氧气高炉工艺的探讨

张惠凯

（山东钢铁股份有限公司莱芜分公司炼铁厂， 山东 济南 271104）

据生产实践数据表明，与传统的高炉炼铁工艺相比，氧气高炉工艺生产流程产生的二氧化碳排放量减少50%以上，生产效率提高0.5～2.0 倍以上。如果利用氧气取代传统热风，向炉缸风口喷吹冷态循环煤气，燃料煤的消耗量仅为383.1 kg/thm，消耗量比传统高炉炼铁工艺减少12.9 kg/thm，向炉缸风口喷吹预热煤气，燃料煤的消耗量为305.5 kg/thm，比传统高炉炼铁工艺减少90.5 kg/thm。

1 氧气高炉工艺概述

作为一种新型的高炉炼铁工艺，从上世纪七十年代开始，冶金行业就相继通过半工业化试验，来验证氧气高炉工艺的节能减排效果，并先后提出了OCF 流程、Fink 流程、FOBF 流程等氧气高炉工艺雏形，但是，受到当时生产试验条件的影响，由于制取氧气成本高，脱碳工艺尚未成熟，以至于氧气高炉工艺在本世纪初才得到较为精准的试验数据。

下面以五矿营钢氧气高炉试验为例，为了验证氧气高炉的节能减排效果，国家重点实验室将营钢作为试验基地，建立了一座氧气试验高炉，高炉体积为8 m3，实施半工业化试验项目。在试验前期，为考虑综合运营成本，在高炉设备当中并未设置二氧化碳的脱除装置，而是直接将处理后的焦炉煤气替代炉顶煤气。此次试验共分为三个阶段，第一阶段持续运行时间为15 d，高炉能够正常运转，并顺利产铁，此阶段的喷煤量为300 kg/thm，第二阶段的运行时间为23 d，此阶段的喷煤量为450 kg/thm，第三阶段持续运行18 d，喷煤量降到400 kg/thm，焦炉煤气喷吹量为180 m3/thm。通过试验得出结论，氧气高炉能够顺利完成炼铁流程，最高喷煤量可以达到450 kg/thm，生产效率提高20%左右，由于当时采用的高炉容积较小，如果使用大容积高炉，将大幅降低燃料消耗，并且减少二氧化碳排放量。

2 炉顶煤气循环- 氧气高炉工艺

2.1 炉缸风口喷吹循环煤气工艺

在保证高炉正常运行的前提下，仅通过炉缸风口喷吹循环煤气就可以合理控制燃烧温度。下面分别对风中含氧率、煤比、炉缸风口循环煤气对工艺的影响予以说明。

当风温为1 250 ℃时，理论燃烧温度为2 100 ℃，此时，炉顶燃气温度则不小于175 ℃，当风中含氧率从0.4 增加至0.98 后，鼓风量从647.1 m3/thm 减少到249.0 m3/thm，而风口循环煤气量则从315.3 m3/thm 增至472.4 m3/thm，此时，炉腹内的煤气量也从14 752.5 m3/thm 减少至1124.8 m3/thm。因此，在一定的煤比条件下，风中含氧率增加，高炉低温区的热量需求以及供给全部下降。比如当煤比为150 kg/thm时，理论燃烧温度为2 100 ℃，当含氧率由0.3 增加至0.737 后，炉缸风口循环煤气量也从197.1 m3/thm增加至459.9 m3/thm，碳素的消耗量从397.3 kg/thm降至368.5 kg/thm。

如果风中含氧率为0.6 的定值时，同时确保理论燃烧温度保持在2 100 ℃，此时，将循环煤气喷吹到炉缸风口当中，当煤比从150 kg/thm 增加至300 kg/thm，理论燃烧温度值处于恒定区间时，焦比从原来的323.3 kg/thm 降至217.6 kg/thm，而循环煤气量也从原来的427.8 m3/thm 降至282.3 m3/thm，此时可以看到，碳素消耗从380.2 kg/thm 升至394.8 kg/thm。

如果以含氧率0.6，煤比150 kg/thm 为例，当理论燃烧温度介于1 900～2 300 ℃时，炉缸风口循环煤气量由302.3 m3/thm 增至585.7 m3/thm，此时，燃料中的碳素消耗量从386.5 kg/thm 降至374.8 kg/thm。

2.2 炉缸风口喷吹预热循环煤气工艺

炉顶干煤气经过脱除二氧化碳工艺流程后，煤气出现部分剩余，这部分煤气余量完全可以作为外供煤气，由于风口循环煤气中CO2和H2O 的含量较高，在这两种成分的共同作用下，焦炭极易发生溶损反应，而吸附较高的热量，这样极易对合金元素的还原反应造成不利影响，因此，应当利用换热器对风口循环煤气进行加热[1]。

