氣體技術(shù)在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

趙 屾

（唐鋼國(guó)際工程技術(shù)有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

富氧燃燒技術(shù)和過(guò)程氣體分析技術(shù)是兩種常見(jiàn)的應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中的氣體技術(shù)。富氧燃燒技術(shù)（OEC）是指在將氧氣體積分?jǐn)?shù)超過(guò)21%的氣體作為助燃?xì)怏w的一種燃燒技術(shù)，由于該氣體的氧氣含量較高，進(jìn)而將其用于助燃時(shí)，能夠大大提高燃燒的效率，從而達(dá)到強(qiáng)化生產(chǎn)的目的，如助燃空氣量和燃燒后廢氣量有所降低，燃燒反應(yīng)速度加快、可控制具體位置的燃燒溫度等[1]。過(guò)程氣體技術(shù)分析則是指利用取樣的方式，將實(shí)時(shí)狀態(tài)下的被測(cè)氣體樣品取出后，經(jīng)過(guò)一系列操作、處理后，利用氣體分析儀，得到被測(cè)工藝氣體的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而作為各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的指導(dǎo)控制參數(shù)。由此可見(jiàn)，在鋼鐵企業(yè)中，不管是富氧燃燒技術(shù)，還是過(guò)程氣體分析技術(shù)，都能有效提高鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)效率，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

1 富氧燃燒技術(shù)

1.1 富氧燃燒的特性

點(diǎn)火溫度：可燃?xì)怏w在空氣和氧氣下的點(diǎn)火溫度存在較大差異。實(shí)踐證明，對(duì)于同一種可燃?xì)怏w來(lái)說(shuō)，氧氣中的點(diǎn)火溫度明顯小于空氣中的點(diǎn)火溫度[3]，如表1 所示。此外，可燃?xì)怏w的點(diǎn)火溫度會(huì)隨氧氣濃度的變化而發(fā)生變化，如圖1 所示。

圖1 助燃劑氧氣濃度變化曲線(xiàn)圖

表1 常規(guī)可燃?xì)怏w不同條件下的點(diǎn)火溫度 單位：℃

由表1 和圖1 可知，富氧狀態(tài)下的助燃劑的燃燒效率更加充分。在實(shí)踐過(guò)程中，可將高熱值的燃料替換成低熱值的燃料，進(jìn)一步提高燃料的利用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)降低能耗和投入成本的目標(biāo)。

理論燃燒溫度：將燃燒的空氣替換成氧氣，燃燒過(guò)程中的N2含量明顯降低，燃燒時(shí)的火焰溫度明顯升高。利用富氧燃燒可以有效提高燃燒溫度增換熱的效率，燃料能夠充分燃燒，進(jìn)而降低有害氣體的排放，大大提高火焰的溫度，如圖2 所示。

圖2 助燃劑氧氣濃度變化曲線(xiàn)圖

由圖2 可知，將空氣助燃劑替換為氧氣助燃劑后，燃料的理論燃燒溫度提高了848 ℃，助燃劑中的氧氣體積分?jǐn)?shù)也從原來(lái)的21%，增加到53%，火焰溫度升高速度較為明顯，直至含氧量達(dá)到一定的程度時(shí)，火焰溫度升高的速率逐漸變慢。

燃燒火焰：隨著助燃劑的含氧量變化，氧氣體積分?jǐn)?shù)提高，火焰的實(shí)際燃燒長(zhǎng)度逐漸變短。其中，氧氣體積分?jǐn)?shù)為21%時(shí)，火焰長(zhǎng)度最長(zhǎng)。氧氣體積分?jǐn)?shù)超過(guò)90%后，火焰長(zhǎng)度最短，如圖3 所示。

