轉爐煉鋼過程CO2向CO的轉化與煤氣再生回收

摘要: 本文主要介紹了目前轉爐煤氣的回收現狀，同時介紹了用石灰石代替石灰造渣煉鋼和對低CO濃度的廢氣循環再利用而生成轉爐煤氣的新方法。新方法不但可以增加轉爐煤氣的回收量，也可以顯著提高轉爐煤氣的發熱值，同時在減少能量消耗、增加能量收入和減少廢棄物排放等方面也具有重大的環境和經濟效益。可以認為是一種高效益的轉爐煤氣再生。

關鍵詞: 轉爐煉鋼 煤氣回收 石灰石 循環利用

1、引言

轉爐煤氣是現代煉鋼生產過程中產生的二次能源，它的回收占整個轉爐工序能源回收總量的 80~90 %，所以如何實現轉爐煤氣的充分回收和利用是降低能耗的重要環節。隨著國家對節能減排政策的不斷實施和煉鋼成本的控制要求，近幾年已有不少鋼鐵企業開始結合生產實際進行一系列技術改造來提高轉爐煤氣的噸鋼回收量和回收質量[1-9]，但與國外工業發達國家如日本噸鋼回收煤氣達到110m3相比，國內企業則水平參差不齊，噸鋼回收煤氣量大致為14~110m3，而低水平回收則占大多數，更有許多企業煉鋼廠至今沒有安裝轉爐煤氣回收設施。目前大多鋼鐵企業對轉爐煤氣回收的技術改造主要偏重于對原燃料供應制度、冶煉操作制度、設備改造、氣體成分分析技術和煤氣用戶調整等方面的優化和改進，而這些技術改造大多只用來增加轉爐煤氣的噸鋼回收量，而不能提高煤氣質量，即提高煤氣中CO的含量。為了提高轉爐煤氣的回收量和回收質量，即從質和量的角度提高轉爐煤氣的回收水平，本文就最近提出的用石灰石代替石灰造渣煉鋼的新方法及工業試驗結果[10-11]和一種減少轉爐煉鋼過程中CO2氣體的排放和低濃度CO爐氣循環利用生成轉爐煤氣回收方法[12]進行討論。

2、轉爐煤氣性質及回收現狀

2.1 轉爐煤氣性質

轉爐煤氣的主要成分是CO，其含量約為60%~80%，具體成分見表1所示。

Table 1. The compositions of converter coal gas

表1. 轉爐煤氣成分

成分/%COCO2N2O2

轉爐煤氣60~8014~195~100.4~0.6

目前，國內大部分企業回收轉爐煤氣的熱值在6688~7106 kJ/m3，也就是每立方米轉爐煤氣相當于0.229~0.243kg標準煤[13]，寶鋼是國內的最高水平，其轉爐煤氣熱值達到約8360 kJ/m3。轉爐煤氣的主要成分CO是無色無味、易燃易爆的有毒氣體，化學活動性強，控制不好很容易引起著火、爆炸、中毒等惡性事故。有文獻指出[13]，轉爐煤氣的密度和空氣差不多，能夠長時間和空氣混合在一起，容易聚集不易擴散，其爆炸極限范圍比較大（18.2％～83.2％），所以轉爐煤氣的爆炸性是限制其回收的主要因素之一。

2.2 目前轉爐煤氣回收情況

伴隨著裝備水平和生產管理水平的提高，實現轉爐煤氣回收的企業以及回收煤氣的數量都在穩步增長，尤其進入21 世紀以來，隨著能源價格的上漲和國家發展循環經濟政策的實施，鋼鐵企業轉爐煤氣回收水平在不斷提高。2003~2006 年我國重點大中型鋼鐵企業轉爐煤氣的平均回收情況見表2所示[13]。

Table 2.The average recovery condition of converter coal gas of Chinese large and medium-sized steel enterprises in 2003~2006

表2. 2003~2006年中國重點大中型鋼鐵企業轉爐煤氣平均回收情況

年份/年2003200420052006

噸鋼回收量/m3/t41545556

從表2可以看出，我國重點大中型鋼鐵企業的煤氣回收量逐年增加，但仍然處于低水平回收階段。經查2008~2010年有關轉爐煤氣回收文獻進行不完全統計可知[1-9，13-14]，在近兩年的時間里有相當多的鋼鐵企業已經對轉爐煤氣回收進行了技術改造和優化，并取得了相當好的成績，一些企業回收轉爐煤氣達到的水平如表3所示。

