高炉富氧喷煤技术探讨

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喷煤技术

高炉富氧喷煤技术探讨

来源: | 作者:段国建，赵志龙 | 发布时间: 2017-06-02 | 723 次浏览 | 分享到:

摘要: 高炉富氧喷煤技术既能强化冶炼，又能带来巨大的经济效益和环保效益，是现代高炉炉况调节的重要手段之一。随着大规模低成本制氧技术成熟、焦煤资源匮乏和煤焦差价的增加，以及国家对钢铁企业的环保要求越来越严格，高炉富氧大喷煤技术将在降低冶炼成本和工程投资、减少污染排放、实现钢铁清洁生产和可持续发展等方面发挥更大优势，我国发展高炉富氧喷煤技术具有积极的现实意义。

关键词: 高炉;富氧;喷煤技术;探讨

中图分类号: TF537 文献标识码: A 文章编号: 1006 － 5008( 2017) 06 － 0008 － 05 doi: 10． 13630 /j． cnki． 13 － 1172． 2017． 0602

DISCUSSION OF BLAST FUＲNACE

OXYGEN － ENＲICHED COAL INJECTION

Duan Guojian，Zhao Zhilong

(MCC Jingcheng Engineering ＆ Technology Co． Ltd．，Beijing，100176)

Abstract: oxygen － coal process is one of the important methods in BF condition adjustment，for it can strengthen smelting ，and bring great economic and environmental benefits． The oxygen － coal process will play a greater role in reducing smelting costs and engineering investment，reducing pollution emission，achie- ving cleaner production and sustainable development ，along with the development of mass low － cost produc- tion of oxygen，the lack of coking coal resource，the increasing of price gap between coal and coke，and the stricter environmentalprotection requirement for steel industry． Therefore，it is of great practical significance to develop BF pulverized coal injection with oxygen － enriched．

Key Words: blast furnace; oxygen － riched; pulverized coal injection(PCI); discussion

0 引言

高炉喷煤技术是重大炼铁技术。高炉生产采用富氧鼓风与煤粉喷吹相结合，既能强化冶炼，又可以大幅度节约焦炭，带来了巨大的经济效益和环保效益，因而得到国内外钢铁企业的充分重视。截至目前，高炉富氧喷煤仍是现代高炉重要的节能减排和低碳绿色技术，是现代高炉炼铁必须坚持发展的重点技术［1］。

1 高炉富氧喷煤技术的发展

1． 1 国外富氧喷煤技术的发展

高炉采用富氧鼓风始于 20 世纪初，并随着风口喷吹燃料技术和规模性制氧技术的成熟才逐步发展起来。直到 20 世纪 50 年代，工业生产上才开始将富氧鼓风作为一项技术措施在高炉中应用。由于当时国际上油价较低，喷油设施投资低，国外高炉使用富氧鼓风主要是为了喷吹原油或天然气，而富氧喷煤技术没有得到广泛的推广。

直到 1973 年发生第一次石油危机，国际油价从每桶 2 美元暴涨到 10 美元。从此以后，国外高炉纷纷停止喷油，被迫改为全焦操作，铁水成本增加，产量受到限制。1979 年又爆发了第二次石油危机， 1980 年国际原油价格再次猛涨到每桶 30 美元。此后，高炉喷吹原油已不再经济，为了降低铁水成本，出现了世界范围的高炉喷煤建设高峰期。日本于 1981 年开始发展高炉喷煤技术，法国、英国、德国等也相继开始喷煤，世界各国高炉全面进入了一个喷煤的时代［2］。国外部分高炉的富氧喷煤技术指标如表 1 所示［3］。

进入上世纪 90 年代，为了进一步提高喷煤量，世界上许多国家，如德国、瑞典、日本先后对高富氧大喷煤技术进行了研究开发和推广应用。如瑞典钢铁公司 1989 ～ 1991 年对同轴氧煤枪进行了应用试验，并选择燃烧焦点可调的同轴旋流式氧煤枪在 Oxelosund 厂 4#高炉各风口进行了富氧喷吹煤粉工业试验，当富氧率 3% 时，煤比为 140 kg /t，焦比为 320 kg /t。德国蒂森 1#高炉 1992 年开始采用氧煤枪喷吹，当富氧率 3% 时，煤比为 224 kg /t、焦比为 268 kg /t。此外，日本钢管公司、韩国浦项钢铁公司、卢森堡 PW 公司等也相继开发或使用了高炉氧煤枪。

