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钢铁与气体空分行业的依存关系

发表时间:2021-07-02 15:38

钢铁工业与空分气体是相互依存、相互促进的关系。钢铁工业的增长带动了气体工业的发展,气体工业的发展又促进了钢铁工业,两者的关系类似一对作用力与反作用力而密不可分,钢铁工业新工艺的出现不时向工业气体提出新的数量、质量和工艺需求,气体工业在不断满足这些需求的过程中发展壮大了自己,同时又推动了钢铁工业的发展。回顾国内外钢铁工业与空分气体的发展史,可以清晰地看到这一点。认清这一点对于气体工业尤其重要,它可引导我们关注钢铁工业的发展动向,制定与修改气体工业的发展策略,研究与钢铁新工艺相结合的气体新工艺,抓住商机,占领市场。当钢铁工业进入低谷时则可及时调整营销方向,进行旧有空分设备改造和技术储备。


图为:某钢厂装置图


1

氧、氮、氩气体在钢铁工业中的应用

氧气。钢铁工业的炼铁与炼钢过程是氧气的大用户。


* 氧气顶吹转炉炼钢
1952年奥地利人发明了氧气顶吹转炉炼钢,它冶炼周期短(是平炉的十六分之一),产量大,能耗低,从而促进了钢铁工业的迅猛发展。顶吹转炉吨钢氧耗为50~60Nm³。


* 高炉富氧鼓风
高炉富氧鼓风并辅之以煤粉喷吹可提高炉温、降低焦比、增加产量。高炉鼓风中含氧量每增加1%,产量可提高4~6%,焦比降低5~6%,吨铁氧耗在富氧率3~4%时为45Nm³。


* 电炉炼钢
电炉吹氧能缩短熔化时间,减少热损失,降低单位耗电量。每吨钢吹氧1Nm³可节电5度,电炉炼钢的单位氧耗为40Nm³/吨。


* COREX炼铁
这个炼铁新工艺,可取代烧结、焦化、高炉三段生产工艺,降低生产成本,减少污染,为之付出的是设备投资增加和氧气消耗高达530~550Nm³/吨铁,是顶吹转炉的十倍。


* 钢材加工、连铸火焰切割、清理等,吨钢氧耗为10~12Nm³。


氮气。氮气在冶金工厂中主要用作密封气、输送气、保护气、搅拌气、吹扫气、仪表气等。


目前冶金工厂消耗的氧、氮比例约为1:1,氮气用量还有上升趋势,设计上对氮气产量应有适当预留。


氩气。用于不锈钢冶炼,钢水包吹氩,连铸钢包和中间罐水口密封,保护气体等。


目前冶金工厂的氩气耗量尚不大,每吨钢约3~4.5Nm³,通常是按全量提取后,多余部分外销。


2

钢铁工业是空分气体发展的主动力,它造就了空分行业的黄金时期

按前述钢铁工业用氧情况,在高炉→转炉、连铸→轧钢的传统工艺中,吨钢氧耗约120Nm³,每年产百万吨钢规模需配空分装置能力为1.5万Nm³/h,高炉不富氧时可减至1.0万Nm³/h。当采用COREX炼铁工艺,后置电转炉、连铸、轧钢时,每百万吨钢所需的空分装置能力增至5万Nm³/h,是传统工艺的3~5倍。


回顾一下历史:


在氧气转炉出现以前用的是平炉炼钢,钢铁企业内氧气仅用于废钢切割和火焰清理,吨钢氧耗1.5Nm³,一个年产150万吨的钢铁企业有二台150Nm³/h小制氧机就足够了。氧气顶吹转炉取代平炉炼钢后,加上连铸比的扩大,吨钢氧耗增至55~65Nm³,即增加了40多倍,这时6000和10000Nm³/h制氧机开始在钢铁企业内出现;随着高炉富氧的普及,大型钢铁企业鞍钢、宝钢、武钢出现了30000和35000Nm³/h制氧机,当钢铁企业由百万吨级向千万吨级迈进时,60000Nm³/h等级空分相继在宝钢、武钢等钢厂投产。


为满足钢铁工业的需求,在单机能力不断扩大的同时,空分设备的流程和设备不断更新,能耗不断降低,工作压力从高压流程→高低压流程→全低压流程而不断降低。大型空分设备经历了铝带蓄冷器高低压流程→石头蓄冷器全低压流程→可逆板式流程→分子筛常温净化流程→分子筛常温净化增压膨胀流程→分子筛常温净化、填料上塔与全精馏制氩流程→分子筛常温净化内压缩流程这7个阶段的变化。由于流程和设备的不断进步,大型空分设备的单位制氧电耗已由0.6kwh/Nm³O2降至0.4kwh/Nm³O2以下,氧提取率由80%升至97~99%,氩提取率由24%提高到80~90%,大加温周期由一年增至三年以上。


