一种长距离高炉冶炼机前富氧系统及其控制方法

【技术领域】

本发明属于高炉冶炼技术领域，具体涉及一种长距离高炉冶炼机前富氧系统及其控制方法。

【背景技术】

近年来，钢铁行业产能过剩，环保节能形势异常严峻。为了适应当前去产能、供给侧改革和节能降耗、绿色生态环保的形势，氧气的助燃性在金属冶炼行业得到广泛应用。为了提高高炉的理论温度以强化喷吹燃料在风口前燃烧，从而实现增加炼铁产量和冶炼强度的目的，现代高炉都采用了富氧鼓风技术。高炉富氧鼓风的方式包括机后富氧和机前富氧，且机后富氧是很多钢铁企业较多采用的方式。经过多年实践，发现机后富氧过程中必须要消耗大量的压缩氧气，会造成大量的电能消耗。近年来，钢铁行业产能过剩，环保节能形势异常严峻。为了适应当前去产能、供给侧改革和节能降耗、绿色生态环保的形势，缓解成本与环保的双重压力，机后富氧方式将被逐渐淘汰，更为节能的机前富氧技术在越来越多的钢铁企业逐渐得到推广应用。空气-氧气混合器是机前富氧的重要设备，混合均匀程度对高炉富氧率有一定影响。面对严峻的成本压力和市场环境，高炉机前富氧项目是重要降本增效项目之一。

现有的高炉机前富氧大多采用从一侧或两侧混入简易的混合器，氧气与空气的混匀度不高，存在系统安全性能不高等问题。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种长距离高炉冶炼机前富氧系统及其控制方法，以解决现有的高炉机前富氧氧气与空气的混匀度不高，存在系统安全性能不高的问题。

本发明采用以下技术方案：一种长距离高炉冶炼机前富氧系统，包括第一空气过滤器、第二空气过滤器和第三空气过滤器，第一空气过滤器经第一空气氧气混合器连通至第一鼓风机，第二空气过滤器经第二空气氧气混合器连通至第二鼓风机，第三空气过滤器经第三空气氧气混合器连通至第三鼓风机；

其中，第一空气氧气混合器通过第一氧气管道连通至一空分机组上，第二空气氧气混合器通过第二氧气管道连通至同一空分机组上，第三空气氧气混合器通过第三氧气管道连通至第一氧气管道，第三空气氧气混合器通过第四氧气管道连通至第二氧气管道；

空分机组用于为第一空气氧气混合器、第二空气氧气混合器和第三空气氧气混合器提供常压氧；第一空气氧气混合器、第二空气氧气混合器和第三空气氧气混合器分别用于将常压氧增至第一空气过滤器、第二空气过滤器和第三空气过滤器输出的空气中，最后再输送至第一鼓风机、第二鼓风机和第三鼓风机；

第一氧气管道、第二氧气管道、第三氧气管道和第四氧气管道上均设置有手动切断阀，各个手动切断阀均用于通过其自身的通断来控制所在氧气管道的通断。

进一步的，空分机组通过总管切断阀分别连通至第一氧气管道和第二氧气管道；第一氧气管道和第二氧气管道上沿氧气输出方向均依次设置有第二支管切断阀、流量计、氧气过滤器、启动调节阀、氧气气动快切阀、阻火器和氧含量分析仪。

进一步的，还包括一保安氮气管路，保安氮气管路包括一氮气主管路，氮气主管路的输出端分为第一氮气支路和第二氮气支路，第一氮气支路经第一气动快开阀门连通至第二氧气管道，第二氮气支路经第二气动快开阀门连通至第一氧气管道。

进一步的，氮气主管路上沿进气方向依次设置有第一截止阀、氮气罐和第二截止阀。

本发明采用的第二种技术方案是，一种长距离高炉冶炼机前富氧系统的控制方法，第一氧气管道靠近第一空气氧气混合器处设置有第一手动切断阀，第二氧气管道靠近第二空气氧气混合器处设置有第二手动切断阀，第三氧气管道靠近第一氧气管道处设置有第三手动切断阀，第四氧气管道靠近第二氧气管道和第三空气氧气管道两处分别设置有第四手动切断阀和第五手动切断阀；

