高爐是生鐵的主要生產(chǎn)設備，高爐操作一直在緊隨著降低總成本和焦炭消耗的要求而發(fā)展著。隨著對熱風爐高風溫的要求，高爐操作已發(fā)生改變。因此，提高了對熱風爐的要求，導致熱循環(huán)燃料氣體需要配備高熱值氣體，從而增加了操作的成本。在其他領域已經(jīng)實踐并證實，增加燃燒氣體中的氧氣含量，可以實現(xiàn)燃料氣體溫度的增加。
富氧技術應用于熱風爐熱循環(huán)的燃燒過程，具有一系列優(yōu)點：（1）減少或消除了（高熱值）燃料氣體；（2）減少氣體（廢氣）流量；（3）保持或增加了高爐熱風溫度。本文探討了該技術在配有三個熱風爐的高爐上的應用，介紹了富氧帶來的高爐操作情況和燃氣消耗方面的變化，并簡單介紹了該領域未來發(fā)展趨勢。
1 富氧技術介紹
在北美，已經(jīng)成功地進行了在熱風爐內(nèi)使用富氧氣體的實踐，試驗結果表明，富氧技術可以在不使用高熱值燃料氣體的同時，保持或增加熱風溫度。當熱風爐條件變差，限制了燃燒空氣用量時，富氧技術已經(jīng)展示了能夠增加熱輸入率和提高熱風溫度的能力。
利用富氧空氣加熱的概念于2012年被Linde Gas AGA引入FNsteel公司，該項目始于2010年12月。FNsteel公司該項目的主要內(nèi)容包括：（1）去除丙烷富集的加熱燃料氣體。（2）通過流量和溫度的控制，改善熱風爐操作。FNsteel公司同時規(guī)定熱風爐操作必須保證當富氧空氣不能夠滿足高爐要求時，仍然可以使用丙烷富集氣的能力。
FNsteel公司對高爐進行了一些改造，包括2012年夏季進行爐體維修和改造，2011年10月至2012年3月分階段進行爐體修復，2009年更換氣體清潔設備。FNsteel希望在富氧操作時仍保持雙熱風爐操作，下文將對此進行介紹。
基于燃燒過程本質(zhì)，利用富氧空氣對熱風爐熱循環(huán)的好處主要有兩方面：
1）在一定的燃氣熱值下，絕熱火焰溫度升高；
2）由于替代了空氣中的氮氣，從易燃氣體到耐火材料的輻射傳熱將會增加。
富氧燃燒的其他好處是減少了燃氣（廢氣）量，這是由于在熱風爐一定的熱需求量條件下，空氣/燃料的比例（空燃比）發(fā)生改變。
2 模擬熱風爐操作
項目實施過程中，對熱風爐所期待的行為進行了大量的數(shù)值模擬，這樣可以為FNsteel公司實行富氧替代丙烷提供依據(jù)。分別研究了高爐煤氣中氫氣濃度與爐頂氣體熱值的關系，火焰溫度與富氧的關系，以及火焰溫度與空氣/燃料比的關系。
研究結果表明，三個熱風爐在1350℃火焰溫度下循環(huán)操作是可行的。允許空氣中的最大氧濃度為28%，能夠提供發(fā)熱值超過3.45 MJ/Nm3的高爐所需火焰溫度。
為了弄清所需火焰溫度的爐頂氣體相應的丙烷率參數(shù)，研究了不同煤氣數(shù)值下的混合氣體熱值與火焰溫度的關系、不同煤氣熱值下的火焰溫度與混合氣中丙烷濃度的關系、不同煤氣熱值下火焰溫度與空/燃比的關系。研究表明，對于有高熱值的爐頂氣體，熱風爐操作中不需要燃氣中高的丙烷濃度。
3 丙烷率控制
高爐氣體中的丙烷率可以由恒定混合氣體值或恒定流量控制。熱控制系統(tǒng)負責控制輸入混合燃氣中的丙烷流量和進入每個熱風爐的單獨混合燃氣流。盡管燒嘴分布允許一部分混合燃氣進入燃燒空氣流，混合燃氣聯(lián)合陶瓷燒嘴頂部的燃燒空氣在燃燒室點燃。
丙烷富集流量控制包括三個階段：
1）在丙烷富集流與高爐氣混合前，機械彈簧的壓力控制閥保持一個恒定的壓力；
2）空氣作用的流體控制閥由操作員控制定點控制器或二級控制系統(tǒng)操作；
3）安全關閉閥門、電磁操作關閉失敗時，控制系統(tǒng)提示“丙烷富集”命令顯示開放信號。
4 富氧率控制