总体来看，国外高炉富氧喷煤的整体水平较高。近几年，2 000 m3 以上高炉利用系数甚至超过 3 t /(m3·d)，典型的低焦比为 260 ～ 270 kg /t HM。其中，前苏联是世界各国中高炉用氧最普遍、持续时间最长，也是目前高炉富氧率最高的国家，基本在 10% ～ 20% 之间。荷兰 Corus IJMuiden 高炉富氧炼铁已达到 35% ～ 40% ，韩国光阳 4 # 高炉富氧率 10． 47% (其中 5% 依靠氧煤枪加入)，达到煤比为 200 kg /t HM，焦比为 291 kg /t HM。德国迪林根公司萨尔厂 2 356 m3 高炉，采用 30 根同轴氧枪喷吹煤粉，喷煤比达到 200 kg /t HM。此外，印度高炉富氧长期保持在 7% ～ 8% ，煤比 50 ～ 120 kg /t HM。

1． 2 我国富氧喷煤技术的发展

我国是开发高炉喷煤技术较早的国家之一。我国起步虽早，发展却缓慢。1964 年，我国首钢、鞍钢高炉率先采用煤粉喷吹技术，揭开中国炼铁史上新的一页。由于当时制氧技术限制，高炉富氧水平不高，鼓风含氧量一般在 22% ～ 24% 。80 年代末期，鞍钢 2#高炉进行富氧大喷吹冶炼试验，最高含氧量达到 28． 6% ，最大喷煤量为 170kg /t HM，高炉利用系数从 2． 28 t /(d·m3 ) 提高到 2． 40 t /( d·m3 ) ，综合焦比由原来的 562 kg /t HM 下降到 537 kg /t HM，从而引起炼铁界的普遍重视［4］。宝钢高炉从 1992 年开始大量喷吹煤粉，其中 2#高炉在加大喷煤量的过程中，进行了提高富氧率的试验，使富氧率逐渐达到 3% ，煤比达到 130 kg /t HM。

2000 年前后，随着我国加入世界贸易组织，焦煤价格逐渐与国际接轨，国内焦炭价格出现了短时间内猛涨的现象，喷煤的经济效益大幅度提高，我国高炉喷煤进入新的发展阶段。其中，宝钢 l#高炉在原燃料条件相对稳定、质量较好的条件下，采用 1 250 ℃高风温、2% ～ 3% 富氧率，通过生产实践和技术创新，保持了 200 kg /t 以上高煤比操作。其中 1999 ～ 2002 年稳定煤比 230 ～ 240 kg /t，焦比 265 kg /t 左右，燃料比 493 ～ 500 kg /t，实现了经济喷煤、低燃料比生产［5］。

我国钢铁企业对高炉富氧喷煤也在不断探索新的突破。2009 年沙钢 5 800 m3 高炉建成投产，在风温 1 200 ～ 1 250 ℃、富氧率 7% ～ 10% 条件下，取得煤比 160 kg /t HM，焦比 300 kg /t HM 以下，燃料比 500 kg /t HM 以下的成绩［6］。首钢京唐公司 5 500 m3 高炉在 2013 年采用氧煤枪喷吹氧气，通过摸索实践，氧煤枪配氧浓度逐步提高，已经稳定在 60% ，成功实现了向高炉兑入 5% 氧气［7］。

目前，我国重点钢铁企业中高炉富氧率基本在 2% ～ 5% ，多数企业的高炉富氧喷煤技术还存在着不足或缺陷。例如部分企业高炉喷煤比提高了，但焦比、燃料比增加，并没有达到喷煤的目的，其主要原因是对富氧条件下高炉炉况变化的认识水平存在不足。另外，我国高炉富氧水平低，也是由于氧气价格偏高，并且炼铁厂没有独立的制氧装备，只能用炼钢的富余氧气进行喷吹等。因此，我国发展高富氧大喷煤技术，需要对钢铁厂从整体上做出了进一步优化。

