基本介紹
一種高爐強化冶煉技術。在高爐大氣鼓風中加入工業氧，以提高鼓風含氧濃度，強化風口區燃料燃燒，從而提高生鐵產量。
歷史
早在1876年貝塞麥就提出採用富氧鼓風來強化高爐冶煉，1913年比利時烏格爾廠第一次進行了高爐富氧鼓風試驗，鼓風含氧增加到23%，產量提高12%，焦比降低2.5%～3.0%。以後德國、前蘇聯也相繼進行了試驗。但是富氧鼓風作為一項實際套用技術，是從50年代開始的，1951年美國國家鋼鐵公司威爾頓廠建立一台氧氣純度達95%的制氧機用於高爐富氧，鼓風含氧量達到22.5%～25.0%，並取得富氧1%增產4%～5%的效果。進入60年代由於大功率低能耗高爐專用制氧機的誕生和高爐噴吹燃料技術的開發和廣泛套用，高爐富氧鼓風在歐、美、日本及前蘇聯等國得到迅速推廣。1976～1981年蘇聯新利比茨克2000m高爐，先後進行富氧35%和40%的試驗，創造高爐富氧最高水平，噴吹天然氣156m/t，高爐增產9.4%，利用係數達到2.5t/(m·d)，焦比398kg/t，獲得了較好的經濟效益。
50年代中國科學院化學冶金研究所葉渚沛提出“三高”理論(高壓操作、高風溫和高壓蒸汽結合使用)並在首都鋼鐵公司(首鋼)的試驗高爐上進行冶煉試驗。60年代以來，隨著高爐噴吹燃料技術的發展，首鋼、鞍山鋼鐵公司(鞍鋼)、馬鞍山鋼鐵公司、上海鋼鐵一廠等先後在高爐上採用富氧鼓風。1966年首鋼1號高爐鼓風富氧量達24%～25%，噴吹煤粉量最多達到270kg/t，效果是鼓風增氧1%即增產4%～5%。1986～1987年鞍鋼2號高爐進行高富氧大噴吹工業試驗，鼓風含氧達到28.59%，噴煤量170.02kg/t，效果十分明顯，鼓風增氧1%增產2.5%～3%，同時可增加噴煤12～13kg/t。
影響與作用
(1)單位碳素燃燒生成的煤氣量減少，風口前理論燃燒溫度上升。熱量集中於高爐下部，爐缸溫度上升，對矽、錳等一些難還原元素的還原十分有利，因此冶煉錳鐵、矽鐵等採用富氧鼓風效果明顯。(2)富氧使煤氣體積減少，煤氣對爐料下降阻力減小，允許進一步提高冶煉強度增加產量。如入爐風量不變，鼓風含氧由原來大氣鼓風時的a增加到a，其理論增產(焦比不變)為Δp=-/a=/0.2。冶煉實際增產範圍在2%～5%之間，其值主要取決於原燃料條件，噴吹燃料狀況等。(3)富氧鼓風后，氮含量相對降低，生成煤氣中還原劑CO濃度增高，尤其噴吹含H/C比高的燃料時，煤氣中H含量增加，有利於高爐間接還原的發展，減少焦炭消耗。鼓風中每增加1%氧，焦比降低0.5%左右，但若鼓風含氧過高，由於噸鐵風量減少，當風溫不變時，鼓風帶入爐內熱量減少，又不利於降低焦比。(4)煤氣內氮含量減少，發熱值相應提高(每增氧1%，提高100～130kJ/m)，從而改善了煤氣質量。(5)富氧鼓風使風口前理論燃燒溫度提高，可進一步增加噴吹燃料數量，產生更大的經濟效益。
方法與操作
富氧鼓風的方法主要有兩種：一種是從鼓風機吸入口加入低壓氧氣，其優點是氧氣不用專門氧壓機加壓，可節約投資與電耗，高爐操作方便;其缺點是需設高爐專用制氧機，氧漏損較多，該方法在前蘇聯普遍採用;另一種是採用高壓供氧即工業氧通過加壓後直接加入高爐管道內，工藝流程見圖1，其優點是可與煉鋼用氧聯網，保持制氧機全負荷運行，比較經濟，但需增設氧壓機加壓，投資多，電耗高。最近一些國家正在研究發展高爐氧煤燃燒器，即將工業氧通過氧煤燃燒器送入，與噴吹煤粉有效混合，實現充分燃燒和大量噴吹煤粉。
