配置设计值 / (m3/ h )空分设备配置实际值 / (m3/ h )实际冶炼周期 / min 补充液氧情况25 45004500600023 25大量补充不用补充30 6000 6000 23 25 有时需要补充40
7、 6000 6000 23 25 少量补充65 600060001000023 25大量补充有时需要补充80 10000 12000 24 26 有时需要补充100 12000 15000 26 28 有时需要补充150 18000 20000 26 28 需要补充为了满足高效的冶炼强度 , 需配置氧气产量足够大的空分设备 , 但一旦冶炼系统出现故障 , 将使氧气大量放散。2 氧气供求不均衡211 缩短冶炼周期、提高冶炼效率时供氧不足氧气顶吹转炉炼钢所配置的空分设备一般都是按转炉平均冶炼周期偏上进行设计 , 尽管如此 , 当加强冶炼强度时 , 供氧量仍不足。下面以 100t 转炉为例来分析。1
8、00t 转炉配 15000m3 / h 内压缩流程空分设备 ,氧气产量 : 13500m3 / h , 液氧产量 (折成气态 ) :1500m3 / h。吹氧时间 : 14min ;瞬时用氧量 : 29000m3 / h ;每炉吹氧量 : (29000/ 60) 14 = 6767m3 ;吹氧时空分设备提供的氧气量 : (13500/ 60 ) 14 = 3150m3 ;冶炼周期 : 32min , 26min ;不吹氧时间 : 18min , 12min ;不吹氧时空分设备提供的氧气量 : (13500/ 60 ) 18 = 4050m3 , (13500/ 60) 12 = 2700m3
9、。吹氧时空分设备提供的氧气量 + 不吹氧时提供的氧气量 :冶炼周期为 32min 时 ,3150 + 4050 = 7200m3 6767m3 ;冶炼周期为 26min 时 ,3150 + 2700 = 5850m3 6767m3 。冶炼周期为 26min 时 , 空分设备的供氧量满足不了冶炼用氧要求 , 每炉氧气缺口为 917m3 。因此冶炼 周 期 为 26min 时 , 需 要 额 外 补 充 氧 气。15000m3 / h 空分设备生产的氧气没有这个补充能力 , 只能靠液氧补充。212 转炉故障、检修和铁水供应不足时氧气放散在实际冶炼过程中 , 一般都选择氧产量比设计值大的空分设备。可
10、是当转炉在冶炼一段时间后 ,有时需要补炉 , 要几小时 ; 若出现机械故障如倾动机构出现问题 , 需要维修时间 ; 若出现严重事故 ,例如跑钢 , 则需要几天或者更长的时间来处理 ; 当铁水供应量少时 , 转炉冶炼强度将下降 ; 等等。以上种种情况 , 转炉炼钢对氧气的需求量会大大下降甚至不需求 , 氧气就可能大量放散。现以 15000m3 / h 空分设备配置 1000m3 、 310MPa的氧气球罐来分析。氧气球罐的实际工作压力为216MPa , 空分设备的排气压力为 115MPa。因为1000m3 、 216MPa 的氧气减压到 115MPa 时氧气量为8389m3 , 所以氧气球罐被充
11、满的时间为 0162h(8389/ 13500) 。而当转炉发生故障、检修和铁水供应不足时 , 需要几小时、几天甚至更长的时间不吹氧 , 这时氧气只能放散。3 液氧费用与钢产量增加利润的比较现以 100t 转炉为例进行液氧费用与钢产量提高所增加利润的比较。311 钢产量提高所增加的利润每炉产钢水量 : 110t ;冶炼周期 : 26min , 32min ;每天冶炼炉数 : 50 , 40 ;日产钢水量 : 110 50 = 5500t ,110 40 = 4400t ;冶炼周期为 26min 时 , 每天多产钢水量 : 110 50 - 110 40 = 1100t ;每 1t 钢水利润 :
