提釩轉(zhuǎn)爐煤氣回收可行性研究

呂 勇，張 劍，姜遠(yuǎn)舸，秦 勇，胥中平

（攀鋼釩能源動(dòng)力分公司，四川攀枝花 617062）

前言

為加大攀枝花釩鈦磁鐵礦資源綜合利用力度，攀鋼開(kāi)發(fā)了獨(dú)具特色的低釩鐵水轉(zhuǎn)爐提釩工藝，從而產(chǎn)生了提釩轉(zhuǎn)爐煤氣。

表1 為提釩轉(zhuǎn)爐工藝和轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝煤氣CO發(fā)生量對(duì)比。

表1 提釩轉(zhuǎn)爐工藝與轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝對(duì)比

由上述差異可見(jiàn)提釩轉(zhuǎn)爐煤氣具有發(fā)生頻繁，單爐煤氣發(fā)生時(shí)間短、發(fā)生量少、CO含量低等特點(diǎn)。被行業(yè)普遍認(rèn)為沒(méi)有回收價(jià)值，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)提釩轉(zhuǎn)爐煤氣回收。

不回收提釩轉(zhuǎn)爐煤氣的主要問(wèn)題：提釩轉(zhuǎn)爐煤氣直接對(duì)空放散或者燃燒放散，環(huán)境污染嚴(yán)重；工序能耗高，不符合能耗和清潔生產(chǎn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求；大氣中CO、粉塵超標(biāo)嚴(yán)重，安全風(fēng)險(xiǎn)巨大。

隨著國(guó)家節(jié)能減排監(jiān)察、處罰力度不斷加大，研究開(kāi)發(fā)提釩轉(zhuǎn)爐煤氣回收利用工藝及裝備技術(shù)勢(shì)在必行。

2 提釩轉(zhuǎn)爐煤氣產(chǎn)生規(guī)律

2.1 提釩轉(zhuǎn)爐目的

含釩鐵水提釩目的：一是最大限度地把鐵水中的釩氧化，得到適合于提取的V205、V203釩渣；二是得到滿(mǎn)足煉鋼要求的半鋼。

2.2 提釩轉(zhuǎn)爐脫碳規(guī)律

在熔池區(qū)域，碳的氧化為：2C+O2=2CO（鐵水內(nèi)部殘氧與碳反應(yīng)）

在射流區(qū)域，碳的氧化為：2C+O2=2CO（鐵水內(nèi)部碳與吹氧反應(yīng)）

在吹煉前期，釩氧化率達(dá)70%，脫碳較少，反應(yīng)速度較低。中后期脫碳速度明顯加快。

2.3 鐵水中碳與釩氧化轉(zhuǎn)化溫度

提釩過(guò)程是鐵水中鐵、釩、碳、硅、錳、鈦、磷、硫等元素的氧化反應(yīng)過(guò)程，這些元素的氧化反應(yīng)進(jìn)行的速度取決于鐵水本身的化學(xué)成份、吹釩時(shí)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件。根據(jù)鐵液中元素氧化的△G0～T圖，碳氧勢(shì)線(xiàn)與釩氧勢(shì)線(xiàn)有一個(gè)交點(diǎn)，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度稱(chēng)為碳釩轉(zhuǎn)化溫度。低于此溫度，釩優(yōu)先于碳氧化，高于此溫度，碳優(yōu)先于釩氧化。提釩就是利用選擇氧化的原理，采用高速純氧射流在頂吹轉(zhuǎn)爐中對(duì)含釩鐵水進(jìn)行攪拌，將鐵水中的釩氧化成高價(jià)穩(wěn)定的釩氧化物制取釩渣的一種物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。在反應(yīng)過(guò)程中通過(guò)加入冷固球、球團(tuán)礦和增碳劑等控制熔池溫度在碳釩轉(zhuǎn)換溫度以下，達(dá)到“去釩保碳”的目的。

圖1 V-O與C-O的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)自由能△G0～T圖

通過(guò)鐵水成份可以估算轉(zhuǎn)化溫度，根據(jù)工藝的要求，規(guī)定出適當(dāng)?shù)陌脘摮煞荩诖禑掃^(guò)程中控制過(guò)程溫度不要超過(guò)此溫度，做熱平衡計(jì)算以估計(jì)需用的冷卻劑用量，并算出吹煉的終點(diǎn)溫度為1 361 ℃［1］。

實(shí)際在該轉(zhuǎn)化溫度時(shí)提釩效率只有70%左右。為了盡可能提高貴金屬釩的轉(zhuǎn)化效率（目標(biāo)78%），只有提高冶煉溫度到1 400 ℃左右〔2〕。

