榮蘭玉 李春林 高艷宏 賈 碧

(1. 河北永洋特鋼集團有限公司 技術(shù)中心， 河北 邯鄲 057150；2. 重慶科技學(xué)院 冶金與材料工程學(xué)院， 重慶 401331)

0 前 言

隨著氣候變暖、環(huán)境污染和資源匱乏等問題日益凸顯，地球生態(tài)系統(tǒng)和人類健康受到了嚴(yán)重的威脅。為此，世界各國紛紛出臺了各種節(jié)能降碳計劃。為應(yīng)對嚴(yán)峻的氣候變化、實現(xiàn)中國可持續(xù)發(fā)展、加強生態(tài)文明建設(shè)，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國大會上首次提出“雙碳”目標(biāo) —— “碳達(dá)峰”和“碳中和”。中國的CO2排放主要來源于化石燃料燃燒，而鋼鐵工業(yè)作為中國制造優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，是最大的能源消耗行業(yè)之一，CO2排放量約占全國碳排放總量的15%，占世界鋼鐵碳排放總量的60%以上[1-3]，其中約70%來源于高爐煉鐵[4-5]。因此，煉鐵過程中的節(jié)焦降碳對鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排效果起著至關(guān)重要的作用。

作為現(xiàn)代高爐一項重要的強化冶煉技術(shù)，高爐富氧鼓風(fēng)綜合噴吹對減少碳排放、提升競爭力具有非常重要的作用，將成為未來高爐實現(xiàn)低碳冶煉的重要途徑[6-8]。河北永洋特鋼集團有限公司(以下簡稱永洋特鋼)1 260 m3高爐于2017年點火開爐以來，爐況平穩(wěn)運行。2021年6月提高富氧率后，出現(xiàn)了下料不暢和邊緣氣流發(fā)展等現(xiàn)象。永洋特鋼通過改善送風(fēng)制度、優(yōu)化裝料制度和控制爐頂溫度等措施，使高爐日產(chǎn)量突破5 000 t，煤比達(dá)到175 kg/t以上，燃料比降到520 kg/t左右，達(dá)到了爐況穩(wěn)定順行、節(jié)能減排的初步目標(biāo)。

1 大富氧對高爐冶煉的影響

富氧會增加鼓風(fēng)中的含氧量，使理論燃燒溫度升高、煤粉燃燒率增大、冶煉強度提高、煤氣中的CO濃度增加、爐缸熱狀態(tài)改善等。在燃料比不變的情況下，富氧率每增加1.00%，高爐冶煉強度提高4.76%。但富氧量過大會對高爐冶煉產(chǎn)生不利影響，如由高溫區(qū)下移所致的爐身熱量不足、邊緣氣流過大所致的爐缸徑向溫度分布失衡，以及低沸點物質(zhì)凝結(jié)沉積所致的料柱透氣性變差等問題。因此，選擇合適的富氧量至關(guān)重要。

2 大富氧冶煉操作實踐

2.1 改善送風(fēng)制度

提高富氧率可以使風(fēng)口前理論燃燒溫度急劇升高，導(dǎo)致高爐壓量關(guān)系偏緊，對料尺工作影響明顯，進而嚴(yán)重威脅高爐穩(wěn)定順行。對2021年5月28日 — 6月9日永洋特鋼1 260 m3高爐大富氧冶煉操作實踐進行分析。由理論燃燒溫度和富氧率的變化(見圖1)可知，隨著富氧率的增加，理論燃燒溫度呈先升高后降低的趨勢。當(dāng)富氧率提高到5.00%以上時，理論燃燒溫度呈明顯的升高趨勢；當(dāng)富氧率增加到7.63%時，理論燃燒溫度達(dá)到最高，為2 358 ℃。結(jié)合高爐操作經(jīng)驗，理論燃燒溫度需控制在2 350 ℃以下，否則高爐會出現(xiàn)明顯的憋風(fēng)現(xiàn)象，從而影響高爐爐況順行。

圖1 理論燃燒溫度和富氧率的變化

為保證高爐爐缸溫度合理分布，降低風(fēng)口前理論燃燒溫度，可適當(dāng)提高高爐噴煤量，使區(qū)域能量平衡，充分發(fā)揮富氧與噴煤各自的優(yōu)勢。根據(jù)式(1)的計算結(jié)果[9]與實踐摸索得出，高爐煤比控制在(175±5)kg/t時，可以保證煤粉利用率和理論燃燒溫度在合理范圍內(nèi)。

T=1 563+0.794Tb+40.3w-6fb-kpGm

(1)

式中：T—— 理論燃燒溫度；

w—— 鼓風(fēng)富氧率；

Tb—— 熱風(fēng)溫度；

fb—— 鼓風(fēng)濕度；

kp—— 煤粉耗熱系數(shù)；

Gm—— 噴煤量。

由鼓風(fēng)動能和煤氣量的變化(見圖2)可知，高爐大富氧后的煤氣量有所增加，鼓風(fēng)動能基本呈下降趨勢，且風(fēng)口下沿?zé)龘p的現(xiàn)象消失。這說明提高富氧率后，鼓風(fēng)動能和實際風(fēng)速趨于合理，既保證了足夠的中心氣流，又不會出現(xiàn)下旋現(xiàn)象。

