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(zhǎng)的排放使全球氣候變暖已成為國(guó)際社會(huì)必須面對(duì)的焦點(diǎn)問題，我國(guó)于2009年11月26日公布了控制溫室氣體排放的行動(dòng)目標(biāo)，即到2020年全國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降40%～45%。其中工業(yè)生產(chǎn)的減排對(duì)我國(guó)整個(gè)控制溫室氣體排放的行動(dòng)目標(biāo)完成具有重要意義，冶金行業(yè)是能源消耗大戶，也是工業(yè)生產(chǎn)中CO2排放最大的來源，僅冶金行業(yè)的CO2排放量比例就占工業(yè)總排放量的30.4%，冶金行業(yè)的節(jié)能減排工作是整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過程CO2減排的關(guān)鍵之一，深入研究CO2的回收利用技術(shù)已成為鋼鐵行業(yè)節(jié)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(chǎn)普通石灰，4#、5#兩座窯生產(chǎn)高鈣白灰，2#窯生產(chǎn)輕燒白云石。從原料角度來看，高鈣石灰石產(chǎn)生的二氧化碳濃度較高，經(jīng)測(cè)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?？紤]到變壓吸附法為干法物理凈化工藝，生產(chǎn)過程中無廢水、廢氣產(chǎn)生，清潔環(huán)保，本制備工藝選用變壓吸附法制取年產(chǎn)5萬t的食品級(jí)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(jīng)增壓風(fēng)機(jī)1加壓到0.12 MPa，經(jīng)過混合緩沖罐、氣水分離器，脫除游離水后，進(jìn)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(jīng)PSA-Ⅰ解吸出來中間氣，經(jīng)過增壓機(jī)2加壓到0.17 MPa，進(jìn)入氣水分離器，脫除游離水后，進(jìn)入PSA-Ⅱ變壓吸附，然后進(jìn)入二氧化碳?jí)嚎s機(jī)3，經(jīng)過3級(jí)加壓到3.0 MPa（產(chǎn)品氣）進(jìn)入提純工藝。出球罐的3.0 MPa的氣體一路（DN300）直接送出站區(qū)，供脫磷轉(zhuǎn)爐頂吹煉使用；另一路經(jīng)過減壓閥組由3.0 MPa減至2.0 MPa（DN125）送出站區(qū)，供脫磷轉(zhuǎn)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(shí)也可外購液體灌入液體儲(chǔ)槽內(nèi)。液體儲(chǔ)槽留有雙向接口。其工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 二氧化碳回收制備工藝流程簡(jiǎn)圖

3 二氧化碳在京唐公司脫磷轉(zhuǎn)爐上的應(yīng)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(yīng)，完成脫磷任務(wù)。與純氧相比，采用CO2作為煉鋼過程的氧化劑時(shí)，CO2參與熔池反應(yīng)為吸熱或微放熱反應(yīng)，反應(yīng)的熱效應(yīng)降低，因此，可在京唐300 t脫磷轉(zhuǎn)爐中混合噴吹一定比例的CO2來實(shí)現(xiàn)對(duì)煉鋼脫磷過程溫度的調(diào)控，為脫磷反應(yīng)的進(jìn)行創(chuàng)造良好的熱力學(xué)條件；同時(shí)利用CO2參與熔池反應(yīng)可產(chǎn)生更多的氣體，有利于強(qiáng)化熔池?cái)嚢枘芰?，為脫磷反?yīng)創(chuàng)造良好的動(dòng)力學(xué)條件。由于首鋼京唐公司的300 t脫磷轉(zhuǎn)爐采用“全三脫”模式和常規(guī)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(zhuǎn)爐當(dāng)采用“全三脫”冶煉模式進(jìn)行冶煉時(shí)，底吹采用全程吹N2，底吹共有16支支路，氮?dú)饪偭髁繛?600 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(jù)爐況進(jìn)行調(diào)節(jié)，比例為0～50%，流量為0～15000 m3/h；底吹全程采用氮?dú)夂虲O2的混合氣體，CO2氣體比例可根據(jù)爐況進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)比例為0～100%，防止CO2氣體的吸熱冷卻效應(yīng)導(dǎo)致底吹噴嘴冷卻凝固。

