[科普中國]-富氧鼓風(fēng)

簡介

一種高爐強(qiáng)化冶煉技術(shù)。在高爐大氣鼓風(fēng)中加入工業(yè)氧，以提高鼓風(fēng)含氧濃度，強(qiáng)化風(fēng)口區(qū)燃料燃燒，從而提高生鐵產(chǎn)量。2

富氧鼓風(fēng)簡史早在1876年貝塞麥就提出采用富氧鼓風(fēng)來強(qiáng)化高爐冶煉，1913年比利時(shí)烏格爾廠第一次進(jìn)行了高爐富氧鼓風(fēng)試驗(yàn)，鼓風(fēng)含氧增加到23%，產(chǎn)量提高12%，焦比降低2.5%～3.0%。以后德國、前蘇聯(lián)也相繼進(jìn)行了試驗(yàn)。但是富氧鼓風(fēng)作為一項(xiàng)實(shí)際應(yīng)用技術(shù)，是從50年代開始的，1951年美國國家鋼鐵公司威爾頓廠建立一臺(tái)氧氣純度達(dá)95%的制氧機(jī)用于高爐富氧，鼓風(fēng)含氧量達(dá)到22.5%～25.0%，并取得富氧1%增產(chǎn)4%～5%的效果。進(jìn)入60年代由于大功率低能耗高爐專用制氧機(jī)的誕生和高爐噴吹燃料技術(shù)的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，高爐富氧鼓風(fēng)在歐、美、日本及前蘇聯(lián)等國得到迅速推廣。1976～1981年蘇聯(lián)新利比茨克2000m高爐，先后進(jìn)行富氧35%和40%的試驗(yàn)，創(chuàng)造高爐富氧最高水平，噴吹天然氣156m/t，高爐增產(chǎn)9.4%，利用系數(shù)達(dá)到2.5t/(m·d)，焦比398kg/t，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

50年代中國科學(xué)院化學(xué)冶金研究所葉渚沛提出“三高”理論(高壓操作、高風(fēng)溫和高壓蒸汽結(jié)合使用)并在首都鋼鐵公司(首鋼)的試驗(yàn)高爐上進(jìn)行冶煉試驗(yàn)。60年代以來，隨著高爐噴吹燃料技術(shù)的發(fā)展，首鋼、鞍山鋼鐵公司(鞍鋼)、馬鞍山鋼鐵公司、上海鋼鐵一廠等先后在高爐上采用富氧鼓風(fēng)。1966年首鋼1號(hào)高爐鼓風(fēng)富氧量達(dá)24%～25%，噴吹煤粉量最多達(dá)到270kg/t，效果是鼓風(fēng)增氧1%即增產(chǎn)4%～5%。1986～1987年鞍鋼2號(hào)高爐進(jìn)行高富氧大噴吹工業(yè)試驗(yàn)，鼓風(fēng)含氧達(dá)到28.59%，噴煤量170.02kg/t，效果十分明顯，鼓風(fēng)增氧1%增產(chǎn)2.5%～3%，同時(shí)可增加噴煤12～13kg/t。2

對冶煉的影響與作用(1)單位碳素燃燒生成的煤氣量減少，風(fēng)口前理論燃燒溫度上升。熱量集中于高爐下部，爐缸溫度上升，對硅、錳等一些難還原元素的還原十分有利，因此冶煉錳鐵、硅鐵等采用富氧鼓風(fēng)效果明顯。(2)富氧使煤氣體積減少，煤氣對爐料下降阻力減小，允許進(jìn)一步提高冶煉強(qiáng)度增加產(chǎn)量。如入爐風(fēng)量不變，鼓風(fēng)含氧由原來大氣鼓風(fēng)時(shí)的a0增加到a，其理論增產(chǎn)(焦比不變)為Δp=-/a=01/0.21=4.76%。冶煉實(shí)際增產(chǎn)范圍在2%～5%之間，其值主要取決于原燃料條件，噴吹燃料狀況等。(3)富氧鼓風(fēng)后，氮含量相對降低，生成煤氣中還原劑CO濃度增高，尤其噴吹含H/C比高的燃料時(shí)，煤氣中H2含量增加，有利于高爐間接還原的發(fā)展，減少焦炭消耗。鼓風(fēng)中每增加1%氧，焦比降低0.5%左右，但若鼓風(fēng)含氧過高，由于噸鐵風(fēng)量減少，當(dāng)風(fēng)溫不變時(shí)，鼓風(fēng)帶入爐內(nèi)熱量減少，又不利于降低焦比。(4)煤氣內(nèi)氮含量減少，發(fā)熱值相應(yīng)提高(每增氧1%，提高100～130kJ/m)，從而改善了煤氣質(zhì)量。(5)富氧鼓風(fēng)使風(fēng)口前理論燃燒溫度提高，可進(jìn)一步增加噴吹燃料數(shù)量，產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。2

