空气中气体成分 人呼出的气体成分 气体成分检测 气体分析仪器 有毒挥发气体分析仪..
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气体成分分析
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云南云天化股份有限公司红磷分公司是属云天化集团下属一个单位，公司现拥有一套年产8万吨合成氨装置，初始建设规模为设计为年产3万吨合成氨，于1997年7月开工建设，1999年9月投产，造气采用固定床间歇式气化法，有φ2610煤气发生炉4台，原料主要使用焦炭；2001年随着公司不断发展，年产3万吨合成氨规模不能满足公司生产需求，于2001年12月完成了 “3改8”工程改造，液氨由年产3万吨能力提升到年产8万吨，φ2610煤气发生炉由4台增加为9台，仍然使用焦炭制气。
近年来随着焦炭价格的不断上涨，使得合成氨生产成本不断增加，为了提高现有合成氨生产装置的整体水平、增强企业竞争力、降低液氨生产成本、增加企业经济效益，红磷分公司对原料路线进行调整并对系统进行了优化改造，改造后原料从焦炭改为了煤棒。在本次技改中，为提高造气效率，降低成本，针对云南煤灰熔点低、活性低的特点，决定采用进行增氧制气的改造。国内制氧技术主要有三种，分别为深冷空分法、VPSA或PSA变压吸附法以及膜分离方法，通过对比详细对比考查以及红磷公司成功应用经验，技改时决定采用北京北大先锋科技有限公司的VPSA制氧技术来提高造气炉中的氧含量。
2&&& VPSA制氧装置使用情况
我公司新上的一套VPSA制氧装置能力为1000Nm3/h (折100%纯氧)，由北京北大先锋科技有限公司承建，该套装置于2012年8月开始建设，2013年3月投入使用。
2.1&&& VPSA制氧工艺流程简介
北大先锋建设的该套装置采用两塔工艺流程，氧气设计产量1120Nm3/h，氧气纯度90%，VPSA产出的氧气经增压风机加压至39KPa后输送至造气炉。
2.2&&& 北大先锋VPSA制氧工艺主要设备
罗茨鼓风机
氧气增压风机
氧气缓冲罐
低压氧气缓冲罐
&2.3&&& VPSA制氧装置运行情况及主要技术经济指标
&&& &北大先锋承建的VPSA制氧装置自开车后运行平稳，以下为主要几个技术经济指标：
氧气产量（Nm3/h）
电耗kW&h/ Nm3（100%纯氧）
实际运行值
从VPSA制氧装置几个技术经济指标看，完全达到设计要求。
3&&& 增氧制气应用情况
3.1&&& 半水煤气成分的对比
半水煤气消耗成分是衡量煤气质量的因素，从半水煤气各成分可以间接看出造气炉状况的好坏，下表为我公司采用VPSA富氧造气前后半水煤气成分的变化。
& 气体成份
采用富氧造气前
采用富氧造气后
从理论上讲，采用富氧造气后，随着空气中氧含量和上加氮过程中氧含量升高，制气温度提高，CO2含量会降低，CO和H2含量将升高，但从半水煤气成分上看，CO2略微升高了，而CO和H2含量略微降低了。为此经过查找，主要原因是采用富氧造气后，吹风效率提高了（从吹风气中CO2含量可看出），为保证半水煤气中氮含量，在加氮时间不变情况下，带入半水煤气中CO2相对较多，从而导致采用富氧造气后半水煤气中，CO2含量升高，CO和H2含量降低。
3.2&&& 单炉发气量对比
在采用富氧造气前，我公司单炉发气量为4500Nm3/h左右，在采用富氧造气后，我公司单炉发气量5500Nm3/h左右。
3.3&&& 采用富氧造气前后消耗对比
我公司采用VPSA装置富氧造气后，无论是液氨产量、原料消耗都有很大的改观，以下为我公司采用北大先锋VPSA装置富氧造气前后能耗对比：
吨氨型煤消耗(t/t.NH3）
吨氨电耗(kw&h/t.NH3）
采用富氧造气前
采用富氧造气后
从上表看，采用VPSA富氧造气后，日产量平均每天增加25吨，吨氨型煤消耗降低了28kg，吨氨电耗升高了37kwh。
3.4&&& 经济效益分析
我公司自VPSA制氧装置投用后，取得了很好的效果，从原料消耗、电耗和增产效果、粗略计算经济效益：
1)&& 吨氨耗型煤降低28kg，无烟粉煤价格以780元/吨、型煤加工费100元/吨，吨氨可节约24.64元；电耗增加37度，每度以0.35元计算，每吨增加成本12.95元，此两项，吨氨可接约成本11.69元，液氨产量8万吨计，每年可节约93.52万元。
2)& 每天增加液氨产量25吨，以年生产330日计算，每年可增产液氨8250吨，液氨市场价格2700元计算，每年可增加2227.5万元的产值。
6&&& 结束语
在间歇式制气的合成氨工艺中，采用增氧制气后，可以极大提高造气炉单炉发气量，同时提高蒸汽分解率，降低造气消耗，鉴于以上优势，越来越多的间歇式制气合成氨装置采用了增氧制气。
2015年第十七届中国工业博览会于11月3日-7日在国家会展中心（上海）举行。北京北大先锋科技有限公司独创的高炉煤气分离提纯CO技术获本届工博会工业设计银奖，北大先锋作为全国唯一一家获奖的变压吸附企业，受邀与北京大学联合参展。
北大先锋坚持技术研发与创新，在工业尾气高效利用领域取得了重大突破，成为我国唯一一家掌握高炉煤气高效提纯一氧化碳技术的设备供应商，并成功实现工业化运用，为改善高炉煤气放散及低效利用现状提供了先进可行的关键技术，促进钢铁企业对二次能源的重整利用，引领我国变压吸附技术迈向世界领先水平。高炉煤气分离提纯一氧化碳技术获得此次殊荣是行业及社会对北大先锋技术的充分肯定，再一次彰显了北大先锋企业的品牌实力。
本届工博会共计评选出42项获奖展品，其中长征六号运载火箭等获得特别荣誉奖，C919大型客机、协作机器人等获得工业设计金奖，与北大先锋同获银奖的有中国资源卫星应用中心、上海电气、上海航天技术研究院等13家优秀企业单位。中国工业博览会是中国最具影响力的国际工业品牌展，本届中国工博会以“创新、智能、绿色”为主题，聚焦制造业智能化升级，集中体现智能制造，展示国际高端制造、彰显中国创造。
北大先锋一贯秉持“开拓、创新、满意、提高”的企业宗旨，积极关注用户需求，将持续在技术创新、优化配置方面投入科研力量，为用户提供性能最优的工业产品和全面的技术服务。
&&& 传统的高炉富氧鼓风技术多是采用深冷制氧工艺生产的高压氧气，但因为深冷制氧投资比较大，所以高炉富氧多半是炼钢的富余高压气，这也就决定了高炉富氧的方式大多为机后富氧。随着冶炼技术的进步，富氧炼铁成为强化高炉冶炼的有效手段，如何得到稳定、价格低廉的氧气成为高炉富氧的关键所在。先进的变压吸附制氧技术生产出廉价的氧气，为高炉大幅度提高富氧率提供了可能性。而机前富氧工艺的应用又将变压吸附制氧在高炉的应用更延伸一步。
变压吸附制氧原理及其优点
&&& 变压吸附法即PSA法是在较高的压力下吸附，实现气体分离，在较低压力下实现吸附剂再生。该法是基于分子筛对空气中的氧、氮组分选择性吸附而使空气分离获得氧气。当空气经过压缩，通过装有分子筛的吸附塔时，氮气分子优先被吸附，氧分子留在气相中而成为氧气。吸附达到平衡时，利用减压或抽真空将分子筛表面所吸附的氮分子驱除，恢复分子筛的吸附能力。为了连续提供氧气，装置通常设置两个或两个以上的吸附塔，一个塔吸附产氧，另一个塔解吸，以达到连续产氧的目的。