控制方法包括以下内容：

当第一氧气管道和第二氧气管道中的氧含量不超过28％，且第一鼓风机和第二鼓风机正常工作时：

关闭第三手动切断阀、第四手动切断阀和第五手动切断阀；开启第一手动切断阀和第二手动切断阀；

氧气经过第一氧气管道和第二氧气管道、分别进入第一空气氧气混合器和第二空气氧气混合器，再分别送往第一鼓风机和第二鼓风机进行高炉富氧。

进一步的，当第一氧气管道和第二氧气管道中的氧含量不超过28％，且第一鼓风机暂停，第二鼓风机正常工作时：

打开第四手动切断阀、第二手动切断阀和第三手动切断阀，

关闭第三手动切断阀、第一手动切断阀，

常压氧气经过第二氧气管道、第二空气氧气混合器送往第二鼓风机进行高炉富氧；常压氧气还经过第四氧气管道、第三空气氧气混合器送往第三鼓风机进行高炉富氧。

进一步的，当第一氧气管道和第二氧气管道中的氧含量不超过28％，且第二鼓风机暂停，第一鼓风机正常工作时：

打开第三手动切断阀、第五手动切断阀；关闭第四手动切断阀、第一手动切断阀和第二手动切断阀；

常压氧气经过第一氧气管道、第一空气氧气混合器送往第一鼓风机进行高炉富氧；常压氧气还经过第三氧气管道、第三空气氧气混合器送往第三鼓风机进行高炉富氧。

进一步的，一种长距离高炉冶炼机前富氧系统的控制方法，其特征在于，第一氧气管道上的氧气气动快切阀为第一氧气气动快切阀，第二氧气管道上的氧气气动快切阀为第二氧气气动快切阀；

当第一氧气管道中的氧含量超过28％时，关闭第一氧气气动快切阀，打开第二气动快开阀门向第一氧气管道中通入氮气；

通过第一氧气管道上的氧含量分析仪实时测量，当第一氧气管道中的氧含量低于％时，开启第一氧气气动快切阀，关闭第二气动快开阀门。

进一步的，当第二氧气管道中的氧含量超过28％时，关闭第二氧气气动快切阀，打开第一气动快开阀门向第二氧气管道中通入氮气；

通过第二氧气管道上的氧含量分析仪实时测量，当第二氧气管道中的氧含量低于％时，开启第二氧气气动快切阀，关闭第一气动快开阀门。

本发明的有益效果是：本发明在鼓风机和空气过滤器之间增设空气氧气混合器，将空分机组与空气氧气混合器连通、并向空气氧气混合器中输送常压氧，混合后的气体输送至鼓风机进行高炉富氧。设置三个鼓风机，其中第三鼓风机为备用鼓风机，鼓风机采用开二备一运行模式，通过控制连通至各个鼓风机的管路上的阀门，来选择其中两个鼓风机正常工作。设置一条保安氮气管路分别连通至第一氧气管道和第二氧气管道，在第一氧气管道和/或第二氧气管道中的氧气含量超出标准是，可以通过关闭第一氧气管道和/或第二氧气管道的氧气输入，再向第一氧气管道和/或第二氧气管道内通入氮气来降低氧气含量，可以保护操作人员及设备设施的安全。本发明具有结构相对简单、气体混匀效果好、操作方便、节能降本，同时使用后可提高高炉冶炼强度、有利于高炉炉况顺行，经济效益非常可观，还可达到节能减排的目的。

【附图说明】

图1为本发明一种长距离高炉冶炼机前富氧系统的结构示意图。

其中，1.空分机组，2.总管切断阀，3.支管切断阀，4.流量计，5.氧气过滤器，6.气动调节阀，8.阻火器，13.氧气在线检测仪，15.第一截止阀，16.氮气罐，17.第二截止阀，19.氧含量分析仪；

