富氧技术改善高炉热风炉操作~
高炉是生铁的主要生产设备，高炉操作一直在紧随着降低总成本和焦炭消耗的要求而发展着。随着对热风炉高风温的要求，高炉操作已发生改变。因此，提高了对热风炉的要求，导致热循环燃料气体需要配备高热值气体，从而增加了操作的成本。在其他领域已经实践并证实，增加燃烧气体中的氧气含量，可以实现燃料气体温度的增加。
富氧技术应用于热风炉热循环的燃烧过程，具有一系列优点：(1)减少或消除了(高热值)燃料气体;(2)减少气体(废气)流量;(3)保持或增加了高炉热风温度。本文探讨了该技术在配有三个热风炉的高炉上的应用，介绍了富氧带来的高炉操作情况和燃气消耗方面的变化，并简单介绍了该领域未来发展趋势。
1、富氧技术介绍
在北美，已经成功地进行了在热风炉内使用富氧气体的实践，试验结果表明，富氧技术可以在不使用高热值燃料气体的同时，保持或增加热风温度。当热风炉条件变差，限制了燃烧空气用量时，富氧技术已经展示了能够增加热输入率和提高热风温度的能力。
利用富氧空气加热的概念于2012年被Linde Gas AGA引入FNsteel公司，该项目始于2010年12月。FNsteel公司该项目的主要内容包括：(1)去除丙烷富集的加热燃料气体。(2)通过流量和温度的控制，改善热风炉操作。FNsteel公司同时规定热风炉操作必须保证当富氧空气不能够满足高炉要求时，仍然可以使用丙烷富集气的能力。
FNsteel公司对高炉进行了一些改造，包括2012年夏季进行炉体维修和改造，2011年10月至2012年3月分阶段进行炉体修复，2009年更换气体清洁设备。FNsteel希望在富氧操作时仍保持双热风炉操作，下文将对此进行介绍。
基于燃烧过程本质，利用富氧空气对热风炉热循环的好处主要有两方面：
1)在一定的燃气热值下，绝热火焰温度升高;
2)由于替代了空气中的氮气，从易燃气体到耐火材料的辐射传热将会增加。
富氧燃烧的其他好处是减少了燃气(废气)量，这是由于在热风炉一定的热需求量条件下，空气/燃料的比例(空燃比)发生改变。
2、模拟热风炉操作
项目实施过程中，对热风炉所期待的行为进行了大量的数值模拟，这样可以为FNsteel公司实行富氧替代丙烷提供依据。分别研究了高炉煤气中氢气浓度与炉顶气体热值的关系，火焰温度与富氧的关系，以及火焰温度与空气/燃料比的关系。
研究结果表明，三个热风炉在1350℃火焰温度下循环操作是可行的。允许空气中的最大氧浓度为28%，能够提供发热值超过3.45 MJ/Nm3的高炉所需火焰温度。
为了弄清所需火焰温度的炉顶气体相应的丙烷率参数，研究了不同煤气数值下的混合气体热值与火焰温度的关系、不同煤气热值下的火焰温度与混合气中丙烷浓度的关系、不同煤气热值下火焰温度与空/燃比的关系。研究表明，对于有高热值的炉顶气体，热风炉操作中不需要燃气中高的丙烷浓度。
3、丙烷率控制
高炉气体中的丙烷率可以由恒定混合气体值或恒定流量控制。热控制系统负责控制输入混合燃气中的丙烷流量和进入每个热风炉的单独混合燃气流。尽管烧嘴分布允许一部分混合燃气进入燃烧空气流，混合燃气联合陶瓷烧嘴顶部的燃烧空气在燃烧室点燃。
丙烷富集流量控制包括三个阶段：
1)在丙烷富集流与高炉气混合前，机械弹簧的压力控制阀保持一个恒定的压力;
2)空气作用的流体控制阀由操作员控制定点控制器或二级控制系统操作;
3)安全关闭阀门、电磁操作关闭失败时，控制系统提示“丙烷富集”命令显示开放信号。
