转炉炼钢过程CO2向CO的转化与煤气再生回收

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  摘要: 本文主要介绍了目前转炉煤气的回收现状,同时介绍了用石灰石代替石灰造渣炼钢和对低CO浓度的废气循环再利用而生成转炉煤气的新方法。新方法不但可以增加转炉煤气的回收量,也可以显著提高转炉煤气的发热值,同时在减少能量消耗、增加能量收入和减少废弃物排放等方面也具有重大的环境和经济效益。可以认为是一种高效益的转炉煤气再生。
  关键词: 转炉炼钢 煤气回收 石灰石 循环利用
  
  1、引言
  转炉煤气是现代炼钢生产过程中产生的二次能源,它的回收占整个转炉工序能源回收总量的 80~90 %,所以如何实现转炉煤气的充分回收和利用是降低能耗的重要环节。随着国家对节能减排政策的不断实施和炼钢成本的控制要求,近几年已有不少钢铁企业开始结合生产实际进行一系列技术改造来提高转炉煤气的吨钢回收量和回收质量[1-9],但与国外工业发达国家如日本吨钢回收煤气达到110m3相比,国内企业则水平参差不齐,吨钢回收煤气量大致为14~110m3,而低水平回收则占大多数,更有许多企业炼钢厂至今没有安装转炉煤气回收设施。目前大多钢铁企业对转炉煤气回收的技术改造主要偏重于对原燃料供应制度、冶炼操作制度、设备改造、气体成分分析技术和煤气用户调整等方面的优化和改进,而这些技术改造大多只用来增加转炉煤气的吨钢回收量,而不能提高煤气质量,即提高煤气中CO的含量。为了提高转炉煤气的回收量和回收质量,即从质和量的角度提高转炉煤气的回收水平,本文就最近提出的用石灰石代替石灰造渣炼钢的新方法及工业试验结果[10-11]和一种减少转炉炼钢过程中CO2气体的排放和低浓度CO炉气循环利用生成转炉煤气回收方法[12]进行讨论。
  2、转炉煤气性质及回收现状
  2.1 转炉煤气性质
  转炉煤气的主要成分是CO,其含量约为60%~80%,具体成分见表1所示。
  Table 1. The compositions of converter coal gas
  表1. 转炉煤气成分
  成分/% CO CO2 N2 O2
  转炉煤气 60~80 14~19 5~10 0.4~0.6
  
  目前,国内大部分企业回收转炉煤气的热值在6688~7106 kJ/m3,也就是每立方米转炉煤气相当于0.229~0.243kg标准煤[13],宝钢是国内的最高水平,其转炉煤气热值达到约8360 kJ/m3。转炉煤气的主要成分CO是无色无味、易燃易爆的有毒气体,化学活动性强,控制不好很容易引起着火、爆炸、中毒等恶性事故。有文献指出[13],转炉煤气的密度和空气差不多,能够长时间和空气混合在一起,容易聚集不易扩散,其爆炸极限范围比较大(18.2%~83.2%),所以转炉煤气的爆炸性是限制其回收的主要因素之一。
  2.2 目前转炉煤气回收情况
  伴随着装备水平和生产管理水平的提高,实现转炉煤气回收的企业以及回收煤气的数量都在稳步增长,尤其进入21 世纪以来,随着能源价格的上涨和国家发展循环经济政策的实施,钢铁企业转炉煤气回收水平在不断提高。2003~2006 年我国重点大中型钢铁企业转炉煤气的平均回收情况见表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年中国重点大中型钢铁企业转炉煤气平均回收情况
  年份/年 2003 2004 2005 2006
  吨钢回收量/m3/t 41 54 55 56
  