&&& PSA法能够生产纯度80%~95%的氧气，制氧电耗一般在0.32kWh/m3～0.37kWh/m3，吸附压力高于大气压，一般在30kPa～100kPa，流程简单，常温下工作，自动化水平高，可实现无人化管理，特别是安全性好。在真空解吸流程中，装置操作压力低，容器等不受压力容器规范控制。变压吸附工艺按吸附器的数量，分为单塔流程、两塔流程、三塔流程和五塔流程等。五塔流程的变压吸附法最为常用，就是用5个吸附床、4台鼓风机和2台真空泵，整个周期中保持2个床在吸附和抽真空，解决了大规模产氧的技术问题 。
变压吸附制氧工艺具有以下优点：
&&& 一是采用大气进气压差自动充压技术，减少鼓风机送风量，延长设备使用寿命，降低氧气制造成本。
&&& 二是设备简单，主要设备罗茨鼓风机和真空泵运行稳定、可靠，分子筛的使用寿命在10年以上，无需维护。
&&& 三是产生的氧气量及纯度可根据实际使用情况进行调节，稳定纯度可达93%，经济纯度为80%~90%；产氧时间快，一般30min以内就可以达到80%以上的纯度；单位电耗仅0.32kWh/Nm3～0.37kWh/Nm3。
&&& 四是变压吸附制氧与深冷法制氧对比有以下特点：投资低、流程简单，占地少、设备少，运动部件少；自动化程度高，基本可实现无人化管理；能够满足高炉富氧鼓风工艺要求。
两种供氧方式对比
&&& 变压吸附制氧产生的氧气压力一般在30kPa～100kPa，目前采用的供氧方式有两种：
&&& 第一种是机后富氧，从吸附塔出来的低压氧再通过活塞式氧压机加压到600kPa后，通过氧气压力调节阀减压调节，将氧气通过气流分配器输入高炉风机出口冷风管道内（从风机到热风炉之间的冷风管道）与空气混合进行富氧；一般配有调压阀组及相应的安全系统，以满足生产工艺的需要。该种方式投资大，特别是氧压机每台的投资少则百万元多则几百万元，并且氧气加压后电耗增加0.1kWh/Nm3。更为重要的是，高压氧气的加压和输送对设备等各个方面的安全要求更高，在施工过程中如果达不到标准很容易发生爆炸事故。
&&& 第二种是机前富氧，直接采用从吸附塔出来的低压氧输送到风机前吸风口吸入的一种供氧方式。该种方式氧气输送压力为5kPa~10kPa，压力低、流速慢，因此需要增大供氧管道直径来满足流量。同时，为了使通过风机吸风口吸入的氧气与空气充分混匀，在进口处增加氧气分配器以满足工艺需要，达到富氧的目的。该方式省去氧气压缩机，既减少了成本投入，又节约了电耗。因为是低压输送氧气，对氧气的储存和输送都执行低压标准，降低了设备的制造费用，而且施工标准也比较低，无需安装减压及防爆装置，节省了施工的成本。，能更好地确保高炉富氧炼铁的安全性。笔者建议重点推广该工艺。
应用实例与注意事项
&&& 河南省舞钢中加钢铁有限公司日与北京北大先锋科技有限公司签订了技术合作意向，8月10日开工建设10600Nm3/h变压吸附制氧项目，于日建成。该项目为中加公司为3座高炉富氧而专门建设的独立制氧站，采用机前富氧方式给高炉富氧，一次投产成功。高炉实现富氧率5%，增产20%，煤比增加35千克/吨铁，取得了良好的经济效益。截至目前，中加公司已通过2年多的应用实践，设备运行稳定，安全可靠，氧气纯度、流量都超设计水平，而且噪音控制得很好，厂房40米处的居民无任何异议。
&&& 氧气生产成本计算如下： 总氧量为4079961立方米/月，电总量为1372601千瓦时， 电耗为0.33643千瓦时/立方米*0.65元/千瓦时=0.218679元/立方米，盐消耗为0.0012元/立方米， 压缩空气为0.002167元/立方米， 工资为0.00598元/立方米，折旧按0.022元/立方米计算，利息为0.028元/立方米， 油费为0.0002253元/立方米，其他材料费用为0.0000751元/立方米， 合计成本为0.2783269元/立方米（含税）。
&&& 由于该工艺应用罗茨风机，故在厂房设计、施工等环节一定要注意克服噪音和设备振动两大事项。在降噪音方面应从多方面入手，比如厂房的进排风风机加装消音器、厂房内部采用高效隔音材料、真空泵排风口由消音器改为消音效果好的消音塔、所有放空点加装高效消音器等主要措施，从根本上降低了噪音的产生，从而使该项目能够在居民生活区内以符合国家标准的噪音平稳运行。针对风机振动大的问题，对风机进出口加装弹性软连接，出口管道设计减震管道等措施。但是由于风机出口热交换器在选型时为方形结构形式，经过实际验证，该结构形式无法高效吸收缓解振动而造成换热器外壳经常振裂。经过技术交流发现，外形为圆形热交换器可以更好地吸收振动而本身不受影响，从而从根本上解决了振动问题。
&&& 当前，受成本压力的影响，高炉综合入炉矿品位普遍降低，渣量增大，大比例富氧已经成为各大钢铁厂的选择。但仅仅利用炼钢的富余氧，会受到量的限制；大比例使用深冷制氧工艺的氧气，势必受氧气成本的制约（富氧超过4%经济不合算）。变压吸附制氧这一经济的富氧工艺的应用，使高炉大比例富氧成为可能，专门为高炉组建制氧站的时机已成熟，变压吸附制氧工艺有望成为首选。选择变压吸附制氧，建议采用机前富氧工艺。
唐宇，唐秀凤
（中材科技股份有限公司，南京 210000）
摘& 要：介绍了纯氧燃烧技术在玻纤池窑上的应用，通过理论分析研究来阐述纯氧燃烧技术的先进性，通过实际应用案例来验证该技术良好的经济性和社会效益性。指出纯氧燃烧技术是先进的玻璃熔化技术，能够广泛应用于熔制各种成分玻璃配合料，使玻纤生产能够实现高质量、低排放、降能耗的目标。
关键字：纯氧燃烧；玻璃纤维；单元窑；节能减排
纯氧燃烧是一种氧化反应，即燃料（天然气、液化气、柴油、重油等）与氧气在高温下发生剧烈的氧化反应而发光发热。任何燃烧过程都包括三个要素——燃料、氧气及高温，传统空气燃烧就是利用空气中21%的氧气来进行助燃，但是空气中约79%的氮气在高温下也会部分与氧气发生氧化反应产生大量有害物质NOx，空气燃烧产生的烟气量较大，79%的氮气也会加热至高温，带走部分热量，因此空气燃烧的热效率较低，且浪费能源污染大气[1]。由此可见提高助燃气体中氧气的浓度是提高燃烧效率的关键措施。随着工业化的技术进步，从空气中分离氧气的技术日渐成熟，不但制得氧气的浓度越来越高，而且制氧的成本也在不断降低，这就为纯氧燃烧创造了有利的工业化基础。使用纯度大于91%的氧气，按照一定的氧/燃比与燃料混合燃烧，产生低动量火焰的纯氧燃烧技术应运而生。相比空气助燃技术，纯氧燃烧技术具有火焰温度高、热量传导快、燃烧效率高、废气排放少等节能环保的优良特点。
