1.前言

高炉富氧鼓风技术是通过在鼓风中加入工业氧气，提高风中含氧量，从而强化冶炼过程的现代炼铁技术。该技术起源于20世纪中叶，随着制氧技术的发展和经济性提高，在全球钢铁行业得到了广泛应用。在碳中和、碳达峰的背景下，高炉富氧技术因其能够有效降低燃料消耗、减少二氧化碳排放，而成为钢铁工业绿色转型的重要技术路径。高炉富氧的基本原理是通过提高鼓风含氧量，加速风口前碳素的燃烧反应，增加单位碳素的热量释放，提高理论燃烧温度，进而增加冶炼强度，提高生铁产量。研究表明，富氧率每提高1%，高炉产量可增加3%-4%，理论燃烧温度上升40-50℃，同时由于煤气中氮气含量降低，煤气的还原性增强，有利于间接还原发展，可降低燃料消耗0.5%-1.0%。近年来，随着变压吸附制氧技术的成熟和低成本化，高炉富氧的经济性进一步提高，为大规模应用创造了条件。国内钢铁企业如宝武集团、建龙西钢、山钢日照等均在提高富氧率方面进行了积极探索，取得了显著的技术经济效益。然而，高炉富氧操作也面临着"上冷下热"（炉身上部温度降低、炉缸温度升高）、炉况稳定性挑战、煤粉燃烧效率要求提高等问题，需要通过系统优化操作制度予以解决。本文系统总结高炉提高富氧率的实践经验，分析关键技术措施，为行业提供参考。通过理论与实践的结合，探讨高富氧条件下保持高炉稳定顺行的有效途径，并对未来技术发展方向进行展望。

2.富氧率提升的关键技术

2.1制氧技术优化与机前富氧模式

（1）提高富氧率的首要条件是稳定、经济地获得大量工业氧气。传统深冷空分制氧技术成熟、氧气纯度高（>99.2%），但投资大、能耗高、建设周期长。近年来，变压吸附（VPSA）制氧技术因其投资少、建设周期短、能耗低等优势，在高炉富氧中得到了广泛应用。

（2）变压吸附制氧设备的氧气纯度通常在80%左右，虽低于深冷空分，但已能满足高炉富氧的需求。北大先锋为宝武集团建设的四套VPSA制氧装置，合计产氧能力达61200Nm³/h，单位氧气成本约为0.21元/Nm³，较深冷空分制氧成本（0.36元/Nm³）低41.7%，较外购液氧成本（0.7元/Nm³）低70%。低成本氧源为大规模富氧提供了经济可行性。

（3）在供氧方式上，机前富氧模式因节能效果显著而受到青睐。天铁公司二号高炉机前富氧项目，将低压氧气直接送入高炉鼓风机入口，利用鼓风机完成氧气加压，停用了原有的中压氧压机，年节约电费约450万元。该模式减少了氧气加压环节的能耗，但需解决氧气与空气的均匀混合、安全防爆等技术问题。

不同制氧技术经济指标对比见表1。

2.2富氧率的计算

2.2.1机前富氧

指在鼓风机入口前，将氧气加入到常温的冷风（大气吸入的空气）中，混合后再由鼓风机加压送往热风炉。其优点：氧气与冷风混合更充分均匀，且因处于常温环境，对设备无耐高温要求，运行更安全稳定。动力消耗最低。其缺点：受鼓风机性能（如耐压、流量）限制，氧浓度提升幅度有限，通常无法超过25%，否则可能影响鼓风机正常运行。

2.2.2机后富氧

指在鼓风机出口后、热风炉出口前（多数在冷风管道流量孔板之前，少数位于流量孔板之后），将氧气直接加入到经加压后的鼓风中。是应用最广泛的富氧方式。其优点：可以远距离输送，氧压高，管径小，易于连锁控制。可避开鼓风机的限制，氧浓度提升空间更大（部分场景可至30%以上），能更直接高效地提升入炉风的氧含量，强化冶炼。