由表3可知，相當多的鋼鐵企業轉爐煤氣噸鋼回收量正在接近和達到日本的水平。有文獻報道轉爐煤氣噸鋼回收量的最大值是128.183 m3/t[15]，可見我國鋼鐵企業在轉爐煤氣回收方面還需要繼續努力。

值得指出的是，目前我國近年建立的相當多的民營轉爐煉鋼企業沒有設置轉爐煤氣回收裝置，亟需進行整頓，這些煉鋼廠在生產中不僅浪費了大量的能源，也過多地排放了CO2而加重生態問題，令人痛心。

Table 3. The recovery rate of converter coal gas of some steel companies in 2008~2009

表3. 2008~2009年一些鋼鐵企業轉爐煤氣噸鋼回收量

企業年份噸鋼回收量/m3/t

承鋼200849.15

沙鋼200899.86

武鋼2008103.07

濟鋼200893.28

太鋼2008116

紅鋼200986.5

青鋼200995

邯鋼200870.65

2.3 回收轉爐煤氣的價值和意義

轉爐煤氣熱值比較高，含硫量低，是一種優質的燃料，同時也是比較好的化工原料。轉爐煤氣除了供鋼鐵廠內部如烘烤鋼包、熱冷軋、高爐熱風爐和石灰窯等使用外，也可供給外部企業使用如發電、供熱取暖和化工等方面使用。

從節約能量角度考慮，按全國轉爐鋼產量為5億噸、回收量取現在進行轉爐煤氣回收的企業的平均值60 m3/t計算，每立方轉爐煤氣熱值為0.23 kg標準煤，則每年回收的轉爐煤氣可以節約能量約為69億kg 標準煤，可見是非常大的能量來源，而如果按照世界水平來要求，其數量更為巨大。因此，加強對轉爐煤氣的回收與管理，不僅可以增加能源生產，而且有利于環境保護發展循環經濟，特別是，對于大量進口能源的我國來說，回收轉爐煤氣無疑在國家能源安全方面也會起到重要作用。

3、石灰石代替石灰造渣煉鋼過程的煤氣回收

從減少資源和能源浪費、減排粉塵和CO2及降低煉鋼成本出發，北京科技大學提出了一種用石灰石代替石灰造渣煉鋼的新方法[11]。在一系列的理論探索和實驗室研究基礎上，已在國內兩家鋼鐵企業成功地進行了工業試驗。研究結果表明，新生產方法除可保證煉鋼生產正常進行，還可以提高轉爐煤氣的產生量。

用石灰石代替石灰造渣煉鋼與傳統工藝相比，一個突出優點是石灰石在轉爐內分解生成大量的CO2氣體，從而可以增加爐氣生成量和爐內碳素來源。由于生成的CO2氣體在煉鋼初期可以參與入爐鐵水中雜質元素的氧化反應，根據熱力學計算，在1200～1600K間標準狀態下可以自發進行如下反應[11]：

(1)

(2)

從式（1）和（2）可以看出，石灰石分解的CO2可以自發參加轉爐內的氧化反應而轉化為CO，不僅增加了煤氣發生量，而且也可以提高CO含量。

工業試驗結果表明：用石灰石造渣煉鋼與傳統的用石灰造渣煉鋼相比，轉爐煤氣中CO含量升高了很多，并且開始回收時間也可以提前1分鐘左右，從而提高了轉爐煤氣的回收指標。圖1是在石家莊鋼鐵公司試驗中5爐的爐氣成分變化情況。

