CN111646433A - 制氧设备及使用其制氧的方法和冶炼设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种制氧设备及使用其制氧的方法和冶炼设备。制氧设备：空压机、用于获得高纯气体的深冷空气分离制氧系统和用于获得富氧空气的变压吸附制富氧空气系统。使用制氧设备制氧的方法：空气进入空压机压缩后，一部分进入深冷空气分离制氧系统，剩余部分进入变压吸附制富氧空气系统；进入深冷空气分离制氧系统的压缩空气送入氮水预冷装置进行预冷，然后送入分子筛净化装置进行净化，最后送入空气分离装置得到液氧；进入变压吸附制富氧空气系统的压缩空气送入吸附塔，吸附处理得到富氧空气。冶炼设备，包括制氧设备。本申请提供的制氧设备及使用其制氧的方法，能够同时提供高纯氧气和富氧空气，节能减排、经济效益好。

Description

制氧设备及使用其制氧的方法和冶炼设备

技术领域

本发明涉及金属冶炼领域，尤其涉及一种制氧设备及使用其制氧的方法和冶炼设备。

背景技术

目前炼钢(转炉、电炉)冶炼用氧，炼铁高炉系统富氧鼓风用氧都由氧气站空分提供。深冷空分装置生产1m³氧气用电指标：0.55-0.6KW·h/m³。炼铁高炉富氧鼓风系统用氧由炼钢冶炼用氧的剩余部分提供，氧含量1-3％，并且炼铁高炉富氧鼓风空气含有一定的水分。由于受炼钢冶炼用氧限制，不能提供大量氧气，国内高炉炼铁富氧含量很难达到20％，这极大限制了高炉大量喷吹煤粉技术的使用。而专门为高炉富氧建空分装置，则存在着空分装置造价高，制氧、压氧成本高等问题。

因此，如何实现制备高纯氧气的同时能够为炼铁高炉富氧鼓风系统用氧提供氧气含量达到24-50％的富氧空气，成为亟待解决的问题。

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制氧设备及使用其制氧的方法和冶炼设备，以解决上述问题。

为实现以上目的，本发明特采用以下技术方案：

一种制氧设备，包括空压机、用于获得高纯气体的深冷空气分离制氧系统和用于获得富氧空气的变压吸附制富氧空气系统；

所述深冷空气分离制氧系统包括依次连接的氮水预冷装置、分子筛净化装置、空气分离装置和贮存调压装置；所述变压吸附制富氧空气系统包括吸附塔；

所述深冷空气分离制氧系统和所述变压吸附制富氧空气系统分别与所述空压机连通。

优选地，还包括与所述空压机的入口连通的空气过滤器。

优选地，所述氮水预冷装置包括空气冷却塔。

优选地，所述分子筛净化装置包括分子筛吸附器。

优选地，所述空气分离装置包括空分塔、膨胀增压机、增压机后冷却器和膨胀机；所述空分塔包括上塔、下塔、主换热器和冷箱，所述主换热器与所述上塔、所述下塔和所述冷箱分别连通，所述膨胀增压机与所述增压机后冷却器、所述主换热器、所述膨胀机、所述上塔依次连通。