方法與操作富氧鼓風(fēng)的方法主要有兩種：一種是從鼓風(fēng)機(jī)吸入口加入低壓氧氣，其優(yōu)點(diǎn)是氧氣不用專門氧壓機(jī)加壓，可節(jié)約投資與電耗，高爐操作方便;其缺點(diǎn)是需設(shè)高爐專用制氧機(jī)，氧漏損較多，該方法在前蘇聯(lián)普遍采用;另一種是采用高壓供氧即工業(yè)氧通過加壓后直接加入高爐管道內(nèi)，工藝流程見圖1，其優(yōu)點(diǎn)是可與煉鋼用氧聯(lián)網(wǎng)，保持制氧機(jī)全負(fù)荷運(yùn)行，比較經(jīng)濟(jì)，但需增設(shè)氧壓機(jī)加壓，投資多，電耗高。最近一些國家正在研究發(fā)展高爐氧煤燃燒器，即將工業(yè)氧通過氧煤燃燒器送入，與噴吹煤粉有效混合，實(shí)現(xiàn)充分燃燒和大量噴吹煤粉。

操作方面，隨鼓風(fēng)含氧提高，風(fēng)口前理論燃燒溫度升高，高爐內(nèi)氣固比減少，因此爐缸熱狀態(tài)、爐內(nèi)溫度分布、煤氣流分布以及料柱透氣性等均發(fā)生較大變化，必須采取相應(yīng)措施以維持合理的煤氣流分布與適宜的爐缸熱狀態(tài)，保證爐況穩(wěn)定順行。

控制適宜的理論燃燒溫度理論燃燒溫度過低，爐料加熱與還原不足，將導(dǎo)致爐涼、渣鐵溫度低、噴吹燃料燃燒不充分;理論燃燒溫度過高，煤氣體積迅速膨脹，與SiO大量氣化，將會(huì)造成爐況不順。實(shí)踐證實(shí)：隨鼓風(fēng)含氧增加，噸鐵煤氣量減少，為滿足正常冶煉條件下對爐料的加熱與還原所需要的熱量，必須相應(yīng)提高理論燃燒溫度，增加煤氣熱焓。中國鞍鋼2號(hào)高爐普通鼓風(fēng)時(shí)爐缸煤氣量為1818m/t，理論燃燒溫度為2098℃，當(dāng)鼓風(fēng)含氧量達(dá)到28%時(shí)，理論燃燒溫度上升到2320℃。控制理論燃燒溫度的方法，主要是控制合適的噴吹燃料數(shù)量。理論計(jì)算鼓風(fēng)含氧增加1%，理論燃燒溫度上升40～50℃，而每增加噴吹10kg/t煤粉，理論燃燒溫度降低20～25℃。降低理論燃燒溫度使用天然氣效果最明顯，重油次之，煤粉較差。因此為了控制正常冶煉時(shí)的適宜理論燃燒溫度，鼓風(fēng)含氧每增加1%，需增加的噴吹燃料量：天然氣為8～10m/t，重油11～14kg/t，煤粉則以13～18kg/t為宜。

保證氧過剩系數(shù)為保證噴吹燃料在風(fēng)口前充分燃燒，需控制一定的氧過剩系數(shù)。鞍鋼噴吹煤粉實(shí)踐證實(shí)，氧過剩系數(shù)不宜低于1.15。噴吹重油時(shí)不宜低于1.05。當(dāng)噴吹燃料量較少時(shí)大氣鼓風(fēng)就可以維持必要的氧過剩系數(shù)水平(>1.5)。但當(dāng)噴煤量超過120kg/t時(shí)，就要用富氧來保證氧過剩系數(shù)。有的國家因高爐的噸鐵風(fēng)量小，富氧率較高;中國的實(shí)踐是采用低富氧，如寶鋼高爐富氧3%左右，達(dá)到噴煤200kg/t以上。

