日本节能氧气高炉技术的发展前景

钢铁冶炼过程中节能的重要性已经受到了广泛的认识。在炼铁过程中，已经采用了许多相关的节能措施，通过传统方法实现进一步节能几乎是没法实现的。氧气高炉在能源使用的灵活性方面和CO2排放方面具有优势，是一种很有前景的工艺方法。

1日本高炉节能技术的发展

最近几年，高炉的内部容积已经逐渐增大，因此需要更大的负载能力。例如，在日本正在运行的一半高炉是巨型高炉，炉内容积超过了5000m3。巨型高炉提供了优秀的生产效率，然而需要高强、高质量的炉料去抑制半径方向的不均匀性和保证安全稳定的运行。

随着焦化和烧结的增强，在碳化和烧结过程需要更多结块能量。此外，随着高质量的自然资源的消耗，近几年铁矿石和煤的质量已经恶化，将来为现在的巨型高炉提供所必须的高质量的负载材料变得很困难。

氧气高炉工艺使用纯氧气代替热鼓风。它在20世纪80年代由JEF钢铁公司（前NKK）提出的。与传统高炉相比，由于氧气高炉在无氮环境下运行，使提高一倍的生产率成为可能。

此外，与传统高炉相比，氧气高炉的CO2排放已经明显降低。文章研究了以最新提出的氧气高炉为基础的炼铁工艺的优良配置，旨在实现完整炼钢工序能源消耗的最小化。

2氧气高炉能源节约的概念

2.1氧气高炉特点

首先，氧气高炉将纯氧气代替热风注入，氧气高炉能以更高生产率运行。在氧气高炉中，由于在无氮环境下运行，还原性气体如CO和H2的浓度增加且废气气体下降。

第一，熔渣流动和矿石的还原速率限制了高炉生产率。因为熔渣流动和矿石还原速率的限制被解除了，使氧气高炉的生产率可达到传统高炉的两倍。

第二，大量的粉状煤注入到鼓风口，注入的同时焦比下降。由于纯氧的燃烧，氧气高炉的燃烧效率更高，因此氧气高炉能够在更高的粉煤率和更低的焦比下运作。

第三，氧气高炉能够产生比传统高炉具有更高热值的高炉气。传统高炉和氧气高炉中的高炉气的热值分别为3.0MJ/Nm3和6.4MJ/Nm3。高热值的高炉气在其它工艺中能得到有效的利用，例如动力装置和作为某种化学资源。

同时，氧气高炉也有自身内在的限制。由于炉腹气体体积下降，在还原竖井区域的固体材料的加热潜力比传统高炉低，并且需要在轴上面注入预热气体去补偿还原竖井区域的热供应不足。

在氧气高炉中，例如粉化煤等的注入有助于控制回旋区的火焰温度，但粉化煤注入率最终受到煤燃烧效率的限制。为了控制火焰温度需要额外注入一些炉顶煤气，炉顶冷气的注入比例对降低焦比没有贡献，更确切的说它能增加炼铁过程中还原剂和能量的消耗。

2.２氧气高炉节能的基本概念

与先前的氧气高炉相比较，为了加强能源节约，节能氧气高炉已经有如下改善：

（1）聚焦于高生产率特征的氧气高炉，在保持相同生铁生产率同时减小了内部空间。

（2）直接还原率的降低，轮廓尺寸的降低能有效降低上部炉体的负荷，弱化半径方向上的不均匀性，这就意味着负载材料要求的高强度能够降低。

（3）在小尺寸的氧气高炉中，通过降低高炉直径尺寸来减少天然气的输送，从而改善了还原效率，高生产率下高炉的热损失也能够减小。

３炼铁过程的能量消耗和能量流动

先期的氧气高炉在高炉中大量注入粉煤，焦煤的输入能量明显降低，可见尽可能的用粉煤代替焦煤有利于节能。然而，先期氧气高炉中的能量需求是19.91GJ/thm，这个明显要比传统高炉的17.28GJ/thm大。这主要是由于冷氧气和大量粉煤的注入，尽管焦比下降了，但是氧气的消耗量升高了。尤其产生氧气的能量消耗对能量输入增加有很大的影响。

此外，在高炉中通过鼓风口注入高炉煤气去控制火焰温度的方法对能量消耗有消极影响。从经济学的观点来看，先前氧气高炉有利于抑制焦比和增加高炉煤气产量，然而在节能上有消极影响。

为了在炼铁过程中达到节能的效果，必须调整氧气高炉运行和充分利用氧气高炉的特性来促进节能。以能源节约型氧气高炉为基础的炼钢过程中，材料强度极限降低的节约能源占比为10%。焦煤、粉煤、天然气和其他原料的能量输入分别为10.91GJ/thm、7.52GJ/thm、2.29GJ/thm和0.46GJ/thm，总共的能量输入为21.18GJ/thm，这比先期的氧气高炉低7.2%，比传统高炉低4.2%。在能量节约型氧气高炉中，通过注入天然气去控制回旋区的火焰温度。

天然气的注入便于焦炭的高替代率。能源节约型氧气高炉中的能量流入是18.55GJ/thm，这比先期的氧气高炉低。此外，可以在其它的工序中获得进一步节约能源的效果，例如焦炼炉、烧结机和电厂，焦炼炉中焦炉煤气消耗、烧结机中焦粉的消耗和电厂的焦炉煤气的消耗降低了10%。

除了节能以外，还要把注意力放在碳输入上，并作为一个重要的评估指标，因为它直接关系到钢铁厂的碳排放。在节能型氧气高炉中，碳输入降低同时供应到下游工序的能量增加，因为来源于粉煤的CO气体被来源于富含氢的天然气的H2代替，而碳消耗被抑制。

通过降低高炉轮廓尺寸能够减轻负载强度而获得节能效果，从而能够进一步降低碳输入。尽管最优的运行条件依赖于节能和CO2减排的情况（归因于氧气高炉的特点），但是注入高热值的富含氢的气体（例如天然气）对降低碳输入和确保下游工序能量供应都有帮助。