操作方面，隨鼓風含氧提高，風口前理論燃燒溫度升高，高爐內氣固比減少，因此爐缸熱狀態、爐內溫度分布、煤氣流分布以及料柱透氣性等均發生較大變化，必須採取相應措施以維持合理的煤氣流分布與適宜的爐缸熱狀態，保證爐況穩定順行。
燃燒溫度
理論燃燒溫度過低，爐料加熱與還原不足，將導致爐涼、渣鐵溫度低、噴吹燃料燃燒不充分;理論燃燒溫度過高，煤氣體積迅速膨脹，與SiO大量氣化，將會造成爐況不順。實踐證實：隨鼓風含氧增加，噸鐵煤氣量減少，為滿足正常冶煉條件下對爐料的加熱與還原所需要的熱量，必須相應提高理論燃燒溫度，增加煤氣熱焓。中國鞍鋼2號高爐普通鼓風時爐缸煤氣量為1818m/t，理論燃燒溫度為2098℃，當鼓風含氧量達到28%時，理論燃燒溫度上升到2320℃。控制理論燃燒溫度的方法，主要是控制合適的噴吹燃料數量。理論計算鼓風含氧增加1%，理論燃燒溫度上升40～50℃，而每增加噴吹10kg/t煤粉，理論燃燒溫度降低20～25℃。降低理論燃燒溫度使用天然氣效果最明顯，重油次之，煤粉較差。因此為了控制正常冶煉時的適宜理論燃燒溫度，鼓風含氧每增加1%，需增加的噴吹燃料量：天然氣為8～10m/t，重油11～14kg/t，煤粉則以13～18kg/t為宜。
保證氧過剩
為保證噴吹燃料在風口前充分燃燒，需控制一定的氧過剩係數。鞍鋼噴吹煤粉實踐證實，氧過剩係數不宜低於1.15。噴吹重油時不宜低於1.05。當噴吹燃料量較少時大氣鼓風就可以維持必要的氧過剩係數水平(>1.5)。但當噴煤量超過120kg/t時，就要用富氧來保證氧過剩係數。有的國家因高爐的噸鐵風量小，富氧率較高;中國的實踐是採用低富氧，如寶鋼高爐富氧3%左右，達到噴煤200kg/t以上。
上下部調劑
富氧鼓風后由於噴吹量增加，焦炭負荷上升，料柱透氣性變差，爐缸徑向溫度梯度增加，中心不活躍。為此應採取以下措施以維持爐況穩定：(1)適當縮小風口面積，維持一定的風速與鼓風動能，以保持適宜的風口迴旋區深度與良好的爐缸工作狀態。鞍鋼2號高爐，鼓風含氧每增加1%，風口面積縮小1%～4%，以保持其適宜的迴旋區深度(1.0～1.2m);(2)上部採用以疏通中心為主並適當發展邊沿煤氣流的裝料方法以改善料柱透氣性，降低料柱阻損與提高爐缸渣鐵滲透性。中心加焦裝料方法是解決富氧鼓風后爐缸中心不活躍，料柱透氣性惡化的有效手段。
必要性
隨著我國煉鐵規模的急劇擴大，其生產工藝流程的組織、先進技術的採用就尤顯重要。我國在20世紀70年代末以前煉鐵生產工藝及操作還都處於初級階段，隨著技術及生產管理人員視野的開闊，對外交流的增加，以及隨著煉鐵規模的擴大，其原材料，特別是焦碳的供需矛盾日益加劇，外加焦碳價格、煉鐵成本等因素，迫使煉鐵生產勢必走富氧大噴煤節焦、增鐵之路。高爐採用噴煤工藝，可以煤代焦，減少煉鐵對焦碳的需求。目前煉鐵焦比已從最初的800~900kg/t鐵降至300~400kg/t鐵，這樣就大大節約了焦碳，縮小冶金行業煉焦規模，當然也就大大減少了煉焦生產對環境的嚴重污染。
