隨著焦煤資源日益緊張，焦炭價格日趨昂貴，尋求價格低廉的其他資源替代焦炭一直是鋼鐵企業(yè)努力的方向。經(jīng)過近年來的發(fā)展，高爐噴吹煤粉技術已經(jīng)廣泛運用于各企業(yè)，但要提高噴煤比，實現(xiàn)大噴吹量，除提高風溫、改善爐料結(jié)構(gòu)和質(zhì)量外，提高富氧率是必不可少的手段。由于各企業(yè)高爐富氧的氧氣來源大多是煉鋼生產(chǎn)富余的，造成氧氣供應沒有保證，富氧率不穩(wěn)定，不利于爐況的穩(wěn)定和充分發(fā)揮噴煤的作用，而寶聯(lián)氣體變壓吸附制氧新技術為高爐富氧提供了新的選擇和方向。
富氧噴煤是高效煉鐵的有效手段
噴吹煤粉是高爐降低焦比、強化冶煉的有效措施，目前中國高爐的噴煤已經(jīng)達到了較高水平，部分企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了200kg/t以上的噴煤比。但大多數(shù)高爐受條件制約，噴煤比一直在120kg/t甚至更低的水平徘徊，導致入爐焦比居高不下，影響了高爐的強化和效益的提高。特別是近年焦炭價格大幅上漲，噴吹用煤差價在600元以上，提高噴煤比對煉鐵生產(chǎn)的影響顯得尤為突出。
富氧噴煤是高爐富氧鼓風和噴吹煤粉技術的有機結(jié)合，是高爐高效噴吹技術的發(fā)展方向，是提高噴煤量、改善噴吹效果的重要技術措施，富氧噴煤技術的應用可以強化高爐冶煉，大幅增產(chǎn)節(jié)焦、降低成本，是高爐高效煉鐵的重要手段。作為一項成熟的技術，目前富氧噴煤已廣泛應用于高爐煉鐵生產(chǎn)。
噴吹煤粉對高爐冶煉的影響
風口前理論燃燒溫度：由于煤粉的吸熱、氣化、裂解，噴吹煤粉會導致風口前理論燃燒溫度降低，特別是大噴煤量對理論燃燒溫度的影響尤為突出。
煤氣量及鼓風動能：由于煤粉的碳氫化合物含量遠高于焦炭，碳氫化合物在風口前氣化產(chǎn)生大量氫氣使煤氣體積增大，煤粉中H/C比越高增加的煤氣量越多。另外，煤粉槍噴出的煤粉在風口內(nèi)和風口前進行脫氣、分解、燃燒，燃燒產(chǎn)物與熱風形成混合氣流，其流速與全焦冶煉時的風速相比要大得多，故噴吹煤粉使煤氣量和鼓風動能增大，且煤氣量和鼓風動能隨著噴煤量的增加而增加，有利于中心發(fā)展。
間接還原和直接還原反應：噴吹煤粉使得煤氣中的還原性氣體成分（主要是CO、H2）增加，特別是氫含量增加，促使間接還原反應發(fā)展。噴吹煤粉后，礦/焦比的提高改善了間接還原反應，抑制直接還原反應的發(fā)展。
煤粉的燃燒率及未燃煤粉的行為：煤粉在高爐風口回旋區(qū)有限的時間和空間內(nèi)完全燃燒是不可能的，它的燃燒行為直接影響高爐噴煤的效果和高爐爐況。在沒有其他措施配合的情況下，煤粉在風口回旋區(qū)內(nèi)的燃燒率比較低，噴煤量越大，未燃煤粉的絕對量也越大，特別是大噴煤量時存在有大量未燃煤粉。未燃煤粉在爐內(nèi)有少量被有效利用，大量的未燃煤粉給高爐的冶煉操作帶來困難：一部分未燃煤粉隨爐頂煤氣被帶出爐外，另一部分則滯留爐內(nèi)參加滲碳、氣化、直接還原等；當滯留爐內(nèi)的未燃煤粉超過一定量時會惡化爐況。如爐缸內(nèi)未燃煤粉過多，就會影響爐渣的透液性，引起爐缸堆積，渣中帶鐵，大量燒壞風、渣口，爐渣流動性變差，影響出渣出鐵。如高爐中上部滯留的未燃煤粉過多，就會影響整個料柱的透氣性、透液性，特別是對軟熔帶部位的透氣性影響極大，造成高爐風壓上升、風量下降，壓差升高，容易造成爐況難行。如果大量的未燃煤粉黏結(jié)于爐墻，就容易造成爐墻結(jié)厚而影響正常生產(chǎn)。
爐頂溫度：由于噴吹煤粉使煤氣量增加，使得高爐爐頂溫度升高。
富氧鼓風對高爐冶煉的影響
產(chǎn)量：高爐富氧的最大效果是增加產(chǎn)量，理論上鼓風中含氧量每提高1%，將會增產(chǎn)4.76%。
風口前理論燃燒溫度：富氧鼓風可以顯著提高風口前的理論燃燒溫度。資料顯示，當其他冶煉條件不變時，每提高鼓風中含氧量1%，理論燃燒溫度升高41℃。
煤氣量及鼓風動能：富氧后因鼓風中氧含量提高，其他氣體成分相應降低，使得單位生鐵爐缸煤氣量減少，鼓風動能相應降低，有利于邊緣發(fā)展。
爐頂溫度：富氧后，由于鼓風中氧含量提高，單位生鐵的耗風量減少，熱風帶入熱量相對減少，同時單位生鐵爐缸煤氣發(fā)生量減少，軟熔帶下移，上部熱交換區(qū)擴大，使得爐身中上部溫度下降，爐頂溫度降低。
加快碳素燃燒：碳的氣化速度與氣相中氧的濃度成正比，氧濃度提高，加快氧向碳表面?zhèn)鬟f速度，因而反應速度加快，故富氧鼓風會加快碳素燃燒。