2.2.3喷吹燃料富氧

将氧气与喷吹燃料（如煤粉、天然气）混合后，通过喷枪一同喷入高炉风口。其优点：能强化燃料燃烧效率，同时精准提升炉缸局部氧浓度，适合高喷煤量的高炉。其缺点：管线复杂，安全防护设施较繁琐。对喷枪的雾化和混合效果要求高，需匹配燃料喷吹量调整氧气比例，避免局部供氧不足或过量。

2.2.4富氧率的计算

不同的富氧方式，富氧率的计算公式也不一样。

（1）氧气兑人口在冷风管道孔板前面，即富氧量流经流量孔板，考虑鼓风湿度时富氧率公式为:

B={[(Q_风-Q_氧)x(0.21+0.29f)+Q_氧b-0.21]/Q_风}x100%

不考虑鼓风湿度时富氧率公式为:

B= (b-021)Q_氧/Q_风x100%

（2）氧气兑入口在冷风管道孔板后面，即富氧量未流经流量孔板，考虑鼓风湿度时富氧率公式为:

B={[Q_风x(0.21+0.29f)+ Q_风b]/( Q_风+Q_氧)-0.21}x100%

不考虑鼓风湿度时富氧率公式为:

B=[(b-0.21)xQ_氧/( Q_风+Q_氧)]x100%

式中B，富氧率,%；Q_风————风量(冷风流量孔板显示值),㎡/min；Q_氧————富氧量，m/min；0.21——鼓风中含氧率；b-氧气中含氧率，%；f鼓风湿度,%。

其中在冷风管道孔板前兑入，不考虑鼓风湿度时的公式可以用在不要求精确计算的所有情形。

2.3高炉操作制度调整

提高富氧率会改变高炉内热量分布和煤气流分布，需相应调整操作制度，以维持炉况稳定顺行。

2.3.1送风制度调整

富氧提高后，理论燃烧温度显著上升，尤其是钒钛矿冶炼高炉，需通过控制合适的理论燃烧温度（通常保持在2200±50℃）来确保炉缸热状态稳定。承德钒钛2500m³高炉通过合理配煤，在提高富氧率后，即使在降低w[Si+Ti]条件下，仍能保证铁水有充足的物理热，更适于低w[Si+Ti]冶炼。

2.3.2装料制度优化

富氧操作导致煤气流分布变化，需通过调整装料制度来维持合理的煤气流分布。建龙西钢实践表明，采用大矿批操作，保持焦炭料层厚度在0.5-0.6m，无论焦炭负荷如何变化，都不轻易变动焦炭料层厚度，能有效维持高炉料柱透气性。同时，优化布料矩阵，发展中心气流，避免边缘气流过度发展，可维持高炉长期稳定顺行。

2.3.3热制度与造渣制度调节

高富氧操作易导致高炉上部温度降低，出现"上冷下热"现象。东北大学研究表明，富氧率提高1%，炉顶煤气温度下降约14℃。针对这一问题，需适当提高热风温度，必要时通过调节喷煤量来平衡炉内热分布。对于钒钛矿冶炼，还需关注炉渣性质变化，确保良好的脱硫能力和流动性。

2.4煤粉喷吹优化技术

富氧与喷煤是相辅相成的技术手段，提高富氧率可有效促进煤粉燃烧，提高喷煤量。

2.4.1经济煤比确定

建龙西钢通过系统研究，确定了最大煤比和经济煤比的计算方法。按理论燃烧温度计算最大煤比为199.6kg/t，按氧过剩系数计算最大煤比为168.8kg/t，最终确定经济煤比为160kg/t。经济煤比的选择需综合考虑煤焦价格比、置换比和燃料消耗等因素。