圖3 四種不同含氧量的火焰長(zhǎng)度變化情況

1.2 在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

富氧燃燒技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用，以DG 鋼鐵企業(yè)為例[4]。

DG 鋼鐵企業(yè)配置有4 座4 345 m3的高配置新日式鐵外燃式熱風(fēng)爐，所采用的送風(fēng)制度為定風(fēng)量交錯(cuò)并聯(lián)，最高風(fēng)熱保持在1 300 ℃以下，最高處拱頂?shù)臏囟缺３衷? 445 ℃以下，并利用煙氣余熱預(yù)熱助燃空氣與高爐煤氣系統(tǒng)，燃料主要為高爐煤氣，輔以少量焦?fàn)t煤氣，焦?fàn)t煤氣輔料的消耗量最低為7 000 m3/h，最大消耗量為12 000 m3/h。

對(duì)富氧燃燒技術(shù)在DG 鋼鐵企業(yè)中應(yīng)用的可行性進(jìn)行分析，利用模擬計(jì)算的方式，從燃燒溫度、燃燒反映速度和爐內(nèi)傳熱等多個(gè)富氧燃燒特性理論角度出發(fā)，開(kāi)展相應(yīng)的可行性計(jì)算，并按照DG 鋼鐵企業(yè)的當(dāng)前工作情況，對(duì)其中高爐熱風(fēng)爐富氧燒爐的熱工進(jìn)行模擬計(jì)算，其模擬參數(shù)如表2 所示。

表2 DG 鋼鐵企業(yè)熱工模擬計(jì)算參數(shù)

通過(guò)對(duì)燃燒室溫度場(chǎng)分布、火焰高度和CO 濃度分布等內(nèi)容進(jìn)行仿真，預(yù)判不同氧濃度燃燒情況下的各項(xiàng)內(nèi)容變化，得到相應(yīng)結(jié)論：富氧濃度在1%～7%之間所發(fā)生的燃燒，燃燒室的高溫區(qū)域逐漸向下轉(zhuǎn)移，燃燒的火焰長(zhǎng)度也隨高溫區(qū)域下移而變短。在全高爐煤氣情況下，燃燒室內(nèi)的高溫區(qū)域范圍逐漸增大，燃燒的火焰高度與長(zhǎng)度變化更為明顯。此外，兩種情況下，二者聯(lián)絡(luò)管位置的煙氣溫度與CO 分布情況，不管是從變化上，還是從影響上，都不存在明顯的差異。同時(shí)，燃燒出口的燃燒程度變化，只在后一種情況下出現(xiàn)較大的變化，呈現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì)。

2 過(guò)程氣體分析技術(shù)

2.1 基本概述

過(guò)程氣體技術(shù)分析則是指利用取樣的方式，將實(shí)時(shí)狀態(tài)下的被測(cè)氣體樣品取出后，通過(guò)一系列操作、處理，利用氣體分析儀，得到被測(cè)工藝氣體的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而將其作為各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的指導(dǎo)控制參數(shù)。而在鋼鐵企業(yè)當(dāng)中，所開(kāi)展的工藝環(huán)節(jié)分別有：燃燒、熱工和壓力加工等，多數(shù)工藝過(guò)程都需要在特定的氣體環(huán)境下才能實(shí)現(xiàn)。含有氣體的工藝環(huán)境在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)排放大量的氣體。因此，過(guò)程氣體分析技術(shù)廣泛應(yīng)用于鋼鐵企業(yè)的工藝控制環(huán)節(jié)和節(jié)能減排環(huán)節(jié)[5]。目前，鋼鐵企業(yè)的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)都在應(yīng)用過(guò)程氣體技術(shù)，并處于不停歇運(yùn)行的狀態(tài)。

此外，過(guò)程氣體分析技術(shù)在實(shí)施過(guò)程中，需要具備一定的工藝控制條件，其中，高爐爐身煤氣取樣是重點(diǎn)。高爐爐身煤氣取樣的相關(guān)運(yùn)行系統(tǒng)，具備分析點(diǎn)數(shù)多、周期短和精度高等特點(diǎn)，例如：RH 爐廢氣分析主要用于監(jiān)測(cè)冶煉的過(guò)程、熱鍍鋅生產(chǎn)線(xiàn)微量氧分析主要用于控制產(chǎn)品質(zhì)量。在節(jié)能減排上，轉(zhuǎn)爐煤氣回收分析主要用于回收能源項(xiàng)目、燒結(jié)煙氣分析主要用于監(jiān)控排放項(xiàng)目。