12、 600 元 ;每天多产钢水量所增加的利润 : 1100 600 =66 万元。312 液氧费用31211 每天生产液氧所需的费用电费单价 : 016 元 / (kW h) ;每 1m3 液氧 (折合成气态 ) 成本 : 1kW h/ m3 016 元 / (kW h) = 016 元 / m3每 1m3 氧气成本 :015kW h/ m3 016 元 / (kW h)= 013 元 / m333每天生产液氧所增加的费用 : (6767 - 3150 -2700) 50 (016 - 013) = 1138 万元。31212 外购液氧所需的费用每 1t 液氧 : 800 元 ;每天购买液氧的费
13、用 : 1114 800 (6767 -3150 - 2700) 50/ 800 = 5123 万元。可见每天多产钢水量所增加的利润 66 万元 ,远远大于生产及外购液氧的费用 : 1138 万元、 5123万元 , 分别是 4718、 1216 倍。虽然生产及外购液氧成本很高 , 但是为了缩短冶炼周期、提高冶炼效率、增加钢产量 , 主要靠生产及外购液氧汽化后补充冶炼用氧气 , 这是目前普遍采用的方法。4 与转炉炼钢匹配的空分设备发展趋势转炉吹氧是不连续的 , 空分设备生产却是连续的 , 就是这种生产上的不协调 , 造成实际生产中 ,氧气用量不足或者放散 , 并且这种状况一直存在 ,没有得到很
14、好的解决。目前 , 减少氧气放散的主要措施有 : 新建液化装置 , 将多余的氧气液化成液氧 , 当氧气需求量增加时 , 蒸发液氧来保持管网压力 ; 调整空分设备的生产负荷 ; 优化生产组织。以上措施在具有几个炼钢车间、多套空分设备及正常生产的情况下才会发挥作用。当只有 1 个炼钢车间、 1 2 套空分设备 , 遇到炼钢车间突发事故 , 例如跑钢时 , 炼钢车间不吹氧 , 这么大的氧气量即使液化也需要一定的时间 , 并且不可能配置这么大的液化装置 , 而且空分设备配置液化装置 , 生产液体的成本高。411 采用规整填料塔、全精馏无氢制氩外压缩流程空分设备目前生产的空分设备 , 上塔都采用规整填料
15、。规整填料塔与筛板塔比较 , 最显著的特点之一就是阻力小。采用规整填料塔使氩的制取更为简化 ; 制氩系统与以前相比 , 取消了氩净化设备及制氢站 , 全部通过精馏便能生产出氩。上、下塔采用规整填料的外压缩流程空分设备操作弹性大。例如 : 北台钢铁公司 50000m3 / h 空分设备 , 其操作负荷变化范围达 50 % 105 %。但是 , 这种流程空分设备的负荷变化频率跟不上炼钢氧气需求量的变化频率。空分设备的变负荷能力基本上达到转炉炼钢瞬时最大用氧量 , 这样的流程需要配 2 台空压机、 2台氧压机及至少 2 台膨胀机。如果把这种流程空分设备直接用在转炉冶炼过程中 , 要求 1 台空压机、
16、1 台氧压机和 1 台膨胀机在 30min 内启停 1 次 , 启、停次数频繁 , 目前还做不到。412 笔者设想的内压缩流程空分设备内压缩流程的突出特点是安全、产液量大。内压缩流程直接抽取相当氧气产量的液氧 , 使主冷凝蒸发器的液氧始终处于流动状态 , 液氧在主冷凝蒸发器更换快 , 碳氢化合物不会在其中积聚。在正常情况下 , 能够生产 30 %的液氧。转炉炼钢调峰用氧主要靠贮存系统 , 仅靠气体贮存系统不能完全满足高峰用氧的需求 , 还要配置适当的液体贮存系统 , 但这需要具有产液能力的空分设备与之配合。在相同体积情况下 , 液体贮罐要比气体贮罐的贮量大 60 70 倍 , 目前钢铁厂氧气站