101.第一空气过滤器，102.第二空气过滤器，103.第三空气过滤器；

111.第一空气氧气混合器，112.第二空气氧气混合器，113.第三空气氧气混合器；

141.第一鼓风机，142.第二鼓风机，143.第三鼓风机；

181.第一气动快开阀门，182.第二气动快开阀门；

201.第一氧气管道，202.第二氧气管道，203.第三氧气管道，204.第四氧气管道，205.氮气主管路，206.第一氮气支路，207.第二氮气支路；

701.第一氧气气动快切阀，702.第二氧气气动快切阀；

901.第一手动切断阀，902.第二手动切断阀，903.第三手动切断阀，904.第四手动切断阀，905.第五手动切断阀。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种长距离高炉冶炼机前富氧系统，如图1所示，包括第一空气过滤器101、第二空气过滤器102和第三空气过滤器103，第一空气过滤器101经第一空气氧气混合器111连通至第一鼓风机141，第二空气过滤器102经第二空气氧气混合器112连通至第二鼓风机142，第三空气过滤器103经第三空气氧气混合器113连通至第三鼓风机143。其中，空气氧气混合器为空气和氧气的混合装置，例如可以使用授权公告号为CN217988942U中的用于钢铁冶炼高炉机前富氧混合器来实现空气和氧气的充分混合。

其中，第一空气氧气混合器111通过第一氧气管道201连通至一空分机组1上，第二空气氧气混合器112通过第二氧气管道202连通至同一空分机组1上，第三空气氧气混合器113通过第三氧气管道203连通至第一氧气管道201，第三空气氧气混合器113通过第四氧气管道204连通至第二氧气管道202；

空分机组1用于为第一空气氧气混合器111、第二空气氧气混合器112和第三空气氧气混合器113提供常压氧；第一空气氧气混合器111、第二空气氧气混合器112和第三空气氧气混合器113分别用于将常压氧增至第一空气过滤器101、第二空气过滤器102和第三空气过滤器103输出的空气中，最后再输送至第一鼓风机141、第二鼓风机142和第三鼓风机143。

本发明的前富氧系统使用常压氧，常压氧气具有氧化性、助燃性的介质特性，氧气压力越高，危险性越大，常压氧气降低系统的危险性，保障设备设施系统安全，氧气管道压力超过0.1Mpa为承压类特种设备管道。

第一氧气管道201、第二氧气管道202、第三氧气管道203和第四氧气管道204上均设置有手动切断阀，各个手动切断阀均用于通过其自身的通断来控制所在氧气管道的通断。第三氧气管道203和第四氧气管道204分别连通至第一氧气管道201和第二氧气管道202，在第一鼓风机141或者第二鼓风机142出现故障或暂停时，可以通过控制各条氧气管道上设置的手动切断阀门，来打开第三氧气管道203或第四氧气管道204以将第三鼓风机143接入，保证始终有两台鼓风机保持运行，实现了鼓风机开二备一的运行模式。

第一空气氧气混合器111上分别通过第一空气过滤器101接入空气，通过第一氧气管道201接入氧气，常压氧气回路和空气回路相对独立的设置，便于两种气体的清洁与控制。通过第一空气过滤器101的过滤网或滤芯可以有效地过滤空气中的污染物和颗粒物，提高空气质量；通过第一空气氧气混合器111的轴向延伸设置的导流板将进入混合腔的空气和氧气进行了均匀的混合，保证气体的均匀混合。第二空气氧气混合器112和第三空气氧气混合器113中与第一空气氧气混合器111同理，也具有便于两种气体的清洁与控制、提高空气质量、以及保证气体的均匀混合的优点。

在一些实施例中，空分机组1通过总管切断阀2分别连通至第一氧气管道201和第二氧气管道202；第一氧气管道201和第二氧气管道202上沿氧气输出方向均依次设置有第二支管切断阀3、流量计4、氧气过滤器5、启动调节阀6、氧气气动快切阀、阻火器8和氧含量分析仪19。通过总管切断阀2分别连通至第一氧气管道201和第二氧气管道202，便于通过两条氧气管路可靠切断，有利于人员对两条氧气管路的安全操作。

在一些实施例中，还包括一保安氮气管路，保安氮气管路包括一氮气主管路205，氮气主管路205的输出端分为第一氮气支路206和第二氮气支路207，第一氮气支路206经第一气动快开阀门181连通至第二氧气管道202，第二氮气支路207经第二气动快开阀门182连通至第一氧气管道201。第一气动快开阀门181和第二气动快开阀门182用于控制各自所在氮气支路的通断。紧急情况下，气动快开阀门快速打开冲入氮气，保护操作人员及设备设施的安全。正常启动时也应向第一气动快开阀门181、第二气动快开阀门182前充入足压的保安氮气，提高紧急情况下氮气管道快速响应速度，提升氧气管路安全性。

