永洋特钢高炉大富氧操作实践研究

荣兰玉 李春林 高艳宏 贾 碧

(1. 河北永洋特钢集团有限公司 技术中心， 河北 邯郸 057150；2. 重庆科技学院 冶金与材料工程学院， 重庆 401331)

0 前 言

随着气候变暖、环境污染和资源匮乏等问题日益凸显，地球生态系统和人类健康受到了严重的威胁。为此，世界各国纷纷出台了各种节能降碳计划。为应对严峻的气候变化、实现中国可持续发展、加强生态文明建设，习近平总书记在第75届联合国大会上首次提出“双碳”目标 —— “碳达峰”和“碳中和”。中国的CO2排放主要来源于化石燃料燃烧，而钢铁工业作为中国制造优势产业，是最大的能源消耗行业之一，CO2排放量约占全国碳排放总量的15%，占世界钢铁碳排放总量的60%以上[1-3]，其中约70%来源于高炉炼铁[4-5]。因此，炼铁过程中的节焦降碳对钢铁工业节能减排效果起着至关重要的作用。

作为现代高炉一项重要的强化冶炼技术，高炉富氧鼓风综合喷吹对减少碳排放、提升竞争力具有非常重要的作用，将成为未来高炉实现低碳冶炼的重要途径[6-8]。河北永洋特钢集团有限公司(以下简称永洋特钢)1 260 m3高炉于2017年点火开炉以来，炉况平稳运行。2021年6月提高富氧率后，出现了下料不畅和边缘气流发展等现象。永洋特钢通过改善送风制度、优化装料制度和控制炉顶温度等措施，使高炉日产量突破5 000 t，煤比达到175 kg/t以上，燃料比降到520 kg/t左右，达到了炉况稳定顺行、节能减排的初步目标。

1 大富氧对高炉冶炼的影响

富氧会增加鼓风中的含氧量，使理论燃烧温度升高、煤粉燃烧率增大、冶炼强度提高、煤气中的CO浓度增加、炉缸热状态改善等。在燃料比不变的情况下，富氧率每增加1.00%，高炉冶炼强度提高4.76%。但富氧量过大会对高炉冶炼产生不利影响，如由高温区下移所致的炉身热量不足、边缘气流过大所致的炉缸径向温度分布失衡，以及低沸点物质凝结沉积所致的料柱透气性变差等问题。因此，选择合适的富氧量至关重要。

2 大富氧冶炼操作实践

2.1 改善送风制度

提高富氧率可以使风口前理论燃烧温度急剧升高，导致高炉压量关系偏紧，对料尺工作影响明显，进而严重威胁高炉稳定顺行。对2021年5月28日 — 6月9日永洋特钢1 260 m3高炉大富氧冶炼操作实践进行分析。由理论燃烧温度和富氧率的变化(见图1)可知，随着富氧率的增加，理论燃烧温度呈先升高后降低的趋势。当富氧率提高到5.00%以上时，理论燃烧温度呈明显的升高趋势；当富氧率增加到7.63%时，理论燃烧温度达到最高，为2 358 ℃。结合高炉操作经验，理论燃烧温度需控制在2 350 ℃以下，否则高炉会出现明显的憋风现象，从而影响高炉炉况顺行。

图1 理论燃烧温度和富氧率的变化

为保证高炉炉缸温度合理分布，降低风口前理论燃烧温度，可适当提高高炉喷煤量，使区域能量平衡，充分发挥富氧与喷煤各自的优势。根据式(1)的计算结果[9]与实践摸索得出，高炉煤比控制在(175±5)kg/t时，可以保证煤粉利用率和理论燃烧温度在合理范围内。

T=1 563+0.794Tb+40.3w-6fb-kpGm

(1)

式中：T—— 理论燃烧温度；

w—— 鼓风富氧率；

Tb—— 热风温度；

fb—— 鼓风湿度；

kp—— 煤粉耗热系数；

Gm—— 喷煤量。

由鼓风动能和煤气量的变化(见图2)可知，高炉大富氧后的煤气量有所增加，鼓风动能基本呈下降趋势，且风口下沿烧损的现象消失。这说明提高富氧率后，鼓风动能和实际风速趋于合理，既保证了足够的中心气流，又不会出现下旋现象。

