CO2在泰鋼冶金過程的資源化應(yīng)用

陳培敦，王俊海，趙麗明，趙 剛

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 271100）

1 前言

隨著能源消耗的增加，CO2排放己成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)，鋼鐵行業(yè)是一種能源密集型行業(yè)，生產(chǎn)制造過程中排放大量的溫室氣體。目前，中國鋼產(chǎn)量超過10億t，CO2的年排放量超過20億t，急需采取措施減少CO2的排放量。過去10 a間，許多國家開始致力于開發(fā)能夠顯著降低CO2排放的突破性低碳煉鋼技術(shù)，碳捕集、利用與封存技術(shù)逐漸成為了鋼鐵行業(yè)的一大重要減排技術(shù)。CO2捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)，指將CO2從排放源中分離后或直接加以利用或封存，以實(shí)現(xiàn)CO2減排的技術(shù)過程。

在鋼鐵生產(chǎn)流程中采用CO2用于冶金過程，可實(shí)現(xiàn)CO2可靠、安全的資源化應(yīng)用。CO2在冶金過程的資源化應(yīng)用技術(shù)，尚處于技術(shù)研究開發(fā)階段，泰山鋼鐵致力于開展CO2資源綜合應(yīng)用技術(shù)研究，注重依靠科技創(chuàng)新，積極運(yùn)用高新技術(shù)，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)了企業(yè)的綠色發(fā)展。“CO2在冶金過程資源化應(yīng)用”項(xiàng)目的醞釀、發(fā)動和展開過程，對于泰鋼乃至行業(yè)綠色發(fā)展起到了關(guān)鍵的推動作用。

2 CO2在高爐中的應(yīng)用

鐵前系統(tǒng)（包括焦化、燒結(jié)、高爐）的能耗及CO2排放占鋼鐵生產(chǎn)流程總量的70%以上，因此高爐煉鐵工序是減少鋼鐵企業(yè)能源消耗、CO2及其他污染物排放的重要途徑。將CO2作為資源循環(huán)利用于煉鐵過程，在完成冶金任務(wù)、改善高爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的同時，實(shí)現(xiàn)CO2減排。

高爐CO2噴吹技術(shù)已在泰山鋼鐵公司1 780 m3高爐進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn)，主要過程是將CO2混入高爐熱風(fēng)中，與空氣、富氧一同鼓入高爐風(fēng)口，基于CO2在風(fēng)口回旋區(qū)與碳元素的反應(yīng)特性，包括吸熱效應(yīng)，生成兩倍體積的CO氣體，日均噴吹二氧化碳100 t。此次大中型高爐CO2噴吹試驗(yàn)在國內(nèi)外尚屬首次，是CO2規(guī)模化利用于煉鋼后的又一重大創(chuàng)新，是鋼鐵行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要手段。

朱榮教授課題組前期開展了CO2在高爐資源化應(yīng)用技術(shù)研究［1］，進(jìn)行了CO2在高爐煉鐵中應(yīng)用的理論計算，建立了熱風(fēng)中混入CO2氣體的高爐煉鐵物料及能量平衡模型，定義了高爐熱風(fēng)富CO2率，分析了熱風(fēng)中不同富CO2率情況下，爐內(nèi)關(guān)鍵參數(shù)變化，研究了熱風(fēng)中CO2氣體對高爐煉鐵能耗和排放指標(biāo)的影響規(guī)律，驗(yàn)證了CO2氣體在高爐煉鐵中應(yīng)用的可能性。具體技術(shù)指標(biāo)如圖1所示（技術(shù)效果分析按熱風(fēng)中富CO2率為6%、風(fēng)量為3 600 m3/min工況進(jìn)行計算）。