在世界各国,钢铁工业都是空分行业的大用户,占总用量的60~70%。正是上世纪60~80年代钢铁工业的突飞猛进带动了空分行业的蓬勃发展。日本在引进氧气转炉后,十年内钢产量由一千万吨增至一亿吨,全国氧产量16年增加20倍。我国钢铁工业在走过一段弯路后,80年代步入正轨,1996年突破一亿吨。2005年达3.4亿吨,排名世界笫一,超过日本、美国和俄罗斯三国的总和,2010年预计可6.2亿吨,超过后面笫二到二十一位国家粗钢产量的总和。


2001-2010年,由于国民经济快速发展和全球制造业向中国转移,推动了我国钢铁工业的迅猛发展,平均年增产4600万吨粗钢,按每百万吨钢配套空分装置1.5万Nm³/h计算,单钢铁一项,年需新增空分装置能力即为69万Nm³/h。从而推动了气体行业的蓬勃发展,催来了中国空分的黄金时期。


在此期间,我国空分行业紧跟世界先进水平,提升了自己的竞争力,在软件和硬件设施上都为空分行业的腾飞做好了准备:


*   2002年3月我国第一套20000Nm³/h空分在济南钢厂投产
*   2002年12月我国第一套30000Nm³/h空分在上海宝钢投产
*   2004年9月我国第一套化工内压缩40000Nm³/h空分在山东德州投产
*   2007年12月我国第一套内压缩53000Nm³/h空分在河南建成投产
*   2008年12月我国第一套60000Nm³/h空分在上海宝钢建成投产


3

我国钢铁工业与气体工业的现状与发展

我国钢铁工业的现状与发展


解放初期我国钢的年产量仅为17万吨,1996年达到1.01亿吨,2003年达到2.22亿吨,2005年达3.4亿吨,即增加第一个1亿吨我们花了47年,增加第二个1亿吨花了7年,而增加第三个1亿吨花了不到2年。可见从上世纪90年代开始我国的钢铁工业已迈入快速发展的轨道,但是钢铁的消耗是遵循一定的曲线运行的,有快速增长区、缓和增长区和平衡区,不可能永无休止的增长。因为作为钢材的主要用户如建筑、交通、机械等在形成一定规模后,其用钢量都会显著下降,在与其它增长用户综合后达到平衡。日本在1967年钢产量达到1亿吨,美国在1975年达到1亿吨,三、四十年过去了,它们的钢产量仍维持在1亿吨左右,其它发达国家也是如此。这充分说明了钢铁生产和消费有一个饱和点或称平衡点,叫做“平衡钢产量”。世界主要国家达到“平衡钢产量”时的国民经济主要指标是:


人均GDP:3500美元
人均钢产量:600Kg
笫三产业占GDP的比重:~50%
城市化率:55~60%


为了实现可持续发展和走循环经济之路,还必须考虑社会可承受能力(污染物排放对环境的影响)和资源可供应能力,今后钢铁工业的发展将会是:


1)结构调整:主要是调整产品品种,减少线材产量,增加高质量板材产量。
2)工艺调整:主要解决节能降耗,治污和循环经济问题,提高钢铁工业的迈入门槛。
3)市场布局调整:其基本原则是整合现有企业,布局向沿海、沿江地区转移。
4)提高产业集中度,使十大钢铁企业的产量达到全国钢产量的70%以上。


总之在今后相当长的一段时间内,钢铁工业的发展不再是产能上的增加,而是产品质量的提升,使之更贴近市场,布局更趋于合理,降低成本与能耗,降低CO2排放,从源头削减与预防污染,实现绿色、循环、可持续发展,因而任务会更艰巨。


加速空分设备大型化的进程


从2002年到2008年,仅用了六年时间我国空分行业就完成了从30000Nm³/h空分到60000Nm³/h空分的跨越,这是一个罕见的速度,目前世界上除我国外仅林德公司、法液空公司、空气产品公司、普莱克斯公司四家厂商具有60000Nm³/h等级空分的设计制造能力,但由于煤化工的发展提出了对60000Nm³/h以上特大型空分的需求,上述空分厂商均已具有8万∽10万空分的业绩,并且声称具有15万Nm³/h等级空分的设计制造能力,今后十年我国将迎来煤化工的发展高峰,对 8万∽10万等级空分的需求量会进一步增加。