  从表2可以看出,我国重点大中型钢铁企业的煤气回收量逐年增加,但仍然处于低水平回收阶段。经查2008~2010年有关转炉煤气回收文献进行不完全统计可知[1-9,13-14],在近两年的时间里有相当多的钢铁企业已经对转炉煤气回收进行了技术改造和优化,并取得了相当好的成绩,一些企业回收转炉煤气达到的水平如表3所示。
  由表3可知,相当多的钢铁企业转炉煤气吨钢回收量正在接近和达到日本的水平。有文献报道转炉煤气吨钢回收量的最大值是128.183 m3/t[15],可见我国钢铁企业在转炉煤气回收方面还需要继续努力。
  值得指出的是,目前我国近年建立的相当多的民营转炉炼钢企业没有设置转炉煤气回收装置,亟需进行整顿,这些炼钢厂在生产中不仅浪费了大量的能源,也过多地排放了CO2而加重生态问题,令人痛心。
  Table 3. The recovery rate of converter coal gas of some steel companies in 2008~2009
  表3. 2008~2009年一些钢铁企业转炉煤气吨钢回收量
  企业 年份 吨钢回收量/m3/t
  承钢 2008 49.15
  沙钢 2008 99.86
  武钢 2008 103.07
  济钢 2008 93.28
  太钢 2008 116
  红钢 2009 86.5
  青钢 2009 95
  邯钢 2008 70.65
  
  2.3 回收转炉煤气的价值和意义
  转炉煤气热值比较高,含硫量低,是一种优质的燃料,同时也是比较好的化工原料。转炉煤气除了供钢铁厂内部如烘烤钢包、热冷轧、高炉热风炉和石灰窑等使用外,也可供给外部企业使用如发电、供热取暖和化工等方面使用。
  从节约能量角度考虑,按全国转炉钢产量为5亿吨、回收量取现在进行转炉煤气回收的企业的平均值60 m3/t计算,每立方转炉煤气热值为0.23 kg标准煤,则每年回收的转炉煤气可以节约能量约为69亿kg 标准煤,可见是非常大的能量来源,而如果按照世界水平来要求,其数量更为巨大。因此,加强对转炉煤气的回收与管理,不仅可以增加能源生产,而且有利于环境保护发展循环经济,特别是,对于大量进口能源的我国来说,回收转炉煤气无疑在国家能源安全方面也会起到重要作用。
  3、石灰石代替石灰造渣炼钢过程的煤气回收
  从减少资源和能源浪费、减排粉尘和CO2及降低炼钢成本出发,北京科技大学提出了一种用石灰石代替石灰造渣炼钢的新方法[11]。在一系列的理论探索和实验室研究基础上,已在国内两家钢铁企业成功地进行了工业试验。研究结果表明,新生产方法除可保证炼钢生产正常进行,还可以提高转炉煤气的产生量。
  用石灰石代替石灰造渣炼钢与传统工艺相比,一个突出优点是石灰石在转炉内分解生成大量的CO2气体,从而可以增加炉气生成量和炉内碳素来源。由于生成的CO2气体在炼钢初期可以参与入炉铁水中杂质元素的氧化反应,根据热力学计算,在1200~1600K间标准状态下可以自发进行如下反应[11]:
  
  (1)
  