2 我国发展高炉富氧喷煤的意义

2． 1 强化高炉冶炼，提高铁水产量

高炉富氧喷吹在生产中发挥的主要作用:降低吨铁的炉腹煤气量，使高炉进一步强化，从而提高利用系数;补偿喷煤后风口前要求达到的理论燃烧温度，保证炉缸具有足够的高温和良好的热状态［8］。富氧增产的效果有一递减规律，随着富氧率的提高，每 1% 富氧的增产效果逐渐降低。例如生产中风口中的空气含氧 21% ～ 25% 时，每增加 1% 的 O2，增产为 3． 2% ～ 3． 5% ;含氧 25 % ～ 30% 时，每增加 1% 的 O2，增产 3% ;含氧 30% ～ 35% 时，每增加 1% 的 O2，增产为 2． 7% ;而富氧达到 40% 时，每增 9总第 258 期 HEBEI YEJIN 加 1% 的 O2，增产不足 2． 4%［9］。根据实践经验，随着氧气的增加，铁水增量逐渐减少，燃料消耗也会有一定的上升。由此可见，高炉富氧喷煤存在一个最经济的富氧率。

2． 2 提高风口前煤粉燃烧效率

高炉采用富氧鼓风提高了风口回旋区的氧气含量，不仅有利于加速风口煤粉的燃烧，提高煤粉的燃烧率和置换比、降低生产成本，而且富氧能弥补喷吹煤粉对理论燃烧温度降低的影响，保持理论燃烧温度在合适的水平。资料显示，氧气浓度从 21% 提高到 25% 时，对煤粉燃烧的改善效果约等于 4 倍热风温度从 1 000 ℃提高到 1 100 ℃的效果。所以，富氧与喷煤的有利配合，对高炉整体运行水平的提高起着极其重要的作用［10］。

2． 3 提高炉顶煤气热值

由于高炉富氧鼓风带入的氮气量减少，煤气发热值相应提高。根据鞍钢 2#高炉试验数据，富氧增加 1% ，煤气发热量提高 3． 4% 左右［11］。首钢京唐公司 1#高炉设计额定富氧率为 3． 5% ，最大富氧率为 5% 。在实际操作过程中发现，在高炉富氧率较低时，高炉煤气的热值受富氧率影响较小，高炉煤气热值在 3 000 kJ/m3 上下波动;当高炉富氧率超过 2% 时，高炉煤气的热值随着富氧率的升高而显著增加，高炉富氧率每升高 1% ，高炉煤气的热值增加 4% ～ 5%［12］。

2． 4 提高高炉冶炼的经济性

提高富氧喷煤的经济性主要体现在 3 个方面:

(1)依靠增加产量来降低铁水综合成本。

(2)以喷吹燃料替代焦炭，借助燃料和焦炭的差价来降低铁水成本。

(3)富氧后高炉煤气热值可显著提高，但这部分价值往往被忽略。但是，要维持成本不变或有所下降，富氧给高炉带来的能耗降低、产量提高的效益，必须能完全补偿富氧成本升高的因素，甚至有所剩余。

众所周知，富氧的经济合理性主要由氧气成本、煤焦差价决定。资料显示，增加富氧率可以降低吨铁冶炼成本，煤焦差价越大、氧气价格越低，对应的最佳富氧率越高。在煤焦差价 750 元/t 的前提下，保持吨铁成本最低的最佳富氧率为 15% ～ 18%［13］。

2． 5 促进节能减排

高炉富氧喷煤可以节约焦炭，降低炼铁总体的污染排放。

每喷吹 1t 煤粉可降低炼铁系统能耗 80 kgce /t Fe。如果每年喷吹约 6 000 万 t 煤粉，可替代 4 200 万 t 焦炭，相当于少建 84 个中型年产 50 万 t 的炼焦厂，相应减少了炼焦工序产生污染。生产 1t 焦炭产生 1． 3 kg 废气、2． 8 kg 粉尘和 1． 25 t 废水，依此计算，可减少废气排放超过 5 万 t，粉尘 11 万 t，废水 5 000 万 t。因此，在焦煤资源紧缺、煤焦价格差异较大的情况下，大量喷吹煤粉、以煤代焦不仅是企业经济利益要求，也符合全国家的环保要求。

2． 6 灵活调控铁水产量

高炉通过富氧可以增加一定铁水产量，不仅根据市场来灵活调控富氧量，还能用小高炉代替大高炉使用，节约整体工程投资。据资料显示，前苏联高炉每调整富氧 5% ，生铁成本下降 1． 88% ，单位生铁投资下降 7． 17% 。京诚公司对富氧高炉的投资做了初步估算，按照年产 165 万 t 铁水计算，1 000 m3 富氧高炉仅富氧 10% ，就相当于普通 1 800 m3 高炉富氧 2% 的铁水产量。此时，由于热风炉和高炉本体体积小，高度降低，整个炼铁系统(包括制氧、发电等辅助设施)可节约吨铁投资约 20 元。

