黄庆武
(新余新钢集团有限责任公司，邮编：338000)
摘要：高炉喷煤是炼铁技术发展趋势，可降低焦比与成本，改善炉缸工作状态。新余新钢集团 11# 高炉喷煤系统因自动控制设计不足，氮气压力未达 1.6MPa 标准，影响喷吹稳定性。为此引入二次补气技术，通过在喷吹主管设置补气点补偿末端压力。应用后，煤粉瞬时喷吹量波动从 ±15% 降至 ±5% 以内，氮气消耗降低 15%，堵煤断喷现象减少 60%-70%，显著提升系统稳定性与经济性，该技术具推广价值。
关键字：喷煤；二次补气；压力补偿；系统稳定性；节能减排
1 引言
1.1 高炉喷煤技术的重要地位
高炉喷煤在现代炼铁工业中占据着举足轻重的地位。它是炼铁系统结构优化的核心环节，通过以价格相对低廉的煤粉部分替代昂贵的冶金焦炭，为高炉炼铁带来了显著的成本优势，直接降低了生铁成本。同时，高炉喷煤对高炉炉缸工作状态的改善效果显著，能够有效扩展风口前的回旋区，缩小呆滞区，从而为高炉的稳定顺行创造有利条件。这不仅有助于提高高炉的生产效率，实现高产目标，还在提升铁水质量、降低能源消耗等方面发挥着关键作用，是高炉炼铁技术持续发展、保持竞争力的关键因素之一。
1.2 喷煤系统稳定性面临的挑战
在实际生产中，喷煤系统的稳定性受到多种因素的综合影响。其中，氮气压力的波动是一个常见且关键的问题。由于炼铁厂11# 高炉喷吹煤粉系统自投产以来，自动控制系统设计存在不足，且喷煤作业区处于高压氮气管网末端，经常受到前端用户大量用氮或制氧设备等因素的干扰，导致喷吹系统氮气压力难以达到 1.6MPa 的设计标准。氮气压力低、流量不稳定或波动幅度大，会对喷吹罐罐压产生较大影响，进而造成氮气用量不足。这一系列问题直接表现为煤粉瞬时喷吹量波动剧烈，小时累计喷吹煤粉量与高炉设定的喷吹量相差甚远。更为严重的是，有时会引发喷吹系统堵塞甚至停喷，严重干扰了喷煤系统的稳定运行。此外，在处理堵管故障过程中，不可避免地会出现煤粉泄漏，对周边环境造成污染，带来额外的环境治理成本和生产安全隐患。
2 喷煤管道二次补气的技术原理
2.1 补气的必要性及原理剖析
氮气压力不足对喷吹过程的影响是多方面的。当氮气压力无法满足设计要求时，喷吹罐内的煤粉无法获得足够的动力以稳定的速率和浓度输送至高炉，导致喷吹过程不稳定。从理论上讲，二次补气技术通过在喷吹主管的特定位置引入额外的氮气，实现对喷吹主管氮气末端压力的有效补偿。其原理基于压力平衡公式PT =△PA +△PB +△PD。在这个公式中，PT 代表喷吹压力，是确保煤粉能够顺利从喷吹罐经过主管、分配器并最终喷入高炉的关键参数；△PA 表示由煤粉在输送过程中产生的压力损失，这与煤粉的性质、输送速度和管道特性等因素密切相关；△PB 为二次补气所产生的压力损失，其大小取决于补气的流量、速度以及补气点的位置等；△PD 则是分配器的压力，它对煤粉在分配器内的均匀分配起着重要作用。通过合理控制二次补气的流量和压力，能够精确调整喷吹系统内的压力平衡，从而确保煤粉的稳定输送。
2.2 关键技术参数设定依据
为了实现最佳的喷吹效果，二次补气的关键技术参数，如压力和流量，必须根据高炉的具体生产需求进行科学设定。以11#高炉为例，根据其炉型、容积、喷吹煤种以及以往的生产数据，确定二次补气的设计要求为 N2 压力≥1.5MPa，流量≥1500Nm3／h。这样的参数设定旨在确保在各种工况下，喷吹系统都能够保持稳定的运行状态。当氮气压力达到或超过 1.5MPa 时，能够为煤粉提供足够的输送动力，克服煤粉自身重力、摩擦力以及管道阻力等因素的影响；而流量≥1500Nm3／h 的要求则保证了在单位时间内有足够的氮气参与到煤粉的输送过程中，维持煤粉在管道内的悬浮状态，防止煤粉沉积和堵塞管道，同时也有助于调节煤粉的浓度，使其在高炉内能够充分燃烧，提高喷煤的利用率。
3 二次补气技术的实际应用案例
3.1 案例企业背景与喷煤系统概况
