高爐是生鐵的主要生產(chǎn)設(shè)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(duì)熱風(fēng)爐高風(fēng)溫的要求，高爐操作已發(fā)生改變。因此，提高了對(duì)熱風(fēng)爐的要求，導(dǎo)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(lǐng)域已經(jīng)實(shí)踐并證實(shí)，增加燃燒氣體中的氧氣含量，可以實(shí)現(xiàn)燃料氣體溫度的增加。
富氧技術(shù)應(yīng)用于熱風(fēng)爐熱循環(huán)的燃燒過程，具有一系列優(yōu)點(diǎn)：（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(fēng)溫度。本文探討了該技術(shù)在配有三個(gè)熱風(fēng)爐的高爐上的應(yīng)用，介紹了富氧帶來的高爐操作情況和燃?xì)庀姆矫娴淖兓?，并簡單介紹了該領(lǐng)域未來發(fā)展趨勢。
1 富氧技術(shù)介紹
在北美，已經(jīng)成功地進(jìn)行了在熱風(fēng)爐內(nèi)使用富氧氣體的實(shí)踐，試驗(yàn)結(jié)果表明，富氧技術(shù)可以在不使用高熱值燃料氣體的同時(shí)，保持或增加熱風(fēng)溫度。當(dāng)熱風(fēng)爐條件變差，限制了燃燒空氣用量時(shí)，富氧技術(shù)已經(jīng)展示了能夠增加熱輸入率和提高熱風(fēng)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(xiàng)目始于2010年12月。FNsteel公司該項(xiàng)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(fēng)爐操作。FNsteel公司同時(shí)規(guī)定熱風(fēng)爐操作必須保證當(dāng)富氧空氣不能夠滿足高爐要求時(shí)，仍然可以使用丙烷富集氣的能力。
FNsteel公司對(duì)高爐進(jìn)行了一些改造，包括2012年夏季進(jìn)行爐體維修和改造，2011年10月至2012年3月分階段進(jìn)行爐體修復(fù)，2009年更換氣體清潔設(shè)備。FNsteel希望在富氧操作時(shí)仍保持雙熱風(fēng)爐操作，下文將對(duì)此進(jìn)行介紹。
基于燃燒過程本質(zhì)，利用富氧空氣對(duì)熱風(fēng)爐熱循環(huán)的好處主要有兩方面：
1）在一定的燃?xì)鉄嶂迪拢^熱火焰溫度升高；
2）由于替代了空氣中的氮?dú)?，從易燃?xì)怏w到耐火材料的輻射傳熱將會(huì)增加。
富氧燃燒的其他好處是減少了燃?xì)猓◤U氣）量，這是由于在熱風(fēng)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(fēng)爐操作
項(xiàng)目實(shí)施過程中，對(duì)熱風(fēng)爐所期待的行為進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬，這樣可以為FNsteel公司實(shí)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(guān)系，火焰溫度與富氧的關(guān)系，以及火焰溫度與空氣/燃料比的關(guān)系。
研究結(jié)果表明，三個(gè)熱風(fēng)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(yīng)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(guān)系、不同煤氣熱值下的火焰溫度與混合氣中丙烷濃度的關(guān)系、不同煤氣熱值下火焰溫度與空/燃比的關(guān)系。研究表明，對(duì)于有高熱值的爐頂氣體，熱風(fēng)爐操作中不需要燃?xì)庵懈叩谋闈舛取?/span>
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(fù)責(zé)控制輸入混合燃?xì)庵械谋榱髁亢瓦M(jìn)入每個(gè)熱風(fēng)爐的單獨(dú)混合燃?xì)饬鳌１M管燒嘴分布允許一部分混合燃?xì)膺M(jìn)入燃燒空氣流，混合燃?xì)饴?lián)合陶瓷燒嘴頂部的燃燒空氣在燃燒室點(diǎn)燃。
丙烷富集流量控制包括三個(gè)階段：
1）在丙烷富集流與高爐氣混合前，機(jī)械彈簧的壓力控制閥保持一個(gè)恒定的壓力；
2）空氣作用的流體控制閥由操作員控制定點(diǎn)控制器或二級(jí)控制系統(tǒng)操作；
3）安全關(guān)閉閥門、電磁操作關(guān)閉失敗時(shí)，控制系統(tǒng)提示“丙烷富集”命令顯示開放信號(hào)。
4 富氧率控制