2.4.2全烟煤喷吹技术

在"双碳"背景下，全烟煤喷吹成为高炉减碳降耗的重要方向。目前高炉喷吹烟煤的平均比例不到40%，若采用全烟煤喷吹技术，可将烟煤比例逐步提升至100%，全国钢铁企业的烟煤用量将由5000万吨提升至1.3亿吨。烟煤挥发分高、氢含量高，可改善煤气还原性，提高间接还原率，但存在爆炸风险，需采取严格的安全措施。

2.4.3 智能喷吹系统

建龙西钢推行智能喷吹项目，实现"一键式"智能化全自动控制，连续、稳定、均匀地向高炉每个风口喷吹煤粉。该系统实现了换罐不断煤、瞬时喷吹速率稳定（波动在±2t/h），小时喷吹量准确（差±100kg/t），有效稳定了高炉风口前理论燃烧温度，提高了煤粉置换比。

2.5智能控制系统与监测技术

面对高富氧操作的复杂性，智能控制系统至关重要。

2.5.1 理论燃烧温度智能控制

通过实时监测和调节富氧率、风温、喷煤量等参数，将理论燃烧温度控制在合理范围内，避免炉缸热状态的剧烈波动。

2.5.2 高炉操作炉型管理

建立高炉合理操作炉型监控系统，对炉芯及侧壁温度、炉体冷却壁温度、热负荷等进行实时监控，及时调整装料制度，保证中心气流畅通。建龙西钢通过监控系统有效维护了高炉操作炉型。

2.5.3 炉缸活跃度管理

高富氧条件下，需特别关注炉缸活跃状态。安源钢铁1080m³高炉通过配置风口成像系统和红外测温，加强对炉缸环碳侵蚀的监护，及时调整操作参数，确保炉缸长期稳定。

3.实践应用与案例分析

3.1建龙西钢大富氧经济煤比实践

建龙西钢2020年高炉富氧率仅为3.38%，煤比146.79kg/t。2021年新制氧机投入运行后，为探索大富氧经济煤比技术提供了条件。该企业通过系统研究，确定了富氧率提高对高炉冶炼的多重影响：富氧率每提高1%，可补偿理论燃烧温度40-50℃，允许增加喷煤比22kg/t；同时，富氧使吨铁煤气量减少4%，降低了高炉压差，改善了料柱透气性。在确定最大煤比和经济煤比的基础上，采取了一系列技术措施：

（1）提高风温。推进热风炉换球、漏点处理，预热器改造、自动烧炉等项目，提高热风温度；

（2）优化原料。通过供料系统优化改造，实现烧结矿直供高炉，入炉烧结矿温度提高至25℃，有利于增加富氧量；

（3）智能喷吹。实施智能喷吹项目，实现高炉连续均匀喷吹，稳定理论燃烧温度；

（4）炉前管理。增加出铁次数，对铁口角度、深度、铁间隔、出铁率等进行规范要求。

通过上述措施，建龙西钢在高富氧条件下实现了经济煤比操作，有效优化了技经指标，降低了能耗和成本。

3.2山钢日照公司5100m³高炉高富氧实践

山钢日照公司1号5100m³高炉在2021年某时间段，以大型高炉生产数据为基础，在保证炉况顺行的前提下上调富氧率进行强化冶炼。该实践着重研究了富氧率提升后操作制度的变化对高炉产量、理论燃烧温度、煤气利用率的影响。通过系统调整操作参数，实现了高富氧条件下的稳定顺行，具体效果包括：产量显著提高；理论燃烧温度合理控制；煤气利用率改善。这一案例表明，大型高炉通过精细化管理，同样可以实现高富氧率操作，并获得良好的技术经济指标。