噴吹煤粉與富氧鼓風相結(jié)合效果好
從噴吹煤粉與富氧鼓風對高爐冶煉的影響情況可以看出，富氧和噴煤技術有機結(jié)合，相輔相成，可以充分發(fā)揮富氧和噴煤各自的優(yōu)勢，形成劣勢互補，可產(chǎn)生最大的經(jīng)濟效益。
1）富氧可以提高鼓風中氧的濃度，加速碳素燃燒，提高煤粉燃燒率，改進煤粉燃燒效率，減少未燃煤粉比例，為大噴煤量提供了必要的保障。
2）富氧可以提高理論燃燒溫度，而噴煤使理論燃燒溫度降低，二者形成互補，以保證高爐冶煉所必須保持的理論燃燒溫度，保持爐況的順行穩(wěn)定。
3）煤氣量及爐頂溫度形成互補，富氧使單位生鐵煤氣量減少，爐頂溫度降低，而噴吹煤粉的作用正好相反，二者相輔相成。高富氧率有利于高爐接受高煤量，有利于爐況的穩(wěn)定順行及生產(chǎn)指標的改善。
4）提高噴煤比是高爐生產(chǎn)追求的目標，而煤粉燃燒率及噴煤置換比是限制噴煤量提高的因素，富氧鼓風為提高噴煤比提供了較好的條件。高富氧的目的在于增加生鐵產(chǎn)量和減少爐腹煤氣量，達到高產(chǎn)能、高煤比時爐況的穩(wěn)定順行。生產(chǎn)實踐證明，3%~5%的富氧率是實現(xiàn)200kg/以上噴煤比的必要條件。
變壓吸附制氧技術穩(wěn)定富氧率
富氧鼓風面臨的最大問題是氧氣的供應。作為鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，制氧廠生產(chǎn)的氧氣首先要保證煉鋼生產(chǎn)，有富余時才供給高爐，有可能造成高爐富氧率不穩(wěn)定，對高爐爐況的穩(wěn)定和噴煤效果的發(fā)揮極為不利。江蘇省某鋼鐵企業(yè)煉鐵廠于2009年投產(chǎn)，高爐富氧狀況不理想，由于煉鋼的生產(chǎn)能力和煉鐵的生產(chǎn)水平不匹配，造成鐵水量一座轉(zhuǎn)爐吃不了、兩座轉(zhuǎn)爐不夠吃的狀況；而制氧的能力在煉鋼單爐生產(chǎn)時稍有富余，雙爐生產(chǎn)保煉鋼都很勉強。高爐富氧時有時無，對爐況的穩(wěn)定和噴煤量的提高、噴吹效果的發(fā)揮造成極大影響。為了保證噴煤量和噴吹效果，該廠曾嘗試購買液氧，但液氧的成本較高。為確保高爐有一個較高且穩(wěn)定的富氧率，為下一步大噴煤量做準備，通過考查論證，他們選擇了由北京北大先鋒科技有限公司提供的成套ZO-4000/90型變壓吸附制氧（VPSA）設備。該設備于2011年底投入使用。生產(chǎn)實踐證明，該套設備具有工藝流程簡單、投資少、占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、自動化程度高、操作靈活方便、成本（能耗）低等優(yōu)點，且開停機方便、設備性能可靠、故障率低（基本免維護）。該設備的主要生產(chǎn)指標為：氧氣純度80%~93%可調(diào)、氧氣輸送壓力MPa≥0.6、氧氣溫度≤40℃、氧氣產(chǎn)量5200Nm3/h~4200Nm3/h(隨純度可調(diào))，電耗0.36為kWh/Nm3~0.44kWh/Nm3，完全能夠滿足高爐富氧的需求。
變壓吸附法是利用吸附劑在不同的壓力下對氣體的吸附能力不同，對空氣中各種氣體進行分離。其工作原理是：空氣經(jīng)加壓（約高于常壓）后穿過分子篩（吸附劑床），利用分子篩（吸附劑床）對氮氣的吸附能力遠大于對氧氣的吸附能力的特點，使空氣中的氮被選擇性吸附后分離出氧；當分子篩吸附氮氣達到飽和狀態(tài)后，減壓使氮脫附，吸附劑便可再生重復使用；利用兩個及兩個以上的吸附劑床交替切換工作，便可連續(xù)生產(chǎn)出氧氣。
變壓吸附制氧設備投用后，該廠高爐的富氧率基本穩(wěn)定，噴煤比穩(wěn)中提高，高爐爐況穩(wěn)定順行，經(jīng)濟效益顯著，高爐生產(chǎn)技術經(jīng)濟指標明顯改善，為下一步提高噴煤比提供了有力保障。目前，該廠正對噴煤系統(tǒng)進行改造，下一階段的目標是在保證爐況穩(wěn)定順行、保證高置換比的前提下，把噴煤量提高到160kg/t~180kg/t，充分發(fā)揮大噴煤的優(yōu)勢，強化冶煉，降低焦比，切實提高技術經(jīng)濟指標，最大限度地創(chuàng)造經(jīng)濟效益。
富氧鼓風是高爐提高噴煤比、置換比的必要條件，高富氧率、大噴煤量技術的運用使高爐煉鐵的技術經(jīng)濟指標進一步改善。變壓吸附制氧技術因其能耗低進一步降低了氧氣的成本，經(jīng)濟效益顯著，在高爐煉鐵生產(chǎn)中應用前景看好。