圖2 鼓風(fēng)動能和煤氣量的變化

2.2 優(yōu)化裝料制度

高爐大富氧后，通過爐頂成像系統(tǒng)觀察到料面邊緣亮度區(qū)域明顯增加，偶爾可見邊緣有翻料現(xiàn)象，表明邊緣氣流過剩。由噸礦煤氣量的變化(見圖3)可知，隨著富氧率的增加，噸礦煤氣量大幅度降低，煤氣在與礦石的逆向運動過程中通過料柱的阻力明顯增加，從而造成邊緣氣流發(fā)展，尤其是煤氣流在塊料帶的重新分布，對整體氣流分布的影響較大。

圖3 噸礦煤氣量的變化

優(yōu)化裝料制度是控制高爐煤氣流變化的重要手段。針對邊緣氣流發(fā)展現(xiàn)象，采用“中心為主、抑制邊緣”的裝料制度。由高爐裝料制度優(yōu)化指標(biāo)(見表1)可知，除礦批由41 t增加到48 t外，布料角度也作了明顯調(diào)整。礦石布料向邊緣偏移，各環(huán)位布料角度均逐漸增大，靠近邊緣的3個布料角度各增加0.5°～ 1.0°，靠近中心的2個布料角度各增加0.5°，所有環(huán)位的布料圈數(shù)沒有改變。焦炭布料角度僅在最靠近中心的環(huán)位減小了1.0°，其他環(huán)位沒有改變；但在焦炭布料角度為32.0°時，將布料圈數(shù)由2圈增加為3圈，以提高布料在靠近中心位置的焦炭量，進而使中心氣流活躍。經(jīng)過調(diào)整后，最終得到中心為主、邊緣兼顧的高爐爐頂煤氣流分布。由爐頂溫度與煤氣利用率的變化(見圖4)可知，煤氣利用率從44.03%提高到46.50%，基本可穩(wěn)定在45.00%以上，為降低燃料消耗和爐況穩(wěn)定順行創(chuàng)造了條件。

表1 高爐裝料制度優(yōu)化指標(biāo)

2.3 控制爐頂溫度

高爐大富氧后，高溫區(qū)下移，爐頂溫度大幅度降低。過低的爐頂溫度會造成除塵布袋結(jié)露粘灰、透氣性差、箱體壓差高，易使布袋損壞。采用布袋除塵工藝時，爐頂溫度應(yīng)控制在150～200 ℃[10]。高爐大富氧后，噸礦煤氣量減少，導(dǎo)致煤氣熱損失增加，爐頂溫度降低。由圖4可知，高爐大富氧后，爐頂溫度最低降到93 ℃。為此，采取了如下2項措施：

圖4 爐頂溫度與煤氣利用率的變化

(1) 提高高爐噴煤比。由焦比、煤比和焦丁比的變化(見圖5)可知，除2021年6月3日煤比稍低外，其余時間基本能達(dá)到175 kg/t以上，起到了節(jié)焦降耗、平衡理論燃燒溫度的作用，為高爐大富氧操作穩(wěn)定順行提供了保證，是高爐大富氧操作的重要和必要條件。

圖5 焦比、煤比和焦丁比的變化

(2) 增加干熄焦比例。增加干熄焦比例，可以降低焦炭水分含量，減少焦炭熱交換帶走的熱量，以保證煤氣離開時具有足夠的溫度。提高高爐富氧率后，干熄焦比例由50%提高到80%，有效緩解了因爐頂溫度下降所引起的布袋除塵箱體壓差升高的現(xiàn)象。

3 大富氧操作效果

通過采取上述方法和措施，永洋特鋼1 260 m3高爐大富氧后的各項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)得到了明顯改善。由圖5可知，煤比最高達(dá)到了183 kg/t，除大富氧之初噴煤量沒有及時增加外，煤比基本維持在175 kg/t以上。由高爐利用系數(shù)的變化(見圖6)可知，大富氧后產(chǎn)量大幅增加，高爐利用系數(shù)最大增加到4.02 t/(m3·d)。降低燃料耗量和提高煤氣利用率，可以有效減少碳排放，為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)奠定了堅實基礎(chǔ)。

圖6 高爐利用系數(shù)的變化

4 結(jié) 語

在原燃料不變的情況下，永洋特鋼1 260 m3高爐實施了大富氧操作實踐。通過上、下部綜合調(diào)劑，當(dāng)高爐富氧率提高到7.4%～7.6%時，高爐爐況穩(wěn)定順行、各項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)得到了明顯改善，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。

(1) 擴大礦批、調(diào)大礦石布料角度、調(diào)小靠近中心環(huán)位的焦炭布料角度，可達(dá)到發(fā)展中心氣流、抑制邊緣氣流的目的。

(2) 適當(dāng)提高高爐噴煤量，實現(xiàn)大富氧和高煤比的有效配合，是將風(fēng)口前理論燃燒溫度控制在合理范圍內(nèi)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

(3) 提高高爐煤氣利用率和降低燃料比，可以達(dá)到節(jié)能減排的目的。