對(duì)于富氧燃燒空氣，進(jìn)入每個(gè)熱風(fēng)爐的氧氣作為單流獨(dú)立控制，例如，三套氧氣流控制系統(tǒng)和安全關(guān)閉閥。熱風(fēng)爐的控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制周圍空氣流和富氧流進(jìn)入每個(gè)熱風(fēng)爐，伴隨著氧氣混合進(jìn)入周圍空氣，經(jīng)過專屬的擴(kuò)散器，進(jìn)入燃燒扛起關(guān)閉閥和熱風(fēng)爐爐殼之間的燃燒空氣分路。對(duì)于周圍空氣的供給，每個(gè)熱風(fēng)爐有獨(dú)立的可變電壓—不同頻率的電驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)通過鼓風(fēng)機(jī)輸入閥控制周圍空氣流。
富氧率控制包括如下三個(gè)部分。
?。?）安裝于供給端的隔絕控制閥，由氣動(dòng)操作控制，操作人員輸入打開氧氣富集的操作命令；
?。?）每個(gè)熱風(fēng)爐裝有一個(gè)由氣動(dòng)操作控制的流量控制閥，設(shè)定器由熱風(fēng)爐控制程序控制；
?。?）每個(gè)熱風(fēng)爐裝有一個(gè)由氣動(dòng)操作控制的安全關(guān)閉閥，打開命令由操作人員選擇每個(gè)獨(dú)立熱風(fēng)爐的氧氣富集命令。為了保證控制系統(tǒng)的安全，當(dāng)氧氣供給壓力有偏差時(shí)，開啟命令被移除，擴(kuò)散管中的高氧壓大流量到各個(gè)熱風(fēng)爐，或者同時(shí)觸發(fā)真空管位置極限。
在控制系統(tǒng)正常并且每個(gè)熱風(fēng)爐單獨(dú)可控氧氣富集的條件下，氧氣流控制閥設(shè)定器可用，并且可以由熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)修改。
為了保證氧氣流控制每個(gè)熱風(fēng)爐，許多條件需要提前滿足：周圍空氣流大于等于最低值，燃?xì)饬鞑坏陀谧畹驮O(shè)定值，火焰設(shè)定時(shí)間周期，熱風(fēng)爐顯示為“通氣”。每個(gè)富集流控制器設(shè)定由“查詢表”決定的。氧氣濃度設(shè)定需要兩個(gè)參數(shù)：（1）由操作人員設(shè)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(shè)定的最小值時(shí)，燃燒空氣與燃料氣體的比值變化反應(yīng)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(shè)定是由“查詢表”決定的，來源于以上的圖標(biāo)。與燃燒空氣氧氣濃度設(shè)定類似，富氧燃燒空氣/燃料氣體比值的設(shè)定需要提供兩個(gè)輸入?yún)?shù)：設(shè)定的火焰或拱頂溫度和高爐氣熱值。
5 熱風(fēng)爐性能數(shù)據(jù)
研究了2011年10月7日1號(hào)高爐、2號(hào)高爐和3號(hào)高爐實(shí)際熱風(fēng)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(yùn)行期間，夜班時(shí)熱風(fēng)爐操作恢復(fù)到丙烷富集，白班對(duì)氧氣富集進(jìn)行了人工、半自動(dòng)和自動(dòng)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(jì)算的預(yù)期性能。
對(duì)于富氧燃燒空氣流的人工和半自動(dòng)調(diào)試，熱風(fēng)爐拱頂溫度保持在過去使用丙烷富集時(shí)的水平。
由HMI趨勢確定的熱風(fēng)爐操作標(biāo)準(zhǔn)是：
?。?）當(dāng)從丙烷富集轉(zhuǎn)換為氧氣富集時(shí)，火焰溫度繼續(xù)保持；
（2）與模型預(yù)測結(jié)果相一致，熱風(fēng)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(fēng)爐氧氣富集自動(dòng)模式最終調(diào)試，保證高爐要求的熱風(fēng)爐穩(wěn)定操作的條件是：
?。?）1號(hào)熱風(fēng)爐—鼓風(fēng)周期28 min，火焰溫度1275℃；
?。?）2號(hào)熱風(fēng)爐—鼓風(fēng)周期38 min，火焰溫度1300℃；
?。?）3號(hào)熱風(fēng)爐—鼓風(fēng)周期43 min，火焰溫度1300℃。
6 小結(jié)
自2011年10月在科威爾哈FNsteel鋼廠的熱風(fēng)爐車間保持兩座熱風(fēng)爐循環(huán)模式運(yùn)行，同時(shí)熱風(fēng)爐處于分階段維修的模式。兩個(gè)熱風(fēng)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(shí)間內(nèi)，氧氣富集系統(tǒng)并未優(yōu)化，直至2012年秋季三個(gè)熱風(fēng)爐循環(huán)模式的操作才可以進(jìn)行。由于這個(gè)原因，循環(huán)熱風(fēng)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(yù)期。