當然，高爐噴煤所需的煤種也應結合我國的國情及煤炭資源現狀而妥善的確定，一般因我國無煙煤貯量相對較少且產地較為集中，以及運距長等缺點而不宜多採用，而煙煤貯量較多，且產地分布較廣，運距短，故我國高爐宜噴煙煤為佳。
高爐噴煤節焦固然很好，但採用通常的煉鐵工藝，其噴煤量受限制，隨著噴煤量的增加，則高爐爐缸溫度下降，而當高爐爐缸溫度下降太多，則將會引起高爐爐況的惡化，相應其噴煤置換比下降，故高爐噴煤量增加則勢必要給高爐以熱量補償，目前高爐熱補償主要是提高高爐鼓風風溫或是提高高爐鼓風中的含氧量等，雖然目前採用鼓風空氣及煤氣雙預熱以提高風溫，但畢竟有限。而同時採用高爐富氧鼓風工藝則既簡便易行，又經濟效益甚佳。高爐採用富氧鼓風，它增加了鼓風中氧氣的含量
（濃度），也就相當於增加了鼓風量，當然也就提高了高爐的冶煉強度。而更主要的是富氧鼓風能夠提高高爐風口前的燃燒溫度，給高爐以大量熱量補償，從而給高爐進一步加大噴煤量創造了條件，一般富氧率提高1%即可使煤粉噴吹率增加6%。富氧率提高3%~4%和提高高爐鼓風風溫200度二者對增加噴煤量的影響其效果基本上是相同的。所以說，高爐要想大噴煤多節焦、增鐵，降低運行成本，減少環境污染等則勢必要輔以高爐富氧鼓風，給高爐以大量熱補償才能確保高爐爐缸溫度，從而使高爐正常順行。
套用
煙化爐在鉛、鋅、錫等有色金屬冶煉過程中廣泛使用，其主要作用是對含金屬高的熔渣進一步處理，綜合回收渣中的有價金屬。目前，大多數煙化爐工藝採用將空氣和粉煤混合後吹入到高溫熔池中燃燒放熱，產生大量的熱量和 CO 氣體，熱量用來維持整個系統的熱量平衡和熔池穩定，CO 氣體在高溫下將金屬氧化物還原呈各種形式揮發，在煙塵中富集，從而實現了金屬物質的綜合回收。其主要特點是設備結構簡單，工藝成熟、流程短、金屬回收率高等。隨著現代冶金技術的發展和企業對經濟技術指標的重視，煙化爐吹煉技術也在不斷的發展和革新。富氧熔煉技術越來越多地使用在冶金提取過程中，其主要優點是生產效率高，反應速度快，煙氣量少，能耗低等 。
若在煙化爐生產工藝中鼓入富氧空氣，會引起爐內反應過程及氣氛發生較大的改變，對爐內粉煤的充分燃燒、冶煉溫度的控制、升溫速度的調節、爐內氣氛的控制、爐況的改善、吹煉時間的長短、冶煉效率等方面影響很大 。採用富氧熔煉會有利於煙化爐生產技術指標提高、能源節約和環境保護 。
可行性
煙化爐主要從有色冶金爐渣中揮發鉛、鋅等金屬，其煙化揮發的實質是將空氣和粉煤的混合物通過風嘴噴入到高溫熔渣中進行還原吹煉，粉煤既是燃料又是還原劑。熔渣中的金屬氧化物遇到熱態碳或者未完全燃燒產生的 CO 被還原成金屬，並以氣態的形式進入到高溫煙氣中，後又被氧化成金屬化物，以氧化物的形式被捕集於收塵設備中。
煙化爐生產過程可以分為四個階段 ，若按每 2h 生產 1 爐的生產周期，其各階段的參數 ：
（1）進料階段 ：將上段工序放出的熱態渣加入到煙化爐內，爐內溫度會從 1200℃降到 900℃左右，進料時間為 15min，此時空氣過剩係數為0.65~0.85。
（2）升溫階段 ：爐溫從 800℃升到 1250℃左右，此階段應儘快提高爐內溫度，縮短提溫時間，保證爐內熔渣的溫度維持在一個較高的水平。提溫時間30min，此時空氣過剩係數為 0.8~0.85。