（1）頂吹CO2混合噴吹參數(shù)

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(shù)

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(guī)冶煉模式

目前，首鋼京唐公司的300脫磷轉(zhuǎn)爐當(dāng)采用常規(guī)冶煉模式進(jìn)行冶煉時(shí)，底吹采用N2-Ar切換的方式，節(jié)約Ar消耗，切換點(diǎn)根據(jù)冶煉鋼種不同略有調(diào)整（低氮鋼可采用全程底吹A(chǔ)r的方式），氣體總流量為540～2700 m3/h（即底吹強(qiáng)度按照0.03～0.15 m3/min·t進(jìn)行考慮）。該方案考慮常規(guī)冶煉時(shí)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(jù)爐況進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(jìn)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(shí)刻時(shí)采用Ar-CO2的混合氣進(jìn)行切換。底吹CO2氣體比例可根據(jù)爐況進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)比例為0～100%。

常規(guī)模式設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）頂吹CO2混合噴吹參數(shù)

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(shù)

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(shí)施效果分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）爐渣中鐵損減少產(chǎn)生的效益

由于爐渣中(TFe)含量降低1%以上,以噸鋼產(chǎn)生60 kg爐渣估算，每年?duì)t渣中鐵損將減少5585 t，TFe價(jià)格按照2200元/t計(jì)算，則減少鐵損產(chǎn)生的效益為1229萬元/年。

（2）利用CO2代替氮?dú)猱a(chǎn)生的效益

利用CO2代替氮?dú)猓闏O2代替氮?dú)庀目偭繛?694.15萬m3，氮?dú)鈨r(jià)格為0.15元/m3，則節(jié)約氮?dú)赓M(fèi)用為254萬元/年。

（3）利用CO2代替氧氣產(chǎn)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(jià)格為0.24元/m3，節(jié)約氧氣費(fèi)用為424萬元/年。

（4）利用CO2代替氧氣、氮?dú)馐沟妹摿仔Ч岣弋a(chǎn)生的效益

目前煉鋼生產(chǎn)2座脫磷爐終點(diǎn)磷含量為0.030%左右，造成3座脫碳爐額外的脫磷任務(wù)，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(jià)格按5571元/t（不含稅）、碳化硅價(jià)格按1860元/t（不含稅）計(jì)算，每月費(fèi)用共計(jì)836.55萬元/月，年費(fèi)用約1億元。若使用CO2代替氧氣、氮?dú)?，則兩座脫磷爐中的磷含量降低5%，預(yù)計(jì)升溫劑消耗能至少能降低5%，年節(jié)約費(fèi)用大約500萬元。

4.2 環(huán)境減排效益

（1）噸鋼煙塵量以15 kg計(jì)算，產(chǎn)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(jì)算，每年可減排粉塵2.35 t；

（3）根據(jù)節(jié)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(tái)。

4.3 社會(huì)效益

目前國(guó)家對(duì)工業(yè)污染排放和環(huán)境保護(hù)的治理要求日趨嚴(yán)格，采用新技術(shù)回收利用二氧化碳，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，產(chǎn)生良好的社會(huì)效益，有利于提升京唐公司的對(duì)外形象，產(chǎn)生技術(shù)示范作用；二氧化碳如作為商品外銷，開發(fā)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，增強(qiáng)了企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

前兩年我公司對(duì)石灰窯尾氣CO2提純技術(shù)及在煉鋼中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的可行性研究，但因CO2外銷市場(chǎng)等綜合原因，該項(xiàng)目未進(jìn)一步推進(jìn)。

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