随着工业化的持续高速发展，我国对燃料的需求越来越多，同时随着环境污染导致的问题不断恶化，对环保的要求也越来越高，因此高耗能低排放的玻纤生产线采用纯氧燃烧技术成为了一种必然的趋势。我国工信部在日起宣布开始实施的新玻璃纤维行业准入条件中，明确指出新建玻璃纤维池窑拉丝生产线必须采用纯氧燃烧技术，这将大大推动我国纯氧燃烧技术的发展，同时也将为我国的节能减排事业做出巨大的贡献。
2.纯氧燃烧在玻纤池窑上的应用
随着环保要求的不断提高，玻纤生产尾气中的硼酸及氟化物的污染问题也日渐突出，同时由于硼钙石与硼镁石价格较高，减少硼含量也是玻纤降低成本的一个有效途径，因此出现了不含硼和氟的无碱料方，其熔制温度以及成型温度也相应提高了，所以要求玻璃纤维的熔制技术也需要随之提高，纯氧燃烧技术的出现既满足了玻璃对熔制温度的要求，又满足了节能减排的环保要求[2]。同时在中碱与普通无碱玻纤窑炉上采用纯氧燃烧技术，可提高玻璃液的温度使澄清均化效果更佳，这样可以进一步提高玻璃纤维的质量，并能一定程度扩大窑炉的生产能力。
2.1玻纤纯氧燃烧的特点
&&& 根据纯氧燃烧技术的发展和实际应用情况，玻璃纤维池窑上纯氧燃烧一般值采用纯度≥91%的氧气为助燃介质的燃烧，它相对于传统空气助燃主要有以下燃烧特点：
2.1.1热效率高，提高熔化率
纯氧燃烧因氮气含量少，比空气助燃时烟气的黑度大得多，且火焰传播速度快，火焰温度高（焰芯温度可达2800℃），辐射系数大，对玻璃液辐射加强，对玻璃液的传热量增加，热效率高，熔化率增大[3]。
由于烟气量的减少，窑炉火焰空间热点向投料口方向移动，可以加速配合料熔化。同时纯氧燃烧火焰波长短，对E玻璃的穿透性很好，池深方向温度梯度小，可提高窑炉熔化率，加强玻璃液的澄清均化，提高玻璃液的产量和质量，最大可提高窑炉熔化能力20%左右。
2.1.2 烟气量小，节能减排
纯氧燃烧废气排放量减少60%以上，既减少了氮气进入的动力，又大大减少了废气带出的热量。废气中NOx也下降80%～90%，相应减少了原料挥发，所以SO2和F2排量可下降20%，粉尘含量也可降低50%以上，减少了原料的飞扬，节省了配合料。
同时由于烟气量大幅减少，燃烧产生的烟气在窑炉中停留的时间也有所增加，这就延长了热交换的时间，提高了热传导的效率，因此纯氧燃烧带来了明显的节能减排的效果。
2.2纯氧燃烧应用实例
以采用天然气作为主燃料的年产3万吨的无碱玻璃纤维池窑为例，窑炉可以节省燃料35%～40%，通路则可以节省燃料50%～60%。
表1.国内一座年产2.5万吨无碱玻纤池窑生产线纯氧改造前后的数据对比（无电助熔）
熔化部天然气量（Nm³/h）
熔化部能耗（kcal/kg）
通路天然气量（Nm³/h）
通路能耗（kcal/kg）
空气燃烧时
纯氧燃烧时
从上表中可以看出在熔化部和通路原有空气燃烧系统改为纯氧燃烧系统后，窑炉玻璃液产量提高了8.8%，熔化部能耗降低了39.9%，通路能耗更是降低了55%。
由于纯氧燃烧后烟气量减少，废气处理量也相应减少，因此可以减少废气处理设备的投入，同时降低废气处理原料的用量及动力的消耗量。
&&& 因此纯氧燃烧在玻璃纤维池窑上应用，在经济效益上能够切实降低燃料耗量，提高产品质量，减少建设及运行投资；在社会效益上又能大大减少对环境的污染，满足国家提出的关于可持续发展的要求。
2.3玻璃纤维池窑纯氧燃烧的主要技术环节
2.3.1 玻纤纯氧燃烧窑炉
由于纤维玻璃相对普通平板、器皿玻璃而言，熔化温度较高，玻璃液的熔化质量和稳定性要求较高，因此熔制均采用具有较大长宽比的单元窑窑型，燃料多采用重油、天然气等优质燃料，同时对耐火材料的要求也较高。由于采用纯氧燃烧技术后，窑炉的空间温度提高，火焰的热辐射能力增加，因此选用窑炉及通路的耐火材料时应注意这一特点。窑炉及通路中与玻璃液接触的池壁池底耐火材料与采用空气燃烧的窑炉相差不多，但是窑炉的碹顶砖、胸墙砖以及通路的盖板砖需要选择具有优良抗高温蠕变性和耐热震性好的电熔莫来石砖，垂直烟道选用电熔锆刚玉砖；同时全窑采用良好的保温层，以提高保温节能效果。
为了更好的发挥纯氧燃烧技术的特点，提高玻璃纤维的生产质量，纯氧燃烧窑炉一般还会配套设置其他技术手段来达到最佳的综合熔制状态。如采用电助熔进一步提高热效率，采用鼓泡器促进窑内玻璃液更加合理的流动，获取更高质量的玻璃液等。当前综合先进的燃烧熔制技术可使E纤维玻璃熔化热效率超过40%。
2.3.2氧气的来源
纯氧燃烧对氧气的浓度要求需要达到91%以上，由于使用液氧的成本较高，因此大部分玻纤生产线都是采用自建氧站或者购买管道氧气来解决氧气来源问题，同时在厂区设置液氧储罐储存液氧作为备用，这样就可以实现在制氧站检修或者故障时仍然能够向窑炉供应助燃氧气。
目前主要制氧技术有变压吸附与深冷两种。变压吸附制氧就是空气经除尘后，由鼓风机鼓入盛有多种专用吸附剂（分子筛等）的吸附塔底部，绝大部分CO2、N2、SO2、H2O及少量O2在塔内被吸附剂吸咐，而大部分O2则透过床层从塔顶排出，得到氧含量约93%左右的纯氧。深冷制氧设备主要由空气压缩机组（包括过滤器、压缩机、供油系统等）、空气冷却系统（空气冷却塔、水冷却塔、氟里昂冷冻机组、水泵、水过滤器等）、分子筛净化系统（净化器、加热器等）、透平膨胀机、分馏塔（上塔、下塔、过冷器等）、换热器等组成，空气经过制氧机组分离后，可获得纯氧（含氧量99%）、纯氮及各种纯净的稀有气体。
从工艺过程来看深冷法比变压吸附法工艺过程长，工艺较复杂，需用设备的种类和台数较多，且需耐受高压或超低温，投资成本高，同时制氧量越低单位耗电量也越高，但装置能力可达到较大规模，所以一般用氧量超过10000Nm³/h时采用深冷法比较合适。变压吸附制氧法具有基建投资小、水电消耗少、经营成本低、安全性能好、操作维修简单、启动供氧特快、自动化程度高、用工少等许多优点，缺点是不能制得氧含量95%以上纯氧，且制氧量不大，一般适用于10000Nm³/h以下规模[4]。
而玻纤生产线对氧气的消耗量较低，单线一般不超3000Nm³/h，且玻纤窑炉纯氧浓度达到91%以上即可，所以综合考虑技术经济成本，年产3万t玻纤生产线一般均采用变压吸附法生产氧气。
目前，国内已有优秀的变压吸附厂家的装置工艺水平达到了国际先进水平。例如，河南林州光远新材料有限公司选用北京北大先锋科技有限公司生产的变压吸附制氧设备，产氧量为1600 Nm³/h，产品纯度91%，投产两年多以来，设备运行一直保持稳定，100%纯氧电耗保持在0.40kwh/m3左右（含压氧），优秀的能耗指标进一步降低了生产成本。
近年来多数变压吸附厂家将制氧设备由轴向床改为径向床工艺，经此优化后，采用径向床工艺的变压吸附制氧设备比轴向床装置的电耗水平更低，工艺指标也随之提升。北京北大先锋科技有限公司在工艺的升级与改进上做出了多方努力，是我国变压吸附制氧技术的典型代表。
2.3.3纯氧燃烧系统的组成
由于纯氧燃烧是氧气与燃气直接混合燃烧，燃烧速度快，火焰温度高，因此要实现最佳稳定的燃烧状态就需要完善的系统和精密的控制来分别调节燃气与氧气的压力与流量。