3 目前存在问题与探讨

高炉富氧喷吹煤粉技术在国外比较成熟，目前也得到国内钢铁企业的重视。但是，从富氧喷煤整体工艺来看，我国发展富氧喷煤技术还需要注意技术问题。

3． 1 高炉的富氧冶炼技术

大量科学研究和工业试验表明，富氧率的增加，也会给高炉冶炼带来一些新的问题。

(1)富氧率超过一定范围会使炉内煤气量过少，造成炉身炉料加热不足，一般称之为“上冷”。而炉料加热不足，会严重阻碍炉身还原，使间接还原度大幅度下降。

(2)富氧率过高会带来理论燃烧温度提高、炉缸煤气量减少、直接还原度降低等问题，这将导致炉缸温度过高，一般称之为“下热”。理论燃烧温度过高，硅及其他元素大量还原蒸发，最终导致高炉燃料比迅速上升、炉况不顺。正是由于“上冷”“下热”带来的冶炼技术难题，延缓了富氧、全氧高炉技术的推进［14］。

目前，我国重点钢铁企业中仅沙钢 5 800 m3 高炉富氧率达到过 10% ，多数企业的高炉富氧喷煤技术还存在着一些不足或缺陷。例如部分企业高炉喷煤比提高了，但焦比、燃料比增加，并没有达到喷煤的目的。其主要原因是对富氧条件下高炉炉况变化的认识水平存在不足。另外，在喷煤工艺和系统设计上还需进一步优化和完善。

综上所述，充分认识炉内气流流动规律、煤气温度、压力、浓度分布规律，炉料结构及成分变化规律等，是掌握富氧冶炼工艺的基础。笔者在理论计算和营口中试基地大量试验中，对高炉富氧率达到 15% 的冶炼过程进行了深入研究，从富氧高炉的炉型、喷吹系统及控制措施等方面进行改进和优化，为富氧喷煤技术提供了很好技术支持。

3． 2 富氧量和喷煤比的平衡性

在零富氧条件下，煤粉喷吹量超出某一范围后，会由于煤粉分解吸热以及生成煤气量增多，导致风口理论燃烧温度降低、炉缸温度不足。同时，煤气量的增加和焦比的下降，也会导致炉料透气性变差。生产实践证明，当风温达到 1 000 ℃ 时，在不富氧的条件下，煤粉喷吹量每吨铁不宜超过 100 kg［10］。可见，随着喷煤量不断增加，就需要有足够的氧气来促进煤粉燃烧，以提高煤焦置换比，保证高炉顺行。

在鼓风中富氧会相应提高理论燃烧温度，从而弥补了大量喷煤带来的问题。但如果不喷煤粉，富氧使高炉风口前的理论燃烧温度过高，也将导致高炉不能顺行。因此，只有富氧和喷煤相结合，才能大幅度提高产量，降低焦比。

国内外高炉喷煤的实践表明，富氧技术是提高风口理论温度最有效的措施，一般认为富氧后理论燃烧温度升高，富氧率提高 1% 理论燃烧温度提高 45 ～ 50 ℃。单纯考虑煤粉分解对理论燃烧温度的补偿，每提高 1% 富氧率可增加喷煤量 20 kg /t 左右。根据实际高炉生产计算，鼓风中富氧率每增加 1% ，喷煤量约增加 13 kg /t，生铁产量增加 3% 左右。

由此可见，高炉的富氧和喷煤是互为条件、互为依存的［14］。但事实上，工业生产中这种互补性很难实现平衡，尤其是富氧率 10% 以上时，富氧和喷煤之间如何调控，还需要进行大量试验探索。只有解决了富氧和喷煤之间量的平衡问题，才能全面掌控富氧高炉冶炼技术。

3． 3 风口回旋区煤粉的燃烧率

高富氧和大量喷煤相结合是实现以煤代焦、增产增效的关键。

高炉保持良好的煤粉利用状况，主要考虑进入风口循环区的煤粉大约有 70% 在这里燃烧，余下的部分将参加高温区的溶碳、渗碳、硅锰还原反应。国内外高炉大量喷吹煤粉的理论和实践表明，随着喷煤量增大，循环区煤粉燃烧率降低，炉顶吹出未燃煤粉量上升。而未燃煤粉对软熔带的焦炭透气性有不利影响(可以等同于炉腹渣量)，会导致高炉透气性下降，降低煤气利用率。