（3）吹煉階段 ：爐溫達到 1300℃左右，此時爐內應控制在強還原氣氛，CO 含量較高，有利於金屬元素的還原，此階段吹煉時間為 60min，空氣過剩係數為 0.65~0.75。
（4）放渣階段 ：此時應儘量提高爐溫，以便順利放渣，放渣時間為 15min，空氣過剩係數0.65~0.75。
從煙化爐生產周期的四個階段來看，可以在進料、升溫和放渣三個階段從二次風管中鼓入富氧空氣進行吹煉，富氧濃度控制在 21%~25%，以快速提高爐膛內的溫度，強化熔池反應，縮短反應時間，減少煙氣量，提高生產效率。此技術只是提高鼓入的二次風氧氣的濃度，其它操作過程與現行的冶煉過程相同，工藝上不會作很大的變動，生產工藝上是可行的。
對產量的影響
維持送風
高爐維持入爐風量不變，隨著富氧率的升高，必然帶來高爐產量的升高，但同時爐缸煤氣量、理論實際煤氣流速升高較多，這將給高爐的順行帶來威脅。
維持強度
高爐維持強化程度不變( 維持理論煤氣流速不變) 的情況下，隨著富氧率的升高，產量小幅提高，但入爐風量、實際風速及鼓風動能下降，易引起高爐爐缸初始煤氣分布的異常變化，必須及時進行基本冶煉製度的調整，維持爐況的順行穩定。
影響噴煤量
富氧鼓風有利於提高噴煤量，高爐鼓風富氧率的提高，在緩解噴煤量增加帶來的理論燃燒溫度升高的同時，降低了理論煤氣流速，有利於高爐順行，因此富氧鼓風利於提高噴煤量。
高爐富氧率
在維持入爐風量不變的情況下，隨著高爐富氧率的提高，高爐產量必然升高，通過實例計算發現，隨高爐富氧率的升高，爐缸煤氣量升高，導致理論實際煤氣流速大幅升高，高爐爐內透氣性與煤氣流運動的矛盾激化。
因此，在維持入爐風量不變的情況下，高爐富氧率的提高必須根據高爐自身的冶煉條件，確定其能夠承受的理論煤氣流速，進而確定合理的富氧率，避免因盲目提高富氧率而導致高爐順行變差。
為緩解以上矛盾，高爐提高富氧率後，可考慮適當降低入爐風量，通過風口面積、風溫等的調整維持合理的實際風速與鼓風動能，實現送風制度的穩定，這種調整在不影響高爐產量甚至產量增加的情況下，可以緩解爐內透氣性與煤氣流運動的矛盾，例如實例計算發現，高爐富氧率提高后，通過縮小風口面積、提高風溫、增加煤比等調整手段，在產量升高的情況下，送風制度基本穩定，理論實際煤氣流速也出現明顯降低，為高爐順行提供了有利條件。
展望
隨著鋼鐵工業不斷發展，傳統的高爐煉鐵工藝所需要的大量煉焦煤日趨枯竭，迫使煉鐵工作者尋求新的焦炭代用品。因此，在發展富氧大量噴吹燃料的同時，高爐全氧(無氮)鼓風技術是近年各國廣泛關注的新工藝(見圖2)，在日本、前蘇聯等國家已進行了試驗研究。這種工藝具有高生產率、高噴煤量、低焦比、高煤氣熱值、環境污染少、投資省的特點。1986年日本鋼管公司在3.9m試驗爐上進行了全氧鼓風試驗，每噸鐵噴吹煤粉量增加到320kg/t，高爐爐況穩定順行，利用係數達到5.1t/(m·d)，直接還原度與入爐焦比均降低一半以上，生鐵質量明顯改善。中國煉鐵工作者在大量實驗室研究的基礎上，也已提出了一種新的高爐氧煤煉鐵工藝，並將進行工業規模試驗。
高爐富氧鼓風逐步成為高爐強化冶煉的重要手段，尤其是隨著噴煤量的升高，富氧已經成為綜合噴煤冶煉不可或缺的手段，高爐操作中應根據高爐自身冶煉條件確定合理的富氧率，為高爐的穩定順行奠定基礎，實現富氧鼓風的效益最大化。