新余新钢集团炼铁厂11#高炉是一座具有一定规模的现代化高炉，在企业的生铁生产中发挥着重要作用。该高炉的喷煤系统采用直接喷吹工艺，具备四个系列套喷吹系统，每个系统对应一个高炉，实现了一对一的精准喷吹控制。每套喷吹系统配备有两个喷吹罐，这两个喷吹罐采用交互喷吹的方式，大大提高了喷吹的连续性和稳定性。每组喷吹罐通过一根喷吹主管与高炉相连，煤粉在喷吹罐内被加压后，经喷吹主管输送至分配器，然后由分配器将煤粉均匀分配至对应的 24 个喷吹支管，最后通过煤枪将煤粉精准喷入高炉内部。在正常生产过程中，为了最大限度地减少喷吹煤粉对高炉工况的影响，同时确保煤粉在高炉内能够充分燃烧，对喷煤过程提出了严格要求，即经过喷吹主管的煤粉必须以连续、均匀的状态喷入高炉，以满足高炉复杂的冶炼需求。
3.2 二次补气装置的安装与调试过程
3.2.1 设备选型与安装
为了实现二次补气功能，在高炉与喷煤作业区间精心选择了合适的补气点，并安装了一系列专用设备。首先，在补气管道上安装了氮气手动阀，该阀门主要用于在设备检修和维护期间截断气源，确保操作安全。与之配合的是气动截止阀，通过远程控制实现氮气气源的快速开启和关闭，提高了操作的便捷性和自动化程度。气动调节阀则用于精确控制补气流量，其精度可根据实际需求进行调整。流量计安装在调节阀的前方，能够实时测量补压送气的流量，为操作人员提供准确的数据支持，便于对补气过程进行精准监控。止回阀的作用是防止气体倒流，确保补气过程的单向性，避免对系统造成干扰。此外，还安装了补气调节器，它能够根据系统压力和流量的变化自动调整补气量，进一步提高了补气系统的稳定性和可靠性。在管道连接部分，采用了金属软管，以适应管道在运行过程中的热胀冷缩和振动，保证了系统的密封性和安全性。
在高炉所选氮气补气点上安装补气管道（如图1）：
3.2.2 信号连接与控制系统搭建
为了实现整个二次补气系统的自动化控制和智能化监测，进行了全面的信号连接和控制系统搭建工作（如图2）。敷设了现场专用电缆，将其连接至高炉低压站 PLC 柜的输入输出端，确保了各阀位信号、操作信号能够准确无误地传输至 PLC 系统。在信号传输过程中，为了提高信号的稳定性和抗干扰能力，对各信号设计安装了转换继电器和隔离器。这些设备能够有效地将现场信号转换为 PLC 能够识别的标准信号，并对信号进行隔离和放大处理，确保系统的可靠性，同时延长了 PLC 的使用寿命。每座高炉均设计安装了独立的控制站，其中 PLC 选用了 SIMATIC ET200M／LINK IM 153 - 2 接口模块 SM331，该模块具备强大的数据处理能力和丰富的通信接口，能够满足对煤粉分配器及二次补气的精确控制需求。控制站与喷煤作业区主机通过光纤进行联接，实现了高速、稳定的数据传输。主机选用了 SIMATIC 6ES7417-4HT14-0ABO，编程软件采用 S7 step5，组态软件为 wincc6.0。通过这些硬件和软件的协同工作，构建了一个功能强大、操作便捷的控制系统，为二次补气技术的顺利实施提供了坚实的技术保障。
3.2.3 调试与优化
在完成设备安装和信号连接后，进入了系统调试阶段。调试过程严格按照先手动单机测试，再联动综合测试的步骤进行。在手动单机测试阶段，对每个设备进行单独调试，检查其运行状态、控制功能和信号反馈是否正常。例如，手动操作气动阀的开启和关闭，观察阀门动作是否灵活、到位，同时检查PLC 系统是否能够准确接收到阀位信号；调节气动调节阀的开度，观察流量计显示的流量变化是否与设定值相符，确保调节阀的控制精度满足要求。在单机测试正常后，进行联动测试。通过模拟不同的工况条件，如改变高炉负荷、氮气压力波动等，测试整个二次补气系统在复杂工况下的协同工作能力。在联动测试过程中，密切关注系统各参数的变化，如喷吹压力、煤粉浓度、补气流量等，并根据实际情况对系统进行优化调整。例如，通过调整补气调节器的参数，使二次补气流量能够根据喷吹罐罐压和煤粉输送状态自动进行精确调整，确保喷吹过程的稳定性。经过多次测试和优化，系统最终达到了预期效果，各项参数稳定，完全满足了高炉喷煤工艺的严格需求。
3.3 应用效果的数据对比与分析
3.3.1 喷煤量稳定性提升