在一些实施例中，氮气主管路上沿进气方向依次设置有第一截止阀15、氮气罐16和第二截止阀17。保安氮气通过第一截止阀15进入氮气罐16储存保压，氮气罐16之后设置第二截止阀17及气动快开阀，在高炉休风或风机停机期间，采用氮气将支管内的纯氧置换排空。便于储存调节氮气供应、平衡氮气压力，保证保安氮气管路提供紧急气源。

本发明还提供了一种长距离高炉冶炼机前富氧系统的控制方法，包括以下内容：

第一氧气管道201靠近第一空气氧气混合器111处设置有第一手动切断阀901，第二氧气管道202靠近第二空气氧气混合器112处设置有第二手动切断阀902，第三氧气管道203靠近第一氧气管道201处设置有第三手动切断阀903，第四氧气管道204靠近第二氧气管道202和第三空气氧气管道两处分别设置有第四手动切断阀904和第五手动切断阀905；

控制方法包括以下内容：

当第一氧气管道201和第二氧气管道202中的氧含量不超过28％，且第一鼓风机141和第二鼓风机142正常工作时：

关闭第三手动切断阀903、第四手动切断阀904和第五手动切断阀905；开启第一手动切断阀901和第二手动切断阀902；

氧气经过第一氧气管道201和第二氧气管道202、分别进入第一空气氧气混合器111和第二空气氧气混合器112，再分别送往第一鼓风机141和第二鼓风机142进行高炉富氧。

在一些实施例中，当第一氧气管道201和第二氧气管道202中的氧含量不超过28％，且第一鼓风机141暂停，第二鼓风机142正常工作时：

打开第四手动切断阀904、第二手动切断阀902和第三手动切断阀903，

关闭第三手动切断阀903、第一手动切断阀901，

常压氧气经过第二氧气管道202、第二空气氧气混合器112送往第二鼓风机142进行高炉富氧；常压氧气还经过第四氧气管道204、第三空气氧气混合器113送往第三鼓风机143进行高炉富氧。

在一些实施例中，当第一氧气管道201和第二氧气管道202中的氧含量不超过28％，且第二鼓风机142暂停，第一鼓风机141正常工作时：

打开第三手动切断阀903、第五手动切断阀905；关闭第四手动切断阀904、第一手动切断阀901和第二手动切断阀902；

常压氧气经过第一氧气管道201、第一空气氧气混合器111送往第一鼓风机141进行高炉富氧；常压氧气还经过第三氧气管道203、第三空气氧气混合器113送往第三鼓风机143进行高炉富氧。

在一些实施例中，第一氧气管道201上的氧气气动快切阀为第一氧气气动快切阀701，第二氧气管道202上的氧气气动快切阀为第二氧气气动快切阀702；当任意一台鼓风机出现风机启动、风机停机、风机喘振任意一种工况时，对应的氧气气动快切阀需要切断，保护系统安全。

具体的，当第一氧气管道201中的氧含量超过28％时，关闭第一氧气气动快切阀701，打开第二气动快开阀门182向第一氧气管道201中通入氮气。需要注意的是，进风管道氧含量超过28％时，氮气气动快开阀自动打开，氧气气动快切阀关闭，在恢复正常之前不允许开启氧气气动快切阀。

通过第一氧气管道201上的氧含量分析仪19实时测量，当第一氧气管道201中的氧含量低于28％时，开启第一氧气气动快切阀701，关闭第二气动快开阀门182。通过氧气在线检测仪监测含氧率，自动判断是否达到预设富氧率，并对氧气气动调节阀阀位进行控制。

在一些实施例中，当第二氧气管道202中的氧含量超过28％时，关闭第二氧气气动快切阀702，打开第一气动快开阀门181向第二氧气管道202中通入氮气。需要注意的是，进风管道氧含量超过28％时，氮气气动快开阀自动打开，氧气气动快切阀关闭，在恢复正常之前不允许开启氧气气动快切阀。

