20世紀的石油危機促進了高爐噴煤技術迅速發展 。高爐噴煤是一種下部調節的有效手段，同時降低焦比，大幅度降低煉鐵成本。近幾年，煤、焦價格差距拉大，制氧成本降低，高富氧噴煤效益越來越顯著。
1999年４月份和９月份，寶鋼１號高爐分別創造了噸鐵噴煤量252.4 和260.6ｋｇ 的 新 紀錄。某高爐長期穩定的生產實踐表明，高爐富氧率提高18％～20％ ，焦炭和煤粉各佔一半是可行的，能夠顯著提高生產效率，提高產量。中國煤炭資源豐富，焦煤資源緊缺，在此背景下，中國「十二五」科技支撐項目進行了高爐高富氧噴煤的工藝技術研究。
通過分析高富氧噴煤後焦炭及爐內冶煉參數的變化，高爐富氧率提高到20％左右，噴煤量達到250ｋｇ／ｔ左右，焦比降低到250-260ｋｇ／ ｔ是可行的，具有明顯的經濟效益。
１ 高富氧噴煤對焦炭的影響
1.1高爐內直接還原和滲碳需要的焦炭
焦炭在高爐中的作用之一是礦石的直接還原和鐵水滲碳 。礦石加入高爐後，在爐身進行間接還原，熱量消耗少，希望間接還原度高。因爐內煤氣還原勢和還原動力學條件限制，爐料不可能完全間接還原，在高爐下部發生焦炭與爐料的直接還原反應。鐵水滲碳大部分在下部死焦層進行，鐵水中的碳主要由焦炭提供。通過模型計算，圖１說明了在滿足鐵水滲碳和直接還原條件下，直接還原度與理論最低焦比的關係。
由圖１可知，隨著直接還原度的提高，焦炭需要量逐漸增加。直接還原度增加0.1時，焦炭需要量增加約25ｋｇ 。在直接還原度為０的極限條件下，鐵水滲碳也需要一定量的焦炭。普通高爐的直接還原度一 般 在 0.5左 右，對 應 的 理 論 最 低 焦 比 約 為190ｋｇ/ｔ 。如果能夠降低直接還原度，就可以進一步降低理論最低焦比。實際生產的普通高爐焦比遠遠高於理論最低焦比，主要是為了滿足爐料透氣性和順行的要求。煤粉的有效熱值一般都低於焦炭，噴吹煤粉會降低爐缸熱量，提高熱風溫度和脫溼鼓風等措施可以彌補爐缸熱量的不足。由於焦炭比重低於礦石，隨著焦比降低，爐料的平均容積質量增大。由楊森公式計算得到，隨爐料平均容積質量增大，爐料的靜壓力增大。假定其他參數不變，焦比與爐內焦炭承受的最大壓力關係如圖 ２ 所示。
由圖２可知，隨著焦比降低，爐內焦炭承受的負荷增大，壓 力 逐 漸 增 大，但 增 大 幅 度 不 大。焦 比400ｋｇ/ｔ 時，爐內焦炭承受的最大壓力為71ｋＰａ；當焦比降到160ｋｇ/ ｔ ，爐內焦炭承受的最大負荷為100ｋＰａ 。現代 冶 金 焦 的 冷 抗 壓 強 度 一 般 為5000～6000ｋＰａ ，遠遠高於計算的焦炭負荷。隨著高爐焦比降低，儘管爐內焦炭承受的最大壓力增加，但焦炭的抗壓強度完全能夠滿足需要。儘管冶金焦炭的抗壓強度滿足高爐煉鐵要求，但高富氧噴煤要求焦炭具有高的反應後耐磨強度。主要原因是，隨著噴煤量增加，風口前迴旋區的粉塵增多，風口前高速氣流使焦炭劇烈運動。如果焦炭反應性好及熱耐磨強度低，焦炭磨損會產生粉焦，粉焦堵塞煤氣流通道，導致爐況不順，冶煉不穩定。所以，高富氧噴煤需要焦炭反應性低及耐磨強度高。