3.3安源钢铁1080m³高炉强化冶炼实践

安源钢铁1080m³高炉因入炉原燃料质量波动大、炉况稳定性差、富氧率低等因素，导致冶炼强度较小，产铁量较低。为此，该企业实施了富氧强化冶炼实践。针对提高富氧率后出现的渣铁排放不尽、炉缸环碳温度上升、冷却壁破损加剧等问题，采取了以下措施：一是增加出铁炉次、增设固定罐位，改善渣铁排放效率；二是提高喷煤比至155-160kg/t，优化燃料结构；三是调整上下部操作制度，优化煤气流分布；四是针对不同炉体位置采用不同的冷却方式，加强对炉缸环碳侵蚀的监护；五是配置风口成像系统和红外测温，实时监测炉况。通过这些措施，高炉实现稳定顺行，产铁量显著提升，为中小型高炉提高富氧率提供了有益经验。

3.4 承德钒钛矿高炉高富氧冶炼

承德钒钛某2500m³高炉提高富氧率的生产实践表明，钒钛矿高炉冶炼在高富氧条件下需特别注意理论燃烧温度的控制。高炉提富氧后，在相同的w[Si+Ti]条件下，理论燃烧温度有所提高，降低w[Si+Ti]仍能保证铁水有充足的物理热。通过合理配煤，炉况更容易稳定，在铁水温度不变的前提下，更适合于低w[Si+Ti]冶炼。该实践从高炉工艺操作制度、理论燃烧温度控制、高富氧条件下生产组织优化以及提高富氧对炉缸活跃程度的影响等方面入手，研究了钒钛矿冶炼高炉长期保持高富氧率的工艺操作方法。通过对装料制度、送风制度以及喷煤工艺的优化调整，实现了钒钛矿高炉冶炼在高富氧条件下的长周期稳定生产，钒回收率显著提高。

3.5天铁公司机前富氧创新实践

天铁公司二号高炉于2025年9月成功投运机前富氧项目，该工程是2025年重点效益工程，改变了以往传统的中压氧压机向高炉供氧的模式，采用高炉鼓风机压缩向炼铁高炉供氧。该项目的主要特点包括如下。

（1）节能效果显著。二号高炉采用机前富氧后可停运1号中压氧透，年可节约电费约450万元；

（2）施工难度大。涉及1700米氧气管道的安装，管道沿线场地复杂，包括横跨生产车间的高空架设和穿越管道密集区的低空绕行；

（3）安全要求高。氧气管道对内部洁净度要求十分苛刻，吹扫不干净可能导致安全事故。采用"分段吹扫、逐步升压"的方式，保证吹扫质量；

（4）工期紧张。建设期内正逢盛夏季节，遭遇高温、暴雨等不利天气，通过优化工序、错峰作业，仅用70天便完成设备建造。

天铁公司机前富氧的成功投运，为高炉富氧提供了一种更节能、更经济的供氧模式，具有重要的推广价值。

4.技术经济与环境效益分析

4.1经济效益分析

提高富氧率可带来显著的经济效益，主要体现在增产、降耗、降低成本等方面。

4.1.1增产效益

富氧率提高可显著增加高炉产量。根据多家企业实践数据，富氧率每提高1%，高炉产量可增加3%-4%。建龙西钢通过提高富氧率，在保持同等燃料比的情况下，年增产效益达数千万元。对于2000m³级高炉，富氧率从3%提高到6%，年增铁能力可达30-40万吨，经济效益显著。

4.1.2降本效益

一方面，富氧促进了煤焦置换，降低焦炭消耗。另一方面，变压吸附制氧等低成本氧源的应用，大幅降低了制氧成本。长江钢铁VPSA制氧设备的氧气成本约为0.21元/Nm³，相较于厂内空分系统0.36元/Nm³的氧气成本，每立方米氧气节省0.15元；与近期平均0.7元/Nm³的外购液氧价格相比，每天可节省超70%的液氧成本投入，直接经济效益超10万元，1年内便可收回全部投资。

4.1.3综合经济效益

提高富氧率的综合经济效益不仅体现在直接的增产降耗上，还表现在高炉稳定性的提高、设备利用率的提升以及产品质量的改善。安源钢铁1080m³高炉通过富氧强化冶炼，实现了高炉稳定顺行，产铁量提升，同时降低了单位生铁的固定成本分摊。