上下部調(diào)劑富氧鼓風(fēng)后由于噴吹量增加，焦炭負(fù)荷上升，料柱透氣性變差，爐缸徑向溫度梯度增加，中心不活躍。為此應(yīng)采取以下措施以維持爐況穩(wěn)定：(1)適當(dāng)縮小風(fēng)口面積，維持一定的風(fēng)速與鼓風(fēng)動(dòng)能，以保持適宜的風(fēng)口回旋區(qū)深度與良好的爐缸工作狀態(tài)。鞍鋼2號(hào)高爐，鼓風(fēng)含氧每增加1%，風(fēng)口面積縮小1%～4%，以保持其適宜的回旋區(qū)深度(1.0～1.2m);(2)上部采用以疏通中心為主并適當(dāng)發(fā)展邊沿煤氣流的裝料方法以改善料柱透氣性，降低料柱阻損與提高爐缸渣鐵滲透性。中心加焦裝料方法是解決富氧鼓風(fēng)后爐缸中心不活躍，料柱透氣性惡化的有效手段。2

高爐生產(chǎn)采用富氧鼓風(fēng)的必要性隨著我國煉鐵規(guī)模的急劇擴(kuò)大，其生產(chǎn)工藝流程的組織、先進(jìn)技術(shù)的采用就尤顯重要。我國在20世紀(jì)70年代末以前煉鐵生產(chǎn)工藝及操作還都處于初級階段，隨著技術(shù)及生產(chǎn)管理人員視野的開闊，對外交流的增加，以及隨著煉鐵規(guī)模的擴(kuò)大，其原材料，特別是焦碳的供需矛盾日益加劇，外加焦碳價(jià)格、煉鐵成本等因素，迫使煉鐵生產(chǎn)勢必走富氧大噴煤節(jié)焦、增鐵之路。高爐采用噴煤工藝，可以煤代焦，減少煉鐵對焦碳的需求。目前煉鐵焦比已從最初的800~900kg/t鐵降至300~400kg/t鐵，這樣就大大節(jié)約了焦碳，縮小冶金行業(yè)煉焦規(guī)模，當(dāng)然也就大大減少了煉焦生產(chǎn)對環(huán)境的嚴(yán)重污染。

當(dāng)然，高爐噴煤所需的煤種也應(yīng)結(jié)合我國的國情及煤碳資源現(xiàn)狀而妥善的確定，一般因我國無煙煤貯量相對較少且產(chǎn)地較為集中，以及運(yùn)距長等缺點(diǎn)而不宜多采用，而煙煤貯量較多，且產(chǎn)地分布較廣，運(yùn)距短，故我國高爐宜噴煙煤為佳。

高爐噴煤節(jié)焦固然很好，但采用通常的煉鐵工藝，其噴煤量受限制，隨著噴煤量的增加，則高爐爐缸溫度下降，而當(dāng)高爐爐缸溫度下降太多，則將會(huì)引起高爐爐況的惡化，相應(yīng)其噴煤置換比下降，故高爐噴煤量增加則勢必要給高爐以熱量補(bǔ)償，目前高爐熱補(bǔ)償主要是提高高爐鼓風(fēng)風(fēng)溫或是提高高爐鼓風(fēng)中的含氧量等，雖然目前采用鼓風(fēng)空氣及煤氣雙預(yù)熱以提高風(fēng)溫，但畢竟有限。而同時(shí)采用高爐富氧鼓風(fēng)工藝則既簡便易行，又經(jīng)濟(jì)效益甚佳。高爐采用富氧鼓風(fēng)，它增加了鼓風(fēng)中氧氣的含量

（濃度），也就相當(dāng)于增加了鼓風(fēng)量，當(dāng)然也就提高了高爐的冶煉強(qiáng)度。而更主要的是富氧鼓風(fēng)能夠提高高爐風(fēng)口前的燃燒溫度，給高爐以大量熱量補(bǔ)償，從而給高爐進(jìn)一步加大噴煤量創(chuàng)造了條件，一般富氧率提高1%即可使煤粉噴吹率增加6%。富氧率提高3%~4%和提高高爐鼓風(fēng)風(fēng)溫200度二者對增加噴煤量的影響其效果基本上是相同的。所以說，高爐要想大噴煤多節(jié)焦、增鐵，降低運(yùn)行成本，減少環(huán)境污染等則勢必要輔以高爐富氧鼓風(fēng)，給高爐以大量熱補(bǔ)償才能確保高爐爐缸溫度，從而使高爐正常順行。3

