高爐富氧工藝能耗分析及優化

張惠凱

（山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司煉鐵廠， 山東 濟南 271104）

當高爐噴吹的天然氣、煤粉以及重油量過大時，高爐內燃料的燃燒溫度就會下降，而高爐富氧恰恰可以補充高爐內氧氣的含量，起到提升燃燒溫度的作用，同時，對提高鋼鐵產量與質量大有幫助。經過實地測試證明，高爐內的富氧率每提高1%，高爐煉鐵的產量就會增加3%以上，以中大型高爐為例，生鐵產量在原有基礎上增產200 kg/t 以上。

1 高爐富氧在鋼鐵冶煉中的優勢分析

隨著高爐噴吹燃料技術的迅猛發展，富氧工藝的應用優勢也逐步突顯，當噴吹燃料中的氧氣含量升高以后，提高了爐內的理論燃燒溫度，使高爐燃燒焦炭與煤粉的能力得到大幅提升，單位時間內的鋼鐵產量大幅增加[1]。當高爐富氧后，高爐需要燃燒的產物總量下降，此時，爐內的煤氣上升，阻力減少，為高爐的正常運轉提供了助動力，在爐內煤氣量不變的情況下，高爐富氧相當于高爐加風，使焦炭的燃燒速度加快。當爐內氧氣含量增加以后，煤氣中的氧氣含量下降，煤氣的熱值升高，尤其在冶煉能耗高的鐵種時，能夠大幅降低爐內燃燒損耗。因此，高爐富氧工藝具有廣闊的應用前景。

2 高爐富氧的供氧方式

高爐富氧主要分為機前富氧與機后富氧兩種供氧方式，機前富氧是將氧氣送入鼓風機吸風口連同鼓風同時加壓，氧氣隨著送風系統進入高爐風口內，這種供氧方式操作簡單，在國內鋼鐵企業的冶煉生產過程中，應用頻率較高。而機后富氧則是鼓風從風機主管道出風之后，當鼓風進入熱風爐之前，將氧氣直接送入冷風管，進而完成高爐的供氧過程。

1）機前富氧。機前富氧對高爐冶煉設備氣封、油封以及氣流通道的安全性要求較高，要想高爐內得到充足的與高純度的氧氣，就必須在高爐內部設置富氧比控制裝置以及緊急切斷裝置。當低壓氧氣輸送至高爐風機入口處時，氧氣與空氣充分混合，在風機壓縮作用下，壓力值降到0.4 MPa，這種低壓氧氣進入高爐爐體后，就會起到助燃增效的作用。

2）機后富氧。機后富氧分為中壓減壓機后富氧與非減壓機后富氧兩種方式，中壓減壓機后富氧主要利用轉爐的高純度余氧，先將氧氣的壓力值降低到1.6 MPa，然后經過二次減壓，再次將氧氣壓力值降到0.5～0.6 MPa 后，將其送入冷風管道。而非減壓機后富氧是將空分設備生產出的氧氣經過內壓縮或者低壓氧外壓縮，由輸送管道直接傳輸至冶煉高爐的冷風管當中，以供給高爐充足的氧氣。

3 高爐富氧工藝的能耗分析

下面以國內某鋼鐵企業高爐冶煉過程中富氧工藝為例，對采取機前富氧、中壓減壓機后富氧以及非減壓機后富氧三種供氧方式所產生的能量消耗進行分析比對。

對高爐富氧工藝的能量消耗進行分析，首先確定能量消耗的兩種方式，即分離能耗與壓縮能耗，在分析壓縮能耗時，需要事先根據功耗計算公式計算出壓縮機的功耗，然后分析影響能量消耗的因素，主要包括阻力損失以氧氣輸入管道的管壁粗糙度。國內某鋼鐵企業的低壓氧管道阻力損失計算結果如表1 所示。

表1 國內某鋼鐵企業的低壓氧管道阻力損失計算結果

由表1 可以看出，當低壓氧壓機的排氣壓力達到0.65 MPa 時，壓力值就滿足了供氧要求，此時的電量消耗值4 519 kW。對于該鋼鐵企業來說，高爐風機的管道長度在3 100 m 左右，如果采用機前富氧工藝，高爐內的氧氣壓力值被壓縮至0.4 MPa，這時，所需要的電量消耗為4 376 kW，而如果采用中壓氧減壓的供氧方式，氧氣壓力值遠遠大于機前供氧的氧氣壓力值，能夠達到2 MPa 左右，而電量消耗幾乎為機關供氧方式的一倍，即7 742 kW。通過能量消耗的對比分析，可以得出，在三種供氧方式當中，中壓減壓機后富氧的方式耗電量最高，而機前富氧的供氧方式消耗的電量最低。因此，在高爐冶煉過程中，如果采取高爐富氧工藝，應利用低壓氧壓機將排氣壓力控制在0.603 MPa 以下，這樣，能夠有效降低能量消耗，為企業節約更多的投入成本[2]。

