Как обеспечить более экономичное производство кислорода — исследование технологии производства кислорода с помощью метода адсорбции при изменении давления в доменных печах

Thread Content

Публикуется статья, взятая из газеты «Китайская металлургическая газета», для обмена мнениями. Текст статьи следующий: Как добиться более экономичного использования кислорода — исследование технологии производства кислорода с помощью метода адсорбции при изменении давления в доменных печах. Автор: Ван Хунцян. В традиционных технологиях подачи кислорода в доменные печи используется кислород высокого давления, получаемый с помощью метода глубокого охлаждения. Однако из-за высоких затрат на этот метод, в качестве источника кислорода чаще всего используется избыточный кислород высокого давления, получаемый в процессе производства стали. Это делает возможным применение технологии подачи кислорода после процесса обработки металла. С развитием технологий плавки использование кислорода в процессе производства железа стало эффективным способом улучшения эффективности работы доменных печей. Ключевой проблемой при этом является обеспечение постоянного и недорогого поставки кислорода. Современные технологии производства кислорода с использованием метода трансформационной адсорбции позволяют получать кислород по низкой цене, что открывает возможность значительного повышения уровня насыщения кислородом в доменных печах. Применение технологии обогащения воздуха перед аппаратом позволяет ещё больше расширить использование метода адсорбции кислорода в доменных печах. Принцип и преимущества производства кислорода с помощью трансформационной адсорбции. Метод трансформационной адсорбции, или PSA, предусматривает адсорбцию газов при высоком давлении для их разделения, а регенерацию адсорбента — при низком давлении. Этот метод основан на селективном адсорбировании молекулярным ситом кислорода и азота из воздуха, что позволяет получить кислород путем разделения воздуха. Когда воздух сжимается и проходит через адсорбционную колонку с молекулярным ситом, молекулы азота адсорбируются в первую очередь, а молекулы кислорода остаются в газофазе и превращаются в кислород. Когда процесс адсорбции достигает равновесия, с помощью снижения давления или вакуумирования удаляются молекулы азота, адсорбированные на поверхности молекулярного сита, что позволяет восстановить его способность к адсорбции. Для непрерывного обеспечения кислородом обычно используются две или более адсорбционных установок: одна из них занимается адсорбцией кислорода, а другая — его десорбцией, что позволяет обеспечивать непрерывную выработку кислорода. Метод PSA позволяет производить кислород с чистотой 80–95%. Энергопотребление при его производстве составляет в среднем от 0,32 кВт·ч/м³ до 0,37 кВт·ч/м³. Давление адсорбции превышает атмосферное и составляет обычно от 30 кПа до 100 кПа. Процесс является простым; он осуществляется при комнатной температуре. Уровень автоматизации высок, что позволяет обеспечить беспилотное управление. Кроме того, этот метод обладает высоким уровнем безопасности. В процессе вакуумной десорбции давление в устройстве низкое, и контейнеры и т. п. не подпадают под требования правил, касающихся сосудов под давлением. Технология трансформационной адсорбции в зависимости от количества адсорберов делится на процессы с одним адсорбером, двумя адсорберами, тремя адсорберами и пятью адсорберами. Наиболее распространенным методом в процессе пятибашенной технологии является метод адсорбции с изменением давления; при этом используется 5 адсорбционных камер, 4 вентилятора и 2 вакуумные насосы. В течение всего цикла две камеры находятся в состоянии адсорбции или под вакуумом, что позволяет решить технические проблемы, связанные с производством кислорода в крупном масштабе. Технология производства кислорода с использованием трансформационной адсорбции имеет следующие преимущества: во-первых, она использует технологию автоматического накачивания под действием разницы давлений в атмосфере, что позволяет сократить объем воздуха, поступающего от вентиляторов, увеличить срок службы оборудования и снизить затраты на производство кислорода. Во-вторых, оборудование простое: основные устройства — ротационные