Figure 1.Variation of furnace gas during converter steelmaking

圖1表明，添加石灰石的爐次爐氣中的CO含量明顯比全石灰冶煉高出很多，從而可以說明，用石灰石代替石灰造渣煉鋼可以有效提高轉爐煤氣的回收量，提高轉爐煤氣的發熱值。

4、低CO濃度爐氣循環利用產生轉爐煤氣

目前轉爐煤氣的回收要求是，CO濃度要大于30%，O2濃度同時要小于2%，不能回收的爐氣要在煙氣凈化除塵系統的排放煙囪頂端燃燒后放空。為了充分利用煉鋼過程中產生的因CO濃度過低而排放掉的爐氣，北京科技大學提出了對現有的轉爐煤氣回收設備進行略加改造，把轉爐生產過程中放空的爐氣回收后用作復吹氣體，讓它再通過爐內鐵水與碳等元素反應，生成高濃度CO的爐氣的“循環利用轉爐低濃度CO爐氣產生轉爐煤氣”系統裝置[12]，結構簡圖如圖2所示。

Figure 2. A new recovery model of converter coal gas proposed at present

圖2.提出的新的轉爐煤氣回收模式

從圖2可以看出，新的轉爐煤氣回收模式使低CO濃度而排放的爐氣得到了充分的循環利用，從而可以達到增加能源收入和減少CO2排放的目的。

5、轉爐煤氣能源的再生

傳統的轉爐煤氣回收系統對爐氣主要有兩種處理途徑，一種是成分合格的作為煤氣回收利用，另一種是成分不達標的則要進行點燃放散。這種處理辦法無疑會造成能量的浪費和CO2排放量的增加。上面介紹的“用石灰石代替石灰造渣煉鋼”方法，代替的是現在煉鋼操作前煅燒石灰，把CO2放散到大氣中的做法，由此可以在轉爐中使石灰石中的CO2自然地、不需人工干預地反應生成CO，可以認為是一種能源的自然再生過程； “循環利用轉爐低濃度CO爐氣產生轉爐煤氣”方法可以使要放散的爐氣（CO2含量高CO含量低）由人工干預再生成為高CO含量的轉爐煤氣。只要有轉爐煉鋼生產，這種循環過程也將會不斷地進行下去，因此在某種意義上可以認為這也是一種具有可再生性質的能源，這是有別于非工業過程的自然循環的能源。其循環過程可以用圖3表示。

Figure 3. The renewable process of converter coal gas

圖3. 轉爐煤氣的可再生過程

由圖3可見，石灰石中的CO2經分解、參與爐內反應后變成了CO，從而增加轉爐煤氣的來源；另一方面，不能被利用的低CO濃度爐氣經回收和再次吹入轉爐后又一次增加了轉爐煤氣的來源。對工藝作很小的改革，就可以獲得一部分再生能源，這是一種值得提倡的工業生產方法。對人類社會來說，或許還有許多這樣的生產過程可以改變以獲得再生能源，這是一個值得探討的新能源領域。

另外，從在煉鋼中作為氧化劑使用的角度來看，充分利用CO2的氧化作用，從而相對減少純氧的使用也可以降低生產純氧的能量消耗。這種新的生產方法充分利用了石灰石分解的和低CO濃度爐氣中的CO2的氧化作用，可以降低噸鋼耗氧量，從而減少純氧的使用，降低了生產純氧的能量消耗。這是煉鋼過程產生再生能源之外的收獲。

6結論

通過對轉爐煤氣回收情況及“用石灰石代替石灰造渣煉鋼”和“循環利用轉爐低濃度CO爐氣產生轉爐煤氣”煉鋼新方法的討論可以得到以下結論：

（1） 就轉爐煤氣的回收而言，與國外先進水平相比，我國仍然處于較低的水平，在煉鋼生產和能源回收這一交叉點上還有很大的發展空間。

（2）轉爐煤氣量大，發熱值高，對轉爐煤氣的回收不僅具有重大的環境和經濟效益，在維護國家能源安全方面也有重要的意義。

（3）用石灰石代替石灰造渣煉鋼，不但可以減少煅燒石灰過程CO2的排放，也可以增加煉鋼轉爐中CO的生成量，從而可以提高轉爐煤氣的回收量。

（4）對現有轉爐煤氣回收系統略加改造，使低CO濃度的廢氣能夠循環再利用從而產生轉爐煤氣，這種方法不但可以增加能源收入，也可以減少CO2的排放。

（5）“用石灰石代替石灰造渣煉鋼”和“循環利用轉爐低濃度CO爐氣產生轉爐煤氣”兩種方法，可以增產轉爐煤氣，這兩個過程中產生的能源，具有明顯的可再生性質，可以認為也是一種再生能源。

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