富氧鼓风

烟化炉吹练工艺术语

高炉富氧鼓风是往高炉鼓风中加入工业氧，使鼓风含氧超过大气含量，其目的是在不增加风量、不增加鼓风机动力消耗的情况下，提高冶炼强度以增加高炉产量和强化喷吹燃料在风口前燃烧。

基本介绍

一种高炉强化冶炼技术。在高炉大气鼓风中加入工业氧，以提高鼓风含氧浓度，强化风口区燃料燃烧，从而提高生铁产量。

历史

早在1876年贝塞麦就提出采用富氧鼓风来强化高炉冶炼，1913年比利时乌格尔厂第一次进行了高炉富氧鼓风试验，鼓风含氧增加到23%，产量提高12%，焦比降低2.5%～3.0%。以后德国、前苏联也相继进行了试验。但是富氧鼓风作为一项实际应用技术，是从50年代开始的，1951年美国国家钢铁公司威尔顿厂建立一台氧气纯度达95%的制氧机用于高炉富氧，鼓风含氧量达到22.5%～25.0%，并取得富氧1%增产4%～5%的效果。进入60年代由于大功率低能耗高炉专用制氧机的诞生和高炉喷吹燃料技术的开发和广泛应用，高炉富氧鼓风在欧、美、日本及前苏联等国得到迅速推广。1976～1981年苏联新利比茨克2000m高炉，先后进行富氧35%和40%的试验，创造高炉富氧最高水平，喷吹天然气156m/t，高炉增产9.4%，利用系数达到2.5t/(m·d)，焦比398kg/t，获得了较好的经济效益。

50年代中国科学院化学冶金研究所叶渚沛提出“三高”理论(高压操作、高风温和高压蒸汽结合使用)并在首都钢铁公司(首钢)的试验高炉上进行冶炼试验。60年代以来，随着高炉喷吹燃料技术的发展，首钢、鞍山钢铁公司(鞍钢)、马鞍山钢铁公司、上海钢铁一厂等先后在高炉上采用富氧鼓风。1966年首钢1号高炉鼓风富氧量达24%～25%，喷吹煤粉量最多达到270kg/t，效果是鼓风增氧1%即增产4%～5%。1986～1987年鞍钢2号高炉进行高富氧大喷吹工业试验，鼓风含氧达到28.59%，喷煤量170.02kg/t，效果十分明显，鼓风增氧1%增产2.5%～3%，同时可增加喷煤12～13kg/t。

影响与作用

(1)单位碳素燃烧生成的煤气量减少，风口前理论燃烧温度上升。热量集中于高炉下部，炉缸温度上升，对硅、锰等一些难还原元素的还原十分有利，因此冶炼锰铁、硅铁等采用富氧鼓风效果明显。(2)富氧使煤气体积减少，煤气对炉料下降阻力减小，允许进一步提高冶炼强度增加产量。如入炉风量不变，鼓风含氧由原来大气鼓风时的a0增加到a，其理论增产(焦比不变)为Δp=-/a=01/0.21=4.76%。冶炼实际增产范围在2%～5%之间，其值主要取决于原燃料条件，喷吹燃料状况等。(3)富氧鼓风后，氮含量相对降低，生成煤气中还原剂CO浓度增高，尤其喷吹含H/C比高的燃料时，煤气中H2含量增加，有利于高炉间接还原的发展，减少焦炭消耗。鼓风中每增加1%氧，焦比降低0.5%左右，但若鼓风含氧过高，由于吨铁风量减少，当风温不变时，鼓风带入炉内热量减少，又不利于降低焦比。(4)煤气内氮含量减少，发热值相应提高(每增氧1%，提高100～130kJ/m)，从而改善了煤气质量。(5)富氧鼓风使风口前理论燃烧温度提高，可进一步增加喷吹燃料数量，产生更大的经济效益。

