陳培敦，王俊海，趙麗明，趙 剛

（山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東 濟南 271100）

1 前言

隨著能源消耗的增加，CO2排放己成為全球關注的熱點，鋼鐵行業(yè)是一種能源密集型行業(yè)，生產制造過程中排放大量的溫室氣體。目前，中國鋼產量超過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，碳捕集、利用與封存技術逐漸成為了鋼鐵行業(yè)的一大重要減排技術。CO2捕集、利用與封存（CCUS）技術，指將CO2從排放源中分離后或直接加以利用或封存，以實現CO2減排的技術過程。

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

2 CO2在高爐中的應用

鐵前系統(tǒng)（包括焦化、燒結、高爐）的能耗及CO2排放占鋼鐵生產流程總量的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、改善高爐經濟技術指標的同時，實現CO2減排。

高爐CO2噴吹技術已在泰山鋼鐵公司1 780 m3高爐進行工業(yè)試驗，主要過程是將CO2混入高爐熱風中，與空氣、富氧一同鼓入高爐風口，基于CO2在風口回旋區(qū)與碳元素的反應特性，包括吸熱效應，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噴吹試驗在國內外尚屬首次，是CO2規(guī)?；糜跓掍摵蟮挠忠恢卮髣?chuàng)新，是鋼鐵行業(yè)實現碳中和目標的重要手段。

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

圖1 CO2在高爐的資源化應用技術效果概述

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，熱風中氧化性得到增加，從而提高高爐的有效容積利用系數。CO2氣體可以作為“增碳劑”使用，高溫下的CO2氣體與碳素反應生成2倍體積的CO氣體，使高爐內的還原氣氛得到增強，爐內直接還原度減弱，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氣體與碳素的反應是一項吸熱反應，適用于有富余熱量和富氧能力的高爐，是煉鐵技術的革命。

進行高爐噴吹CO2試驗，邁開了CO2在高爐工序資源化應用的第一步，是高爐煉鐵領域的一項重要技術進步及大膽嘗試，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在轉爐中的應用

國內外學者對復吹轉爐底吹CO2進行初步研究發(fā)現［2-4］，底吹CO2可參與熔池反應，其底吹攪拌能力強于氬氣和氮氣。CO2替代底吹N2和Ar的化學反應式則為：CO2+［C］=2CO+Q吸。在這一反應過程中，CO2可以使得轉爐內部鋼水攪拌更具有效果，并且能夠增加1倍的氣體吹入，而CO2與轉爐煉鋼中的鐵水中的C會發(fā)生吸熱反應，則可以充分提高脫磷效率，也能增加轉爐煤氣的回收量［5］。

利用CO2在煉鋼溫度下的氧化作用，將CO2資源回收應用于轉爐煉鋼的脫磷過程，實現普碳鋼產品在轉爐脫磷過程的溫度調控，同時改善了脫磷動力學反應。

泰山鋼鐵在70 t轉爐進行冶煉普碳鋼的工業(yè)試驗，在脫磷階段采用底吹CO2的吹煉工藝。轉爐底吹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，實現轉爐低磷、低氧、保碳冶煉。該技術的應用實施，帶動了冶金行業(yè)和相關產業(yè)的技術升級，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Ar工藝相比，CO2脫磷工藝渣中P2O5含量增加0.53%，脫磷率達到95%以上，保碳率增加0.75%，達到脫磷保碳效果。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用

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

頂底復吹CO2冶煉技術在泰山鋼鐵公司70 t氬氧精煉爐進行了工業(yè)試驗及應用，設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爐頂底復吹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的弱氧化性強化熔池脫碳，減少鉻的氧化燒損，降低生產成本。并且CO2參與脫碳反應有良好的吸熱效應，可以對熔池進行控溫，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，具體噴吹參數如圖3所示。

圖3 TSR冶煉不銹鋼CO2噴吹參數

該技術將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的弱氧化及強攪拌特性促進熔池脫碳保鉻反應，強化不銹鋼冶煉效率，提高鋼液Cr收得率。在技術及工藝上取得了多項技術突破，聯合團隊深入研究了CO2冶煉不銹鋼的脫碳保鉻反應機理，揭示了基于CO2噴吹比例動態(tài)調整的不銹鋼冶煉全過程熔池CO分壓調控機制，建立了CO2用于冶煉不銹鋼的工藝操控模型，并相繼完成了相關專利技術覆蓋。工業(yè)應用結果表明，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與熔池碳反應生成2倍體積的CO。CO2冶煉不銹鋼技術的應用，增強了熔池的攪拌，降低了鋼液中鉻合金的損失，縮短了不銹鋼的冶煉周期，同時降低了生產成本。

5 結語

在鋼鐵生產流程中采用CO2用于冶金過程技術，可實現CO2可靠、安全資源化應用。泰山鋼鐵結合國內外研究現狀，從CO2碳在鋼鐵冶金流程的資源化應用方向出發(fā)，先后在高爐煉鐵、轉爐冶煉普碳鋼和TSR爐冶煉不銹鋼等流程進行了系統(tǒng)研究，并進行了工業(yè)試驗生產。將CO2由對環(huán)境有害的氣體轉變?yōu)橐苯鹳Y源進行有效利用，既降低了CO2的排放，又提高了生產的效率，取得了預期效果，實現了CO2可靠、安全資源化應用。