【解析】转炉炼钢过程CO2向CO的转化与煤气再生回收

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技术。该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。 

转炉煤气性质及回收现状

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。

表1. 转炉煤气成分 

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。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，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。

回收转炉煤气的价值和意义

我国重点大中型钢铁企业的煤气回收量逐年增加，但值得指出的是，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。 

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60m3/t计算，每立方转炉煤气热值为0.23kg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。

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。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： 

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。实践表明，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。

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，结构简图如图a所示。 

图a.提出的新的转炉煤气回收模式 

从图a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。

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b表示。 

图b. 转炉煤气的可再生过程 

由图b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。 

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