當(dāng)提釩冶煉溫度提高到1 400 ℃左右時(shí)，鐵水中的C-O 反應(yīng)加劇，大約有15%的碳參與了反應(yīng)，就必然產(chǎn)生提釩轉(zhuǎn)爐煤氣，這就是提釩轉(zhuǎn)爐煤氣的發(fā)生規(guī)律。其特點(diǎn)是單爐煤氣產(chǎn)生量少、CO 含量低、產(chǎn)生時(shí)間短、回收難度大。

3 提釩轉(zhuǎn)爐煤氣發(fā)生量理論分析

為提取鐵水中的貴金屬釩，在進(jìn)行鐵水煉鋼前，增加了一道提釩轉(zhuǎn)爐工序，即先提釩后煉鋼工藝。提釩轉(zhuǎn)爐需對(duì)鐵水吹氧4～6 min 并使用相應(yīng)冷固球、球團(tuán)礦和增碳劑等使釩氧化進(jìn)入渣中形成釩渣，達(dá)到釩與鐵水分離的目的。

攀鋼釩公司鐵水、提釩后半鋼以及煉鋼鋼水含C量見(jiàn)表2。

表2 鐵水、半鋼和鋼水含C量對(duì)比表 %

從表2 看出，鐵水提釩后其碳含量從4.3028%降低到3.5340%，損失了15%左右，產(chǎn)生的提釩轉(zhuǎn)爐煤氣通過(guò)放散塔放散。

攀鋼釩2017～2020年轉(zhuǎn)爐煤氣平均成分表如下表3。

表3 攀鋼釩2017～2020年轉(zhuǎn)爐煤氣平均成分表

碳平衡計(jì)算如下（不考慮添加劑含碳影響）。

原始條件：

單爐鐵水重量140 t。

鐵水平均初始含碳量4.3028%，半鋼平均含碳量3.5340%。

轉(zhuǎn)爐煤氣中CO 含量平均41.83%，CO2含量平均20.2%。

單爐鐵水碳損失總重量為：140×（4.3028-3.5340）/100×1000=1076.32 kg。

根據(jù)轉(zhuǎn)爐煤氣成分計(jì)算的煤氣密度為

其中C 為：（12×41.83+12×20.2+12×0.2）/29/100×1.29=0.3322 kg/m3

假設(shè)碳損失90%（除去冶煉初期等因素）進(jìn)入提釩轉(zhuǎn)爐煤氣，則單爐提釩轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生轉(zhuǎn)爐煤氣量：

按照理想狀態(tài)方程P1*V1/T1=P2*V2/T2

在溫度65 ℃，壓力5 kPa，轉(zhuǎn)化回收狀態(tài)體積為：

因此，單爐鐵水提釩可以回收2 915.98 m3，常態(tài)3 871.55 m3，回收熱量為2915.98×1307.72×4.1819=15.9468 GJ。

按照每天提釩轉(zhuǎn)爐平均冶煉120 爐，全年330天計(jì)算，可以回收的熱量為：

按照2020 年攀鋼釩轉(zhuǎn)爐煤氣內(nèi)部關(guān)聯(lián)交易價(jià)回收轉(zhuǎn)爐煤氣價(jià)格為33 元/GJ

從理論分析來(lái)看，提釩轉(zhuǎn)爐煤氣發(fā)生量可觀(guān)，經(jīng)濟(jì)價(jià)值比較大，具備回收的可能性。

4 安全性分析

為了保證提釩轉(zhuǎn)爐煤氣回收的安全，進(jìn)行了多次煤氣取樣分析，分析數(shù)據(jù)如表4所列。

表4 提釩轉(zhuǎn)爐煤氣成分化驗(yàn)表

與煉鋼轉(zhuǎn)爐煤氣一樣，建立了CO、O2在線(xiàn)檢測(cè)儀的校驗(yàn)制度，定期進(jìn)行取樣比對(duì)分析，比對(duì)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表5所列。

表5 CO、O2在線(xiàn)檢測(cè)儀與取樣比對(duì)分析表

從上述數(shù)據(jù)來(lái)看完全可以達(dá)到煉鋼轉(zhuǎn)爐煤氣成分，煤氣中O2含量?jī)H僅0.4%～1%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（O2≤2%）的要求，安全性可以得到保證。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)提釩轉(zhuǎn)爐煤氣的基礎(chǔ)研究，掌握了提釩轉(zhuǎn)爐煤氣發(fā)生規(guī)律，經(jīng)過(guò)理論分析攀鋼釩單爐提釩轉(zhuǎn)爐煤氣發(fā)生量2915.98 m3，折合15.9468 GJ，全年可回收63.1493 萬(wàn)GJ，回收價(jià)值2083.93 萬(wàn)元，回收安全性可以得到保證，提釩轉(zhuǎn)爐煤氣可以回收。