4.2环境效益分析

在"双碳"战略背景下，高炉富氧技术的环境效益日益凸显。

4.2.1节能减排效果

富氧操作通过提高煤气还原势和降低燃料比，直接减少了二氧化碳排放。建龙西钢实践表明，通过大富氧与经济煤比的搭配，实现了低碳、低能耗、低成本的目标。据测算，富氧率每提高1%，燃料比降低0.5%-1.0%，相应减少二氧化碳排放1.0%-1.5%。

4.2.2全烟煤喷吹的环保效益

高富氧为全烟煤喷吹创造了条件，而全烟煤喷吹具有显著的环保效益。若全国钢铁企业实现全烟煤喷吹，烟煤比例由目前的不到40%提升至100%，烟煤用量将由5000万吨提升至1.3亿吨。烟煤的氢含量高，煤气中H2含量增加，可以改善煤气利用，有利于提高间接还原，进而有助于降低C元素消耗，减少碳排放。

4.2.3绿色冶炼技术集成

高炉富氧可与多种绿色冶炼技术集成，形成协同效应。抚顺新钢铁高炉低碳绿色智能化升级改造项目采用高压、富氧、高风温、大喷煤等先进的冶炼工艺，集成炉顶均压煤气全回收、高炉休风煤气全回收，热风炉自动烧炉、均压换炉等绿色低碳新技术，有效降低了高炉炼铁系统能源消耗，减少了炼铁生产过程二氧化碳和污染物排放。提高富氧率的经济环境效益综合分析见表3。

5.结语

（1）提高富氧率可显著提升高炉冶炼强度，富氧率每提高1%，产量增加3%-4%，同时降低燃料消耗0.5%-1.0%，经济效益显著。

（2）变压吸附制氧等低成本制氧技术的发展，为高炉大富氧操作提供了经济可行的氧源保障，单位氧气成本可降低40%以上。

（3）高富氧操作需配套系统优化措施，包括调整送风制度、装料制度、热制度以及优化煤粉喷吹等，以维持高炉稳定顺行。

（4）针对不同资源条件（如钒钛矿冶炼）和不同炉容高炉，需制定差异化的高富氧操作方案，实现分类指导、精准控制。

（5）高富氧技术与智能控制、全烟煤喷吹等新技术相结合，可产生协同效应，进一步提升技术经济指标和环境效益。

6.展望

（1）大富氧率与全烟煤喷吹技术结合是重要趋势。当前高炉喷吹烟煤比例平均不到40%，若实现全烟煤喷吹，全国钢铁企业烟煤用量可由5000万吨提升至1.3亿吨，资源利用效率和经济效益将大幅提升。未来需重点攻克高挥发份全烟煤喷吹的安全技术和操作规范。

（2）低成本制氧技术将继续创新发展。变压吸附制氧技术在效率、成本和灵活性方面具有比较优势，未来在大型化、智能化方面还有提升空间。同时，机前富氧等节能供氧模式将得到更广泛应用。

（3）智能化控制技术将深入融合。通过大数据、物联网、人工智能等技术，实现高炉富氧操作的智能决策和精准控制，建龙西钢的智能喷吹系统已为此提供了有益探索。未来将进一步发展全流程智能优化系统。

（4）高富氧与低碳冶炼技术的集成创新是必然要求。高富氧可与氢冶金、煤气循环、碳捕集等低碳技术结合，形成"富氧-低碳"协同冶炼新工艺，推动钢铁工业绿色转型。

（5）标准规范体系需不断完善。随着T/CSM44-2022《高炉炼铁变压吸附供氧技术规范》等团体标准的实施，高炉富氧技术的规范化、标准化水平将不断提高，为行业健康发展提供支撑。

高炉提高富氧率作为一项成熟且持续创新的技术，在钢铁工业高质量发展中将发挥更加重要的作用，通过技术升级和系统优化，将为行业创造更大的经济和社会价值。