１．３ 富氧噴煤對焦比的影響
高富氧噴煤的一個顯著特點是降低焦炭消耗，但煤粉與焦炭之間存在一定的置換關係。煤粉與焦炭的置換關係與煤粉和焦炭中的固定碳含量有關。圖３給出在煤粉固定碳質量分數為75％ 、焦炭固定碳質量分數為 ８５％ 的條件下，隨著鼓風富氧率提高，模型計算得到的煤粉和焦炭需要量。由圖３可知，隨著鼓風氧含量增加，煤粉噴吹量逐漸增大，焦炭消耗逐漸降低，但變化幅度趨緩。在鼓風 不 富 氧 條 件 下，焦 比 約 為420ｋｇ／ ｔ ，煤 比 約70ｋｇ／ ｔ 。隨著鼓風富氧率提高，噴煤量逐漸增大，焦比逐漸降低。當鼓風富氧率約為１２％時，焦比和煤比基本相同，分別為279ｋｇ ／ ｔ 和277ｋｇ ／ ｔ 。焦炭與煤粉的置換比與焦炭質量和煤粉燃燒情況有關。在上述假設條件下，煤粉和焦炭之間的置換比約為0.67 。要想得到較高的置換比，需要選用固定碳含量高、燃燒性能好的煤。試驗研究表明，選用不同種類的煤粉混合噴吹，在保證較高的風溫水平和較好的高爐操作水平前提下，能夠有效提高煤粉燃燒率 ，提高煤粉與焦炭之間的置換比。
２ 高富氧噴煤對冶煉工藝的影響
2.1煤粉燃燒率對高爐操作的影響
高爐富氧噴煤後，煤粉置換焦炭的量與煤粉的燃燒率有關。煤粉燃燒率高，未燃煤粉顆粒少，化學能利用充分，有利於降低焦比和爐況穩定順行。如果煤粉燃燒率低，煤粉化學能得不到充分利用，煤粉與焦炭的置換比低。此外，大量未燃煤粉吸附在焦炭和礦石孔隙中，阻塞煤氣流通道，導致爐況不順。煤粉燃燒率與煤粉性能、粒度、鼓風氧含量、氧煤槍裝置及噴吹制度等因素有關。高爐噴吹煤粉燃燒機制的研究已經非常深入 ，燃燒性能好的煙煤大規模用於高爐噴吹，取得良好效果。
高爐富氧噴煤時，在保證高風溫水平前提下，隨著鼓風中氧含量增加，可以大幅度提高噴煤量，煤粉燃燒率降低很少。近幾年，國外有人研究用木炭代替煤粉，由於木炭灰分少，燃燒效果好，可以大幅度提高木炭與焦炭的置換比。中國木炭資源量少，以木炭代替煤粉噴吹的潛力較小。
2.2高富氧噴煤對理論燃燒溫度的影響
高爐噴吹煤粉時，冷煤粉在風口燃燒，揮發組分分解吸熱，降低風口前的理論燃燒溫度。如果理論燃燒溫度低，一方面降低煤粉燃燒率，另一方面影響爐缸熱狀態，導致爐缸熱量不足。高爐富氧鼓風可以提高風口理論燃燒溫度，有效緩解煤粉熱分解吸熱。計算得知，如果風溫保持不變，每噸鐵的煤粉噴吹量增加10ｋｇ ，風口的理論燃燒溫度約降低２１～３５℃ ；如果鼓風富氧率提高 １％ ，風口的理論燃燒溫度提高約４０℃ 。可見，為了得到較高的風口理論燃燒溫度和維持良好的爐缸熱狀態，高爐噴煤與鼓風富氧需要合理匹配，以利於提高煤粉燃燒率，維持高爐缸穩定順行。在鼓風富氧率12％ 、焦比和煤比基本相同時，常規操作相比，風口的理論燃燒溫度有一定程度的增加，能夠維持良好的爐缸熱狀態。
2.3 高富氧噴煤對爐內煤氣量的影響
