套筒窯尾氣二氧化碳回收利用探討

陳素君，王 濤，李 鵬，王鐵民

1 引言

目前CO2日益增長的排放使全球氣候變暖已成為國際社會必須面對的焦點問題，我國于2009年11月26日公布了控制溫室氣體排放的行動目標，即到2020年全國單位國內生產總值CO2排放比2005年下降40%～45%。其中工業生產的減排對我國整個控制溫室氣體排放的行動目標完成具有重要意義，冶金行業是能源消耗大戶，也是工業生產中CO2排放最大的來源，僅冶金行業的CO2排放量比例就占工業總排放量的30.4%，冶金行業的節能減排工作是整個工業生產過程CO2減排的關鍵之一，深入研究CO2的回收利用技術已成為鋼鐵行業節能減排的迫切需求。

2 二氧化碳回收制備工藝方案

首鋼京唐公司有5座套筒窯，其中1#、3#兩座窯生產普通石灰，4#、5#兩座窯生產高鈣白灰，2#窯生產輕燒白云石。從原料角度來看，高鈣石灰石產生的二氧化碳濃度較高，經測試分析4#套筒窯尾氣的CO2濃度為20%～25%左右，初步確定作為氣源回收二氧化碳。考慮到變壓吸附法為干法物理凈化工藝，生產過程中無廢水、廢氣產生，清潔環保，本制備工藝選用變壓吸附法制取年產5萬t的食品級CO2。

來自4#套筒窯除塵器后的原料氣（流量14000 m3/h，壓力800 Pa）首先通過冷卻器降溫至約40℃，然后經增壓風機1加壓到0.12 MPa，經過混合緩沖罐、氣水分離器，脫除游離水后，進入PSA-Ⅰ變壓吸附，將套筒窯尾氣中的二氧化碳吸附下來，未被吸附的其余氣體從塔頂排出去放空；經PSA-Ⅰ解吸出來中間氣，經過增壓機2加壓到0.17 MPa，進入氣水分離器，脫除游離水后，進入PSA-Ⅱ變壓吸附，然后進入二氧化碳壓縮機3，經過3級加壓到3.0 MPa（產品氣）進入提純工藝。出球罐的3.0 MPa的氣體一路（DN300）直接送出站區，供脫磷轉爐頂吹煉使用；另一路經過減壓閥組由3.0 MPa減至2.0 MPa（DN125）送出站區，供脫磷轉爐底吹煉使用。多余部分的液體CO2可以通過液體泵1灌車外銷；同時也可外購液體灌入液體儲槽內。液體儲槽留有雙向接口。其工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 二氧化碳回收制備工藝流程簡圖

3 二氧化碳在京唐公司脫磷轉爐上的應用工藝方案

CO2作為一種弱氧化性氣體，在煉鋼溫度下利用可參與煉鋼脫磷反應，完成脫磷任務。與純氧相比，采用CO2作為煉鋼過程的氧化劑時，CO2參與熔池反應為吸熱或微放熱反應，反應的熱效應降低，因此，可在京唐300 t脫磷轉爐中混合噴吹一定比例的CO2來實現對煉鋼脫磷過程溫度的調控，為脫磷反應的進行創造良好的熱力學條件；同時利用CO2參與熔池反應可產生更多的氣體，有利于強化熔池攪拌能力，為脫磷反應創造良好的動力學條件。由于首鋼京唐公司的300 t脫磷轉爐采用“全三脫”模式和常規模式，因此，分別考慮兩種吹煉模式下的氣體混合和使用方案。

3.1 “全三脫”冶煉模式

目前，首鋼京唐公司的300 t脫磷轉爐當采用“全三脫”冶煉模式進行冶煉時，底吹采用全程吹N2，底吹共有16支支路，氮氣總流量為3600 m3/h。該方案考慮頂吹氣體中最多混合50%CO2，頂吹全程采用氧氣和CO2的混合氣體，混合比例可根據爐況進行調節，比例為0～50%，流量為0～15000 m3/h；底吹全程采用氮氣和CO2的混合氣體，CO2氣體比例可根據爐況進行調節，調節比例為0～100%，防止CO2氣體的吸熱冷卻效應導致底吹噴嘴冷卻凝固。