在二次补气技术应用前，由于氮气压力不稳定，喷吹罐罐压波动较大，导致煤粉瞬时喷吹量极不稳定，小时累计喷吹煤粉量与高炉要求设定的喷吹量偏差显著。应用二次补气技术后，通过稳定喷吹主管氮气末端压力，有效地减少了喷吹罐罐压的波动范围，使得煤粉瞬时喷吹量的波动幅度大幅降低。根据生产数据统计，应用前煤粉瞬时喷吹量的波动范围可达±15%，而应用后波动范围缩小至±5%以内。小时累计喷吹煤粉量与设定喷吹量的偏差也从原来的±10%以上降低至±3%以内，显著提高了喷煤量的稳定性，为高炉的稳定冶炼提供了可靠的原料供应保障。
3.3.2 氮气消耗与设备磨损降低
二次补气技术的应用不仅提高了喷煤系统的稳定性，还带来了显著的节能和设备维护效益。在应用前，由于氮气压力不足，为了维持喷吹罐罐压和煤粉输送，往往需要过量供应氮气，导致氮气消耗量大。应用二次补气技术后，通过精准控制补气量，在保证喷吹效果的前提下，有效地降低了氮气的总体消耗量。根据实际测量数据，氮气消耗量较应用前降低了约15%。同时，由于补气装置的安装使喷吹罐压降低了约 10%，减小了整个煤粉主管内煤粉的流速，降低了煤粉输送过程中的阻力损失。这一变化直接导致煤粉对沿途管道及阀门等设备的磨损大幅减轻。在应用前，管道和阀门等设备每年需要进行多次维修和更换，设备维护成本较高；应用后，设备的维修周期显著延长，维修和更换次数大幅减少，有效降低了设备维护成本，提高了设备的使用寿命和运行可靠性。
3.3.3 堵煤断喷现象减少
堵煤断喷是喷煤系统运行中最为严重的问题之一，不仅会影响高炉的正常生产，还可能导致设备损坏和安全事故。在二次补气技术应用前，由于氮气压力波动和煤粉输送不稳定，堵煤断喷现象时有发生，平均每月约出现3 - 5 次。应用二次补气技术后，通过稳定喷吹系统的压力和煤粉浓度，有效地改善了煤粉的输送条件，使得堵煤断喷现象大幅减少。根据运行记录统计，应用后堵煤断喷现象平均每月仅出现 1-2 次，降低了约 60% -70%。这一显著变化不仅提高了喷煤系统的作业率，保障了高炉的稳定生产，还减少了因处理堵管事故而带来的环境污染和经济损失。
4 二次补气技术的优化策略探讨
4.1 基于生产数据反馈的优化方向
随着二次补气技术在实际生产中的应用，积累了大量的运行数据。通过对这些数据的深入分析，可以发现系统仍存在一些可优化的空间。例如，在不同的高炉工况下，二次补气的最佳压力和流量设定值可能会有所不同。目前的控制系统虽然能够根据预设参数进行自动调节，但在应对复杂工况变化时，仍存在一定的滞后性。因此，未来的优化方向之一是进一步提高补气控制的精准度，通过引入更先进的传感器技术，实时监测喷吹系统各个关键部位的压力、温度、煤粉浓度等参数，并将这些数据实时传输至控制系统。控制系统根据实时数据和预设的优化算法，动态调整二次补气的压力和流量，实现更加精准的补气控制，确保喷吹系统在各种工况下都能保持最佳运行状态。
此外，目前二次补气系统与其他相关系统之间的联动性还有待加强。例如，与制粉系统、高炉炉况监测系统等之间的数据共享和协同控制还不够完善。优化方向之二是加强系统之间的集成与协同，建立一个统一的智能化控制平台，实现喷煤系统各子系统之间的无缝对接和协同工作。通过实时共享数据，各系统能够根据高炉的实际需求和整体运行状态，共同调整运行参数，提高整个炼铁生产流程的稳定性和效率。例如，当高炉炉况发生变化时，炉况监测系统将相关信息实时传输至喷煤系统和制粉系统，喷煤系统根据炉况调整二次补气参数和喷吹量，制粉系统则相应调整煤粉的制备参数，确保高炉始终处于最佳冶炼状态。
4.2 智能化控制在二次补气中的应用前景
随着人工智能和自动化技术的飞速发展，智能化控制在高炉喷煤二次补气技术中的应用前景十分广阔。未来，可以引入机器学习算法和智能控制系统，对喷煤系统的运行数据进行深度挖掘和分析。通过建立数学模型，预测不同工况下二次补气的最佳参数设置，提前调整补气系统，实现预防性控制，避免因工况变化导致的喷吹不稳定问题。例如，利用神经网络算法对历史数据进行学习，建立喷吹压力、煤粉浓度、高炉负荷等参数之间的复杂非线性关系模型，根据当前实时数据预测未来的变化趋势，提前调整二次补气量，确保喷吹过程的稳定性。