高爐富氧後鼓風量降低，爐頂煤氣量也會降低。模型計算得到的鼓風氧含量（體積分數）與爐頂煤氣量之間的關係如圖 ４ 所示。
由圖４可知，隨著鼓風氧含量增加，爐頂煤氣量降低非常明顯。鼓風氧含量從 21％ 提高到 39％ 時，爐頂煤氣量從1558ｍ３/ｔ 降低到1323ｍ３/ｔ ，減少了265ｍ３/ｔ 。富氧率每提高 ２％ ，爐頂煤氣量平均減少約30ｍ３/ｔ 。高爐富氧鼓風後，熱風量減少，熱風帶入爐內的物理熱減少。儘管熱風帶入爐內的物理熱減少及煤氣量減少，但大量噴吹煤粉能夠緩解爐料壓損增加和透氣性變壞的趨勢。此外，煤氣水當量減小後，爐頂煤氣溫度會降低，爐頂煤氣帶走的物理熱減少。儘管富氧鼓風的煤氣量減少，但煤氣中還原性氣體濃度高，氮氣濃度低，煤氣還原性增強，從而促進還原反應進行。
２．４ 高富氧噴煤的經濟效益
在風溫及高爐操作良好匹配的前提下，高富氧噴煤不僅可以降低焦炭消耗，而且可以降低煉鐵成本。尤其是隨著制氧成本大幅度下降，富氧噴煤煉鐵的成本優勢更加明顯。假設焦炭1800元／ｔ ，煤粉900元／ ｔ ，氧氣0.4元/ｍ３ ，每噸鐵的這 ３ 項成本與鼓風含氧量的關係如圖５所示。這３項燃耗成本＝焦炭耗量×焦炭價格＋煤粉耗量×煤粉價格＋氧氣耗量×氧氣價格。
在高爐正常操作的前提下，隨著鼓風含氧量增加，相應的煤粉噴吹量也增大。儘管氧氣需要量增大使燃耗成本增加，但提高煤粉噴吹量後，降低的焦
炭成本完全可以彌補富氧增加的成本。由圖 5可知，鼓風富氧後，燃耗成本逐漸降低，富氧率從0％增加到18％ ，噸鐵燃耗成本降低了18元，平均富氧率每增加 １％ ，噸鐵燃耗成本降低 １ 元。
實際生產中，受煤粉燃燒率和爐況穩定順行的限制，富氧率不可能無限提高。在富氧率 12％ 時，焦比和煤比基本相同，噸鐵燃耗成本可降低 12元。此外，高爐富氧噴煤可以增加產量10％ 以上，進一步降低煉鐵成本。由於鋼鐵企業燃料價格差別較大，即使燃耗量相等，燃耗成本也不同。鋼鐵企業應根據自身燃料條件，確定合適的噴煤量和富氧率。此外，高富氧噴煤能大幅度減少稀缺的焦煤資源消耗，對鋼鐵企業可持續發展具有重要意義。
３ 結論
１ ）儘管焦炭抗壓強度滿足高爐高富氧噴煤的要求，由於噴吹煤粉對焦炭的衝刷作用，高富氧噴煤要求反應性低、耐磨強度高的焦炭。
２ ）高爐提高噴煤量後，風口的理論燃燒溫度降低，鼓風富氧可以提高風口理論燃燒溫度。模型計算可知，噴煤量增加 １０ｋｇ ／ ｔ 可使風口理論燃燒溫度降低２１～３５℃ ，富氧率提高１％可使風口理論燃燒溫度升高約４０℃ 。
３ ）高富氧噴煤使爐內煤氣量減少，富氧率提高２％可使爐頂煤氣量減少約３０ｍ３ ／ｔ 。煤氣量減少時，大量噴煤可以緩解爐料壓損增加和透氣性變壞的趨勢。此外，煤氣的水當量減少，爐頂煤氣溫度降低。
４ ）高爐富氧鼓風增加煤粉噴吹量和氧氣用量，降低焦炭消耗。按焦炭價格
1800 元／ ｔ ，煤粉價格900元／ ｔ ，氧氣價格 0.4 元／ ｍ３計算，在高爐正常操作前提下，富氧率每提高１％ ，噸鐵燃耗成本約降低１ 元。