Применение технологии генерации кислорода VPSA при нагреве ковша

В 2020 году производство нерафинированной стали, чугуна и стали в Китае составило 1053 миллиона тонн, 887,52 миллиона тонн и 1324,89 миллиона тонн соответственно, что представляет собой рост на 5,2%, 4,3% и 7,7% по сравнению с аналогичным периодом прошлого года. Производство нерафинированной стали составило 58% от общемирового объема. С 2011 по 2020 год объем производства обрабатывающей промышленности Китая и выплавки нерафинированной стали ежегодно росли в среднем на 7,9% и 5,1%, поддерживая высококачественное развитие экономики Китая. Хотя общее энергопотребление Китая на тонну стали снизилось с 920 кг у.т./т в 2000 году до 567 кг у.т./т в 2017 году, энергопотребление сталелитейной промышленности по-прежнему составляет 20–25% от общего потребления промышленного сектора и 15% от общенационального показателя. Выбросы углерода сталелитейной промышленности Китая составляют 15% от общего объема, что делает ее крупнейшим источником выбросов углерода среди 31 категории обрабатывающих отраслей.

Поскольку глобальные экологические и климатические проблемы становятся все более острыми в последние годы, перед мировыми сталелитейными и металлургическими предприятиями стоят серьезные задачи по энергосберегающему и экологичному производству. Многие предприятия Китая изучают новые меры по энергосбережению и экологичному производству в контексте "двух углеродных целей" - "углеродного пика и углеродной нейтральности". Было проведено большое количество теоретических исследований и промышленных испытаний по кислородно-обогащенному и кислородно-топливному сжиганию, что повысило интерес к источникам кислорода и экономике его использования для предприятий.

1. Технология генерации кислорода VPSA

1.1 Описание процесса

VPSA - это процесс получения кислорода за счет адсорбции под давлением и вакуумной десорбции. В зависимости от адсорбционной способности кислородного молекулярного сита по отношению к различным газам в воздухе, N2 в воздухе адсорбируется под давлением с образованием O2. Адсорбент регенерируется после вакуумной десорбции N2, обеспечивая стабильную подачу кислорода. Когда сжатый воздух проходит через адсорбент (цеолитовое молекулярное сито), большое количество N2 улавливается и адсорбируется, в то время как молекулы кислорода отделяются от молекул азота. При снижении давления N2, адсорбированный цеолитовым молекулярным ситом, высвобождается для регенерации молекулярного сита. На практике, поскольку адсорбционная способность адсорбента для Ar и O2 практически одинакова, чистота O2, полученного в процессе VPSA, ниже 95%, при этом Ar и N2 не адсорбируются полностью.

1.2 Технологическая схема

Вакуумная короткоцикловая адсорбция (VPSA) состоит из воздуходувки, вакуумного насоса, переключающих клапанов, адсорбционных колонн и буферных емкостей. Сжатый воздух от воздуходувки (типа Рутс) подается в адсорбционный аппарат после удаления пылевых частиц фильтрами на входе. Адсорберы заполнены адсорбентом. H₂O, CO₂ и небольшое количество других газовых компонентов адсорбируются в первую очередь, а N₂ адсорбируется молекулярным ситом для кислорода, тогда как O₂ (включая Ar), как неадсорбируемый компонент, выходит через выход в нижней части адсорберов и поступает в буферные емкости в качестве продукционного газа.

Когда адсорбент полностью насыщается N₂, переключающие клапаны активируют вакуумный насос для вакуумирования адсорбера (в направлении, обратном адсорбции), и адсорбированные H₂O, CO₂, N₂ и другие газы сбрасываются в атмосферу для регенерации адсорбента.

Резюмируя вышесказанное, воздух под давлением подается в радиальные адсорбционные аппараты через фильтры перед воздуходувкой, и два радиальных адсорбера работают попеременно, завершая цикл адсорбции и десорбции. Образующийся O₂ поступает в буферные емкости для стабилизации давления, таким образом формируется стабильная внешняя подача O₂ под низким давлением.

1.3 Технические преимущества

Широкое применение производства кислорода методом VPSA в металлургической промышленности обусловлено его уникальными технико-экономическими преимуществами по сравнению с криогенным процессом разделения воздуха.

(1) Простой и стабильный процесс, меньшее количество вспомогательного и движущегося оборудования, более низкие эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание.

(2) Независимо интегрированный полный комплект, гибкая эксплуатация и производство, регулировка нагрузки 50~100% для адаптации к производственным колебаниям, быстрый пуск и остановка не более 30 мин.

(3) Меньшая занимаемая площадь, более низкие инвестиции. Производительность от 2,000 до 15,000 Нм³³/ч может лучше удовлетворять потребности различных процессов. В промышленных секторах Китая крупномасштабные установки VPSA для получения кислорода производительностью от 20,000 Нм³³/ч до 50,000 Нм³³/ч уже широко применяются.

(4) Кислород низкого давления лучше соответствует потребности в кислороде низкого давления для сжигания в большинстве металлургических предприятий и одновременно экономит энергопотребление компрессоров, используемых для получения кислорода высокого давления.

(5) Более низкая стоимость производства кислорода. Природный газ может быть сэкономлен за счет технологий сжигания с обогащением кислородом или кислородно-топливного сжигания, что позволяет эффективно снизить производственные затраты предприятия. Его стоимость около ￥0,2～0,3/Нм³³ значительно ниже, чем у традиционного криогенного разделения воздуха, составляющего ￥0,5/Нм³³.