方法与操作

富氧鼓风的方法主要有两种：一种是从鼓风机吸入口加入低压氧气，其优点是氧气不用专门氧压机加压，可节约投资与电耗，高炉操作方便;其缺点是需设高炉专用制氧机，氧漏损较多，该方法在前苏联普遍采用;另一种是采用高压供氧即工业氧通过加压后直接加入高炉管道内，工艺流程见图1，其优点是可与炼钢用氧联网，保持制氧机全负荷运行，比较经济，但需增设氧压机加压，投资多，电耗高。最近一些国家正在研究发展高炉氧煤燃烧器，即将工业氧通过氧煤燃烧器送入，与喷吹煤粉有效混合，实现充分燃烧和大量喷吹煤粉。

操作方面，随鼓风含氧提高，风口前理论燃烧温度升高，高炉内气固比减少，因此炉缸热状态、炉内温度分布、煤气流分布以及料柱透气性等均发生较大变化，必须采取相应措施以维持合理的煤气流分布与适宜的炉缸热状态，保证炉况稳定顺行。

燃烧温度

理论燃烧温度过低，炉料加热与还原不足，将导致炉凉、渣铁温度低、喷吹燃料燃烧不充分;理论燃烧温度过高，煤气体积迅速膨胀，与SiO大量气化，将会造成炉况不顺。实践证实：随鼓风含氧增加，吨铁煤气量减少，为满足正常冶炼条件下对炉料的加热与还原所需要的热量，必须相应提高理论燃烧温度，增加煤气热焓。中国鞍钢2号高炉普通鼓风时炉缸煤气量为1818m/t，理论燃烧温度为2098℃，当鼓风含氧量达到28%时，理论燃烧温度上升到2320℃。控制理论燃烧温度的方法，主要是控制合适的喷吹燃料数量。理论计算鼓风含氧增加1%，理论燃烧温度上升40～50℃，而每增加喷吹10kg/t煤粉，理论燃烧温度降低20～25℃。降低理论燃烧温度使用天然气效果最明显，重油次之，煤粉较差。因此为了控制正常冶炼时的适宜理论燃烧温度，鼓风含氧每增加1%，需增加的喷吹燃料量：天然气为8～10m/t，重油11～14kg/t，煤粉则以13～18kg/t为宜。

保证氧过剩

为保证喷吹燃料在风口前充分燃烧，需控制一定的氧过剩系数。鞍钢喷吹煤粉实践证实，氧过剩系数不宜低于1.15。喷吹重油时不宜低于1.05。当喷吹燃料量较少时大气鼓风就可以维持必要的氧过剩系数水平(>1.5)。但当喷煤量超过120kg/t时，就要用富氧来保证氧过剩系数。有的国家因高炉的吨铁风量小，富氧率较高;中国的实践是采用低富氧，如宝钢高炉富氧3%左右，达到喷煤200kg/t以上。

上下部调剂

富氧鼓风后由于喷吹量增加，焦炭负荷上升，料柱透气性变差，炉缸径向温度梯度增加，中心不活跃。为此应采取以下措施以维持炉况稳定：(1)适当缩小风口面积，维持一定的风速与鼓风动能，以保持适宜的风口回旋区深度与良好的炉缸工作状态。鞍钢2号高炉，鼓风含氧每增加1%，风口面积缩小1%～4%，以保持其适宜的回旋区深度(1.0～1.2m);(2)上部采用以疏通中心为主并适当发展边沿煤气流的装料方法以改善料柱透气性，降低料柱阻损与提高炉缸渣铁渗透性。中心加焦装料方法是解决富氧鼓风后炉缸中心不活跃，料柱透气性恶化的有效手段。

必要性

随着我国炼铁规模的急剧扩大，其生产工艺流程的组织、先进技术的采用就尤显重要。我国在20世纪70年代末以前炼铁生产工艺及操作还都处于初级阶段，随着技术及生产管理人员视野的开阔，对外交流的增加，以及随着炼铁规模的扩大，其原材料，特别是焦碳的供需矛盾日益加剧，外加焦碳价格、炼铁成本等因素，迫使炼铁生产势必走富氧大喷煤节焦、增铁之路。高炉采用喷煤工艺，可以煤代焦，减少炼铁对焦碳的需求。目前炼铁焦比已从最初的800~900kg/t铁降至300~400kg/t铁，这样就大大节约了焦碳，缩小冶金行业炼焦规模，当然也就大大减少了炼焦生产对环境的严重污染。