符合要求的燃气、氧气进入池窑车间，经过滤、调压后，按燃烧工艺要求，分别供给窑炉两侧的燃烧器，混合后进行燃烧。燃气量与窑内火焰空间控制点的温度联锁，随着温度的变化，由精密流量调节阀自动调节窑炉每支枪的燃气量，相应的氧气量也由精密流量调节阀按比例调节，保证燃烧充分。在燃气系统中需设置流量计、调压稳压阀、快速切断阀、精密流量调节阀以及各参量变送器等，以保证系统安全稳定供气及燃烧完整。
3玻纤纯氧燃烧带来的问题及解决方法
玻纤池窑采用纯氧燃烧后带来好处的同时也会带来一些问题，这些问题如果不引起我们的重视也会影响玻纤生产线的正常生产。
3.1泡沫问题
&&& 由于采用纯氧燃烧，如控制不好极易造成窑炉内氧化性气氛过高，残氧含量约有3.5%～5%。玻纤窑炉生产需要弱氧化性气氛来保证玻璃液不会产生还原性物质以致影响拉丝作业，但是氧化性气氛过强就会快速与配合料中的C和S反应，产生大量CO2、SO2气体，在玻璃液表面形成较厚的泡沫层，泡沫层既影响了火焰辐射热对玻璃液的传导，又会使气泡随玻璃液流入通路中影响拉丝作业。因此采用纯氧燃烧技术后，如何消除泡沫就成了首要问题。降低玻璃液表面泡沫至合理厚度需要注意以下几点：
（1）需要严格控制配合料的COD值。由于CO2气泡受热后体积变化较大，较易从玻璃液中排出及破裂，因此玻璃液表面泡沫中的主要气体为SO2，所以如何减少配合料中S的含量成为消泡的关键。中碱及普通无碱料方中就需要降低甚至取消芒硝的使用量，同时严格控制其他原料中S的含量。
（2）调节火焰空间气氛，尽量降低残氧量，从而降低较高的氧化性气氛，同时可以将窑炉澄清均化区的燃烧器（最后一支或一对）火焰调节成弱还原性，进一步减少泡沫；
（3）在配合料中添加碳粉。因产生的CO2气泡较易排出，所以适当的碳粉可以消耗一部分残氧减少泡沫的产生，但是一旦碳粉添加量过多，在玻璃液熔制过程中不能被反应掉，极易造成玻璃液变成还原性，影响拉丝生产线安全，所以此方法不建议采用。[1、5]
3.2烟气水分含量高
纯氧燃烧烟气中水分的含量能够高达50%以上，在烟气降温过程中极易形成结露产生硼酸与氢氟酸。硼酸腐蚀性较弱，但是粘性强，容易堵塞废气管道，且很难清除；氢氟酸有强腐蚀性，一旦管道中氢氟酸含量达到一定浓度，将很快腐蚀掉接触的管道或设备。要解决此问题需要注意以下几点：
（1）废气管道中需要严格控制烟气温度在露点温度以上，防止结露；
（2）在进行烟气余热利用时，金属换热器或者余热锅炉废气出口温度不宜过低，必须高于露点温度以上；
（3）废气管道及设备尽量采用耐腐蚀性较强的材料，如不锈钢316L、玻璃钢等[6]。
进入21世纪以来，我国发展面对两大严峻的问题：一是能源日益紧张，能源价格不断攀升；二是工业污染持续排放，环境恶化越发严重。这两大问题直接影响我国国民经济发展与生存环境的改善，是实现可持续发展的关键问题。同时玻璃纤维生产也是能耗与排放大户，所以近年来，从国家、行业到企业甚至是普通老百姓，都在关注玻璃纤维工业在节能减排方面的新举措，因此纯氧燃烧技术的出现让大家找到了解决问题的有效方法，同时再结合玻璃料方的改进、电助熔技术等新工艺新技术，不仅可以降低配合料成本，提高窑炉产能，改善玻璃质量，节能降耗，减少投资，为企业带来切实的经济效益；同时还可以极大地减少废气排放，降低对环境的污染，有效地保护了我们的生态环境。所以无论从企业经济效益的角度还是从社会责任感的角度来衡量，纯氧燃烧技术都是玻纤池窑最理想的熔制方案，也是发展趋势。
[1] 孙承绪，陈润生，孙晋涛.玻璃窑炉热工计算及设计.北京：中国建筑工业出版社，1983.
[2] 刘宪琪，张德刚，孙晓宏.环保节能型ECR玻璃纤维技术的研究与开发[J].山东建材，-49.
[3] 孙承绪.全氧燃烧十三问[J].玻璃与搪瓷，）：25-29.
[4] 刘汉钊，王华金，杨书春.变压吸附制氧法与深冷法的比较[J].冶金动力，2003（2）：26-29.
[5] [英]K.L.洛温斯坦.The Manufacturing Technology of Continuous Glass Fibres.北京：中国标准出版社，2008
[6] 孙承绪.全氧燃烧池窑中若干技术问题的探讨[J].玻璃与搪瓷，）：47-29.
2015年9月，四川中科玻璃有限公司采购北京北大先锋科技有限公司2200/93型变压吸附制氧设备，双方就该项目顺利完成了供货协议签订。
四川中科玻璃有限公司主要生产经营高端白酒玻瓶。此前，北大先锋已为玻璃行业承建了多套VPSA制氧设备，涉及玻璃窑炉、玻纤窑炉等领域，而本项目是北大先锋首次为高端白酒玻瓶窑炉生产线配套VPSA制氧装置，同时，也是目前该领域首次选用变压吸附制氧技术满足窑炉全氧燃烧。
该项目的成功签约将进一步扩大我公司在玻璃窑炉的细分市场。近年来，北大先锋为玻璃玻纤行业承建的VPSA制氧设备均采用径向床工艺，能耗低，运行指标优异，为客户提供优质的服务，是业内首选的变压吸附技术供应商。
近期，四川省银河化学股份有限公司与北京北大先锋科技有限公司顺利签订了一项变压吸附制氧装置供货协议。装置设计产量为5500Nm3/h，纯度达90%，产品氧作为铬盐生产的原料气，供给后续生产线使用。
据了解，这是我国铬盐行业首次采用变压吸附制氧技术，是铬盐领域的一项重要创新。四川省银河化学股份有限公司是我国最大的铬盐生产商，项目初期，企业负责人对制氧路线和工艺技术进行了充分考察，最终决定选用北大先锋的VPSA制氧技术，为铬盐生产提供稳定且高性价比的氧气。&&&&& 该项目将于明年初投产。
摘要：目前高炉煤气由于热值和燃烧效率低而导致大量放散，本文提出采用变压吸附技术浓缩高炉煤气可以提高其热值和燃烧效率，并进行了燃烧效率和工程及技术经济性分析，认为高炉煤气浓缩是钢铁行业利用高炉煤气最有效节能的方式，具有广阔应用前景。
关键词：高炉煤气变压吸附经济性
高炉煤气（Blast Furnace Gas，BFG）是高炉炼铁过程中的副产品，其排放量在钢铁企业的副产煤气中所占比重最高。它的主要成分包括N2、CO、CO2、H2、CH4等，具体组成如表1中所示。由于高炉煤气的热值一般仅有 kJ/Nm3左右，不能满足工业炉理论燃烧温度对热值的要求。大部分钢铁厂高炉煤气富余，存在不同程度的放散现象，造成了环境的污染和能源的浪费。
近年来，由于国家对钢铁企业节能减排技术的重视，企业中高炉气的放散有所减少。高炉煤气的利用方式以燃烧为主，主要用途有：1）直接使用在高炉热风炉；2）直接使用在复热式炼焦炉；3）与高热值气体混合用在加热炉、均热炉等；4）采用蓄热式燃烧技术用于轧钢加热炉；5）纯烧高炉煤气的锅炉发电；6）高炉煤气作为主要燃料的燃气轮机、蒸汽轮机联合循环发电(CCPP)。
表1 常见高炉气的主要组成
组分（干基）
含量，vol%
若能将高炉煤气中的有效组分CO提浓后加以利用，不仅能大大降低放散率，而且可以节省燃料费用，甚至提供化工产品的生产原料。将CO提浓至65%~70%，燃烧值可达 kJ/Nm3，产品气能够作为高热值燃料直接燃烧[1]，或者作为高炉喷吹的还原气体[2]。将CO提浓至98.5%以上，高纯的CO产品气可进一步用于生产高附加值的化工产品[3]。2、变压吸附提纯衡钢高炉煤气