2.2 樣氣預(yù)處理

樣氣預(yù)處理作為過(guò)程氣體分析技術(shù)的核心內(nèi)容，主要是將現(xiàn)場(chǎng)采集的工藝樣本氣體處理成滿(mǎn)足相關(guān)分析儀器分析條件氣體的過(guò)程。樣氣預(yù)處理的主要操作內(nèi)容有除塵、除水、溫度調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)、反吹控制和信號(hào)輸入輸出等[6]。

圖4 作為典型的過(guò)程氣體分析系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，由取樣單元、過(guò)濾單元、冷卻單元、樣氣調(diào)節(jié)單元、分析單元、控制單元、反吹單元和標(biāo)定單元等多個(gè)單元部分組成。

圖4 過(guò)程氣體分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

1）取樣單元：通常情況下，取樣單元需要具備伴熱和保溫的條件，并且結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，挑選適合的伴熱方式，如蒸汽伴熱和電伴熱。假若現(xiàn)場(chǎng)條件中要求有防爆功能，在選擇電伴熱時(shí)則需要查看對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品是否具備或滿(mǎn)足防爆的條件和要求。

2）過(guò)濾單元：常規(guī)過(guò)濾單元設(shè)定為三個(gè)等級(jí)，不同等級(jí)分別安裝在不同的位置。例如：一級(jí)過(guò)濾器通常安裝在取樣器的內(nèi)部，并加裝環(huán)形加熱器；二級(jí)過(guò)濾器則安裝在樣氣進(jìn)入儀表柜后，少數(shù)情況下具備一定的氣水分離的作用；三級(jí)過(guò)濾器安裝在儀表前，以膜式過(guò)濾器為主，特殊情況下還具有濕度的報(bào)警作用。

3）冷卻單元：該單元由冷凝器和排水組成。可按照實(shí)際工作情況選擇電子冷凝器或壓縮機(jī)式冷凝器。排水則分為蠕動(dòng)泵排水和水封器排水。若選擇水封器排水，必須將其安置在正壓回路上，位于水泵后方。

4）樣氣調(diào)節(jié)單元：該單元由多個(gè)零部件組成，單個(gè)零部件功能較為完善，能夠獨(dú)立運(yùn)行，如調(diào)壓閥與流量計(jì)，可以將即將進(jìn)入儀表樣氣的壓力值與流量調(diào)節(jié)至合理狀態(tài)。

5）分析單元：該單元由分析儀組成，可按照實(shí)際生產(chǎn)工藝的要求，挑選適合的分析儀。例如：常用的分析儀有電化學(xué)氧分儀、紅外分析儀和熱導(dǎo)分析儀等，特殊情況下還會(huì)采用色譜分析儀。

6）控制單元：該單元主要進(jìn)行取樣、遠(yuǎn)程控制和吹掃等工作，以PLC 為代表。

7）反吹單元：該單元主要作用是對(duì)取樣器中的一級(jí)過(guò)濾器進(jìn)行內(nèi)部吹掃，保證一級(jí)過(guò)濾器內(nèi)部清潔。常由電磁閥和儲(chǔ)氣罐組成。

8）標(biāo)定單元：即標(biāo)準(zhǔn)氣體。

3 結(jié)論

氣體技術(shù)在鋼鐵企業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，提高了鋼鐵企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)效率，通過(guò)優(yōu)化鋼鐵的生產(chǎn)流程，可進(jìn)一步提高鋼鐵企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，本次研究主要對(duì)富氧燃燒技術(shù)和過(guò)程氣體分析技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。其中，富氧燃燒技術(shù)具有良好的節(jié)能減排和提能降本的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)。而過(guò)程氣體分析技術(shù)作為鋼鐵企業(yè)重要的生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)當(dāng)不斷優(yōu)化與創(chuàng)新，從而滿(mǎn)足更多現(xiàn)代化鋼鐵生產(chǎn)設(shè)備及工藝的要求，從根本上保證鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定與安全，推動(dòng)鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化、智能化和綠色化發(fā)展。