2. Пример применения

Одна китайская сталелитейная компания модернизировала 3 системы нагрева ковшей (120 т). Прежнее сжигание природного газа с поддержкой воздуха было модернизировано до кислородно-топливного сжигания, т.е. природный газ сжигается с использованием 91% кислорода, подаваемого установкой VPSA. Производительность системы получения кислорода VPSA составляет 800 Нм³³/ч с чистотой ≥91% с учетом одновременного использования 3 нагревателей ковшей и доступного остаточного восполнения O₂ на сталелитейном заводе.

3. Основные модификации

(1) Модернизация горелки и системы сжигания

Горелка использует высокоскоростные форсунки для природного газа и кислорода. Применяется ступенчатая подача кислорода, включая центральную форсунку природного газа, центральную первичную подачу кислорода и эксцентричную вторичную подачу кислорода. Горелка установлена как единое целое с тепловой мощностью 2 МВт, номинальным расходом природного газа 200 Нм³³/ч и теплотворной способностью 33 440 кДж/Нм³³.

Исходная система сжигания была переоборудована путем удаления исходной воздуходувки и системы трубопроводов для создания нового комплекта регулирующих клапанов подачи кислорода, содержащих регулирующие расход клапаны и аварийные запорные клапаны для обеспечения безопасности подачи кислорода.

(2) Модернизация автоматического управления

Исходная система управления модернизирована для реализации аварийного предупреждения, автоматического отключения или нагрева на основе контроля объемного соотношения природного газа и кислорода.

(3) Другие модификации

Путем изменения размеров горелки и требований к нагрузке были соответственно модернизированы конструкция крышки ковша, лебедочный подъемный механизм, футеровка внутри крышки ковша и поворотные рычаги.

4. Анализ эффекта

4.1 Энергосбережение и сокращение выбросов

Средний расход природного газа 120-тонного ковша до модернизации составлял 227 Нм³³/ч. После модернизации он снизился до 131,6 Нм³³/ч, сэкономив в среднем 95,4 Нм³³/ч (42%), и одновременно было сэкономлено 315,84 Нм³³/ч потребления O₂. Учитывая частоту использования каждого нагревательного оборудования ковша как 6000 часов в год, 572 400 Нм³³ природного газа может быть сэкономлено в год. Кроме того, принимая теплотворную способность природного газа за 33 440 кДж/м³³, пользователь может сэкономить 654,1 т у.т./год и сократить выбросы CO₂ на 21 124,4 т/год, т.е. 0,3 Нм³³ природного газа может быть сэкономлено на 1 Нм³³ O₂, поданного в нагреватель ковша, и выбросы CO₂ могут быть снижены на 1,96 кг.

4.2 Экономические выгоды

При поставке по трубопроводам средняя цена его природного газа составляет ￥3,5/Нм³³ за весь год, в то время как кислород, поставляемый установкой VPSA-O2, стоит всего 0,4 юаня/Нм³,³ с учетом эксплуатационных, ремонтных и кадровых затрат, в отличие от этого. Кислород, полученный по технологии VPSA, составляет ≥91%. Для полного сжигания природного газа содержание кислорода контролируется на уровне около 3%, а соотношение кислорода к природному газу поддерживается на уровне 2,4. Таким образом, средний расход O₂ после модернизации составляет 131,6 м³/³ч × 2,4 = 315,84 м³/³/ч.

Без учета других факторов, стоимость кислорода для одного нагревателя = 315,84 × 6 000 × 0,4 = 758 016 юаней/год, сэкономленный природный газ = 95,4 × 6 000 × 3,5 = 2 003 400 юаней/год, а прямая экономическая выгода одного нагревателя после реконструкции = стоимость сэкономленного газа - стоимость кислорода = 1 245 000 юаней/год.

5. Заключение

(1) Производство кислорода методом VPSA имеет уникальные технические преимущества по сравнению с криогенным процессом и лучше адаптируется к требованиям низкого потребления кислорода с переменными нагрузками в металлургической промышленности. Это способствует снижению затрат и рисков, связанных с инвестициями, строительной площадкой, эксплуатацией и техническим обслуживанием, и помогает пользователям оптимизировать и модернизировать существующий производственный процесс.

(2) При общей стоимости производства кислорода методом VPSA около 0,4 юаня/Нм³³после применения кислородно-топливного сжигания 1 Нм³³ кислорода экономит 0,3 Нм³³ природного газа и сокращает выбросы CO₂ примерно на 1,96 кг. В целом экономия годовых производственных затрат составляет около 1 245 000 юаней, что приводит к значительным экономическим и экологическим выгодам.

(3) В настоящее время соотношение воздуха и газа в нагревателе составляет 2,4, а остаточное содержание кислорода в дымовых газах измеряется на уровне около 3%. Учитывая скорость горения и скорость распространения пламени при кислородно-обогащенном сжигании, соотношение кислорода и топлива все еще имеет потенциал для дальнейшей оптимизации.

(4) В статье анализируется совместное производство оборудования VPSA для получения кислорода и системы нагрева ковшей. Технология генерации кислорода VPSA также широко применяется в других процессах, таких как кислородно-обогащенное сжигание в доменных печах и производство стали в электропечах. Это представляет интерес для повышения эффективности и прибыли пользователей.