图2 鼓风动能和煤气量的变化

2.2 优化装料制度

高炉大富氧后，通过炉顶成像系统观察到料面边缘亮度区域明显增加，偶尔可见边缘有翻料现象，表明边缘气流过剩。由吨矿煤气量的变化(见图3)可知，随着富氧率的增加，吨矿煤气量大幅度降低，煤气在与矿石的逆向运动过程中通过料柱的阻力明显增加，从而造成边缘气流发展，尤其是煤气流在块料带的重新分布，对整体气流分布的影响较大。

图3 吨矿煤气量的变化

优化装料制度是控制高炉煤气流变化的重要手段。针对边缘气流发展现象，采用“中心为主、抑制边缘”的装料制度。由高炉装料制度优化指标(见表1)可知，除矿批由41 t增加到48 t外，布料角度也作了明显调整。矿石布料向边缘偏移，各环位布料角度均逐渐增大，靠近边缘的3个布料角度各增加0.5°～ 1.0°，靠近中心的2个布料角度各增加0.5°，所有环位的布料圈数没有改变。焦炭布料角度仅在最靠近中心的环位减小了1.0°，其他环位没有改变；但在焦炭布料角度为32.0°时，将布料圈数由2圈增加为3圈，以提高布料在靠近中心位置的焦炭量，进而使中心气流活跃。经过调整后，最终得到中心为主、边缘兼顾的高炉炉顶煤气流分布。由炉顶温度与煤气利用率的变化(见图4)可知，煤气利用率从44.03%提高到46.50%，基本可稳定在45.00%以上，为降低燃料消耗和炉况稳定顺行创造了条件。

表1 高炉装料制度优化指标

2.3 控制炉顶温度

高炉大富氧后，高温区下移，炉顶温度大幅度降低。过低的炉顶温度会造成除尘布袋结露粘灰、透气性差、箱体压差高，易使布袋损坏。采用布袋除尘工艺时，炉顶温度应控制在150～200 ℃[10]。高炉大富氧后，吨矿煤气量减少，导致煤气热损失增加，炉顶温度降低。由图4可知，高炉大富氧后，炉顶温度最低降到93 ℃。为此，采取了如下2项措施：

图4 炉顶温度与煤气利用率的变化

(1) 提高高炉喷煤比。由焦比、煤比和焦丁比的变化(见图5)可知，除2021年6月3日煤比稍低外，其余时间基本能达到175 kg/t以上，起到了节焦降耗、平衡理论燃烧温度的作用，为高炉大富氧操作稳定顺行提供了保证，是高炉大富氧操作的重要和必要条件。

图5 焦比、煤比和焦丁比的变化

(2) 增加干熄焦比例。增加干熄焦比例，可以降低焦炭水分含量，减少焦炭热交换带走的热量，以保证煤气离开时具有足够的温度。提高高炉富氧率后，干熄焦比例由50%提高到80%，有效缓解了因炉顶温度下降所引起的布袋除尘箱体压差升高的现象。

3 大富氧操作效果

通过采取上述方法和措施，永洋特钢1 260 m3高炉大富氧后的各项技术经济指标得到了明显改善。由图5可知，煤比最高达到了183 kg/t，除大富氧之初喷煤量没有及时增加外，煤比基本维持在175 kg/t以上。由高炉利用系数的变化(见图6)可知，大富氧后产量大幅增加，高炉利用系数最大增加到4.02 t/(m3·d)。降低燃料耗量和提高煤气利用率，可以有效减少碳排放，为实现“双碳”目标奠定了坚实基础。

图6 高炉利用系数的变化

4 结 语

在原燃料不变的情况下，永洋特钢1 260 m3高炉实施了大富氧操作实践。通过上、下部综合调剂，当高炉富氧率提高到7.4%～7.6%时，高炉炉况稳定顺行、各项技术经济指标得到了明显改善，达到了节能减排的效果。

(1) 扩大矿批、调大矿石布料角度、调小靠近中心环位的焦炭布料角度，可达到发展中心气流、抑制边缘气流的目的。

(2) 适当提高高炉喷煤量，实现大富氧和高煤比的有效配合，是将风口前理论燃烧温度控制在合理范围内的关键环节。

(3) 提高高炉煤气利用率和降低燃料比，可以达到节能减排的目的。