張惠凱

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司煉鐵廠， 山東 濟(jì)南 271104）

當(dāng)高爐噴吹的天然氣、煤粉以及重油量過(guò)大時(shí)，高爐內(nèi)燃料的燃燒溫度就會(huì)下降，而高爐富氧恰恰可以補(bǔ)充高爐內(nèi)氧氣的含量，起到提升燃燒溫度的作用，同時(shí)，對(duì)提高鋼鐵產(chǎn)量與質(zhì)量大有幫助。經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)試證明，高爐內(nèi)的富氧率每提高1%，高爐煉鐵的產(chǎn)量就會(huì)增加3%以上，以中大型高爐為例，生鐵產(chǎn)量在原有基礎(chǔ)上增產(chǎn)200 kg/t 以上。

1 高爐富氧在鋼鐵冶煉中的優(yōu)勢(shì)分析

隨著高爐噴吹燃料技術(shù)的迅猛發(fā)展，富氧工藝的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)也逐步突顯，當(dāng)噴吹燃料中的氧氣含量升高以后，提高了爐內(nèi)的理論燃燒溫度，使高爐燃燒焦炭與煤粉的能力得到大幅提升，單位時(shí)間內(nèi)的鋼鐵產(chǎn)量大幅增加[1]。當(dāng)高爐富氧后，高爐需要燃燒的產(chǎn)物總量下降，此時(shí)，爐內(nèi)的煤氣上升，阻力減少，為高爐的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供了助動(dòng)力，在爐內(nèi)煤氣量不變的情況下，高爐富氧相當(dāng)于高爐加風(fēng)，使焦炭的燃燒速度加快。當(dāng)爐內(nèi)氧氣含量增加以后，煤氣中的氧氣含量下降，煤氣的熱值升高，尤其在冶煉能耗高的鐵種時(shí)，能夠大幅降低爐內(nèi)燃燒損耗。因此，高爐富氧工藝具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 高爐富氧的供氧方式

高爐富氧主要分為機(jī)前富氧與機(jī)后富氧兩種供氧方式，機(jī)前富氧是將氧氣送入鼓風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口連同鼓風(fēng)同時(shí)加壓，氧氣隨著送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入高爐風(fēng)口內(nèi)，這種供氧方式操作簡(jiǎn)單，在國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)的冶煉生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用頻率較高。而機(jī)后富氧則是鼓風(fēng)從風(fēng)機(jī)主管道出風(fēng)之后，當(dāng)鼓風(fēng)進(jìn)入熱風(fēng)爐之前，將氧氣直接送入冷風(fēng)管，進(jìn)而完成高爐的供氧過(guò)程。

1）機(jī)前富氧。機(jī)前富氧對(duì)高爐冶煉設(shè)備氣封、油封以及氣流通道的安全性要求較高，要想高爐內(nèi)得到充足的與高純度的氧氣，就必須在高爐內(nèi)部設(shè)置富氧比控制裝置以及緊急切斷裝置。當(dāng)?shù)蛪貉鯕廨斔椭粮郀t風(fēng)機(jī)入口處時(shí)，氧氣與空氣充分混合，在風(fēng)機(jī)壓縮作用下，壓力值降到0.4 MPa，這種低壓氧氣進(jìn)入高爐爐體后，就會(huì)起到助燃增效的作用。

2）機(jī)后富氧。機(jī)后富氧分為中壓減壓機(jī)后富氧與非減壓機(jī)后富氧兩種方式，中壓減壓機(jī)后富氧主要利用轉(zhuǎn)爐的高純度余氧，先將氧氣的壓力值降低到1.6 MPa，然后經(jīng)過(guò)二次減壓，再次將氧氣壓力值降到0.5～0.6 MPa 后，將其送入冷風(fēng)管道。而非減壓機(jī)后富氧是將空分設(shè)備生產(chǎn)出的氧氣經(jīng)過(guò)內(nèi)壓縮或者低壓氧外壓縮，由輸送管道直接傳輸至冶煉高爐的冷風(fēng)管當(dāng)中，以供給高爐充足的氧氣。

3 高爐富氧工藝的能耗分析

下面以國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)高爐冶煉過(guò)程中富氧工藝為例，對(duì)采取機(jī)前富氧、中壓減壓機(jī)后富氧以及非減壓機(jī)后富氧三種供氧方式所產(chǎn)生的能量消耗進(jìn)行分析比對(duì)。

對(duì)高爐富氧工藝的能量消耗進(jìn)行分析，首先確定能量消耗的兩種方式，即分離能耗與壓縮能耗，在分析壓縮能耗時(shí)，需要事先根據(jù)功耗計(jì)算公式計(jì)算出壓縮機(jī)的功耗，然后分析影響能量消耗的因素，主要包括阻力損失以氧氣輸入管道的管壁粗糙度。國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)的低壓氧管道阻力損失計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)的低壓氧管道阻力損失計(jì)算結(jié)果

由表1 可以看出，當(dāng)?shù)蛪貉鯄簷C(jī)的排氣壓力達(dá)到0.65 MPa 時(shí)，壓力值就滿足了供氧要求，此時(shí)的電量消耗值4 519 kW。對(duì)于該鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō)，高爐風(fēng)機(jī)的管道長(zhǎng)度在3 100 m 左右，如果采用機(jī)前富氧工藝，高爐內(nèi)的氧氣壓力值被壓縮至0.4 MPa，這時(shí)，所需要的電量消耗為4 376 kW，而如果采用中壓氧減壓的供氧方式，氧氣壓力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于機(jī)前供氧的氧氣壓力值，能夠達(dá)到2 MPa 左右，而電量消耗幾乎為機(jī)關(guān)供氧方式的一倍，即7 742 kW。通過(guò)能量消耗的對(duì)比分析，可以得出，在三種供氧方式當(dāng)中，中壓減壓機(jī)后富氧的方式耗電量最高，而機(jī)前富氧的供氧方式消耗的電量最低。因此，在高爐冶煉過(guò)程中，如果采取高爐富氧工藝，應(yīng)利用低壓氧壓機(jī)將排氣壓力控制在0.603 MPa 以下，這樣，能夠有效降低能量消耗，為企業(yè)節(jié)約更多的投入成本[2]。