對于富氧燃燒空氣，進入每個熱風爐的氧氣作為單流獨立控制，例如，三套氧氣流控制系統(tǒng)和安全關閉閥。熱風爐的控制系統(tǒng)負責控制周圍空氣流和富氧流進入每個熱風爐，伴隨著氧氣混合進入周圍空氣，經(jīng)過專屬的擴散器，進入燃燒扛起關閉閥和熱風爐爐殼之間的燃燒空氣分路。對于周圍空氣的供給，每個熱風爐有獨立的可變電壓—不同頻率的電驅(qū)動鼓風機通過鼓風機輸入閥控制周圍空氣流。
富氧率控制包括如下三個部分。
?。?）安裝于供給端的隔絕控制閥，由氣動操作控制，操作人員輸入打開氧氣富集的操作命令；
?。?）每個熱風爐裝有一個由氣動操作控制的流量控制閥，設定器由熱風爐控制程序控制；
?。?）每個熱風爐裝有一個由氣動操作控制的安全關閉閥，打開命令由操作人員選擇每個獨立熱風爐的氧氣富集命令。為了保證控制系統(tǒng)的安全，當氧氣供給壓力有偏差時，開啟命令被移除，擴散管中的高氧壓大流量到各個熱風爐，或者同時觸發(fā)真空管位置極限。
在控制系統(tǒng)正常并且每個熱風爐單獨可控氧氣富集的條件下，氧氣流控制閥設定器可用，并且可以由熱風爐控制系統(tǒng)修改。
為了保證氧氣流控制每個熱風爐，許多條件需要提前滿足：周圍空氣流大于等于最低值，燃氣流不低于最低設定值，火焰設定時間周期，熱風爐顯示為“通氣”。每個富集流控制器設定由“查詢表”決定的。氧氣濃度設定需要兩個參數(shù)：（1）由操作人員設定的火焰或拱頂溫度；（2）在線測量或操作人員輸入的高爐氣熱值。
燃料（高爐）氣流在設定的最小值時，燃燒空氣與燃料氣體的比值變化反應了富氧空氣的需要量。氧氣富集的燃燒空氣/燃料氣體比的設定是由“查詢表”決定的，來源于以上的圖標。與燃燒空氣氧氣濃度設定類似，富氧燃燒空氣/燃料氣體比值的設定需要提供兩個輸入?yún)?shù)：設定的火焰或拱頂溫度和高爐氣熱值。
5 熱風爐性能數(shù)據(jù)
研究了2011年10月7日1號高爐、2號高爐和3號高爐實際熱風爐富氧控制的HMI屏幕截圖。HMI屏幕內(nèi)容包括：火焰溫度、高爐煤氣流量、周圍（燃燒）空氣流量、氧氣流量、高爐煤氣壓力、廢（煙）氣氧含量等。在10月4日至7日運行期間，夜班時熱風爐操作恢復到丙烷富集，白班對氧氣富集進行了人工、半自動和自動測試模式測試。富氧的氧流量控制允許測試不同熱值和溫度的爐頂氣體條件。這些條件是經(jīng)過模型計算的預期性能。
對于富氧燃燒空氣流的人工和半自動調(diào)試，熱風爐拱頂溫度保持在過去使用丙烷富集時的水平。
由HMI趨勢確定的熱風爐操作標準是：
?。?）當從丙烷富集轉(zhuǎn)換為氧氣富集時，火焰溫度繼續(xù)保持；
（2）與模型預測結果相一致，熱風爐氧氣富集混合氣體流量（僅高爐氣體）增加，周圍空氣流量減少。
2011年10月7日熱風爐氧氣富集自動模式最終調(diào)試，保證高爐要求的熱風爐穩(wěn)定操作的條件是：
（1）1號熱風爐—鼓風周期28 min，火焰溫度1275℃；
?。?）2號熱風爐—鼓風周期38 min，火焰溫度1300℃；
?。?）3號熱風爐—鼓風周期43 min，火焰溫度1300℃。
6 小結
自2011年10月在科威爾哈FNsteel鋼廠的熱風爐車間保持兩座熱風爐循環(huán)模式運行，同時熱風爐處于分階段維修的模式。兩個熱風爐操作滿足高爐要求，保持燃燒氣中氧氣濃度超過32%的富氧操作。
在這段時間內(nèi)，氧氣富集系統(tǒng)并未優(yōu)化，直至2012年秋季三個熱風爐循環(huán)模式的操作才可以進行。由于這個原因，循環(huán)熱風爐周期的初始操作數(shù)據(jù)并沒有使用，F(xiàn)Nsteel、Lindex Gas AGA希望未來的操作能夠?qū)崿F(xiàn)預期。