当风温为25 ℃，炉缸风口循环煤气温度为1 200 ℃，理论燃烧温度为2 100 ℃时，如果煤比由原来的150 kg/thm 增加至300 kg/thm，理论燃烧温度值保持恒定，此时，循环煤气量也从原来的550.2 m3/thm 降低至370.2 m3/thm，而煤气总耗量从原来的91.6 m3/thm 减至60.0 m3/thm。脱除二氧化碳的炉顶煤气量由631.3 m3/thm 增至678.8 m3/thm，焦比降至172.2 kg/thm，此时，燃料中的碳素消耗量增加至356 kg/thm。由此可以看出，在同一理论燃烧温度下，预热循环煤气总耗量较大，当煤气供给量无法满足生产需要时，应当利用燃料煤加热的方法，来补添预热循环煤气，以满足炉顶煤气喷吹用量。

当煤比为300kg/thm 时，理论燃烧温度介于1 900～2 300 ℃之间时，风口循环煤气从236.2 m3/thm 增至528.8 m3/thm，加热煤气量从37.9 m3/thm 增至87.0 m3/thm，为了增加风口循环煤气量，可以通过补添热量的方法，向炉体内喷吹预热煤气，在这种情况下，高炉炉身风口处的循环煤气量减至0，脱除二氧化碳的炉顶煤气量也相应减少。当炉缸循环煤气由236.2 m3/thm 增至 528.8 m3/thm 时，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 减至315.7 kg/thm，还原度也降到0.078。通过试验表明，如果采用炉缸风口喷吹预热循环煤气工艺，当炉顶煤气供给量与生产进度不相匹配时，需要调整煤比，同时，降低风口循环煤气量，当煤比为162 kg/thm 时，燃料中碳素的消耗量为305.5 kg/thm，这比传统的热风操作工艺减小了90.5 kg/thm。

3 喷吹焦炉煤气- 氧气高炉工艺

与炉顶煤气循环工艺相比，喷吹焦炉煤气工艺的成分是固定的，对前一阶段的高炉操作不产生依附作用。炉顶煤气的主要成分是一氧化碳，而焦炉煤气的主要成分是氧气与甲烷，由于氢气的还原能力较强，因此，对降低焦比以及燃料中碳素消耗的效果更为明显[2]。

3.1 炉缸风口喷吹焦炉煤气工艺

该工艺的不操作条件是风温为1 250 ℃，煤比为150 kg/thm，理论燃烧温度维持在2 100 ℃，炉顶煤气温度不得小于175 ℃。当风中含氧率由0.4 增至0.98时，鼓风量也由原来的645.6 m3/thm 减少至280.7 m3/thm，在理论燃烧温度值保持恒定状态时，煤气的喷吹量由原来的163.4 m3/thm 增至295.3 m3/thm。在煤比由150 kg/thm 增至300 kg/thm 时，风中含氧率的上限从0.562 降至0.534。在保持上述初始条件的前提下，当焦比从288.0 kg/thm 降至208.8 kg/thm 时，碳素总消耗从原来的350.1 kg/thm 增至387.2kg/thm，还原度则从0.201 上升至0.218。如果调整煤气供给量，将其增加至277.8 m3/thm，焦比也将大幅下降，而此时碳素的总消耗量也将降至330.1 kg/thm。

3.2 喷吹焦炉煤气结合炉料热装工艺

受到炉料热装温度的影响，高炉炉顶处的煤气供给温度也将发生较大变化，如果以风中含氧率为0.98，风温为25 ℃的条件为例，炉料的热装温度应当小于125 ℃，而为了收到最佳的除尘效果，高炉炉顶处的煤气供给温度与炉料热装温度间的差值应当始终低于50 ℃。

这种氧气高炉工艺如果采用较低的理论燃烧温度、较低的煤比，这样能够提高焦炉煤气的喷吹量，当煤气供给量足够时，就会大幅降低焦炭的总消耗量，而炉料热装工艺只是起到增加热量值的作用，在生产过程中，不会消耗燃料，在炉料热装温度逐渐升高过程中，被带入到高炉内的热量会被炉顶煤气带走，因此需要严格控制炉料热装温度。通过试验得出结论，当炉料热装温度为125 ℃时，燃料中碳素的消耗量最低。

4 结语

炉顶煤气循环以及喷吹焦炉煤气工艺是氧气高炉工艺中较为常见的两种生产模式，通过生产试验，这两种氧气高炉工艺能够有效改善高炉运转的工况条件，不仅节约了大量的煤碳能源，而且污染物排放量得到大幅降低，进而使冶金企业实现了经济效益与生态效益双丰收的美好愿景。