同时，智能化控制还可以实现远程监控和无人值守操作。操作人员可以通过远程监控系统实时了解喷煤系统的运行状态，包括二次补气设备的运行参数、管道内煤粉的输送情况、高炉炉况等信息。一旦系统出现异常，智能化控制系统能够自动诊断故障原因，并提出相应的解决方案。在一些条件允许的情况下，甚至可以实现无人值守的自动运行，仅在设备维护和特殊情况时进行人工干预。这不仅可以大大提高生产效率，降低人工成本，还能够进一步提高喷煤系统的稳定性和可靠性，减少人为因素对生产过程的影响。
此外，智能化控制还可以与物联网技术相结合，实现设备的智能化管理和维护。通过在设备上安装传感器和智能标签，实时监测设备的运行状态、磨损程度、剩余寿命等信息，并将这些信息传输至云端服务器。管理人员可以通过手机或电脑等终端设备随时随地查看设备信息，及时安排设备维护和保养工作，实现设备的预知性维护，避免设备突发故障对生产造成的影响，提高设备的综合利用率和生产连续性。
5 技术推广的可行性与潜在影响
5.1 不同类型高炉的适用性分析
二次补气技术在新余新钢集团炼铁厂11# 高炉的成功应用为其在其他类型高炉上的推广提供了宝贵的经验。从技术原理上讲，该技术通过调节喷吹主管氮气末端压力来稳定煤粉输送，不受高炉容积、炉型等因素的限制，具有较强的通用性。然而，在实际推广过程中，仍需要考虑不同类型高炉的具体特点和工况差异，进行相应的适配调整。
对于大型高炉而言，其喷煤量较大，对喷吹系统的稳定性要求更高。在应用二次补气技术时，可能需要增加补气点的数量或增大补气设备的规格，以满足大规模煤粉输送的需求。同时，大型高炉的炉缸直径较大，煤粉在炉内的分布均匀性更为关键。因此，需要对二次补气系统与煤粉分配器的协同工作进行优化，确保煤粉能够在高炉内均匀分布，提高燃烧效率。
中型高炉在结构和生产工艺上与大型高炉有所不同，其喷煤系统的规模相对较小，但同样面临氮气压力波动和喷吹稳定性的问题。二次补气技术在中型高炉上的应用可以借鉴11# 高炉的经验，但在设备选型和参数设定上应根据中型高炉的实际情况进行优化。例如，可以选择小型化、高效节能的补气设备，降低设备投资和运行成本。
小型高炉虽然喷煤量相对较少，但由于其炉型较小，喷吹系统的压力波动对高炉炉况的影响更为直接。在推广二次补气技术时，应重点关注补气系统的响应速度和控制精度，确保能够快速有效地调节喷吹压力，稳定煤粉喷吹量。同时，由于小型高炉的自动化程度相对较低，在实施二次补气技术时，应考虑与现有控制系统的兼容性，尽量减少对原有生产工艺的影响。
5.2 对炼铁行业节能减排的推动作用
二次补气技术的推广应用对炼铁行业的节能减排具有重要的推动作用。首先，该技术通过提高喷煤系统的稳定性，确保了煤粉在高炉内的充分燃烧，提高了煤粉的利用率。在传统的喷煤过程中，由于喷吹不稳定，部分煤粉未能完全燃烧就被排出高炉，造成了能源的浪费。应用二次补气技术后，煤粉燃烧更加充分，有效降低了焦炭的消耗。据统计，每提高1% 的煤粉利用率，可节约焦炭约 0.8% - 1.0%。以一座年产 100 万吨生铁的高炉为例，若采用二次补气技术后煤粉利用率提高 5%，则每年可节约焦炭约 4000 - 5000 吨，相应减少了焦炭生产过程中的能源消耗和二氧化碳排放。
其次，二次补气技术降低了氮气的消耗量。氮气在炼铁过程中主要用于喷吹煤粉和设备保护等方面，其生产过程需要消耗大量的能源。通过精准控制二次补气量，减少了氮气的浪费，降低了氮气制备过程中的能源消耗和碳排放。此外，稳定的喷吹系统减少了堵煤断喷现象的发生，避免了因处理堵管事故而导致的额外能源消耗和环境污染。
从整个炼铁行业来看，二次补气技术的广泛应用将有助于推动行业向绿色、低碳方向发展。随着环保要求的日益严格，降低能源消耗和污染物排放已成为炼铁企业的重要任务。二次补气技术作为一种有效的节能减排手段
6 结语
以上是直接经济效益，当然还有间接经济效益，通过高炉喷煤提高了高炉炉况的稳定性，不仅可以节省工时，而且使检修率、事故率大幅度降低，进而提高了铁前系统产量和效益。该技术在高炉喷煤技术方面具有一定的实用性和推广性。
参考文献：
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