浅谈“经济富氧”
臧向阳黄后芳
摘要：富氧喷煤是高炉强化冶炼的重要手段，选择适宜的富氧率、喷吹比，实现高炉经济炼铁。
本文结合实际生产中提高富氧量，提高煤比，取得较好效益的情况，建立经济富氧量的简单数学模型。
关键词：经济富氧
1 引言
高炉富氧鼓风的历史发展
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．o％。
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．O％，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2000m3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156m3／t，高炉增产9．4％，利用系数达到2．5t／(m3?d)，焦比398kg ／t，获得了较好的经济效益。
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。
1985年宝钢1号高炉4063m3大型高炉上采用鼓风机前富氧，最大富氧率4％。
高炉喷煤的历史发展
高炉喷吹煤粉始于1840年班克（S.Banks）喷吹焦炭和无烟煤的设想，在1881年获得专利。
1961年，在北美汉纳公司的2号高炉完成第一次大规模的工业高炉喷煤试验，1972年阿姆科钢铁公司的阿曼达高炉成为第一座完全将喷吹煤粉应用于工业规模的高炉。
日本于1981年开始采用高炉喷煤技术，法国于1982年首次采用高炉喷煤技术，英国于1983年首次采用高炉喷煤技术，德国于1985年首次采用高炉喷煤技术。
1988年克利夫兰炼铁厂进行了富氧喷煤试验。
1964年，我国首次在鞍钢6号高炉喷吹烟煤，因发生爆炸而中断。
1965年10月，首钢1号高炉在没有富氧的情况下，喷煤率达到30%以上，创当时世界最好成绩。
由于计量、监测、自动控制水平发展较慢，制约喷煤技术的运用与发展。
1986年8~12月和1987年4~7月，鞍钢进行了两个阶段的高富氧（28~30%）大喷吹（150~200kg/t）工业试验，效果显著。
1991年，首钢进行了富氧喷煤试验。
包钢1990年进行了高炉富氧大喷煤工业试验。
见表一、表二、表三：
表一：鞍钢2号高炉富氧喷吹试验技术指标
表二：包钢1号高炉富氧喷吹试验指标
表三：首钢1号高炉富氧喷吹试验主要技术指标
高炉富氧与高炉喷煤技术相结合，大大促进喷煤技术的发展，是高炉高煤比冶炼的辅助技术手段，目前，富氧喷煤作为一项综合技术运用于高炉冶炼。
笔者在此不讨论富氧喷煤技术的工业运用，而是从经济角度来谈谈个人对“经济富氧”的认识。
2 富氧的经济性分析
富氧鼓风需要消耗氧气，氧气的成本远远超过鼓风成本，就富氧鼓风本身而言是增加成本的。
在生产实践中，富氧鼓风提高煤比，降低燃料消耗，从而体现富氧喷煤的综合效益。
关于富氧的经济性，国内不少学者专家建立了数学模型，但与实际生产中的具体情况差别很大，这也就出现全国高炉富氧率差别很大。
笔者立足实际生产情况，对富氧经济进行分析，认为富氧的效益主要体现在四方面：提高煤比、提高煤粉置换比、提高煤气热值、降低风耗。
以下是A钢厂近年指标情况。
1.提高煤比
1965年10月，首钢1号高炉在没有富氧的情况下，喷煤率达到30%以上，但由于炉缸温度不足等原因引起高炉炉缸工作失常。
理论上，提高1%富氧率将提高理论燃烧温度40℃左右，可增加16kg/t。
理论计算，以吨铁富氧量30m3，煤比170kg/t，煤粉置换比按照0.85为例进行计算。
对比A钢厂实际生产情况。
见表四、表五。
表四：不同燃料比、风耗条件下富氧的效益对比
表五：A钢厂实际生产情况
通过以上两组数据表明，可以得出以下结论：
①通过提高煤比，吨铁富氧每1m3能够降低成本0.4~0.6元；
②燃料比越高，风耗越高，单位富氧的效益越低。
2.提高煤粉置换比
目前，制约高炉180kg/t以上煤比的瓶颈在于如何解决高炉未燃煤粉得出问题。