4、富氧率控制
对于富氧燃烧空气，进入每个热风炉的氧气作为单流独立控制，例如，三套氧气流控制系统和安全关闭阀。热风炉的控制系统负责控制周围空气流和富氧流进入每个热风炉，伴随着氧气混合进入周围空气，经过专属的扩散器，进入燃烧扛起关闭阀和热风炉炉壳之间的燃烧空气分路。对于周围空气的供给，每个热风炉有独立的可变电压—不同频率的电驱动鼓风机通过鼓风机输入阀控制周围空气流。
富氧率控制包括如下三个部分。
(1)安装于供给端的隔绝控制阀，由气动操作控制，操作人员输入打开氧气富集的操作命令;
(2)每个热风炉装有一个由气动操作控制的流量控制阀，设定器由热风炉控制程序控制;
(3)每个热风炉装有一个由气动操作控制的安全关闭阀，打开命令由操作人员选择每个独立热风炉的氧气富集命令。为了保证控制系统的安全，当氧气供给压力有偏差时，开启命令被移除，扩散管中的高氧压大流量到各个热风炉，或者同时触发真空管位置极限。
在控制系统正常并且每个热风炉单独可控氧气富集的条件下，氧气流控制阀设定器可用，并且可以由热风炉控制系统修改。
为了保证氧气流控制每个热风炉，许多条件需要提前满足：周围空气流大于等于最低值，燃气流不低于最低设定值，火焰设定时间周期，热风炉显示为“通气”。每个富集流控制器设定由“查询表”决定的。氧气浓度设定需要两个参数：(1)由操作人员设定的火焰或拱顶温度;(2)在线测量或操作人员输入的高炉气热值。
燃料(高炉)气流在设定的最小值时，燃烧空气与燃料气体的比值变化反应了富氧空气的需要量。氧气富集的燃烧空气/燃料气体比的设定是由“查询表”决定的，来源于以上的图标。与燃烧空气氧气浓度设定类似，富氧燃烧空气/燃料气体比值的设定需要提供两个输入参数：设定的火焰或拱顶温度和高炉气热值。
5、热风炉性能数据
研究了2011年10月7日1号高炉、2号高炉和3号高炉实际热风炉富氧控制的HMI屏幕截图。HMI屏幕内容包括：火焰温度、高炉煤气流量、周围(燃烧)空气流量、氧气流量、高炉煤气压力、废(烟)气氧含量等。在10月4日至7日运行期间，夜班时热风炉操作恢复到丙烷富集，白班对氧气富集进行了人工、半自动和自动测试模式测试。富氧的氧流量控制允许测试不同热值和温度的炉顶气体条件。这些条件是经过模型计算的预期性能。
对于富氧燃烧空气流的人工和半自动调试，热风炉拱顶温度保持在过去使用丙烷富集时的水平。
由HMI趋势确定的热风炉操作标准是：
(1)当从丙烷富集转换为氧气富集时，火焰温度继续保持;
(2)与模型预测结果相一致，热风炉氧气富集混合气体流量(仅高炉气体)增加，周围空气流量减少。
2011年10月7日热风炉氧气富集自动模式最终调试，保证高炉要求的热风炉稳定操作的条件是：
(1)1号热风炉—鼓风周期28 min，火焰温度1275℃;
(2)2号热风炉—鼓风周期38 min，火焰温度1300℃;
(3)3号热风炉—鼓风周期43 min，火焰温度1300℃。
6、小结
自2011年10月在科威尔哈FNsteel钢厂的热风炉车间保持两座热风炉循环模式运行，同时热风炉处于分阶段维修的模式。两个热风炉操作满足高炉要求，保持燃烧气中氧气浓度超过32%的富氧操作。
在这段时间内，氧气富集系统并未优化，直至2012年秋季三个热风炉循环模式的操作才可以进行。由于这个原因，循环热风炉周期的初始操作数据并没有使用，FNsteel、Lindex Gas AGA希望未来的操作能够实现预期。