圖1 CO2在高爐的資源化應(yīng)用技術(shù)效果概述

CO2氣體可以作為“氧化劑”使用，高溫下能夠提供具有氧化性的氧原子，熱風(fēng)中氧化性得到增加，從而提高高爐的有效容積利用系數(shù)。CO2氣體可以作為“增碳劑”使用，高溫下的CO2氣體與碳素反應(yīng)生成2倍體積的CO氣體，使高爐內(nèi)的還原氣氛得到增強(qiáng)，爐內(nèi)直接還原度減弱，提高了高爐能量的綜合利用效率。CO2氣體可以作為“控溫劑”使用，高溫下CO2氣體與碳素的反應(yīng)是一項(xiàng)吸熱反應(yīng)，適用于有富余熱量和富氧能力的高爐，是煉鐵技術(shù)的革命。

進(jìn)行高爐噴吹CO2試驗(yàn)，邁開了CO2在高爐工序資源化應(yīng)用的第一步，是高爐煉鐵領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)進(jìn)步及大膽嘗試，有希望形成新一代高富氧-高煤比-富CO2的高爐操作工藝，是CO2資源化應(yīng)用于煉鐵的一個里程碑，為鋼鐵行業(yè)的綠色發(fā)展提供了新思路。

3 CO2在轉(zhuǎn)爐中的應(yīng)用

國內(nèi)外學(xué)者對復(fù)吹轉(zhuǎn)爐底吹CO2進(jìn)行初步研究發(fā)現(xiàn)［2-4］，底吹CO2可參與熔池反應(yīng)，其底吹攪拌能力強(qiáng)于氬氣和氮?dú)?。CO2替代底吹N2和Ar的化學(xué)反應(yīng)式則為：CO2+［C］=2CO+Q吸。在這一反應(yīng)過程中，CO2可以使得轉(zhuǎn)爐內(nèi)部鋼水?dāng)嚢韪哂行Ч?，并且能夠增?倍的氣體吹入，而CO2與轉(zhuǎn)爐煉鋼中的鐵水中的C會發(fā)生吸熱反應(yīng)，則可以充分提高脫磷效率，也能增加轉(zhuǎn)爐煤氣的回收量［5］。

利用CO2在煉鋼溫度下的氧化作用，將CO2資源回收應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐煉鋼的脫磷過程，實(shí)現(xiàn)普碳鋼產(chǎn)品在轉(zhuǎn)爐脫磷過程的溫度調(diào)控，同時改善了脫磷動力學(xué)反應(yīng)。

泰山鋼鐵在70 t轉(zhuǎn)爐進(jìn)行冶煉普碳鋼的工業(yè)試驗(yàn)，在脫磷階段采用底吹CO2的吹煉工藝。轉(zhuǎn)爐底吹CO2氣體，充分利用了CO2的冶金原理（見表1）及作用，增大底吹攪拌能力。隨著噸鋼噴吹CO2用量的增加，普碳鋼特別是中高碳鋼的磷含量明顯降低，脫磷率提高，鋼中碳含量提高，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐低磷、低氧、保碳冶煉。該技術(shù)的應(yīng)用實(shí)施，帶動了冶金行業(yè)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級，提升了我國冶金企業(yè)CO2資源化利用水平，為冶金行業(yè)的節(jié)能減排和資源高值化利用提供了新的示范支撐。

表1 CO2的冶金原理

轉(zhuǎn)爐底吹采用四孔底吹爐底，底吹氣體在前期和中期采用CO2，后期采用氬氣。底吹CO2時間為10～11 min。主要用于冶煉前期和中期，冶煉前期和中期采用較大的CO2流量。具體流量見表2。

表2 流量控制

與原底吹A(chǔ)r工藝相比，CO2脫磷工藝渣中P2O5含量增加0.53%，脫磷率達(dá)到95%以上，保碳率增加0.75%，達(dá)到脫磷保碳效果。CO2脫磷工藝渣中TFe降低0.64%，P2O5提高0.5%，P的分配系數(shù)Lp提高32，鋼鐵料消耗降低2.75 kg/t。

