氣體技術在鋼鐵企業生產中的應用

趙 屾

（唐鋼國際工程技術有限公司，河北 唐山 063000）

0 引言

富氧燃燒技術和過程氣體分析技術是兩種常見的應用于鋼鐵企業生產中的氣體技術。富氧燃燒技術（OEC）是指在將氧氣體積分數超過21%的氣體作為助燃氣體的一種燃燒技術，由于該氣體的氧氣含量較高，進而將其用于助燃時，能夠大大提高燃燒的效率，從而達到強化生產的目的，如助燃空氣量和燃燒后廢氣量有所降低，燃燒反應速度加快、可控制具體位置的燃燒溫度等[1]。過程氣體技術分析則是指利用取樣的方式，將實時狀態下的被測氣體樣品取出后，經過一系列操作、處理后，利用氣體分析儀，得到被測工藝氣體的相關參數，進而作為各生產環節的指導控制參數。由此可見，在鋼鐵企業中，不管是富氧燃燒技術，還是過程氣體分析技術，都能有效提高鋼鐵企業的生產效率，從而提高企業的經濟效益[2]。

1 富氧燃燒技術

1.1 富氧燃燒的特性

點火溫度：可燃氣體在空氣和氧氣下的點火溫度存在較大差異。實踐證明，對于同一種可燃氣體來說，氧氣中的點火溫度明顯小于空氣中的點火溫度[3]，如表1 所示。此外，可燃氣體的點火溫度會隨氧氣濃度的變化而發生變化，如圖1 所示。

圖1 助燃劑氧氣濃度變化曲線圖

表1 常規可燃氣體不同條件下的點火溫度 單位：℃

由表1 和圖1 可知，富氧狀態下的助燃劑的燃燒效率更加充分。在實踐過程中，可將高熱值的燃料替換成低熱值的燃料，進一步提高燃料的利用價值，實現降低能耗和投入成本的目標。

理論燃燒溫度：將燃燒的空氣替換成氧氣，燃燒過程中的N2含量明顯降低，燃燒時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數也從原來的21%，增加到53%，火焰溫度升高速度較為明顯，直至含氧量達到一定的程度時，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，氧氣體積分數提高，火焰的實際燃燒長度逐漸變短。其中，氧氣體積分數為21%時，火焰長度最長。氧氣體積分數超過90%后，火焰長度最短，如圖3 所示。

圖3 四種不同含氧量的火焰長度變化情況

1.2 在鋼鐵企業生產中的應用

富氧燃燒技術在鋼鐵企業中的應用，以DG 鋼鐵企業為例[4]。

DG 鋼鐵企業配置有4 座4 345 m3的高配置新日式鐵外燃式熱風爐，所采用的送風制度為定風量交錯并聯，最高風熱保持在1 300 ℃以下，最高處拱頂的溫度保持在1 445 ℃以下，并利用煙氣余熱預熱助燃空氣與高爐煤氣系統，燃料主要為高爐煤氣，輔以少量焦爐煤氣，焦爐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。

對富氧燃燒技術在DG 鋼鐵企業中應用的可行性進行分析，利用模擬計算的方式，從燃燒溫度、燃燒反映速度和爐內傳熱等多個富氧燃燒特性理論角度出發，開展相應的可行性計算，并按照DG 鋼鐵企業的當前工作情況，對其中高爐熱風爐富氧燒爐的熱工進行模擬計算，其模擬參數如表2 所示。

表2 DG 鋼鐵企業熱工模擬計算參數

通過對燃燒室溫度場分布、火焰高度和CO 濃度分布等內容進行仿真，預判不同氧濃度燃燒情況下的各項內容變化，得到相應結論：富氧濃度在1%～7%之間所發生的燃燒，燃燒室的高溫區域逐漸向下轉移，燃燒的火焰長度也隨高溫區域下移而變短。在全高爐煤氣情況下，燃燒室內的高溫區域范圍逐漸增大，燃燒的火焰高度與長度變化更為明顯。此外，兩種情況下，二者聯絡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，燃燒出口的燃燒程度變化，只在后一種情況下出現較大的變化，呈現為逐漸增大的趨勢。