我国很多企业采用高风温、精料，高冶炼强度与富氧相结合，高炉喷煤量已逐步增加到 150 ～ 170 kg /t，甚至达 200 kg /t 以上，置换比保持在 0． 70 ～ 0． 80。但与国际先进水平相比还有较大差距，国际领先的高炉喷煤比是 266 kg /t，宝钢也曾达到过 260 kg /t 的水平，大多数企业煤比增加后出现了大量未燃煤粉现象。由此可见，我国高炉进一步增加煤比的关键是要解决煤粉燃烧问题。

因此，鉴于我国的现实情况，迫切需要加强燃烧理论的研究，特别是“提高煤粉燃烧率，加速煤粉燃烧技术，提高燃烧组织的技术水平”是十分重要的课题。笔者经过多年的研究和试验认为，可以通过添加煤粉助燃剂、热风富氧与风口局部富氧相结合的技术等方法，可以有效地提高煤粉燃烧率达 90% 以上。

3． 4 富氧高炉冶炼的经济性

追求经济效益、降低生铁成本，是高炉喷煤技术发展的最重要原因。由于焦炭和煤粉的差价越来越大，因而喷煤所取代的焦炭越多，经济效益越好。众多研究者围绕提高置换比及煤比，从提高风温、富氧、高炉操作、强化氧煤混合、催化助燃、改善煤粉性能等方面进行了大量研究。吴启常［15］认为，随着焦炭价格增长和煤焦价格差距增大，富氧鼓风的经济效益就会越来越显著。但是还应注意到，由于富氧会导致炉腹煤气量减少，这对于炉料热交换过程是不利的。为了保证高炉采用富氧鼓风后吨铁的燃料和动力费用降低，氧气价格还存在上限。因此，对于生产型企业来说，合理的富氧率也是有限度的。

在我国目前电价和制氧成本较高的条件下，富氧量的多少也是高炉喷煤经济效益的主要因素之一。考虑我国钢铁企业没有给炼铁厂配置独立的制氧装备，只能用炼钢的富余氧气进行喷吹，也限制了高炉富氧技术的发展。

在实际高炉富氧喷煤技术应用中，必须根据自身条件来计算以煤代焦降低铁水成本和富氧增加铁水成本的综合效益，而过多的富氧会使高炉喷煤得不偿失。通过考察，目前大规模变压吸附制氧技术已日益成熟，氧气价格逐步降低，为高炉高富氧大喷煤的发展提供了必要前提。另外，考虑使用富氧后获得的高热值煤气用于发电、对冲制氧耗电成本后，还可进一步降低氧气成本。建议考虑给高炉配套建设独立制氧站，根据原燃料特点制定出适度富氧的操作制度，对提高炼铁经济性具有积极意义。

3． 5 高炉富氧喷煤系统的安全性

在追求富氧喷煤经济效益的前提下，必须注重富氧和大喷煤系统的安全性。

高炉风口采用氧煤喷吹时，在氧气和煤粉输送系统中应采用必要的安全措施。尤其是当高炉采用氧煤分枪或氧煤枪进行局部富氧喷吹煤粉时，需要把氧气输送至高炉炉前氧枪入口处。由于高炉炉前对生产环境要求较高，氧煤枪供应的氧气量和煤粉量都很大，所以研究相应的氧煤共用及安全控制技术是非常必要的。另外，氧煤枪使用的氧气压力达 0． 6 MPa 以上，而且氧煤枪前端处于 1 100 ～ 1 250 ℃高温环境中，除了在氧气和煤粉输送系统中采用必要的安全措施之外，氧煤枪本身的设计也应采取安全措施。因此，在超高富氧大喷煤技术的应用中，还必须全面研究高炉氧煤喷吹系统的安全性问题，严格按照操作规程执行，并做好紧急停吹处理方案。

4 结语

高炉富氧喷煤技术不仅能够提高高炉冶炼和装备技术水平，更重要的是可以大量节约焦炭，减少污染排放，符合国家在“十三五期间”对钢铁产业的整体要求。随着煤焦价格差异越来越大、大规模低成本制氧技术的不断发展，高炉富氧大喷煤技术将在节约冶炼成本、降低碳排放和实现钢铁清洁生产、可持续发展等方面具有更大的优势。因此，从长远来看，我国发展高炉高富氧大喷煤技术具有很好的现实意义。