当然，高炉喷煤所需的煤种也应结合我国的国情及煤炭资源现状而妥善的确定，一般因我国无烟煤贮量相对较少且产地较为集中，以及运距长等缺点而不宜多采用，而烟煤贮量较多，且产地分布较广，运距短，故我国高炉宜喷烟煤为佳。

高炉喷煤节焦固然很好，但采用通常的炼铁工艺，其喷煤量受限制，随着喷煤量的增加，则高炉炉缸温度下降，而当高炉炉缸温度下降太多，则将会引起高炉炉况的恶化，相应其喷煤置换比下降，故高炉喷煤量增加则势必要给高炉以热量补偿，目前高炉热补偿主要是提高高炉鼓风风温或是提高高炉鼓风中的含氧量等，虽然目前采用鼓风空气及煤气双预热以提高风温，但毕竟有限。而同时采用高炉富氧鼓风工艺则既简便易行，又经济效益甚佳。高炉采用富氧鼓风，它增加了鼓风中氧气的含量

（浓度），也就相当于增加了鼓风量，当然也就提高了高炉的冶炼强度。而更主要的是富氧鼓风能够提高高炉风口前的燃烧温度，给高炉以大量热量补偿，从而给高炉进一步加大喷煤量创造了条件，一般富氧率提高1%即可使煤粉喷吹率增加6%。富氧率提高3%~4%和提高高炉鼓风风温200度二者对增加喷煤量的影响其效果基本上是相同的。所以说，高炉要想大喷煤多节焦、增铁，降低运行成本，减少环境污染等则势必要辅以高炉富氧鼓风，给高炉以大量热补偿才能确保高炉炉缸温度，从而使高炉正常顺行。

应用

烟化炉在铅、锌、锡等有色金属冶炼过程中广泛使用，其主要作用是对含金属高的熔渣进一步处理，综合回收渣中的有价金属。目前，大多数烟化炉工艺采用将空气和粉煤混合后吹入到高温熔池中燃烧放热，产生大量的热量和 CO 气体，热量用来维持整个系统的热量平衡和熔池稳定，CO 气体在高温下将金属氧化物还原呈各种形式挥发，在烟尘中富集，从而实现了金属物质的综合回收。其主要特点是设备结构简单，工艺成熟、流程短、金属回收率高等。随着现代冶金技术的发展和企业对经济技术指标的重视，烟化炉吹炼技术也在不断的发展和革新。富氧熔炼技术越来越多地使用在冶金提取过程中，其主要优点是生产效率高，反应速度快，烟气量少，能耗低等。

若在烟化炉生产工艺中鼓入富氧空气，会引起炉内反应过程及气氛发生较大的改变，对炉内粉煤的充分燃烧、冶炼温度的控制、升温速度的调节、炉内气氛的控制、炉况的改善、吹炼时间的长短、冶炼效率等方面影响很大。采用富氧熔炼会有利于烟化炉生产技术指标提高、能源节约和环境保护。

可行性

烟化炉主要从有色冶金炉渣中挥发铅、锌等金属，其烟化挥发的实质是将空气和粉煤的混合物通过风嘴喷入到高温熔渣中进行还原吹炼，粉煤既是燃料又是还原剂。熔渣中的金属氧化物遇到热态碳或者未完全燃烧产生的 CO 被还原成金属，并以气态的形式进入到高温烟气中，后又被氧化成金属化物，以氧化物的形式被捕集于收尘设备中。

烟化炉生产过程可以分为四个阶段，若按每 2h 生产 1 炉的生产周期，其各阶段的参数：

（1）进料阶段：将上段工序放出的热态渣加入到烟化炉内，炉内温度会从 1200℃降到 900℃左右，进料时间为 15min，此时空气过剩系数为0.65~0.85。

（2）升温阶段：炉温从 800℃升到 1250℃左右，此阶段应尽快提高炉内温度，缩短提温时间，保证炉内熔渣的温度维持在一个较高的水平。提温时间30min，此时空气过剩系数为 0.8~0.85。