  (2)
  从式(1)和(2)可以看出,石灰石分解的CO2可以自发参加转炉内的氧化反应而转化为CO,不仅增加了煤气发生量,而且也可以提高CO含量。
  工业试验结果表明:用石灰石造渣炼钢与传统的用石灰造渣炼钢相比,转炉煤气中CO含量升高了很多,并且开始回收时间也可以提前1分钟左右,从而提高了转炉煤气的回收指标。图1是在石家庄钢铁公司试验中5炉的炉气成分变化情况。
  Figure 1.Variation of furnace gas during converter steelmaking
  图1表明,添加石灰石的炉次炉气中的CO含量明显比全石灰冶炼高出很多,从而可以说明,用石灰石代替石灰造渣炼钢可以有效提高转炉煤气的回收量,提高转炉煤气的发热值。
  4、低CO浓度炉气循环利用产生转炉煤气
  目前转炉煤气的回收要求是,CO浓度要大于30%,O2浓度同时要小于2%,不能回收的炉气要在烟气净化除尘系统的排放烟囱顶端燃烧后放空。为了充分利用炼钢过程中产生的因CO浓度过低而排放掉的炉气,北京科技大学提出了对现有的转炉煤气回收设备进行略加改造,把转炉生产过程中放空的炉气回收后用作复吹气体,让它再通过炉内铁水与碳等元素反应,生成高浓度CO的炉气的“循环利用转炉低浓度CO炉气产生转炉煤气”系统装置[12],结构简图如图2所示。
  Figure 2. A new recovery model of converter coal gas proposed at present
  图2.提出的新的转炉煤气回收模式
  从图2可以看出,新的转炉煤气回收模式使低CO浓度而排放的炉气得到了充分的循环利用,从而可以达到增加能源收入和减少CO2排放的目的。
  5、转炉煤气能源的再生
  传统的转炉煤气回收系统对炉气主要有两种处理途径,一种是成分合格的作为煤气回收利用,另一种是成分不达标的则要进行点燃放散。这种处理办法无疑会造成能量的浪费和CO2排放量的增加。上面介绍的“用石灰石代替石灰造渣炼钢”方法,代替的是现在炼钢操作前煅烧石灰,把CO2放散到大气中的做法,由此可以在转炉中使石灰石中的CO2自然地、不需人工干预地反应生成CO,可以认为是一种能源的自然再生过程; “循环利用转炉低浓度CO炉气产生转炉煤气”方法可以使要放散的炉气(CO2含量高CO含量低)由人工干预再生成为高CO含量的转炉煤气。只要有转炉炼钢生产,这种循环过程也将会不断地进行下去,因此在某种意义上可以认为这也是一种具有可再生性质的能源,这是有别于非工业过程的自然循环的能源。其循环过程可以用图3表示。
  Figure 3. The renewable process of converter coal gas
  图3. 转炉煤气的可再生过程
  由图3可见,石灰石中的CO2经分解、参与炉内反应后变成了CO,从而增加转炉煤气的来源;另一方面,不能被利用的低CO浓度炉气经回收和再次吹入转炉后又一次增加了转炉煤气的来源。对工艺作很小的改革,就可以获得一部分再生能源,这是一种值得提倡的工业生产方法。对人类社会来说,或许还有许多这样的生产过程可以改变以获得再生能源,这是一个值得探讨的新能源领域。
  另外,从在炼钢中作为氧化剂使用的角度来看,充分利用CO2的氧化作用,从而相对减少纯氧的使用也可以降低生产纯氧的能量消耗。这种新的生产方法充分利用了石灰石分解的和低CO浓度炉气中的CO2的氧化作用,可以降低吨钢耗氧量,从而减少纯氧的使用,降低了生产纯氧的能量消耗。这是炼钢过程产生再生能源之外的收获。
  6结论
  通过对转炉煤气回收情况及“用石灰石代替石灰造渣炼钢”和“循环利用转炉低浓度CO炉气产生转炉煤气”炼钢新方法的讨论可以得到以下结论:
  (1) 就转炉煤气的回收而言,与国外先进水平相比,我国仍然处于较低的水平,在炼钢生产和能源回收这一交叉点上还有很大的发展空间。
  (2)转炉煤气量大,发热值高,对转炉煤气的回收不仅具有重大的环境和经济效益,在维护国家能源安全方面也有重要的意义。
  (3)用石灰石代替石灰造渣炼钢,不但可以减少煅烧石灰过程CO2的排放,也可以增加炼钢转炉中CO的生成量,从而可以提高转炉煤气的回收量。
  (4)对现有转炉煤气回收系统略加改造,使低CO浓度的废气能够循环再利用从而产生转炉煤气,这种方法不但可以增加能源收入,也可以减少CO2的排放。
  (5)“用石灰石代替石灰造渣炼钢”和“循环利用转炉低浓度CO炉气产生转炉煤气”两种方法,可以增产转炉煤气,这两个过程中产生的能源,具有明显的可再生性质,可以认为也是一种再生能源。
  
  
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