（1）頂吹CO2混合噴吹參數

頂吹混合氣體總流量：25000～40000 m3/h

CO2頂吹混合比例：0～50%

頂吹閥前壓力：1.3～1.6 MPa

頂吹閥后壓力：0.7～0.9 MPa

頂吹CO2氣體流量：0～15000 m3/h

（2）底吹CO2混合噴吹參數

底吹混合氣體總流量：3600 m3/h

CO2底吹混合比例：0～100%

底吹工作壓力：0.7～1.1 MPa

底吹CO2混合量：0～3600 m3/h

底吹支路：16支

每支路底吹CO2混合量：0～225 m3/h

3.2 常規冶煉模式

目前，首鋼京唐公司的300脫磷轉爐當采用常規冶煉模式進行冶煉時，底吹采用N2-Ar切換的方式，節約Ar消耗，切換點根據冶煉鋼種不同略有調整（低氮鋼可采用全程底吹Ar的方式），氣體總流量為540～2700 m3/h（即底吹強度按照0.03～0.15 m3/min·t進行考慮）。該方案考慮常規冶煉時頂吹氣體中最多混合20%CO2，頂吹全程采用氧氣和CO2的混合氣體，混合比例可根據爐況進行調節，比例為0～20%，流量為0～12000 m3/h；底吹采用N2-CO2和Ar-CO2的混合氣體進行切換，即吹煉前期和中期采用底吹N2-CO2的混合氣體，約70%時刻時采用Ar-CO2的混合氣進行切換。底吹CO2氣體比例可根據爐況進行調節，調節比例為0～100%。

常規模式設計參數如下：

（1）頂吹CO2混合噴吹參數

頂吹混合氣體總流量：60000 m3/h

CO2頂吹混合比例：0～20%

頂吹閥前壓力：1.3～1.6 MPa

頂吹閥后壓力：0.8～0.95 MPa

頂吹CO2氣體流量：0～12000 m3/h

（2）底吹CO2混合噴吹參數

底吹混合氣體總流量：540～2700 m3/h

CO2底吹混合比例：0～100%

底吹工作壓力：0.7～1.0 MPa

底吹CO2混合量：0～2700 m3/h

底吹支路：16支

4 實施效果分析

4.1 經濟效益

（1）爐渣中鐵損減少產生的效益

由于爐渣中(TFe)含量降低1%以上,以噸鋼產生60 kg爐渣估算，每年爐渣中鐵損將減少5585 t，TFe價格按照2200元/t計算，則減少鐵損產生的效益為1229萬元/年。

（2）利用CO2代替氮氣產生的效益

利用CO2代替氮氣，年CO2代替氮氣消耗總量為1694.15萬m3，氮氣價格為0.15元/m3，則節約氮氣費用為254萬元/年。

（3）利用CO2代替氧氣產生的效益

利用CO2代替氧氣，年CO2代替氧氣消耗總量為1768.62萬m3/年,氧氣價格為0.24元/m3，節約氧氣費用為424萬元/年。

（4）利用CO2代替氧氣、氮氣使得脫磷效果提高產生的效益

目前煉鋼生產2座脫磷爐終點磷含量為0.030%左右，造成3座脫碳爐額外的脫磷任務，僅脫碳爐加入的升溫劑，硅鐵消耗為500 t/月，碳化硅消耗為3000 t/月，升溫硅鐵價格按5571元/t（不含稅）、碳化硅價格按1860元/t（不含稅）計算，每月費用共計836.55萬元/月，年費用約1億元。若使用CO2代替氧氣、氮氣，則兩座脫磷爐中的磷含量降低5%，預計升溫劑消耗能至少能降低5%，年節約費用大約500萬元。

4.2 環境減排效益

（1）噸鋼煙塵量以15 kg計算，產生煙塵量降低10%，每年減少煙塵量為6562.5 t；

（2）減少4#白灰窯廢氣排放1.4萬m3/h,按粉塵排放濃度20 mg/m3計算，每年可減排粉塵2.35 t；

（3）根據節能效果折算二氧化碳減排，年減排1531.25 t CO2氣體，或減排416.5 t碳，可為碳排放交易提供平臺。

4.3 社會效益

目前國家對工業污染排放和環境保護的治理要求日趨嚴格，采用新技術回收利用二氧化碳，實現節能減排，產生良好的社會效益，有利于提升京唐公司的對外形象，產生技術示范作用；二氧化碳如作為商品外銷，開發新的經濟增長點，增強了企業競爭力。

前兩年我公司對石灰窯尾氣CO2提純技術及在煉鋼中的應用進行了深入的可行性研究，但因CO2外銷市場等綜合原因，該項目未進一步推進。

[參考文獻]

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