诸多研究表明，减少未燃煤粉的最有效途径就是提高煤粉在风口前的燃烧率。
煤粉从风口喷入炉内，停留时间短。
经验表明，煤粉在10～40ms内只能燃烧60～80%。
有文献研究了热风温度和氧气浓度对煤粉燃烧率的影响，在风温1200℃，鼓风中氧气浓度在30%以下时，提高风温和增大富氧率对提高烟煤的燃烧率较为显著，而无烟煤要达到和烟煤同样的燃烧效果，则需要更高的风温和富氧率。
实践生产证明，鼓风氧气浓度在25%左右时，煤粉置换比最高。
根据西安交大的《富氧气氛中煤粉燃烧特性改善的实验研究》指出，随着氧的体积分数的增大，煤样的着火温度及燃尽温度均呈下降趋势，着火时间提前，燃烧时间缩短，煤粉的综合燃烧特性指数提；当氧的体积分数小于40%左右时，煤粉燃烧特性的改变较大，当氧的体积分数大于40%时，改善趋势变缓。
以下是鞍钢关于不同富氧条件下煤粉燃烧率的工业试验数据，见表六。
表六：鞍钢测定置换比与氧过剩系数关系
氧过剩系数越高，煤粉的置换比越高。
经验表明，在富氧喷煤条件下，煤粉置换比在0.85～1.05范围内。
A钢厂实践经验表明，富氧率达到～3.5%时，煤粉置换比达到1.0，而无富氧条件下，煤粉置换比0.75～0.85。
据此，推算煤粉置换比提高后，增加富氧的效益。
见表七：表七：不同煤比、燃料比条件下，置换比提高的效益
结论：
①风耗越低，煤比越高，通过提高富氧提高置换比的效益越大；
②通过提高富氧来提高置换比，以获得较好的效益，具有较大不确定性。
3.提高煤气热值
鞍钢试验表明，富氧1%提高煤气发热值2.5~3.0%。
A钢厂热风炉采用全高炉煤气烧炉，分析历年指标来看，虽然煤气利用提高后风温仍然保持在1170~1180℃的较高水平，主要得益于富氧率较高。
实践表明，富氧率提高1%，采用全高炉煤气烧炉热风炉能够提高风温10~15℃，降低焦比1kg/t，焦炭单价按照2.0元/kg计算，降低成本2元/吨。
4.降低风耗，有利于提高冶炼强度
富氧1%，相当于提高风量4.76%。
相同条件下，减少使用电动鼓风机的电耗3~4度/吨铁，电单价按照0.6元/度计算，1%富氧率降低成本约2.0元/吨。
3 经济富氧数学模型的建立
以上分析基于给定单价、燃料消耗的基础上进行量化分析，将以上各因素转化为相关函数列式如下：
吨铁耗风量：F=0.0102×k2-7.3771×k+2321-3.762×Y （1）增加喷煤量：ΔM=Y×0.79/（Y+F）（2）
增加喷煤的效益：X
1=（（M+ΔM）×Z
2
- M×Z
1
）×（P
j
-P
m
）-Y×P
o
（3）
降低电耗的效益：X
2=2.37/（Y+F）×P
d
（4）
提高煤气热值的效益：X
3=0.79/（Y+F）×1×P
j
（5）
富氧鼓风的综合效益：X=X
1+X
2
+X
3
（6）
其中：
k 燃料比，kg/t
Y 吨铁富氧量，m3/t
Z
1
富氧前煤粉置换比，一般取0.8
Z
2
富氧后煤粉置换比，一般取0.85～1.05（可以对比测定）
P
j
净焦单价，元/kg
P
m
煤粉单价，元/kg（含制粉费用）
P
d
电单价，元/度
将各项参数代入式（6），如果X＞0，则表明富氧是有效益的。
4 几点讨论
式（1）～式（6）的数学模型是比较粗糙的，在实际生产中存在以下几点问题：
①富氧1%增加产量3%，在高炉需要提产时富氧的效益将最大化；
②高炉喷吹煤粉采用劣质煤，诸如高灰分、可燃性等，煤比可提高的量较小；
③喷吹烟煤较多时，煤比提高的量也相对较小；
④煤比低于150kg/t时，只要适当提高鼓风温度即可；
⑤高炉大喷吹后，各项制度应相应调整，减少未燃煤粉的总量；
⑥提高煤比受制于制粉能力、喷吹输送能力等设备因素；
⑦富氧提高煤气热值的效益，在高炉煤气全回收企业效益更明显，诸如全高炉煤气
热风炉烧炉、高炉煤气发电。
高煤比是高炉经济炼铁的大方向，富氧鼓风减少单位生铁的煤气量，可以减缓大量喷吹煤粉后因焦炭负荷加重而导致的压损上升和透气性变化，富氧1%降低炉腹煤气量3%。
从现场操作来看，富氧鼓风是有利的。
企业在确定富氧率时，应综合考虑成本的、操作的影响，才能实现富氧效益最大化。