开发研制与用户结合的空分新工艺、新设备


目前,全低压空分装置在流程上的改进余地有限,人们的注意力开始移向空分产品的应用领域,将空分设备的工艺和介质流与应用领域的工艺和介质流结合起来,即生产综合性的空分设备,使得包括用户在内的综合能耗最低,投资最省。空分设备与煤气化联合循环发电(IGCC)的结合,实际上在融熔还原炼铁(COREX)和煤液化项目上的空分也有类似的问题,研究和弄清这些问题对我国空分行业参加这些项目的竞争是十分有益的。


继续重视空分设备技术改造


空分产品已加快了更新换代的步伐,从可逆式流程→带增压膨胀机的分子筛流程→规整填料塔与全精馏制氩流程→高提取率的内压缩流程,仅用了20年时间。我国目前尚有数目可观的可逆式流程空分设备在运转,这些设备的能耗高,氧氩提取率低(大部分不提取氩),事故频率高,对其进行改造符合国家的能源政策,用户也能获得较多的退税优惠,因而大多能在1~2年内回收投资。2002年宝钢将日本神钢提供的26000Nm³/h可逆式空分设备改造成规整填料塔全精馏制氩工艺的30000Nm³/h空分后,收到了很好的经济效益和社会效益。


国内空分行业过去曾为空分设备技术改造做了大量工作,多次召开专门会议,收到显著的成效。这几年钢铁企业大都具备了设备更新换代的经济实力,空分行业和有关设计单位应继续努力,配合用户做好效益分析,保持这一领域国内的一统天下。


大力拓展国际空分市场


中国的空分市场尽管很大,但容量毕竟有限,同时在特大型空分和新的应用领域与国外厂商比较,国内厂商并不占有优势,因此,开拓国际市场是国内空分求发展的必由之路。


随着我国空分行业实力的增强,空分产品出口不断增加,地域上已由东南亚扩展到中东和欧洲,单机能力由中、小型扩大到目前的15000~60000Nm³/h大型空分,但市场占有率仍然不高。


目前东南亚和欧洲经济开始复苏,对空分设备的需求增加,我国在20000Nm³/h以下的空分由于技术成熟,价格相对低廉,具有一定的竞争力,空分行业应协调一致,稳扎稳打进军国际市场。


进入气体供应市场,实行专业化生产和社会化供应


这是国际几大著名空分厂商走向成功的经验之路,即所谓“既卖奶牛也卖牛奶”的道路,其好处是:


■ 多了一条稳定的生财之道。空分设备供应会时高时低,时而会进入谷底,但国民经济对工业气体的需要量总是随着GDP的增长而增加,如果我国能保持8%的GDP增长速度,则工业气体供应就会有10~12%的稳定增长。国外空分厂商卖气的收入通常远大于卖设备的收入。


■ 气体供应工厂可以为制造商提供进行新工艺、新设备的试验场所,提供第一手的试验资料。


建立独立的气体供应工厂向社会各用户供气是一种经济合理的供气方式,国外有几十年的历史。随着国内用户观念的的更新,目前国外空分厂商已在我国建立了多个供气厂。国内空分厂商、钢铁企业和有眼光的企业家已开始进入供气市场,但市场占有率较低,仍然具有较大的发展空间,国内空分厂商应发挥在人脉、沟通和价格上的优势,不断扩大这一市场。


走联合重组之路


我国现有空分厂家不下50家,规模较大的有杭氧、开封、川空等空分厂家,由于空分是一个专业性很强的行业,市场有限,黄金时期之后会有低谷,一旦市场疲软,很容易陷于无序竞争,竞相压价,造成几败俱伤。此外资源重复配置,产能不能发挥,这些矛盾都应通过联合重组的方式予以解决。我国空分行业的联合重组也必将大大提升中国空分在国际上的竞争力。


增强科技投入,开展产品应用研究


产品的竞争归根到底是科技实力的竞争。大型空分的流程改进无一不是技术创新的结果,为此世界著名空分厂商都十分重视科技投入,既重视产品的科技创新,也关注产品应用领域的研究开发。其目的很明显,谁开拓了新的应用领域,谁就占领了市场竞争的有利位置。