衡阳华菱钢管有限公司（以下简称“衡钢”）是具备年生产100万吨铁、120万吨钢、150万吨管的生产能力专业化无缝钢管生产企业。高炉煤气年产量约为21&108 m3，主要用于热风炉（约35%）、烧结炉（约2%）、与天然气混合用于轧钢加热炉（约38%），剩余部分大都放散掉；高炉煤气的放散率最高可达29%，最低也只能降至23%左右[4]。为了满足高热值燃料的需求，衡钢需外购天然气，与高炉煤气掺烧，以提高高炉煤气的热值，供轧钢加热炉使用。这就造成了衡钢对高热值燃气大量需求与低热值煤气得不到有效利用的严重矛盾。将高炉煤气提纯得到高热值燃气，成为衡钢节能增效的明智选择。
2012年，北大先锋与华菱衡钢达成设计建设高炉煤气提纯CO装置的合作协议，目前装置已经顺利投产，运行稳定，各项指标优异，平均原料气消耗量达到60000 Nm3/h，平均产品气量为18000 Nm3/h，CO收率在93%左右。产品气中CO的浓度可根据需要在60%~70%范围内调节，产品气完全满足衡钢下游用户的热值需求，节能增收效果显著。装置的平均气体组分和气量如表2中所示。
表2 平均气体组分及气量
18000 3、经济效益分析3.1成本核算
采用PSA-CO装置提纯高炉煤气的成本是用户关注的首要问题。PSA-CO产品气成本包含固定成本与可变成本。按照高炉煤气原料气价格为每立方米0.04元、产品气气量18000 Nm3/h、装置设计运行期为10年、年开工率为94%进行计算，PSA-CO产品气固定成本计算结果列于表3，可变成本见表4，产品气综合成本合计约为0.5225元/Nm3。如果不计高炉煤气原料气成本，PSA-CO产品气的总成本为0.3921元/Nm3。
表3 单位立方米产品气固定成本核算
直线折旧，10年
平均年利息
建设期不计息，扣除保证金抵消的利息
包含人工费等
年保险费为总投资的0.1%
表4 单位立方米产品气能耗与运行成本
100 3.2 燃烧经济性分析
由于高炉煤气和提浓后的产品气均作为燃料燃烧，对它们进行燃烧经济性分析是十分必要的。CO浓度为22.4%的60000 Nm3/h的高炉煤气的燃烧数据与18000 Nm3/h浓度为70%的富CO产品气燃烧数据见表5。表5中计算依据如下三个限定条件：1）假定两种燃气都在绝热条件下完全燃烧，并采用相同的燃烧炉；2）假定两种燃气均为干燃气，空气为干空气；3）高炉煤气和富CO产品气的各组分含量按照表2中的数据计算，氧气量近似为0。
表5 高炉煤气和PSA-CO产品气的燃烧过程计算
附注：Hi：燃气中某一可燃组分的低热值，kJ/Nm3，CO：12640 kJ/m3，H2：18790 kJ/m3，CH4：35880 kJ/m3；
ri：燃气中某一可燃组分的体积百分比；
xi：烟气中某一组分的体积百分比；
Vi：单位时间内干燃气完全燃烧后所产生的某一组分体积，Nm3/h；
ci，cg，ca：某组分气体，燃气，空气由0~tf ℃，0~tg℃，0~ta℃的平均体积定压热容，kJ/(Nm3&K)，数据可由表查得；
Tf，Tg，Ta：烟气，燃气，空气的绝对温度，K，分别为423K，313K，313K；
Q4：烟气中的CO2和H2O在高温下分解所消耗的热量，kJ/h，数据由表可查得。
从表5的燃烧过程计算结果可知，高炉煤气的热值3199 kJ/Nm3，理论燃烧温度仅为1315 ℃；富CO产品气的热值为8970 kJ/Nm3，理论燃烧温度达到了2095 ℃，满足了衡钢工业炉对燃料的要求，可以直接燃烧使用。
对比燃烧60000 Nm3/h的高炉煤气和18000 Nm3/h的富CO产品气产生的热量可以发现，由于提纯后CO的收率约为93%，且CH4和H2会有一部分损失，所以产品气燃烧产生的热量大约是高炉煤气的84%；对比燃烧两种气体烟气带出的热量可知，当排烟温度为150℃时燃烧富CO产品气的排烟损失率为16.3%，明显低于高炉煤气的排烟损失率27.5%（见图1），燃烧效率明显提高。
综合以上计算分析可知，富CO产品气比高炉煤具有更高的热值、理论燃烧温度和燃烧效率，因而具有更好的燃烧经济性。
图1 高炉煤气和PSA-CO产品其的烟气热量损失
3.3 效益分析
2013年底项目完工后，衡钢可把约60000 Nm3/h高炉煤气提纯得到的18000 Nm3/h 70%的CO产品气直接输送到加热炉使用。根据燃烧热量进行估算，可以得到PSA-CO产品气的天然气当量。根据PSA-CO产品气的总成本和衡钢地区天然气价格，可计算出该提纯装置的年创收额；结果如表6中所示。
表6 PSA-CO产品气的天然气当量及经济效益
PSA-CO产品气
0.5225 (成本)
由表6可以得到，PSA-CO产品气每小时可替代天然气约4537Nm3，年替代量达到 Nm3，相当于衡钢原来约1/3的天然气用量，这将在很大程度上缓解衡钢对天然气的紧张需求。根据实际开工情况，扣除装置的总成本后，该项目每年可为衡钢直接创收约2946万元。4、展望
北大先锋开发的高炉煤气提纯（富化）技术，解决了一直困扰我国钢铁企业高炉煤气放散的难题，大幅减少了能源浪费，给企业创造了显著的经济效益。富化到70%左右的CO产品气可以作为高热值燃烧气体或还原性气体，减少煤、天然气或煤、焦的使用量；富化到98.5%以上的CO还可进一步用于化工生产，合成乙二醇、碳酸二甲酯、醋酸、甲醇、TDI、DMF等。此项技术非常适用于高炉气存在放散情况、且天然气、液化气等能源供应紧张的钢铁企业；尤其在钢铁市场竞争激烈、环境问题日益严重的今天，具有重要的社会效益和经济效益。
1 耿云峰等，一种高炉炼铁方法：CN
2 耿云峰等，一种高炉气浓缩的工艺：CNA
3 唐宏青，碳一化工新技术概论，北京：化学工业出版社，2009
4 周维汉等，衡钢高炉煤气利用现状分析及对策措施，全国能源与热工2010学术年会
&&& 回顾2014年，在整体经济形势错综复杂，部分行业产能过剩的不利环境下，北京北大先锋科技有限公司凭借自身优势和市场资源，仍然取得了较好业绩。公司共 实施项目逾20个，各项目的设计和施工进度保持良好，项目质量优良，装置的产量、纯度、能耗等指标满足业主要求。
重大创新之路：工业尾气不再难利用