更加优选地，所述空气分离装置还包括粗氩塔和精氩塔，所述上塔的中部出口与所述粗氩塔、所述精氩塔、所述贮存调压装置依次连通。

优选地，所述贮存调压装置包括贮存模块和汽化模块，所述贮存模块与所述空气分离装置连通，所述汽化模块与所述贮存模块连通；

优选地，所述空气分离装置和所述贮存调压装置之间还设置有压缩装置。

优选地，所述变压吸附制富氧空气系统与所述空压机之间设置有空气干燥器；

优选地，所述吸附塔至少设置两个，其中一个处于吸附产富氧状态、另外一个处于解吸状态。

一种使用所述的制氧设备制氧的方法，包括：

空气进入所述空压机压缩后，一部分进入所述深冷空气分离制氧系统，剩余部分进入变压吸附制富氧空气系统；

进入所述深冷空气分离制氧系统的压缩空气送入所述氮水预冷装置进行预冷，然后送入所述分子筛净化装置进行净化，最后送入所述空气分离装置得到液氧；

进入所述变压吸附制富氧空气系统的压缩空气送入所述吸附塔，吸附处理得到富氧空气。

一种冶炼设备，包括所述的制氧设备。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1.本申请提供的制氧设备，通过使用空压机对空气压缩后分别供给深冷空气分离制氧系统和变压吸附制富氧空气系统；进入深冷空气分离制氧系统的空气经过氮水预冷装置、分子筛净化装置、空气分离装置和贮存调压装置处理得到高纯氧气；进入变压吸附制富氧空气系统的空气经过吸附塔处理得到富氧空气；本申请在不增加另外的空分装置的情况下，实现高纯氧气和富氧空气的同时获得；

2.使用本申请提供的制氧的方法，可以实现高纯氧气和富氧空气的同时获得，投资少、能耗低，节能减排。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。

图1为实施例提供的制氧设备的简要示意图；

图2为实施例提供的制氧设备的示意图。

具体实施方式

如本文所用之术语：

“由……制备”与“包含”同义。本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。

连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。

当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。

在这些实施例中，除非另有指明，所述的份和百分比均按质量计。

“质量份”指表示多个组分的质量比例关系的基本计量单位，1份可表示任意的单位质量，如可以表示为1g，也可表示2.689g等。假如我们说A组分的质量份为a份，B组分的质量份为b份，则表示A组分的质量和B组分的质量之比a：b。或者，表示A组分的质量为aK，B组分的质量为bK(K为任意数，表示倍数因子)。不可误解的是，与质量份数不同的是，所有组分的质量份之和并不受限于100份之限制。

“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A和/或B包括(A和B)和(A或B)。

下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种制氧设备，包括空压机、深冷空气分离制氧系统和变压吸附制富氧空气系统；深冷空气分离制氧系统和变压吸附制富氧空气系统分别与所述空压机连通。

如图2所示，在一个优选地实施方式中，深冷空气分离制氧系统包括依次连接的氮水预冷装置、分子筛净化装置、空气分离装置和贮存调压装置；变压吸附制富氧空气系统包括两个吸附塔。氮水预冷装置采用空气冷却塔，分子筛净化装置采用分子筛吸附器。

为了保证进入设备的空气的清洁度，在一个优选地实施方式中，空压机的入口之前还设置有空气过滤器。

在一个可选地实施方式中，空气分离装置包括空分塔、膨胀增压机、增压机后冷却器和膨胀机；空分塔包括上塔、下塔、主换热器和冷箱，主换热器与上塔、下塔和冷箱分别连通，膨胀增压机与增压机后冷却器、主换热器、膨胀机、上塔依次连通。

在其他的实施方式中，空气分离装置还可以采用其他可行的装置，实现从空气中分离出高纯氧气即可。

为了充分利用制氧过程中得到的氩气，在一个优选地实施方式中，空气分离装置还包括粗氩塔和精氩塔，上塔的中部出口与粗氩塔连通，粗氩塔的出口与精氩塔连通，精氩塔的出口与贮存调压装置依次连通。

在一个可选地实施例中，为了最大程度的保证系统的稳定性和空气分离产物的充分应用，贮存调压装置包括贮存模块和汽化模块，贮存模块与空气分离装置连通，汽化模块与贮存模块连通。

考虑到氧、氮、氩在贮存、运输和应用时的不同状态，实现气体和液体之间的状态转变，空气分离装置和贮存调压装置之间还设置有压缩装置。

在一个优选地实施方式中，为了保证制得的富氧空气相对湿度为0，变压吸附制富氧空气系统还包括空气干燥器，空气干燥器设置在空压机与吸附塔之间。

下面对制氧设备的工作流程进行简述：

空气经空气过滤器进入空气压缩机，从空气压缩机出来的空气，一路去深冷空分制氧系统，一路去变压吸附制富氧空气系统；从深冷空分制氧系统出来的高纯度氧气、氮气、氩气去炼钢，从变压吸附制富氧空气系统出来的富氧空气，其氧气含量为24～50％，相对湿度为零，去炼铁高炉。

其中，深冷空分制氧系统的工艺流程如下：

原料空气吸入空气过滤器除去机械杂质，进入空压机压缩到约0.5MPa，然后送入空气冷却塔进行预冷，预冷后的空气送往分子筛吸附器，将其中的H₂O、CO₂、C₂H₂等杂质去除。

