氧氣高爐工藝的探討

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）

據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，與傳統(tǒng)的高爐煉鐵工藝相比，氧氣高爐工藝生產(chǎn)流程產(chǎn)生的二氧化碳排放量減少50%以上，生產(chǎn)效率提高0.5～2.0 倍以上。如果利用氧氣取代傳統(tǒng)熱風(fēng)，向爐缸風(fēng)口噴吹冷態(tài)循環(huán)煤氣，燃料煤的消耗量?jī)H為383.1 kg/thm，消耗量比傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝減少12.9 kg/thm，向爐缸風(fēng)口噴吹預(yù)熱煤氣，燃料煤的消耗量為305.5 kg/thm，比傳統(tǒng)高爐煉鐵工藝減少90.5 kg/thm。

1 氧氣高爐工藝概述

作為一種新型的高爐煉鐵工藝，從上世紀(jì)七十年代開(kāi)始，冶金行業(yè)就相繼通過(guò)半工業(yè)化試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證氧氣高爐工藝的節(jié)能減排效果，并先后提出了OCF 流程、Fink 流程、FOBF 流程等氧氣高爐工藝雛形，但是，受到當(dāng)時(shí)生產(chǎn)試驗(yàn)條件的影響，由于制取氧氣成本高，脫碳工藝尚未成熟，以至于氧氣高爐工藝在本世紀(jì)初才得到較為精準(zhǔn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

下面以五礦營(yíng)鋼氧氣高爐試驗(yàn)為例，為了驗(yàn)證氧氣高爐的節(jié)能減排效果，國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將營(yíng)鋼作為試驗(yàn)基地，建立了一座氧氣試驗(yàn)高爐，高爐體積為8 m3，實(shí)施半工業(yè)化試驗(yàn)項(xiàng)目。在試驗(yàn)前期，為考慮綜合運(yùn)營(yíng)成本，在高爐設(shè)備當(dāng)中并未設(shè)置二氧化碳的脫除裝置，而是直接將處理后的焦?fàn)t煤氣替代爐頂煤氣。此次試驗(yàn)共分為三個(gè)階段，第一階段持續(xù)運(yùn)行時(shí)間為15 d，高爐能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并順利產(chǎn)鐵，此階段的噴煤量為300 kg/thm，第二階段的運(yùn)行時(shí)間為23 d，此階段的噴煤量為450 kg/thm，第三階段持續(xù)運(yùn)行18 d，噴煤量降到400 kg/thm，焦?fàn)t煤氣噴吹量為180 m3/thm。通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論，氧氣高爐能夠順利完成煉鐵流程，最高噴煤量可以達(dá)到450 kg/thm，生產(chǎn)效率提高20%左右，由于當(dāng)時(shí)采用的高爐容積較小，如果使用大容積高爐，將大幅降低燃料消耗，并且減少二氧化碳排放量。

2 爐頂煤氣循環(huán)- 氧氣高爐工藝

2.1 爐缸風(fēng)口噴吹循環(huán)煤氣工藝

在保證高爐正常運(yùn)行的前提下，僅通過(guò)爐缸風(fēng)口噴吹循環(huán)煤氣就可以合理控制燃燒溫度。下面分別對(duì)風(fēng)中含氧率、煤比、爐缸風(fēng)口循環(huán)煤氣對(duì)工藝的影響予以說(shuō)明。

當(dāng)風(fēng)溫為1 250 ℃時(shí)，理論燃燒溫度為2 100 ℃，此時(shí)，爐頂燃?xì)鉁囟葎t不小于175 ℃，當(dāng)風(fēng)中含氧率從0.4 增加至0.98 后，鼓風(fēng)量從647.1 m3/thm 減少到249.0 m3/thm，而風(fēng)口循環(huán)煤氣量則從315.3 m3/thm 增至472.4 m3/thm，此時(shí)，爐腹內(nèi)的煤氣量也從14 752.5 m3/thm 減少至1124.8 m3/thm。因此，在一定的煤比條件下，風(fēng)中含氧率增加，高爐低溫區(qū)的熱量需求以及供給全部下降。比如當(dāng)煤比為150 kg/thm時(shí)，理論燃燒溫度為2 100 ℃，當(dāng)含氧率由0.3 增加至0.737 后，爐缸風(fēng)口循環(huán)煤氣量也從197.1 m3/thm增加至459.9 m3/thm，碳素的消耗量從397.3 kg/thm降至368.5 kg/thm。