вентиляторы и вакуумные насосы — работают стабильно и надежно. Срок службы молекулярных сит составляет более 10 лет, и они не требуют технического обслуживания. В-третьих, количество и чистота вырабатываемого кислорода могут регулироваться в зависимости от фактических условий использования; стабильная чистота может достигать 93%, а экономически целесообразная чистота — 80–90% ； Время выработки кислорода невелико: обычно уже через 30 минут удается достичь чистоты более 80% ； Потребление электроэнергии на единицу объема составляет всего 0,32 кВт·ч/Нм3–0,37 кВт·ч/Нм3. Во-четвертых, сравнение процессов получения кислорода с помощью трансформационной адсорбции и при низких температурах имеет следующие особенности: низкие инвестиционные затраты, простота технологического процесса, малая площадь, необходимая для его реализации, малое количество оборудования, а также мало движущихся частей ； Высокий уровень автоматизации, что позволяет в основном обеспечить управление без участия человека ； Может удовлетворять требованиям технологии подачи кислорода в доменную печь. Сравнение двух способов подачи кислорода. Давление кислорода, получаемого с помощью метода трансформационной адсорбции, обычно составляет от 30 кПа до 100 кПа. В настоящее время существуют два способа подачи кислорода: первый — это обогащение воздуха кислородом после фильтрации; кислород низкого давления, выходящий из адсорбционной установки, сначала прессуется с помощью поршневого кислородного насоса до давления 600 кПа, затем его давление регулируется с помощью регулирующего клапана. После этого кислород поступает через распределитель потока в трубопровод холодного воздуха у выхода вентилятора конвертера (в трубопровод холодного воздуха между вентилятором и печью для нагрева воздуха), где смешивается с воздухом для обогащения его кислородом ； Как правило, они оснащаются группой регулирующих клапанов и соответствующими системами безопасности для удовлетворения потребностей производственного процесса. Такой способ требует значительных инвестиций: стоимость одного компрессора для сжатия кислорода составляет от нескольких миллионов до нескольких сотен миллионов. Кроме того, при сжатии кислорода расход электроэнергии увеличивается на 0,1 кВт·ч/Нм³. Что ещё более важно, компрессия и подача кислорода под высоким давлением предъявляют более строгие требования к безопасности оборудования и прочих элементов. При несоблюдении стандартов в процессе эксплуатации легко может произойти взрыв. Второй способ — это обогащение воздуха кислородом перед вентилятором: кислород низкого давления, получаемый из адсорбционной колонны, подается непосредственно в впускное отверстие вентилятора. При таком способе подачи кислорода давление составляет 5 кПа–10 кПа; из-за низкого давления скорость потока кислорода мала, поэтому для обеспечения необходимого объема потока требуется увеличить диаметр трубопроводов для подачи кислорода. В то же время, чтобы обеспечить полное смешивание кислорода, поступающего через вход для воздуха, с обычным воздухом, на входе устанавливаются распределители кислорода, что позволяет достичь необходимого уровня насыщения воздуха кислородом. Этот метод исключает необходимость в компрессоре кислорода, что снижает затраты и экономит электроэнергию. Поскольку кислород транспортируется при низком давлении, для его хранения и транспортировки применяются стандарты низкого давления. Это снижает затраты на производство оборудования; кроме того, требования к монтажу также менее строги — не требуется установка устройств для снижения давления и защиты от взрывов, что позволяет сократить расходы на строительство. Это способствует более надежной безопасности процесса производства чугуна с использованием кислорода в доменных печах. Автор советует активно продвигать этот процесс. Примеры применения и рекомендации. 