4 CO2在不銹鋼冶煉中的應(yīng)用

TSR爐是一個具有1支頂吹氧槍和多支底吹槍的頂?shù)讖?fù)吹不銹鋼冶煉爐，相較于AOD和VOD等傳統(tǒng)的不銹鋼精煉爐，TSR爐不僅可以實(shí)現(xiàn)頂部超音速供氧，而且可以通過底吹槍噴吹大流量底吹氣體進(jìn)行全程混合噴吹冶煉，兼具冶煉碳鋼和不銹鋼的功能。

頂?shù)讖?fù)吹CO2冶煉技術(shù)在泰山鋼鐵公司70 t氬氧精煉爐進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)及應(yīng)用，設(shè)計頂吹管道和底吹管道由一根總管輸入，總管選擇DN100，最大流量60 m3/min，管道、閥組安裝示意圖見圖2。日均噴吹CO218 t，此次氬氧精煉爐大規(guī)模噴吹CO2冶煉的應(yīng)用尚屬首次，是CO2在煉鋼行業(yè)資源化利用的又一重要創(chuàng)新。

圖2 CO2管道閥組示意圖

泰山鋼鐵利用TSR爐頂?shù)讖?fù)吹CO2冶煉不銹鋼［6］，通過在氧化期不同階段從頂部或底部吹入不同比例的CO2，利用CO2的弱氧化性強(qiáng)化熔池脫碳，減少鉻的氧化燒損，降低生產(chǎn)成本。并且CO2參與脫碳反應(yīng)有良好的吸熱效應(yīng)，可以對熔池進(jìn)行控溫，降低爐身和爐底耐材的高溫熔損。同時，CO2參與煉鋼反應(yīng)提升熔池的攪拌性能，配合吹入一定量的N2/Ar，改善熔池動力學(xué)條件，降低熔池CO分壓，提高鉻金屬收得率，縮短冶煉周期，具體噴吹參數(shù)如圖3所示。

圖3 TSR冶煉不銹鋼CO2噴吹參數(shù)

該技術(shù)將CO2分別從頂吹氧槍和底吹槍混和噴入不銹鋼冶煉熔池，利用CO2的弱氧化及強(qiáng)攪拌特性促進(jìn)熔池脫碳保鉻反應(yīng)，強(qiáng)化不銹鋼冶煉效率，提高鋼液Cr收得率。在技術(shù)及工藝上取得了多項(xiàng)技術(shù)突破，聯(lián)合團(tuán)隊深入研究了CO2冶煉不銹鋼的脫碳保鉻反應(yīng)機(jī)理，揭示了基于CO2噴吹比例動態(tài)調(diào)整的不銹鋼冶煉全過程熔池CO分壓調(diào)控機(jī)制，建立了CO2用于冶煉不銹鋼的工藝操控模型，并相繼完成了相關(guān)專利技術(shù)覆蓋。工業(yè)應(yīng)用結(jié)果表明，底吹CO2能有效減緩氬氧精煉爐底吹噴嘴侵蝕，頂吹CO2可通過降低頂吹火點(diǎn)區(qū)溫度，減少含鉻煙塵的排放并減輕渣線部位高溫侵蝕，延長了爐齡；同時CO2與熔池碳反應(yīng)生成2倍體積的CO。CO2冶煉不銹鋼技術(shù)的應(yīng)用，增強(qiáng)了熔池的攪拌，降低了鋼液中鉻合金的損失，縮短了不銹鋼的冶煉周期，同時降低了生產(chǎn)成本。

5 結(jié)語

在鋼鐵生產(chǎn)流程中采用CO2用于冶金過程技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)CO2可靠、安全資源化應(yīng)用。泰山鋼鐵結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，從CO2碳在鋼鐵冶金流程的資源化應(yīng)用方向出發(fā)，先后在高爐煉鐵、轉(zhuǎn)爐冶煉普碳鋼和TSR爐冶煉不銹鋼等流程進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)生產(chǎn)。將CO2由對環(huán)境有害的氣體轉(zhuǎn)變?yōu)橐苯鹳Y源進(jìn)行有效利用，既降低了CO2的排放，又提高了生產(chǎn)的效率，取得了預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)了CO2可靠、安全資源化應(yīng)用。