4 氧氣純度對(duì)能耗的影響

高爐富氧能耗包括氧氣分離過(guò)程中產(chǎn)生的分離電消耗以及氧氣壓縮過(guò)程中的壓縮電消耗，而這兩種能量消耗通常與氧氣的純度息息相關(guān)，下面就以某鋼鐵企業(yè)一套25 000 m3/h 的空分設(shè)備為例，分析氧氣純度對(duì)空壓機(jī)電能消耗產(chǎn)生的影響。

結(jié)合主冷氮側(cè)溫度值，利用閃蒸計(jì)算公式能夠計(jì)算出下塔頂部的壓力值，進(jìn)而得到空壓機(jī)的排氣壓力值，但是，必須滿足以下計(jì)算條件，即氧氣流量為26 100 m3/h，氬提取率為81%，氧氣提取率為97.4%，主冷液位3 300 mm，上塔壓力值為34 kPa，主冷溫度差為1.5 K，下塔阻力21 kPa，空壓機(jī)出口到下塔的阻力值為27 kPa。根據(jù)以上計(jì)算條件，可以計(jì)算出進(jìn)塔的空氣量為127 036 m3/h。如果將氧氣純度劃分為10 個(gè)不同的級(jí)別，然后分別計(jì)算空壓機(jī)的排氣壓力、主冷氮側(cè)露點(diǎn)溫度以及空壓機(jī)的功率，就可以得到氧氣純度對(duì)能量消耗產(chǎn)生的影響精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

不同級(jí)別的氧氣純度對(duì)空壓機(jī)以及低壓氧壓機(jī)功率的影響如表2 所示。

由表2 可以看出，高爐富氧的氧氣純度越低，空壓機(jī)的功率越低，隨著氧氣量的不斷增加，無(wú)論采用哪一種供氧方式，空壓機(jī)的功率也將提升，如果在這一過(guò)程中，綜合考慮阻力因素，空壓機(jī)的綜合功率在原有基礎(chǔ)上還會(huì)有所增加。因此，對(duì)于鋼鐵企業(yè)而言，在冶煉過(guò)程中，若采用高爐富氧工藝，必須利用雙高純度的空分設(shè)備與低壓氧壓機(jī)相結(jié)合的方式，以達(dá)到降低能耗的目的[3]。

表2 不同級(jí)別的氧氣純度對(duì)空壓機(jī)以及低壓氧壓機(jī)功率的影響

5 高爐富氧工藝的優(yōu)化策略

5.1 富氧節(jié)能技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)為了降低高爐富氧工藝流程中產(chǎn)生的能量消耗，通過(guò)按各用戶的使用壓力與品質(zhì)指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，節(jié)電節(jié)能效果顯著。該項(xiàng)節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于合理控制管網(wǎng)的壓力值，具體實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程如下：首先鋪設(shè)1 根直徑為500 mm×9 mm 的富氧專用管道，作為每一座高爐的機(jī)關(guān)富氧管道，同時(shí)加設(shè)2 臺(tái)氧壓機(jī)，氧壓機(jī)的氧氣供應(yīng)量為40 000～44 000 m3/h，排氣壓力值為0.65 MPa。鋼鐵冶煉所需的氧氣全部由新建的氧壓機(jī)提供，如果在供應(yīng)量不足，則由中壓氧氣經(jīng)減壓閥組調(diào)壓后供應(yīng)給高爐。通過(guò)這一改造舉措，單位時(shí)間內(nèi)的能量消耗較過(guò)去降低了35%，如果折算成電能，每年可以為企業(yè)節(jié)省2300 萬(wàn)kW·h，直接為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

5.2 節(jié)能降耗技術(shù)的改進(jìn)與優(yōu)化

實(shí)施該節(jié)能項(xiàng)目，氧壓機(jī)或者空分設(shè)備的工況波動(dòng)區(qū)間較大，二者之間極易相互影響、相互作用，而影響氧氣供應(yīng)量以及氧氣的供應(yīng)純度，同時(shí)，技術(shù)人員對(duì)空分設(shè)備的操作頻次也會(huì)增加，導(dǎo)致生產(chǎn)工作效率下降。為此，應(yīng)當(dāng)采用1 臺(tái)空分設(shè)備配備1 臺(tái)氧壓機(jī)的方式，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，連通閥自動(dòng)開(kāi)啟，而正常工況下，低壓氧與減壓后管道間的連通閥自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)，中壓氧壓機(jī)可以互為備用，如果高爐內(nèi)的氧氣量減少時(shí)，備用的中壓氧壓機(jī)就能夠啟動(dòng)供氧功能，保證高爐內(nèi)充足的氧氣量。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)機(jī)前富氧與機(jī)后富氧兩種供氧方式的對(duì)比，可以得出最終結(jié)論：當(dāng)?shù)蛪貉鯄簷C(jī)的排氣壓力值低于0.6 MPa 時(shí)，機(jī)后富氧的供氧方式能量消耗較低，加之如果采取機(jī)前富氧的供氧方式，安全保障系數(shù)較低，施工難度較大，因此，對(duì)于鋼鐵企業(yè)來(lái)說(shuō)，采用機(jī)后富氧的供氧方式，經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性更好一些。