19 апреля 2011 года компания Henan Wugang Sino-Canadian Steel Co., Ltd. заключила соглашение о техническом сотрудничестве с компанией Beijing Peking Pioneer Technology Co., Ltd. 10 августа того же года началось строительство объекта по производству кислорода с использованием метода трансформационной адсорбции мощностью 10 600 Нм3/ч; строительство было завершено 9 мая 2012 года. Этот проект представляет собой отдельную станцию по производству кислорода, специально построенную компанией China-Canada для обогащения кислородом трех доменных печей. Для обогащения кислородом в печах используется метод подачи кислорода непосредственно перед ними; запуск станции прошел успешно с первой попытки. В доменных печах была достигнута концентрация кислорода 5%, что привело к увеличению производства на 20%. Кроме того, потребление угля выросло на 35 кг на тонну железа. Это принесло значительную экономическую выгоду. На сегодняшний день компания China-Canada уже более двух лет использует это оборудование в практических целях. Оборудование работает стабильно и надежно; чистота кислорода и его расход превышают установленные параметры. Кроме того, уровень шума находится на приемлемом уровне, поэтому жители, проживающие на расстоянии 40 метров от завода, не имеют никаких претензий. Расчет стоимости производства кислорода осуществляется следующим образом: общий объем кислорода составляет 4079961 кубических метров в месяц; общее количество электроэнергии — 1372601 киловатт-часов. Расход электроэнергии составляет 0,33643 киловатт-часа на кубический метр; цена электроэнергии — 0,65 юаня за киловатт-час, что дает сумму в 0,218679 юаня на кубический метр. Расход соли составляет 0,0012 юаня на кубический метр; расход сжатого воздуха — 0,002167 юаня на кубический метр. Затраты на оплату труда составляют 0,00598 юаня на кубический метр. Амортизация рассчитывается по ставке 0,022 юаня на кубический метр; проценты — 0,028 юаня на кубический метр. Расход топлива составляет 0,0002253 юаня на кубический метр; затраты на другие материалы — 0,0000751 юаня на кубический метр. Общая стоимость производства составляет 0,2783269 юаня на кубический метр (с учетом налогов). Поскольку в этом процессе используется ротационный вентилятор, при проектировании и строительстве здания необходимо обязательно учитывать проблемы шума и вибрации оборудования. Для снижения уровня шума необходимо применять меры с разных сторон: например, установка глушителей на вентиляционные фанкойли в здании, использование высокоэффективных звукоизоляционных материалов внутри здания, замена выходов вакуумных насосов на устройства с лучшими глушащими свойствами, а также установка высокоэффективных глушителей на всех точках выпуска воздуха. Эти меры позволяют значительно снизить уровень шума, что делает возможным стабильную работу оборудования в жилых районах в соответствии с установленными стандартами. Для решения проблемы сильных вибраций вентилятора были установлены эластичные соединители на входе и выходе вентилятора, а также применены меры по снижению вибраций в выходной трубопроводе. Однако, поскольку теплообменник на выходе вентилятора при его выборе имел квадратную форму, практические испытания показали, что такая конструкция не способна эффективно снижать вибрации, из-за чего корпус теплообменника часто трескался. В ходе технического обмена было установлено, что теплообменник круглой формы способен лучше поглощать вибрации, не подвергаясь при этом собственным повреждениям, тем самым фундаментально решая проблему вибраций. В настоящее время из-за давления со стороны затрат средний уровень качества руды, используемой в доменных печах, в целом снижается; количество шлака увеличивается. Использование кислорода в больших количествах стало выбором для многих сталелитейных заводов. Но использование только избыточного кислорода, образующегося при производстве стали, ограничено количеством ； Широкое использование кислорода, полученного с помощью процесса глубокого охлаждения, неизбежно зависит от стоимости кислорода (содержание кислорода выше 4% является нерентабельным). Применение экономичного метода получения кислорода с использованием процесса трансформационной адсорбции позволяет обеспечить высокий уровень насыщения кислородом в доменных печах. Настало время создавать специальные станции по производству кислорода именно для доменных печей, и, по-видимому, процесс трансформационной адсорбции станет предпочтительным вариантом. Для производства кислорода с использованием технологии трансформативной адсорбции рекомендуется применять метод обогащения воздуха перед устройством.