净化后的加工空气分成二股，一股直接进入空分塔主换热器、换热后入下塔参加精馏。另一股进入膨胀增压机，从膨胀增压机出来的空气、进入增压机后冷却器和主换热器冷却，然后进入膨胀机，膨胀后的空气进入上塔、参加精馏。在上塔底部获得纯度99.7％的液氧，氧气进入主换热器，复热后出冷箱；在上塔顶部获得纯度99.999％的氮气，经过主冷、主换热器复热后出冷箱。从上塔中部抽出的氩馏份，经粗氩塔I、II及精氩塔精馏后，在精氩塔底部得到纯度99.999％的精液氩，出冷箱进入贮存调压装置中的液氩贮槽。

下面对变压吸附制富氧工艺进行简述：

变压吸附制富氧工艺流程，即装置由两个吸附塔组成，其中一个吸附塔处于进料吸附产富氧的状态，另一个吸附塔处于解吸状态，每一个吸附塔的工艺过程由吸附、均压降压、解吸、均压升压和产品最终升压等步骤组成。变压吸附具有吸附剂吸附容量更大、选择性更好、强度更高、使用寿命更长的优点；一般情况下，吸附剂分离系数不宜小于3。变压吸附法循环周期短，吸附剂利用率高，吸附剂用量相对较少，不需要外加换热设备。其具体工艺过程如下：

(a)、吸附过程

通过空气过滤器，原料空气经空压机加压后，进入空气干燥器，其中的H₂O被吸附掉，然后进入吸附塔，其中的N₂、CO₂、烃类等组分经多种吸附剂后被依次吸附掉，得到纯度24～50％(纯度可通过计算机在25～50％间任意设定)的富O₂从塔顶输出进入产品缓冲罐，通过管道送高炉富氧鼓风。

当被吸附杂质的传质区前沿(称为吸附前沿)到达床层出口预留段某一位置时，关掉该吸附塔的原料气进料阀和产品气出口阀，停止吸附。吸附床开始转入再生过程。

(b)、均压降压过程

这是在吸附过程结束后，顺着吸附方向将塔内的较高压力的富氧气体放入其它已完成再生的较低压力吸附塔的过程，该过程不仅是降压过程，更是回收床层死空间氧组份的过程，因而可保证氧气的充分回收。

(c)、均压升压过程

在解吸再生过程完成后，用来自其它吸附塔的较高压力富氧气体对该吸附塔进行升压，这一过程与均压降压过程相对应，不仅是升压过程，而且更是回收其它塔的床层死空间氧气的过程。

(d)、产品气升压过程

在均压升压过程完成后，为了使吸附塔可以平稳地切换至下一次吸附并保证产品纯度在这一过程中不发生波动，需要用产品氧气将吸附塔压力升至吸附压力。经过这一过程后吸附塔便完成了一个完整的“吸附-再生”循环，又为下一次吸附做好了准备。

两个吸附塔按程序交替工作，即可实现连续分离空气得到富氧空气。控制采用DCS计算机控制系统。具有流程先进，操作方便、运行可靠、能耗低等特点。

具体到用户：钢铁厂氧、氮、氩气用户，转炉炼钢车间需要高纯度氧气(≥99.6％)、氮气(≥99.999％)、氩气(≥99.999％)，由深冷空分制氧系统提供。电炉炼钢车间需要氧气(≥98％)，由空分装置或变压吸附制氧装置提供。但是切割氧气、密封氮气、精炼用氩气，仍然由空分装置或贮存调压装置提供。轧钢车间：热轧车间加热炉需要吹扫氮气；如果是冷轧车间，需要氢气、氮气，氮气由空分装置或贮存调压装置提供。高炉富氧鼓风需要氧气，密封、吹扫需要氮气，富氧空气由变压吸附制富氧空气系统提供，氮气都由深冷空气分离制氧系统提供。