4 氧氣純度對能耗的影響

高爐富氧能耗包括氧氣分離過程中產生的分離電消耗以及氧氣壓縮過程中的壓縮電消耗，而這兩種能量消耗通常與氧氣的純度息息相關，下面就以某鋼鐵企業一套25 000 m3/h 的空分設備為例，分析氧氣純度對空壓機電能消耗產生的影響。

結合主冷氮側溫度值，利用閃蒸計算公式能夠計算出下塔頂部的壓力值，進而得到空壓機的排氣壓力值，但是，必須滿足以下計算條件，即氧氣流量為26 100 m3/h，氬提取率為81%，氧氣提取率為97.4%，主冷液位3 300 mm，上塔壓力值為34 kPa，主冷溫度差為1.5 K，下塔阻力21 kPa，空壓機出口到下塔的阻力值為27 kPa。根據以上計算條件，可以計算出進塔的空氣量為127 036 m3/h。如果將氧氣純度劃分為10 個不同的級別，然后分別計算空壓機的排氣壓力、主冷氮側露點溫度以及空壓機的功率，就可以得到氧氣純度對能量消耗產生的影響精準數據。

不同級別的氧氣純度對空壓機以及低壓氧壓機功率的影響如表2 所示。

由表2 可以看出，高爐富氧的氧氣純度越低，空壓機的功率越低，隨著氧氣量的不斷增加，無論采用哪一種供氧方式，空壓機的功率也將提升，如果在這一過程中，綜合考慮阻力因素，空壓機的綜合功率在原有基礎上還會有所增加。因此，對于鋼鐵企業而言，在冶煉過程中，若采用高爐富氧工藝，必須利用雙高純度的空分設備與低壓氧壓機相結合的方式，以達到降低能耗的目的[3]。

表2 不同級別的氧氣純度對空壓機以及低壓氧壓機功率的影響

5 高爐富氧工藝的優化策略

5.1 富氧節能技術的實踐應用

國內某鋼鐵企業為了降低高爐富氧工藝流程中產生的能量消耗，通過按各用戶的使用壓力與品質指導實際生產，節電節能效果顯著。該項節能技術的關鍵點在于合理控制管網的壓力值，具體實踐應用過程如下：首先鋪設1 根直徑為500 mm×9 mm 的富氧專用管道，作為每一座高爐的機關富氧管道，同時加設2 臺氧壓機，氧壓機的氧氣供應量為40 000～44 000 m3/h，排氣壓力值為0.65 MPa。鋼鐵冶煉所需的氧氣全部由新建的氧壓機提供，如果在供應量不足，則由中壓氧氣經減壓閥組調壓后供應給高爐。通過這一改造舉措，單位時間內的能量消耗較過去降低了35%，如果折算成電能，每年可以為企業節省2300 萬kW·h，直接為企業創造了可觀的經濟效益。

5.2 節能降耗技術的改進與優化

實施該節能項目，氧壓機或者空分設備的工況波動區間較大，二者之間極易相互影響、相互作用，而影響氧氣供應量以及氧氣的供應純度，同時，技術人員對空分設備的操作頻次也會增加，導致生產工作效率下降。為此，應當采用1 臺空分設備配備1 臺氧壓機的方式，當設備出現運行故障時，連通閥自動開啟，而正常工況下，低壓氧與減壓后管道間的連通閥自動關閉，此時，中壓氧壓機可以互為備用，如果高爐內的氧氣量減少時，備用的中壓氧壓機就能夠啟動供氧功能，保證高爐內充足的氧氣量。

6 結語

通過機前富氧與機后富氧兩種供氧方式的對比，可以得出最終結論：當低壓氧壓機的排氣壓力值低于0.6 MPa 時，機后富氧的供氧方式能量消耗較低，加之如果采取機前富氧的供氧方式，安全保障系數較低，施工難度較大，因此，對于鋼鐵企業來說，采用機后富氧的供氧方式，經濟性、節能性更好一些。