富氧在煙化爐吹煉工藝中的應(yīng)用概述煙化爐在鉛、鋅、錫等有色金屬冶煉過程中廣泛使用，其主要作用是對含金屬高的熔渣進(jìn)一步處理，綜合回收渣中的有價(jià)金屬。目前，大多數(shù)煙化爐工藝采用將空氣和粉煤混合后吹入到高溫熔池中燃燒放熱，產(chǎn)生大量的熱量和 CO 氣體，熱量用來維持整個(gè)系統(tǒng)的熱量平衡和熔池穩(wěn)定，CO 氣體在高溫下將金屬氧化物還原呈各種形式揮發(fā)，在煙塵中富集，從而實(shí)現(xiàn)了金屬物質(zhì)的綜合回收。其主要特點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，工藝成熟、流程短、金屬回收率高等。隨著現(xiàn)代冶金技術(shù)的發(fā)展和企業(yè)對經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的重視，煙化爐吹煉技術(shù)也在不斷的發(fā)展和革新。富氧熔煉技術(shù)越來越多地使用在冶金提取過程中，其主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，反應(yīng)速度快，煙氣量少，能耗低等4。

若在煙化爐生產(chǎn)工藝中鼓入富氧空氣，會(huì)引起爐內(nèi)反應(yīng)過程及氣氛發(fā)生較大的改變，對爐內(nèi)粉煤的充分燃燒、冶煉溫度的控制、升溫速度的調(diào)節(jié)、爐內(nèi)氣氛的控制、爐況的改善、吹煉時(shí)間的長短、冶煉效率等方面影響很大5。采用富氧熔煉會(huì)有利于煙化爐生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)提高、能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)6。

富氧吹煉在煙化爐生產(chǎn)上的可行性煙化爐主要從有色冶金爐渣中揮發(fā)鉛、鋅等金屬，其煙化揮發(fā)的實(shí)質(zhì)是將空氣和粉煤的混合物通過風(fēng)嘴噴入到高溫熔渣中進(jìn)行還原吹煉，粉煤既是燃料又是還原劑。熔渣中的金屬氧化物遇到熱態(tài)碳或者未完全燃燒產(chǎn)生的 CO 被還原成金屬，并以氣態(tài)的形式進(jìn)入到高溫?zé)煔庵校笥直谎趸山饘倩?，以氧化物的形式被捕集于收塵設(shè)備中。

煙化爐生產(chǎn)過程可以分為四個(gè)階段7，若按每 2h 生產(chǎn) 1 爐的生產(chǎn)周期，其各階段的參數(shù) ：

（1）進(jìn)料階段 ：將上段工序放出的熱態(tài)渣加入到煙化爐內(nèi)，爐內(nèi)溫度會(huì)從 1200℃降到 900℃左右，進(jìn)料時(shí)間為 15min，此時(shí)空氣過剩系數(shù)為0.65~0.85。

（2）升溫階段 ：爐溫從 800℃升到 1250℃左右，此階段應(yīng)盡快提高爐內(nèi)溫度，縮短提溫時(shí)間，保證爐內(nèi)熔渣的溫度維持在一個(gè)較高的水平。提溫時(shí)間30min，此時(shí)空氣過剩系數(shù)為 0.8~0.85。

（3）吹煉階段 ：爐溫達(dá)到 1300℃左右，此時(shí)爐內(nèi)應(yīng)控制在強(qiáng)還原氣氛，CO 含量較高，有利于金屬元素的還原，此階段吹煉時(shí)間為 60min，空氣過剩系數(shù)為 0.65~0.75。

（4）放渣階段 ：此時(shí)應(yīng)盡量提高爐溫，以便順利放渣，放渣時(shí)間為 15min，空氣過剩系數(shù)0.65~0.75。

從煙化爐生產(chǎn)周期的四個(gè)階段來看，可以在進(jìn)料、升溫和放渣三個(gè)階段從二次風(fēng)管中鼓入富氧空氣進(jìn)行吹煉，富氧濃度控制在 21%~25%，以快速提高爐膛內(nèi)的溫度，強(qiáng)化熔池反應(yīng)，縮短反應(yīng)時(shí)間，減少煙氣量，提高生產(chǎn)效率。此技術(shù)只是提高鼓入的二次風(fēng)氧氣的濃度，其它操作過程與現(xiàn)行的冶煉過程相同，工藝上不會(huì)作很大的變動(dòng)，生產(chǎn)工藝上是可行的。8