17、贮存系统大多采用气体贮存和液体贮存相结合的方式。而且液体贮罐的有效体积越来越大 , 这主要是为满足冶炼强度的增加。当转炉由于故障、检修和铁水供应不足造成氧气放散时 , 与其放散 , 还不如把它贮存起来 , 最有效的贮存方式是液体贮存。内压缩流程具有解决上面问题的条件 , 但内压缩流程需要进一步改进。首先体现在精馏塔内 : 上塔、下塔全部采用规整填料塔 , 保证变负荷的调节范围 ; 空分设备全部生产液氧时 , 空分设备 70 %负荷生产 , 由空压机进口导叶自动控制进气量。当转炉发生故障需检修时 , 若小于 10d , 空分设备全部生产液氧。从主冷凝蒸发器抽出的液氧不去液氧泵、高压换热器 , 而
18、直接去液体贮槽。这需要膨胀机增大膨胀量 , 增压空气全部进膨胀机增压机、然后全部进膨胀机进行膨胀。该流程需配置 2台高压膨胀机 , 平时开 1 台 (膨胀量可调 ) , 生产气态产品及部分液体产品 ; 当转炉故障、检修时开2 台 , 全部生产液体。其流程如图 1 所示。转炉炼钢氧气放散率一般都在 10 % 30 %之间 , 改进流程后的空分设备若正常生产 , 产液量在10 % 30 % , 与氧气放散率吻合。改进流程把原先需要放散的氧气用液体的形式贮存起来 , 用来满足高效冶炼调峰用氧的需求。43图 1 全部及部分生产液体的空分设备流程简图如果这种流程的空分设备能够实现 , 将把转炉故障、检修
19、和铁水供应不足造成放散的氧气有效地贮存起来。氧气放散量将大幅度减少、甚至不放散 , 既节约大量的能量、减少噪声 , 又可以解决转炉炼钢氧气供求不均衡的现状。5 结束语与氧气顶吹转炉匹配空分设备的变负荷生产不应体现在气体产品上 , 而应该表现在液体产品上。液体产品在变负荷速度、贮存及加压设备上都满足工艺及生产要求 , 而气体产品很难做到。液体产品贮存、加压输送设备 (低压液体贮罐、液体泵及高压换热器 ) , 从制造角度来看可以实现。气体产品贮存、加压输送设备 (压缩机、中压球罐 ) , 制造复杂、工艺要求高。与氧气顶吹转炉匹配的空分设备应朝着既能制取部分液氧 ( 30 %) , 又能全部生产液氧
20、的方向发展。 参考文献 :1 周家建 . 北台钢铁公司 50000m3 / h 空分设备的设计和运行 J .深冷技术 , 2005 (1) : 15218.2 田明勇 , 时文玉 , 李木 . 降低氧气放散率 提高空分设备效益 J .深冷技术 , 2005 (5) : 35238. 林德集团获卡塔尔 8 个空分工厂项目合约林德集团 (Linde) 称已经从 Qatar Shell GTL (多哈 ) 公司得到了一份合约 , 建设 8 个大型空分工厂 , 这 8 个工厂将成为 Qatar Shell GTL 公司位于卡塔尔拉斯拉凡 ( RASLAFFAN) 的“珍珠” ( Pearl) 将天然气转化为液态的油( GTL) 项目的一部分。 Qatar Shell GTL 公司是卡塔尔石油公司 (Qatar Petroleum) 和壳牌公司 (Shell) 的合资企业。这份合同估计价值 9 亿美元。这些空分工厂的氧气总产能将为86 万 m3 / h , 这是最大的一单空分工厂订单。该项目预计2010年年底完工。“珍珠” GTL 项目将采用天然气为原料 ,日产 14 万桶液态烃产品 , 包括石脑油、 GTL 燃料、正构链烃、煤油以及润滑剂基础油。该项目还将日产 12 万桶油当量的冷凝液化石油气和乙烷。深冷技术53