&&&&& 如何对工业尾气加以综合利用，减少碳排放，是媒体和行业长期以来研究和讨论的关键问题之一。北大先锋对多种工业尾气的提纯净化技术从研发到中试，再到大规 模的产业化应用，持续了多年投入与努力，一直到2012年北大先锋专有的先进技术才开始逐渐为市场效力，为企业创造长期的附加效益。截止到2015年4 月，仅仅3年时间，除了维持现有的主营业务稳步增长之外，北大先锋还圆满完成了3个关于高炉煤气、电石炉尾气的创新性尾气提纯利用工程项目，以及1个关于 黄磷尾气的高效净化提纯中试项目。& & &黄磷尾气中CO含量约达90%，理论上是极佳的高热值燃料，但是由于尾气中硫、磷、氟等杂质的存在至今不能被有效利用。这是因为硫、磷、氟等对设备的腐 蚀性强，处理难度较高，要实现尾气的深度净化更是难上加难。基于这些客观情况，造成了目前全国七十多家黄磷企业当中，仅有20%的企业对黄磷尾气进行了简 单处理，作烘干用，其余的都直排燃烧，加剧了环境污染。随着工信部新版《黄磷行业准入条件》规定出台，解决黄磷尾气的净化问题已是刻不容缓。& & &北大先锋独有的黄磷尾气净化工艺突破了两大难关。& & &第一，开发成功耐硫性能极强的专用催化剂，使用寿命预计达5年以上，可实现连续脱硫磷；第二，这项工艺对黄磷尾气的净化深度高，可将尾气中的总磷净化至1mg/m3以下，同时，工艺简单，设备操作灵活，投资成本大大低于其他工艺，在工业应用中具有显著的优越性。& & &2014年10月，北大先锋在某磷电化工公司的黄磷尾气净化中试项目顺利完成，形成了完整的黄磷尾气脱磷工艺，已具备充足的产业化应用条件。北大先锋黄 磷尾气净化提纯技术解决了国内黄磷生产行业尾气资源化利用的关键性难题，对黄磷厂家的业务优化、经济和社会效益的提升具有重要意义。创新技术的 产 业化应用成果以高炉煤气、电石炉尾气的提纯利用为典型代表，均取得了实质性进展，为我国长期难以利用的工业尾气创造更高效、更环保的整合利用模式。 2014年，北大先锋严格把控施工进度，按期建设完成了对新疆天业集团电石尾气合成20万吨/年乙二醇、17万吨1,4丁二醇项目的配套设备。该设备以变 压吸附技术为基础，将电石尾气中的一氧化碳提纯到99.5%以上，一氧化碳收率高达95%以上，工艺指标达到世界领先水平。这一系列的工程实践表明，有了 这项稳定可靠的一氧化碳分离技术，对放散的含CO的尾气资源重新利用这一思路便可从此落地。& & &工业尾气净化利用业务得到突破，为北大先锋赢得了更多的市场机遇，将成为北大先锋未来强势的业绩增长点。2015年，公司继续保持业务多元化发展策略， 以领先的变压吸附技术和系统的服务，为各行业用气需求提交满意的答卷。总之，北大先锋在推进技术创新与成果产业化道路上取得的多项重要成果已获得各行业的 高度认可。
工艺完善之路：径向床为制氧业务添彩
& & &北大先锋申请的北京市工程实验室资助资金全部到位，实验室软硬件建设顺利完成。过去一年，北大先锋在技术研发上立项了十多个项目，其中，VPSA制氧径 向床工艺的技术革新以及对基本参数的研究和掌握，对公司主营业务的发展产生了深远的影响。近年来，北大先锋VPSA制氧设备逐步开启径向床工艺，截止到 2014年，公司制氧设备全面完成了由轴向床工艺向径向床工艺的转换，承接的所有制氧项目均使用径向床工艺。径向床工艺使北大先锋制氧设备的电耗水平从 0.37Kwh/m3直降到0.32 Kwh/m3，同时显著提升单位吸附剂的氧气产量，对用户而言大幅降低了装置运行成本，使得北大先锋VPSA制氧设备在变压吸附市场的技术优势更为突出。& & &除了径向床工艺之外，北大先锋与北大化学学院以及清华大学等高校科研院所的产学研合作也在有序推进。公司与化学院合作的新材料研发项目已进入可转化阶段，有利于公司产品结构优化、形成新的业务和盈利增长点。
内部强化之路：紧抓管理体系建设
& & &持续的技术、管理和观念创新，完善科学的管理体系，良好的人力资源，优秀的企业文化，具有丰富内涵的品牌影响力，这些企业基本层面的因素对于促进北大先 锋构造核心竞争力，从而保障企业持续健康发展尤为重要。北大先锋完成了历时两年的公司薪酬体系改革工作，本次改革促进人才队伍建设，使公司和员工获得持 续、稳定、健康的发展；另一方面，公司也完成了连续第三年股权激励计划，进一步优化公司体制，利于长期发展。& & &北大先锋通过了三年一度的高新技术企业复核工作，并且被北京市经济和信息化委员会评定为北京市企业技术中心，该评定将进一步促进公司研发体系的建设。北 京市企业技术中心资格认定是北京市根据国务院“关于加强技术创新，发展高科技，实现产业化的决定”精神设立，该资格代表企业具有较高层次水平的研究开发机 构和人才，凸显出企业以技术创新体系为核心的特点，很大程度上代表企业技术进步和技术创新的实力。
摘要：电石炉尾气作为燃料利用效率低且会加重温室气体排放，电石炉尾气的综合利用势在必行。本文对现阶段电石炉尾气的利用情况进行了综述，并提出了一种采用变压吸附技术从电石炉尾气中分离提纯CO并进行高附加值利用的新工艺。
关键词：电石炉尾气；综合利用；变压吸附；分离提纯
近几年，我国电石行业迅速发展，电石产能逐年上升，随之而来的则是日益严重的环境问题。《电石行业准入条件（2007年修订）》要求推广大型密闭式电石炉，并且明确指出“炉气必须综合利用，正常生产时不允许炉气直排或点火炬”。电石炉尾气的综合利用成为电石行业亟待解决的难题，也是电石行业发展循环经济、降低成本、解决环境污染问题的一条有效途径。
1.&&&&&& 电石炉尾气分析
电石炉按其结构形式可分为开放式、半密闭式（内燃式）、密闭式三种类型。开放式及半密闭式电石炉的烟气产量大、CO含量低，其热值和回收利用价值都较低。开放式电石炉污染严重、能耗高，已被国家明令淘汰；内燃式电石炉也因高能耗和高污染问题逐渐被改进或淘汰。与以上两种电石炉相比，密闭式电石炉在能耗及尾气综合利用方面都具有一定的优势，被逐渐推广。
据测算，采用密闭式电石炉每生产1吨电石副产炉气400Nm3左右，炉气温度一般在400~800℃，密闭式电石炉尾气的典型组成如表2所示：
表2 密闭式电石炉尾气的典型组成
除上述组分外，炉气中还含有硫、磷、砷、氟、氯、氰、焦油以及大量的烟尘等杂质，烟尘浓度约50~150g/Nm3。
由表2可知，密闭式电石炉尾气的主要成分是CO，体积分数70~90%。根据国家统计局公布的数据，2012年我国电石总产量约1869.25万吨，按照每生产一吨电石副产400 Nm3尾气计算，则会产生约75亿立方的尾气，其中CO约53~68亿立方。若将如此大量的电石炉尾气直接排放，不仅对环境造成巨大危害，还造成资源的严重浪费。
2.&&&&&& 电石炉尾气的利用
电石炉尾气综合利用是电石行业的发展趋势。然而，电石炉尾气组成复杂、不易净化的特点使其回收利用较为困难。目前，电石炉尾气的主要利用方式有两种：一是热能利用，二是净化后作为C1化工产品的原料气。
2.1&&& 热能利用
热能利用是指对电石炉尾气的显热和潜热进行综合利用的一种方式。其特点是工艺简单、操作方便、运行容易，但其缺点也很明显，即电石炉尾气中的CO直接燃烧释放出大量的CO2，增加了温室气体排放。热能利用主要是将尾气作为燃料获得蒸汽或用于发电。
电石炉尾气直接燃烧法[1]，是将尾气作为燃料直接送入燃气锅炉，利用电石炉气的显热和潜热产生蒸汽，进而加以利用。炉气燃烧后不再含有焦油和氰，可通过常规的旋风、布袋除尘器达到除尘效果。
目前也有企业利用电石炉尾气先燃烧、后净化的方式[2]，实现了对电石炉尾气的较好利用。其采用SHS15-1.27-Q废气炉生产蒸汽，产量约11t/h，使蒸汽成本大为降低，燃烧后的烟气经布袋除尘后达标排放。
2.2&&& 作为C1化工产品原料气