富氧鼓風(fēng)對產(chǎn)量的影響維持送風(fēng)制度不變高爐維持入爐風(fēng)量不變，隨著富氧率的升高，必然帶來高爐產(chǎn)量的升高，但同時(shí)爐缸煤氣量、理論實(shí)際煤氣流速升高較多，這將給高爐的順行帶來威脅。

維持強(qiáng)化程度不變高爐維持強(qiáng)化程度不變( 維持理論煤氣流速不變) 的情況下，隨著富氧率的升高，產(chǎn)量小幅提高，但入爐風(fēng)量、實(shí)際風(fēng)速及鼓風(fēng)動(dòng)能下降，易引起高爐爐缸初始煤氣分布的異常變化，必須及時(shí)進(jìn)行基本冶煉制度的調(diào)整，維持爐況的順行穩(wěn)定。1

富氧鼓風(fēng)對噴煤量的影響富氧鼓風(fēng)有利于提高噴煤量，高爐鼓風(fēng)富氧率的提高，在緩解噴煤量增加帶來的理論燃燒溫度升高的同時(shí)，降低了理論煤氣流速，有利于高爐順行，因此富氧鼓風(fēng)利于提高噴煤量。1

高爐合理的富氧率在維持入爐風(fēng)量不變的情況下，隨著高爐富氧率的提高，高爐產(chǎn)量必然升高，通過實(shí)例計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨高爐富氧率的升高，爐缸煤氣量升高，導(dǎo)致理論實(shí)際煤氣流速大幅升高，高爐爐內(nèi)透氣性與煤氣流運(yùn)動(dòng)的矛盾激化。

因此，在維持入爐風(fēng)量不變的情況下，高爐富氧率的提高必須根據(jù)高爐自身的冶煉條件，確定其能夠承受的理論煤氣流速，進(jìn)而確定合理的富氧率，避免因盲目提高富氧率而導(dǎo)致高爐順行變差。

為緩解以上矛盾，高爐提高富氧率后，可考慮適當(dāng)降低入爐風(fēng)量，通過風(fēng)口面積、風(fēng)溫等的調(diào)整維持合理的實(shí)際風(fēng)速與鼓風(fēng)動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)送風(fēng)制度的穩(wěn)定，這種調(diào)整在不影響高爐產(chǎn)量甚至產(chǎn)量增加的情況下，可以緩解爐內(nèi)透氣性與煤氣流運(yùn)動(dòng)的矛盾，例如實(shí)例計(jì)算發(fā)現(xiàn)，高爐富氧率提高后，通過縮小風(fēng)口面積、提高風(fēng)溫、增加煤比等調(diào)整手段，在產(chǎn)量升高的情況下，送風(fēng)制度基本穩(wěn)定，理論實(shí)際煤氣流速也出現(xiàn)明顯降低，為高爐順行提供了有利條件。1

展望隨著鋼鐵工業(yè)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝所需要的大量煉焦煤日趨枯竭，迫使煉鐵工作者尋求新的焦炭代用品。因此，在發(fā)展富氧大量噴吹燃料的同時(shí)，高爐全氧(無氮)鼓風(fēng)技術(shù)是近年各國廣泛關(guān)注的新工藝(見圖2)，在日本、前蘇聯(lián)等國家已進(jìn)行了試驗(yàn)研究。這種工藝具有高生產(chǎn)率、高噴煤量、低焦比、高煤氣熱值、環(huán)境污染少、投資省的特點(diǎn)。1986年日本鋼管公司在3.9m試驗(yàn)爐上進(jìn)行了全氧鼓風(fēng)試驗(yàn)，每噸鐵噴吹煤粉量增加到320kg/t，高爐爐況穩(wěn)定順行，利用系數(shù)達(dá)到5.1t/(m·d)，直接還原度與入爐焦比均降低一半以上，生鐵質(zhì)量明顯改善。中國煉鐵工作者在大量實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上，也已提出了一種新的高爐氧煤煉鐵工藝，并將進(jìn)行工業(yè)規(guī)模試驗(yàn)。2

高爐富氧鼓風(fēng)逐步成為高爐強(qiáng)化冶煉的重要手段，尤其是隨著噴煤量的升高，富氧已經(jīng)成為綜合噴煤冶煉不可或缺的手段，高爐操作中應(yīng)根據(jù)高爐自身冶煉條件確定合理的富氧率，為高爐的穩(wěn)定順行奠定基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)富氧鼓風(fēng)的效益最大化。1