如果風(fēng)中含氧率為0.6 的定值時(shí)，同時(shí)確保理論燃燒溫度保持在2 100 ℃，此時(shí)，將循環(huán)煤氣噴吹到爐缸風(fēng)口當(dāng)中，當(dāng)煤比從150 kg/thm 增加至300 kg/thm，理論燃燒溫度值處于恒定區(qū)間時(shí)，焦比從原來(lái)的323.3 kg/thm 降至217.6 kg/thm，而循環(huán)煤氣量也從原來(lái)的427.8 m3/thm 降至282.3 m3/thm，此時(shí)可以看到，碳素消耗從380.2 kg/thm 升至394.8 kg/thm。

如果以含氧率0.6，煤比150 kg/thm 為例，當(dāng)理論燃燒溫度介于1 900～2 300 ℃時(shí)，爐缸風(fēng)口循環(huán)煤氣量由302.3 m3/thm 增至585.7 m3/thm，此時(shí)，燃料中的碳素消耗量從386.5 kg/thm 降至374.8 kg/thm。

2.2 爐缸風(fēng)口噴吹預(yù)熱循環(huán)煤氣工藝

爐頂干煤氣經(jīng)過(guò)脫除二氧化碳工藝流程后，煤氣出現(xiàn)部分剩余，這部分煤氣余量完全可以作為外供煤氣，由于風(fēng)口循環(huán)煤氣中CO2和H2O 的含量較高，在這兩種成分的共同作用下，焦炭極易發(fā)生溶損反應(yīng)，而吸附較高的熱量，這樣極易對(duì)合金元素的還原反應(yīng)造成不利影響，因此，應(yīng)當(dāng)利用換熱器對(duì)風(fēng)口循環(huán)煤氣進(jìn)行加熱[1]。

當(dāng)風(fēng)溫為25 ℃，爐缸風(fēng)口循環(huán)煤氣溫度為1 200 ℃，理論燃燒溫度為2 100 ℃時(shí)，如果煤比由原來(lái)的150 kg/thm 增加至300 kg/thm，理論燃燒溫度值保持恒定，此時(shí)，循環(huán)煤氣量也從原來(lái)的550.2 m3/thm 降低至370.2 m3/thm，而煤氣總耗量從原來(lái)的91.6 m3/thm 減至60.0 m3/thm。脫除二氧化碳的爐頂煤氣量由631.3 m3/thm 增至678.8 m3/thm，焦比降至172.2 kg/thm，此時(shí)，燃料中的碳素消耗量增加至356 kg/thm。由此可以看出，在同一理論燃燒溫度下，預(yù)熱循環(huán)煤氣總耗量較大，當(dāng)煤氣供給量無(wú)法滿足生產(chǎn)需要時(shí)，應(yīng)當(dāng)利用燃料煤加熱的方法，來(lái)補(bǔ)添預(yù)熱循環(huán)煤氣，以滿足爐頂煤氣噴吹用量。

當(dāng)煤比為300kg/thm 時(shí)，理論燃燒溫度介于1 900～2 300 ℃之間時(shí)，風(fēng)口循環(huán)煤氣從236.2 m3/thm 增至528.8 m3/thm，加熱煤氣量從37.9 m3/thm 增至87.0 m3/thm，為了增加風(fēng)口循環(huán)煤氣量，可以通過(guò)補(bǔ)添熱量的方法，向爐體內(nèi)噴吹預(yù)熱煤氣，在這種情況下，高爐爐身風(fēng)口處的循環(huán)煤氣量減至0，脫除二氧化碳的爐頂煤氣量也相應(yīng)減少。當(dāng)爐缸循環(huán)煤氣由236.2 m3/thm 增至 528.8 m3/thm 時(shí)，焦比由 212.8 kg/thm 降至124.8 kg/thm，燃料中碳素的消耗量由390.6 kg/thm 減至315.7 kg/thm，還原度也降到0.078。通過(guò)試驗(yàn)表明，如果采用爐缸風(fēng)口噴吹預(yù)熱循環(huán)煤氣工藝，當(dāng)爐頂煤氣供給量與生產(chǎn)進(jìn)度不相匹配時(shí)，需要調(diào)整煤比，同時(shí)，降低風(fēng)口循環(huán)煤氣量，當(dāng)煤比為162 kg/thm 時(shí)，燃料中碳素的消耗量為305.5 kg/thm，這比傳統(tǒng)的熱風(fēng)操作工藝減小了90.5 kg/thm。