2 過程氣體分析技術

2.1 基本概述

過程氣體技術分析則是指利用取樣的方式，將實時狀態下的被測氣體樣品取出后，通過一系列操作、處理，利用氣體分析儀，得到被測工藝氣體的相關參數，進而將其作為各生產環節的指導控制參數。而在鋼鐵企業當中，所開展的工藝環節分別有：燃燒、熱工和壓力加工等，多數工藝過程都需要在特定的氣體環境下才能實現。含有氣體的工藝環境在運行過程中，會排放大量的氣體。因此，過程氣體分析技術廣泛應用于鋼鐵企業的工藝控制環節和節能減排環節[5]。目前，鋼鐵企業的主要生產環節都在應用過程氣體技術，并處于不停歇運行的狀態。

此外，過程氣體分析技術在實施過程中，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。高爐爐身煤氣取樣的相關運行系統，具備分析點數多、周期短和精度高等特點，例如：RH 爐廢氣分析主要用于監測冶煉的過程、熱鍍鋅生產線微量氧分析主要用于控制產品質量。在節能減排上，轉爐煤氣回收分析主要用于回收能源項目、燒結煙氣分析主要用于監控排放項目。

2.2 樣氣預處理

樣氣預處理作為過程氣體分析技術的核心內容，主要是將現場采集的工藝樣本氣體處理成滿足相關分析儀器分析條件氣體的過程。樣氣預處理的主要操作內容有除塵、除水、溫度調節、壓力調節、流量調節、反吹控制和信號輸入輸出等[6]。

圖4 作為典型的過程氣體分析系統組成結構，由取樣單元、過濾單元、冷卻單元、樣氣調節單元、分析單元、控制單元、反吹單元和標定單元等多個單元部分組成。

圖4 過程氣體分析系統的結構圖

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，并且結合現場的實際情況，挑選適合的伴熱方式，如蒸汽伴熱和電伴熱。假若現場條件中要求有防爆功能，在選擇電伴熱時則需要查看對應的產品是否具備或滿足防爆的條件和要求。

2）過濾單元：常規過濾單元設定為三個等級，不同等級分別安裝在不同的位置。例如：一級過濾器通常安裝在取樣器的內部，并加裝環形加熱器；二級過濾器則安裝在樣氣進入儀表柜后，少數情況下具備一定的氣水分離的作用；三級過濾器安裝在儀表前，以膜式過濾器為主，特殊情況下還具有濕度的報警作用。

3）冷卻單元：該單元由冷凝器和排水組成。可按照實際工作情況選擇電子冷凝器或壓縮機式冷凝器。排水則分為蠕動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）樣氣調節單元：該單元由多個零部件組成，單個零部件功能較為完善，能夠獨立運行，如調壓閥與流量計，可以將即將進入儀表樣氣的壓力值與流量調節至合理狀態。

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

6）控制單元：該單元主要進行取樣、遠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取樣器中的一級過濾器進行內部吹掃，保證一級過濾器內部清潔。常由電磁閥和儲氣罐組成。

8）標定單元：即標準氣體。

3 結論

氣體技術在鋼鐵企業中的應用非常廣泛，提高了鋼鐵企業的實際生產效率，通過優化鋼鐵的生產流程，可進一步提高鋼鐵企業的經濟效益。因此，本次研究主要對富氧燃燒技術和過程氣體分析技術進行對比分析。其中，富氧燃燒技術具有良好的節能減排和提能降本的優點，已經廣泛應用于國內鋼鐵企業。而過程氣體分析技術作為鋼鐵企業重要的生產工藝環節檢測技術，應當不斷優化與創新，從而滿足更多現代化鋼鐵生產設備及工藝的要求，從根本上保證鋼鐵企業生產的穩定與安全，推動鋼鐵企業實現現代化、智能化和綠色化發展。