我国空分行业长期以来都处于追赶、模仿的阶段,属于自主知识产权的东西很少,要在国际空分行业排行榜上名列前茅,举手投足具有一定的影响,必须拥有自己的科技成果和较强的创新能力,这条道路无疑是漫长的。近几年我国的空分行业正处于黄金时期,利润增长较快,使增加科技投入成为可能,“雄关漫道真如铁,而今迈步从头越”。


我国空分行业发展展望


气体分离设备行业中在经历了高速发展阶段,进入了“新常态”的发展期,需求在萎缩,但空分设备是国家重大装备的组成部分,大工业的发展离不开空分设备,空分设备大型、特大型、机组集群化成为一种趋势。特大型化的空分设备可以直接减少大型冶金、化工项目的空分设备台数,进而减少设备投资、设备用地和设备运行、维护的人工工作量,空分设备大型化与机组集群化,有利于设备的统一管理,但同时对现场布置优化提出更高的要求。


空分流程的多样化也是大型空分设备的发展趋势之一,由于随着工业工艺发展,特别是煤化工领域中空分设备,用户对空分产品的纯度、压力、时长等规格,如:煤化工中各种工艺流程不同,对气体产品的需求品种就不一样,又因不同的气化炉的类型、规格,对气体产品要求又不一样,有高压氧、中压氧、高压氮、中压氮、低压氮、仪表空气、液氧、液氮等多种规格,而且用气量变化也很大,这就对空分设备流程设计、运行提出更高要求,将要求空分设备厂商,以工艺包模式,对各类流程实现整体开发。此外,开发IGCC等空分新应用领域的流程、大型空分稀有气体全提取流程、混合塔制取低纯度氧流程、超高纯氧、氮提取流程等也是大型空分的研究方向。


随着“互联网+”的发展,工业4.0体系日趋成熟,充分运用互联网远程监控,建立远程监控系统,实时收集大型空分设备运行数据,并进入大数据分析,进行自动故障诊断,为用户提出优化操作建议,及时发现问题,改进设计方案。


在一些用户企业中,尤其是钢铁企业中,存在着用氧不均衡的状况,而空分设备生产又是必须连续性运行的,因此就造成了钢厂用氧量减小时,大量的氧气被放空,造成能源的巨大浪费,特别是在随着空分的超大型化,空分设备的设计能力与供求量之间矛盾更为突出。同时,随着市场竞争日益加剧,企业对成本的控制越来越严,而降低氧气放散率成为了降低制氧成本的关键。空分设备的智能化,自动变负荷技术的推广应用成为大型空分设备发展的必然趋势。


空分设备设计、制造的精细化是大型空分设备的发展趋势,空分设备技术已发展到了一定的水平,进一步的提高与发展的空间有限,需要从细节做起,因此提高大型空分设备设计的精确化,制造的精细化程度,是大型空分设备发展关键。另外,大型、特大型空分设备在大型工业化中的重要性,牵一发而动全身,一个细节就会影响整套空分,乃至整个工程,也决定了对大型空分设备越来越高精制要求。


在大型、特大型空分设备国产化的同时带动相关机组、配套部机、配套元器件的国产化,如:开发低阻高效高压板式换热器,承压可达12.5MPa以上,强化翅片的换热效果和承压能力;开发高效节能的主冷凝蒸发器,在保证安全的情况下尽可能降低液位温差,保证能耗最优;开发低温关键配套阀门,满足各种工况下开关及调节要求;开发透平膨胀机及全液体高压膨胀机,提高运转效率,适应各类流程;开发全系列高效产品压缩机,提高运转效率,适应各类流程。


通过与风机、泵阀等行业共同研发,形成国产空分设备的产业链,进一步提高大型、特大型空分设备的国产化率,其中:60000m³/h等级及以下成套空分设备的国产化率从现在的50~70%提高到85%以上,主要是配套空压机、增压机的效率与可靠性提高,实现真正的国产化;60000m³/h以上等级成套空分设备的国产化率从现在的40%提高到65%以上。


《中国制造2025》提出了通过“三步走”实现制造强国的战略目标:第一步,到2025年迈入制造强国行列;第二步,到2035年中国制造业整体达到世界制造强国阵营中等水平;第三步,到新中国成立一百年时,综合实力进入世界制造强国前列。应当看到,现阶段我国大型、特大型空分设备国产化制造水平已通过自身的努力实现迈入了制造强国的行列,因此今后十年中,应努力实现大型、特大型空分设备成套设计制造及关键配套机组达到世界先进水平,整体达到世界制造强国中等水平。



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