（3）吹炼阶段：炉温达到 1300℃左右，此时炉内应控制在强还原气氛，CO 含量较高，有利于金属元素的还原，此阶段吹炼时间为 60min，空气过剩系数为 0.65~0.75。

（4）放渣阶段：此时应尽量提高炉温，以便顺利放渣，放渣时间为 15min，空气过剩系数0.65~0.75。

从烟化炉生产周期的四个阶段来看，可以在进料、升温和放渣三个阶段从二次风管中鼓入富氧空气进行吹炼，富氧浓度控制在 21%~25%，以快速提高炉膛内的温度，强化熔池反应，缩短反应时间，减少烟气量，提高生产效率。此技术只是提高鼓入的二次风氧气的浓度，其它操作过程与现行的冶炼过程相同，工艺上不会作很大的变动，生产工艺上是可行的。

对产量的影响

维持送风

高炉维持入炉风量不变，随着富氧率的升高，必然带来高炉产量的升高，但同时炉缸煤气量、理论实际煤气流速升高较多，这将给高炉的顺行带来威胁。

维持强度

高炉维持强化程度不变( 维持理论煤气流速不变) 的情况下，随着富氧率的升高，产量小幅提高，但入炉风量、实际风速及鼓风动能下降，易引起高炉炉缸初始煤气分布的异常变化，必须及时进行基本冶炼制度的调整，维持炉况的顺行稳定。

影响喷煤量

富氧鼓风有利于提高喷煤量，高炉鼓风富氧率的提高，在缓解喷煤量增加带来的理论燃烧温度升高的同时，降低了理论煤气流速，有利于高炉顺行，因此富氧鼓风利于提高喷煤量。

高炉富氧率

在维持入炉风量不变的情况下，随着高炉富氧率的提高，高炉产量必然升高，通过实例计算发现，随高炉富氧率的升高，炉缸煤气量升高，导致理论实际煤气流速大幅升高，高炉炉内透气性与煤气流运动的矛盾激化。

因此，在维持入炉风量不变的情况下，高炉富氧率的提高必须根据高炉自身的冶炼条件，确定其能够承受的理论煤气流速，进而确定合理的富氧率，避免因盲目提高富氧率而导致高炉顺行变差。

为缓解以上矛盾，高炉提高富氧率后，可考虑适当降低入炉风量，通过风口面积、风温等的调整维持合理的实际风速与鼓风动能，实现送风制度的稳定，这种调整在不影响高炉产量甚至产量增加的情况下，可以缓解炉内透气性与煤气流运动的矛盾，例如实例计算发现，高炉富氧率提高后，通过缩小风口面积、提高风温、增加煤比等调整手段，在产量升高的情况下，送风制度基本稳定，理论实际煤气流速也出现明显降低，为高炉顺行提供了有利条件。

展望

随着钢铁工业不断发展，传统的高炉炼铁工艺所需要的大量炼焦煤日趋枯竭，迫使炼铁工作者寻求新的焦炭代用品。因此，在发展富氧大量喷吹燃料的同时，高炉全氧(无氮)鼓风技术是近年各国广泛关注的新工艺(见图2)，在日本、前苏联等国家已进行了试验研究。这种工艺具有高生产率、高喷煤量、低焦比、高煤气热值、环境污染少、投资省的特点。1986年日本钢管公司在3.9m试验炉上进行了全氧鼓风试验，每吨铁喷吹煤粉量增加到320kg/t，高炉炉况稳定顺行，利用系数达到5.1t/(m·d)，直接还原度与入炉焦比均降低一半以上，生铁质量明显改善。中国炼铁工作者在大量实验室研究的基础上，也已提出了一种新的高炉氧煤炼铁工艺，并将进行工业规模试验。

高炉富氧鼓风逐步成为高炉强化冶炼的重要手段，尤其是随着喷煤量的升高，富氧已经成为综合喷煤冶炼不可或缺的手段，高炉操作中应根据高炉自身冶炼条件确定合理的富氧率，为高炉的稳定顺行奠定基础，实现富氧鼓风的效益最大化。

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