提釩轉爐煤氣回收可行性研究

呂 勇，張 劍，姜遠舸，秦 勇，胥中平

（攀鋼釩能源動力分公司，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，攀鋼開發(fā)了獨具特色的低釩鐵水轉爐提釩工藝，從而產生了提釩轉爐煤氣。

表1 為提釩轉爐工藝和轉爐煉鋼工藝煤氣CO發(fā)生量對比。

表1 提釩轉爐工藝與轉爐煉鋼工藝對比

由上述差異可見提釩轉爐煤氣具有發(fā)生頻繁，單爐煤氣發(fā)生時間短、發(fā)生量少、CO含量低等特點。被行業(yè)普遍認為沒有回收價值，沒有實現(xiàn)提釩轉爐煤氣回收。

不回收提釩轉爐煤氣的主要問題：提釩轉爐煤氣直接對空放散或者燃燒放散，環(huán)境污染嚴重；工序能耗高，不符合能耗和清潔生產國家標準要求；大氣中CO、粉塵超標嚴重，安全風險巨大。

隨著國家節(jié)能減排監(jiān)察、處罰力度不斷加大，研究開發(fā)提釩轉爐煤氣回收利用工藝及裝備技術勢在必行。

2 提釩轉爐煤氣產生規(guī)律

2.1 提釩轉爐目的

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；二是得到滿足煉鋼要求的半鋼。

2.2 提釩轉爐脫碳規(guī)律

在熔池區(qū)域，碳的氧化為：2C+O2=2CO（鐵水內部殘氧與碳反應）

在射流區(qū)域，碳的氧化為：2C+O2=2CO（鐵水內部碳與吹氧反應）

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

2.3 鐵水中碳與釩氧化轉化溫度

提釩過程是鐵水中鐵、釩、碳、硅、錳、鈦、磷、硫等元素的氧化反應過程，這些元素的氧化反應進行的速度取決于鐵水本身的化學成份、吹釩時的熱力學和動力學條件。根據(jù)鐵液中元素氧化的△G0～T圖，碳氧勢線與釩氧勢線有一個交點，此點對應的溫度稱為碳釩轉化溫度。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爐中對含釩鐵水進行攪拌，將鐵水中的釩氧化成高價穩(wěn)定的釩氧化物制取釩渣的一種物理化學反應過程。在反應過程中通過加入冷固球、球團礦和增碳劑等控制熔池溫度在碳釩轉換溫度以下，達到“去釩保碳”的目的。

圖1 V-O與C-O的標準生產自由能△G0～T圖

通過鐵水成份可以估算轉化溫度，根據(jù)工藝的要求，規(guī)定出適當?shù)陌脘摮煞?，在吹煉過程中控制過程溫度不要超過此溫度，做熱平衡計算以估計需用的冷卻劑用量，并算出吹煉的終點溫度為1 361 ℃［1］。

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

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

3 提釩轉爐煤氣發(fā)生量理論分析

為提取鐵水中的貴金屬釩，在進行鐵水煉鋼前，增加了一道提釩轉爐工序，即先提釩后煉鋼工藝。提釩轉爐需對鐵水吹氧4～6 min 并使用相應冷固球、球團礦和增碳劑等使釩氧化進入渣中形成釩渣，達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量見表2。

表2 鐵水、半鋼和鋼水含C量對比表 %

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，產生的提釩轉爐煤氣通過放散塔放散。

攀鋼釩2017～2020年轉爐煤氣平均成分表如下表3。

表3 攀鋼釩2017～2020年轉爐煤氣平均成分表

碳平衡計算如下（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)轉爐煤氣成分計算的煤氣密度為

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

假設碳損失90%（除去冶煉初期等因素）進入提釩轉爐煤氣，則單爐提釩轉爐產生轉爐煤氣量：

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。

按照每天提釩轉爐平均冶煉120 爐，全年330天計算，可以回收的熱量為：

按照2020 年攀鋼釩轉爐煤氣內部關聯(lián)交易價回收轉爐煤氣價格為33 元/GJ

從理論分析來看，提釩轉爐煤氣發(fā)生量可觀，經濟價值比較大，具備回收的可能性。

4 安全性分析

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

表4 提釩轉爐煤氣成分化驗表

與煉鋼轉爐煤氣一樣，建立了CO、O2在線檢測儀的校驗制度，定期進行取樣比對分析，比對分析數(shù)據(jù)見表5所列。

表5 CO、O2在線檢測儀與取樣比對分析表

從上述數(shù)據(jù)來看完全可以達到煉鋼轉爐煤氣成分，煤氣中O2含量僅僅0.4%～1%，符合國家標準（O2≤2%）的要求，安全性可以得到保證。

5 結論

通過對提釩轉爐煤氣的基礎研究，掌握了提釩轉爐煤氣發(fā)生規(guī)律，經過理論分析攀鋼釩單爐提釩轉爐煤氣發(fā)生量2915.98 m3，折合15.9468 GJ，全年可回收63.1493 萬GJ，回收價值2083.93 萬元，回收安全性可以得到保證，提釩轉爐煤氣可以回收。