为了进一步的说明本申请提供的制氧设备的优势，特对高炉富氧空气喷吹煤粉技术进行说明如下：

高炉富氧空气喷吹煤粉不仅可以大幅度降低焦比，增加产量，而且可以缓解我国焦炭资源不足的矛盾。我国煤炭资源丰富，但是焦煤资源不足，无烟煤和非炼焦煤占2/3，焦煤资源中，气煤占一半以上，肥煤、焦煤和瘦煤各占13.87％、17.7％和12.01％，而且地理上分布不均，焦炭数量不足，质量下降是限制我国钢铁生产发展的薄弱环节。80年代重点企业冶金焦炭质量不断下降，近十年中灰分由13.58％上升到14.58％(比国外高3％～4％)，含硫量由0.66％上升到0.72％，强度不断下降。焦炭要改善质量，则数量短期内不可能有较大增加。富氧喷吹煤粉、以煤代焦是目前我国高炉强化的主要途径。

高炉富氧喷吹煤粉具有以下优点：

(1)提高煤粉的燃烧速度，提高喷吹煤粉数量和煤粉的燃烧速率。(2)提高风口区的理论燃烧温度。由于燃烧产物体积减少，风口区的理论燃烧温度提高。由计算可知：一定条件下，富氧率提高1％，约能提高理论燃烧温度50℃。(3)提高冶炼强度。由于鼓风含氧量提高，每吨生铁需要风量减少。若保持原有风量不变，则冶炼强度可以提高。根据我国生产高炉数据可知，可望增产2.5％-5.0％，增加喷吹煤粉量12-30Kg/t铁，节约焦炭0.4～2.5Kg/t铁。(4)增加煤气中CO的含量，改善间接还原；同时提高煤气热值，有利于提高热风风温，反过来改善煤的燃烧，形成良性循环。

目前高炉喷煤富氧方式有三种：(1)热风富氧；(2)应用氧煤枪在粉煤颗粒周围局部富氧；(3)热风富氧加局部富氧。温度是燃烧反应动力学的重要因素之一，高风温是增加喷吹煤粉量、提高煤粉燃烧率的有力措施之一。我国高炉的风温一般在900℃-1100℃之间。一般认为，提高100℃风温，可降低焦8-20Kg/t铁，增产2％-3％。风温的提高可以快速加热煤粉和载气，提高热解的吸热速率，促使煤粉提前着火，有利于煤粉化学能的充分利用。当高炉喷吹燃料数量不变时，每增加氧1％，增产约5％，目前采用富氧鼓风技术的高炉，效果都很好。高炉富氧鼓风，氧气基本都是由深冷空分装置提供。

深冷空分装置每生产一立方氧气用电指标：0.55-0.6KW·h/m³。变压吸附制氧，氧气纯度越低，单位制氧电耗越低。同时变压吸附制氧电耗，随着氧气浓度的提高而提高，本申请提供的制氧设备，变压吸附制富氧空气系统制得的空气中氧气浓度为24％-50％，单位制氧电耗在0.25KW·h/m³左右，比深冷空分制氧要小。高炉富氧鼓风不要求高纯度的氧气，变压吸附制氧可以为高炉提供质量好、价格便宜的氧气。

此外，现有技术中，高炉富氧鼓风，氧气与空气混合有鼓风机前混合，鼓风机后混合。要么需要配置氧压机，要么需要将系统建设在鼓风机机房附近，都会变相提高制氧成本。而本申请提供的变压吸附制富氧空气系统，得到的富氧空气无需再进行混合，可以直接使用。富氧空气压力为0.4～0.5MPa，一般氧气站距炼铁车间较远，炼铁用户点的压力为：0.35MPa左右(1000m³以下高炉)和0.45MPa左右(2000m³以上高炉)，富氧空气压力比炼铁用户点压力略高，为输送提供能量。

需要说明的是，通常来讲，高炉鼓风机是给高炉鼓风提供能量、动力的，空分的空压机是给低温分离空气提供能量的，变压吸附制氧的鼓风机是给空气分离提供能量的。但受限于单独体系的限制，一般不能共用。而本申请提供的制氧设备，空分、变压吸附制氧、鼓风机房可以共用一台空压机，即三台转动设备，合并为一台转动设备。