电石炉尾气经过净化、分离、提纯获得纯净的CO作为C1化工的原料气，粉尘则作为生产水泥的原料，此方式可实现电石炉尾气的综合利用。
由于电石炉尾气粉尘含量高，且含有焦油以及氰、砷、硫等对吸附剂和催化剂有毒有害的物质，这使得将其作为原料气进行化工生产非常困难。随着电石行业产业规模的扩大，电石炉尾气的净化分离和综合利用技术成为广大科研工作者研究和开发的重点。
2013年初，新疆天业集团电石炉尾气合成5万吨/年乙二醇项目正式投产，标志着我国电石炉尾气综合利用技术首次成功实现大型工业化应用。表3所列是CO作为原料气可用于合成的部分化工产品：
表3 可用CO合成的化工产品举例[3]
反应方程式
2CO+4H2+1/2O2→HOCH2CH2OH+ H2O
首先合成光气：CO+Cl2→COCl2（光气），进一步合成TDI、MDI
CH3OH+CO→CH3COOH
2CH3OH+2CO→(CH3CO)2O+H2O
(CH3)2NH+CO→HCON(CH3)2
2CH3OH+CO+1/2O2→(CH3O)2CO+ H2O
此外，CO还可以作为合成甲醇、醋酸乙烯、甲酸甲酯的原料气，以及作为合成氨的原料气等。
3.&&&&&& 电石炉尾气的净化
从电石炉尾气中获得CO气，需经过除尘、除焦油、脱硫、磷、砷、氰等杂质、提纯CO等步骤。本文提出的电石炉尾气综合利用路线图如下：
图1 电石炉尾气综合利用路线图
3.1&&& 电石炉尾气的除尘、净化
电石炉尾气的除尘方式有两种：湿法除尘和干法除尘。
湿法除尘虽然有一定的除尘效果，但其最大的缺点是产生含氰废水，需经过多步脱氰装置，使CN-含量降至0.5mg/L以下才可以实现达标排放，这种方式投资大、运行费用高，逐渐被干法除尘技术取代。
与湿法除尘相比，干法除尘过程不产生含氰废水，占地面积小，投资运行费用相对较低，粉尘含量可降至5~10mg/Nm3。但需要注意的是电石炉尾气中含有较多的焦油成分，必须对温度进行控制，既要防止由于温度降低造成焦油析出与粉尘混合形成粘度较大的混合物堵塞管道，又要防止温度过高对袋式除尘装置造成不利影响。
新疆天业集团采用干法除尘、湿法净化组合的工艺[4]实现了电石炉尾气中有害组分的有效分离和回收利用，达到了理想的效果。该技术中的干法除尘工序由一二级旋风分离器、一二三级冷却器、高温布袋器、粉尘总仓等装置组成，分离出的粉尘可作为熔块或水泥的原料加以利用；经干法除尘后的炉气进入湿法净化工序，经过喷淋塔、洗涤塔之后，炉气中的剩余粉尘和焦油进一步脱除，并且CO2也可在此过程中被脱除，脱下的泥渣可作为脱硫剂和助燃剂。之后，电石炉尾气进入深度净化工段，进一步脱除尾气中的硫、磷、氰等杂质。
3.2&&& CO的分离提纯
目前，工业气体分离领域常用的技术有深冷分离和变压吸附分离。深冷分离法应用较早、工艺成熟、处理能力大，但由于N2和CO沸点相近，低温精馏很难将二者分开，故深冷分离只适合原料气中不含N2或含N2极少的气源。电石炉尾气经除尘、降温、深度净化等步骤后，其组成中N2含量约5%~10%。由北大先锋科技有限公司开发的高效CO专用吸附剂PU-1对CO/N2的分离系数很高，适用于电石炉尾气中CO的分离提纯。经预处理后的电石炉尾气进入变压吸附（PSA）装置，在PSA-CO工序CO被PU-1吸附，解吸后获得纯度98%以上的CO产品气。可根据生产需要对CO进行变换，提高H2比例，在PSA- H2工序获得纯度99.9%以上的H2产品气。
4.&&&&&& 经济效益分析
分离提纯得到的CO和H2用于化工产品的合成，既保护环境、节约资源，又实现了良好的经济效益。
以一台年产5万吨电石的密闭式电石炉为例，假设每产1吨电石副产炉气400Nm3，则全年可产电石炉气2000万Nm3左右，以CO含量85%计，则其中CO约1700万Nm3。经估算，若将CO纯度从85%提至98%左右，其成本约0.5元/Nm3，按照市场上CO产品价格1.5元/Nm3计算，则一台规模5万吨/年的密闭式电石炉每年可节约成本1700万左右。
5.&&&&&& 小结
电石行业面临着生产基数大、生产成本增加、国际国内宏观经济形势不确定性、市场竞争愈加激烈的严峻形势。充分利用电石炉尾气，建立上下游配套的循环经济产业链条，降低生产成本成为电石企业发展的必然趋势。通过回收电石炉尾气中的CO并用于化工生产，既实现了电石炉尾气的综合利用，又为建立资源节约型、环境友好型社会提供了新的途径。
安徽晋煤中能化工股份有限公司（以下简称中能公司）2套合成氨装置共有33台造气炉，其中Φ 2 800 mm锥形炉3台、Φ 2 800 mm直筒炉30台，采用间歇式固定层制气工艺。2011年9月，2#合成氨装置的11台造气炉于利用航天炉深冷空分装置多余的氧气（体积分数为99.9%，压力5.1 MPa，流量2 000 m3/h）进行增氧制气改造，节能效果明显（吨氨块煤消耗下降25 kg，造气系统停运1台440 kW造气风机及1台Φ 2 800 mm直筒炉）。为此，2012年1#合成氨装置3#造气系统的7台造气炉也进行了增氧制气改造，同样利用航天炉深冷空分装置多余的氧气（流量约1 100 m3/h），亦取得了较好的节能效果。2013年4月，中能公司决定新增1套变压吸附制氧装置，1#合成氨装置的22台造气炉全部改用增氧制气，同时将原航天炉深冷空分装置多余的氧气全部供2#合成氨装置的11台造气炉使用。
1& 制氧技术的选择
目前，主要的制氧技术有深冷空分、变压吸附和膜分离3种。中能公司通过多方考察，对3种制氧技术进行了综合对比（表1）。
表1& 3种制氧技术综合对比
φ（O2）/%
80.0～93.0
28.0～30.0
常压～负压
制氧单位电耗1）/（kW&h）
0.55～0.65
0.30～0.37
装置占地面积
分离填料＞10年
膜材料2～3年
装置建设投资
装置规模越小，单位投资越高
在一定规模范围内，单位投资低于深冷空分
在一定规模范围内，单位投资低于变压吸附和深冷空分
主机质量大，结构复杂，制造困难，操作维护复杂，供货周期长，设备投资大，安装费用较高，需熟练工操作
主机质量轻，动力设备少，制造容易，维修简单，设备投资较小，安装费用较低，操作灵活，开、停车简便方便，可实现无人操作
积木式结构，安装、维护和更换方便，占地面积小，设备投资较少，安装费用低
在低温下运行，运转机复杂，维修费用较高
设备少，常温下操作，维修费用少
负压下操作，维修费用一般
产品可调性
设备启动至出产品时间
15～30 min
注：1）指1 m3 体积分数100%纯氧电耗，下同。
中能公司根据综合对比结果及造气系统对氧气含量的要求，选择了操作简单、开停车方便、占地面积小、维修费用低、自动化程度高且操作弹性较大、运行稳定性较高的变压吸附制氧（简称VPSA制氧）工艺。经多家厂商竞标，最终与北京北大先锋科技有限公司（以下简称北大先锋公司）牵手合作，采用该公司的制氧技术。北大先锋公司是国内最早的VPSA制氧装置供应商之一，也是目前国内唯一能大规模、稳定生产高效锂基分子筛制氧吸附剂的厂商，其低成本VPSA制氧新技术已得到广泛应用，装置的稳定性和制氧单位电耗都达到了先进水平。