3 噴吹焦?fàn)t煤氣- 氧氣高爐工藝

與爐頂煤氣循環(huán)工藝相比，噴吹焦?fàn)t煤氣工藝的成分是固定的，對(duì)前一階段的高爐操作不產(chǎn)生依附作用。爐頂煤氣的主要成分是一氧化碳，而焦?fàn)t煤氣的主要成分是氧氣與甲烷，由于氫氣的還原能力較強(qiáng)，因此，對(duì)降低焦比以及燃料中碳素消耗的效果更為明顯[2]。

3.1 爐缸風(fēng)口噴吹焦?fàn)t煤氣工藝

該工藝的不操作條件是風(fēng)溫為1 250 ℃，煤比為150 kg/thm，理論燃燒溫度維持在2 100 ℃，爐頂煤氣溫度不得小于175 ℃。當(dāng)風(fēng)中含氧率由0.4 增至0.98時(shí)，鼓風(fēng)量也由原來(lái)的645.6 m3/thm 減少至280.7 m3/thm，在理論燃燒溫度值保持恒定狀態(tài)時(shí)，煤氣的噴吹量由原來(lái)的163.4 m3/thm 增至295.3 m3/thm。在煤比由150 kg/thm 增至300 kg/thm 時(shí)，風(fēng)中含氧率的上限從0.562 降至0.534。在保持上述初始條件的前提下，當(dāng)焦比從288.0 kg/thm 降至208.8 kg/thm 時(shí)，碳素總消耗從原來(lái)的350.1 kg/thm 增至387.2kg/thm，還原度則從0.201 上升至0.218。如果調(diào)整煤氣供給量，將其增加至277.8 m3/thm，焦比也將大幅下降，而此時(shí)碳素的總消耗量也將降至330.1 kg/thm。

3.2 噴吹焦?fàn)t煤氣結(jié)合爐料熱裝工藝

受到爐料熱裝溫度的影響，高爐爐頂處的煤氣供給溫度也將發(fā)生較大變化，如果以風(fēng)中含氧率為0.98，風(fēng)溫為25 ℃的條件為例，爐料的熱裝溫度應(yīng)當(dāng)小于125 ℃，而為了收到最佳的除塵效果，高爐爐頂處的煤氣供給溫度與爐料熱裝溫度間的差值應(yīng)當(dāng)始終低于50 ℃。

這種氧氣高爐工藝如果采用較低的理論燃燒溫度、較低的煤比，這樣能夠提高焦?fàn)t煤氣的噴吹量，當(dāng)煤氣供給量足夠時(shí)，就會(huì)大幅降低焦炭的總消耗量，而爐料熱裝工藝只是起到增加熱量值的作用，在生產(chǎn)過(guò)程中，不會(huì)消耗燃料，在爐料熱裝溫度逐漸升高過(guò)程中，被帶入到高爐內(nèi)的熱量會(huì)被爐頂煤氣帶走，因此需要嚴(yán)格控制爐料熱裝溫度。通過(guò)試驗(yàn)得出結(jié)論，當(dāng)爐料熱裝溫度為125 ℃時(shí)，燃料中碳素的消耗量最低。

4 結(jié)語(yǔ)

爐頂煤氣循環(huán)以及噴吹焦?fàn)t煤氣工藝是氧氣高爐工藝中較為常見(jiàn)的兩種生產(chǎn)模式，通過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)，這兩種氧氣高爐工藝能夠有效改善高爐運(yùn)轉(zhuǎn)的工況條件，不僅節(jié)約了大量的煤碳能源，而且污染物排放量得到大幅降低，進(jìn)而使冶金企業(yè)實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益雙豐收的美好愿景。