对比例1

采用两套深冷空气分离制氧系统，分别给炼钢用户和高炉炼铁用户供氧。

给炼钢用户供氧的能耗，实施例和对比例1是相同的。单独计算高炉供氧使用深冷空气分离制氧系统和变压吸附制富氧空气系统的差别：

以588m³的高炉为例，其送风量为2000*60＝120000m³/h，需要一套120000m³/h变压吸附制氧装置或者3600m³/h的深冷空气分离制氧系统。变压吸附制氧装置的耗电量大约为400KW·h，深冷空气分离制氧系统的耗电量大约为1980KW·h，深冷空气分离制氧系统的耗电量是变压吸附制氧装置的耗电量的4.95倍。

由此可见，变压吸附制氧电耗小于深冷空分制氧电耗。本申请通过对深冷空气分离制氧系统和变压吸附制富氧空气系统进行整合，使公辅设施得到综合利用，投资减少，占地减少，流程简化。为高炉提供质量好、价格便宜的氧气，每生产1.0立方氧气用电指标：0.1～0.2KW·h/m³。

传统深冷空分制氧生产的氧气主要是供给炼钢车间，如果有剩余氧气供炼铁高炉富氧鼓风。本申请提供的制氧设备属于紧凑节能型制氧设备，同时提供炼钢车间使用的高纯度氧气及炼铁高炉含氧量24～50％、相对湿度为零的富氧空气。实现钢铁厂氧、氮、氩、富氧空气集中供气，对钢铁厂的产业升级具有积极的推动作用。

紧凑节能型制氧设备及方法，对将来高炉喷吹废旧塑料，提供了非常有利的支持。可以使塑料颗粒快速升温，快速燃烧，不会产生二噁英，减少环境污染，解决城市垃圾处理的难题，前景非常广阔。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种制氧设备，其特征在于，包括空压机、用于获得高纯气体的深冷空气分离制氧系统和用于获得富氧空气的变压吸附制富氧空气系统；

所述深冷空气分离制氧系统包括依次连接的氮水预冷装置、分子筛净化装置、空气分离装置和贮存调压装置；所述变压吸附制富氧空气系统包括吸附塔；

所述深冷空气分离制氧系统和所述变压吸附制富氧空气系统分别与所述空压机连通。

2.根据权利要求1所述的制氧设备，其特征在于，还包括与所述空压机的入口连通的空气过滤器。

3.根据权利要求1所述的制氧设备，其特征在于，所述氮水预冷装置包括空气冷却塔。

4.根据权利要求1所述的制氧设备，其特征在于，所述分子筛净化装置包括分子筛吸附器。

5.根据权利要求1所述的制氧设备，其特征在于，所述空气分离装置包括空分塔、膨胀增压机、增压机后冷却器和膨胀机；所述空分塔包括上塔、下塔、主换热器和冷箱，所述主换热器与所述上塔、所述下塔和所述冷箱分别连通，所述膨胀增压机与所述增压机后冷却器、所述主换热器、所述膨胀机、所述上塔依次连通。

6.根据权利要求5所述的制氧设备，其特征在于，所述空气分离装置还包括粗氩塔和精氩塔，所述上塔的中部出口与所述粗氩塔、所述精氩塔、所述贮存调压装置依次连通。

7.根据权利要求1所述的制氧设备，其特征在于，所述贮存调压装置包括贮存模块和汽化模块，所述贮存模块与所述空气分离装置连通，所述汽化模块与所述贮存模块连通；

优选地，所述空气分离装置和所述贮存调压装置之间还设置有压缩装置。

8.根据权利要求1-7任一项所述的制氧设备，其特征在于，所述变压吸附制富氧空气系统与所述空压机之间设置有空气干燥器；

优选地，所述吸附塔至少设置两个，其中一个处于吸附产富氧状态、另外一个处于解吸状态。

9.一种使用权利要求1-8任一项所述的制氧设备制氧的方法，其特征在于，包括：

空气进入所述空压机压缩后，一部分进入所述深冷空气分离制氧系统，剩余部分进入变压吸附制富氧空气系统；

进入所述深冷空气分离制氧系统的压缩空气送入所述氮水预冷装置进行预冷，然后送入所述分子筛净化装置进行净化，最后送入所述空气分离装置得到液氧；

进入所述变压吸附制富氧空气系统的压缩空气送入所述吸附塔，吸附处理得到富氧空气。

10.一种冶炼设备，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的制氧设备。

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