2 &VPSA制氧工艺
2.1 VPSA制氧的基本原理
原料空气经过滤器去除杂质后进入罗茨鼓风机增压，然后通过管道和气动切换阀门进入吸附剂床层，原料空气中的水分和二氧化碳被底部的13X吸附剂吸附；净化后的空气在吸附塔内继续上升，经PU-8型高效锂基制氧吸附剂（北大先锋公司提供）的过程中氮气逐渐被吸附，从而在吸附塔顶部富集得到氧气；产品氧气从吸附塔顶部引出并进入氧气缓冲罐，再经增压后供造气系统使用。为了连续获得氧气，一般配置2台或2台以上的吸附塔，1台吸附塔在较高压力下吸附空气中的氮气，在吸附塔出口端获得产品氧气；其他的吸附塔在较低压力下解吸或升压，以便在下个周期内吸附原料空气中的氮气；几台吸附塔轮流切换，从而达到连续产氧的目的。对于VPSA制氧工艺，每个周期都必须完成吸附、顺向放压、真空解吸、真空清洗、均压、升压等步骤［1］。
吸附：空气经吸附塔床层，氮气被吸附；当吸附塔达到一定压力后，产品氧气流入氧气缓冲罐。
顺向放压：吸附结束后，吸附塔上部气体中含氧量相对较高，将其顺向放气至低压吸附塔。
真空解吸：顺向放压结束后，吸附塔压力仍较高，需通过抽真空的方法使吸附塔压力进一步降低，使解吸的氮气抽出放空。
真空清洗：在吸附塔抽真空达到最低解吸压力前，将氧气从顶部通入吸附塔，同时对吸附塔底部继续抽真空，使吸附的氮气进一步解吸。
均压：吸附塔再生结束后，将完成吸附的吸附塔内气体从顶部通入吸附塔，同时对吸附塔底部继续抽真空。
升压：均压后，吸附塔压力仍较低，利用氧气缓冲罐中的产品气从顶部进入吸附塔，同时从吸附塔底部引入空气，对吸附塔进行升压。
以上各步骤循环进行，即可实现空气中的氧氮分离，从而得到符合要求的产品氧气。各工作步骤的切换靠气动阀门实现，气动阀门根据控制系统设定的程序实现自动开启和关闭。
4& 增氧制气工艺的选择及调整
4.1 增氧制气工艺的选择
目前，国内固定层增氧气化工艺主要有富氧连续气化工艺、加氮增氧间歇气化工艺及吹风增氧间歇气化工艺。
4.1.1 固定层富氧连续气化工艺
采用富氧连续气化工艺的炉上温度450～550 ℃，比间歇气化吹风及上行温度高200～280 ℃，煤气显热损失较大；同时，生成的煤气中φ（CO2）高达16%～18%，比采用间歇气化工艺的半水煤气中φ（CO2）增加8%～10%。由于半水煤气中的CO2含量增加，降低了压缩机出力率，加重了脱碳系统的负荷，造成合成氨装置综合电耗上升。由于富氧连续气化技术综合节能效果不明显，未能得到普遍应用。
4.1.2 固定层加氮增氧间歇气化工艺
间歇气化工艺操作的其他工艺条件不变，仅在上吹阶段加入空气与富氧混合后的富氧空气进入气化炉，φ（O2）一般为35%～40%，能稳定并减缓上吹阶段气化层温度的下降速率，以提高入炉蒸汽分解率、缩短吹风时间及减少吹风气生成量，从而降低炉渣中的残碳含量，以达到降低块煤消耗的目的。中能公司2#合成氨装置富氧制气即采用此工艺，节能效果较明显。
4.1.3 固定层吹风增氧间歇气化工艺
间歇气化工艺操作的其他工艺条件不变，仅将吹风阶段空气气化剂改为富氧气化剂，即将φ（O2）为25%～28%的富氧空气代替空气进入气化炉，可缩短吹风时间、减少吹风气生成量、减少吹风气带出的潜热和显热损失、降低炉渣中的残碳含量，以达到降低块煤消耗的目的。
中能公司根据近几年的生产经验论证：富氧连续气化工艺经实际运行，经济效益并不明显，且目前在固定层气化工艺中使用的较少，大多已停用；加氮增氧工艺与吹风增氧工艺都可缩短吹风时间、减少吹风气生成量、减少吹风气带出的潜热和显热损失，其不同之处在于加氮增氧工艺在上吹阶段较稳定并减缓了气化层温度下降速率，进而提高了入炉蒸汽分解率，但从安全角度考虑，混合后氧含量受限制，从而制约加入的富氧气体总量，减少吹风气生成总量受限；在吹风增氧工艺中，随着氧含量的提高，灰渣层中未完全气化的碳的活性提高，气化更加完全，可大幅降低炉渣中的残碳含量。为此，中能公司决定将比较成熟的上加加氧与空气加氧工艺相接合，待工艺稳定后，再作优化调整。
5& 增氧工艺实施前、后的生产使用对比
&& 增氧工艺实施前、后造气工艺数据对比见表4。
表4& 增氧工艺实施前、后造气工艺数据对比
空气总管φ（O2）/%
上加氮φ（O2）/%
吹风百分比/%
上加氮时间/s
回收时间/s
上行温度/℃
下行温度/℃
半水煤气φ（CO2）/%
12.0～14.0
11.0～12.0
吹风气φ（CO2）/%
15.0～16.0
15.0～16.0
18.5～19.5
18.5～19.5
灰渣残碳质量分数/%
吨氨耗氧量/m3
吨氨耗煤/kg
从表4工艺数据可看出：VPSA增氧工艺投运后，吹风气中的CO2含量增加，吹风效率提高，吹风时间减少，制气时间相应增加，吹风气生成量大幅减少；上、下行煤气温度均有所降低，说明气化层更加集中；由于炉温的提高，单炉发气量提高了15%～18%，蒸汽利用率也得到大幅提高；而炉渣残碳含量下降，则说明煤的利用率提高；上、下行温度的下降，表明显热损失减少，为节能降耗打下了坚实的基础。
6& 经济效益分析
该项目总投资2 900.00万元，按合成氨日产量1 050 t、氧气产量9 000 m3/h、年运行时间350 d、制氧电耗0.38 kW&h/m3、电价0.55元/（kW&h）、φ（O2）83%、利率8%计，则生产1 m3纯氧的可变成本、固定成本和全部成本分别为0.209，0.071和0.280元/m3；生产氧气的日成本为9 000&0.83&24&0.280=50 198.40（元）；若扣除原深冷空分装置供氧1 100 m3/h后，增加的氧气日成本为（9 000&0.83-1 100&0.999）&24&0.28=42 813.79（元）。
目前，中能公司外购块煤和煤末价格分别为1 100元/t和550元/t，按外购块煤含煤末质量分数14%、块煤入炉率86%计，则实际入炉煤价格=（1 100-14%&550）&86%=1 189.53（元/t）。
日节煤费用=46&1 050&1 189.53/1 000=57 454.30（元）。
日节电费用=9.5&1 050&0.55=5 486.25（元）。
日节省费用合计=57 454.30+5 486.25-42 813.79=20 126.76（元），则月节约费用在60万元左右。
中能公司固定层增氧工艺与北大先锋公司的VPSA制氧工艺的结合，经过近1年运行优化，通过提高固定层造气炉上加氮及入炉空气中氧含量，改善了碳与氧气的反应条件；通过设备和工艺的配套改造，吹风效率提高，吹风时间缩短，从而提高了单炉发气量，降低了灰渣中的残碳含量和造气系统的生产成本，减少了二氧化碳排放量，达到了节能降耗的目的，经济效益和社会效益显著。
[1]石春发.变压吸附制氧技术在间歇式固定层造气炉中的应用[J].小氮肥，2014（10）：5-7.}