通过第二氧气管道202上的氧含量分析仪19实时测量，当第二氧气管道202中的氧含量低于28％时，开启第二氧气气动快切阀702，关闭第一气动快开阀门181。通过氧气在线检测仪监测含氧率，自动判断是否达到预设富氧率，并对氧气气动调节阀阀位进行控制。

本发明可采用全自动和PLC手动两种控制方式来实现一种长距离高炉冶炼机前富氧系统的控制方法。自动方式下，系统通过富氧空气氧含量(或氧气流量)和氧气调节阀开关实现高炉富氧自动控制。PLC系统中的PID模块根据PV值和设定值SP(高炉实时给定)计算出调节阀的开度，实现固定富氧率(或固定富氧量)自动控制。PLC手动方式下是由操作员根据操作经验从操作员站设定调节阀的开度，人工控制氧气流量。

实施例

为解决炼铁高效冶炼氧气供需矛盾问题，某公司对周边工矿企业氧气利用情况进行了调研，最终确定接引周边4公里以内企业的富余氧气进行1800m

(1)实施效果：项目投运后，实现了高炉“提煤降焦、增铁保钢”的高效冶炼目标，富氧率提高0.85％，铁水产量每天增加670吨以上。

(2)年产生的效益(效益计算分为替代废钢和降低焦比)：

a.铁水替代废钢：铁水低于废钢价格差取平均值80元/吨计算：

产生效益一：670吨×320天×80元/吨＝1715.2万元；

备注：每年富氧冶炼时间按照320天计算(除去空分机组检修和高炉检修时间)

b.降低焦比成本：依据经验值富氧每增加1％，焦比下降0.5％，两座1800m

节约焦炭：1.755％÷1％×0.5％×5200×364kg/t÷1000×320天×2＝10630吨，一级焦炭价格按照2200元/吨计算：

产生效益二：10630吨×2200元/吨＝2338.6万元；

c.年氧气购进成本：氧气成本：0.29元/m3 0.29元/m3×10000m3/h×24h×320天＝2227.2万元；

年产生效益：(效益1)+(效益2)-(年氧气购进成本)＝1715.2万元+2338.6万元-2227.2万元＝1826.6万元。

(3)社会效益：高炉富氧鼓风的方式包括机后富氧和机前富氧，且机后富氧是很多钢铁企业较多采用的方式。机后富氧过程中必须要消耗大量的压缩氧气，会造成大量的电能消耗。近年来，钢铁行业产能过剩，环保节能形势异常严峻。为了适应当前去产能、供给侧改革和节能降耗、绿色生态环保的形势，缓解成本与环保的双重压力，机后富氧方式将被逐渐淘汰，更为节能的机前富氧技术在越来越多的钢铁企业逐渐得到推广应用。

本发明在鼓风机和空气过滤器之间增设空气氧气混合器，将空分机组与空气氧气混合器连通、并向空气氧气混合器中输送常压氧，混合后的气体输送至鼓风机进行高炉富氧。本发明采用常压氧气从高炉鼓风机吸入侧混入用于钢铁冶炼高炉机前富氧混合器(2L2022 2 1821023.5)氧气与空气的均匀度高，为提高系统安全性本发明的管道及阀门的材质采用防燃阻火性能好的不锈钢材质，管道设置过滤器及阻燃器，紧急情况下气动快切阀切断氧气供应，并充人氮气，从而提升系统的安全性。

本发明设置三个鼓风机，其中第三鼓风机为备用鼓风机，鼓风机采用开二备一运行模式，通过控制连通至各个鼓风机的管路上的阀门，来选择其中两个鼓风机正常工作。设置一条保安氮气管路分别连通至第一氧气管道和第二氧气管道，在第一氧气管道和/或第二氧气管道中的氧气含量超出标准是，可以通过关闭第一氧气管道和/或第二氧气管道的氧气输入，再向第一氧气管道和/或第二氧气管道内通入氮气来降低氧气含量，可以保护操作人员及设备设施的安全。本发明具有结构相对简单、气体混匀效果好、操作方便、节能降本，同时使用后可提高高炉冶炼强度、有利于高炉炉况顺行，经济效益非常可观，还可达到节能减排的目的。