【解析】轉爐煉鋼過程CO2向CO的轉化與煤氣再生回收

本文主要介紹了目前轉爐煤氣的回收現狀，同時介紹了用石灰石代替石灰造渣煉鋼和對低CO濃度的廢氣循環再利用而生成轉爐煤氣的技術。該方法不但可以增加轉爐煤氣的回收量，也可以顯著提高轉爐煤氣的發熱值，同時在減少能量消耗、增加能量收入和減少廢棄物排放等方面也具有重大的環境和經濟效益，可以認為是一種高效益的轉爐煤氣再生。 

轉爐煤氣性質及回收現狀

轉爐煤氣的主要成分是CO，其含量約為60%~80%，具體成分見表1所示。

表1. 轉爐煤氣成分 

目前，國內大部分企業回收轉爐煤氣的熱值在6688~7106 kJ/m3，也就是每立方米轉爐煤氣相當于0.229~0.243kg標準煤。轉爐煤氣的主要成分CO是無色無味、易燃易爆的有毒氣體，化學活動性強，控制不好很容易引起著火、爆炸、中毒等惡性事故。

有文獻指出，轉爐煤氣的密度和空氣差不多，能夠長時間和空氣混合在一起，容易聚集不易擴散，其爆炸極限范圍比較大（18.2％～83.2％），所以轉爐煤氣的爆炸性是限制其回收的主要因素之一。

回收轉爐煤氣的價值和意義

我國重點大中型鋼鐵企業的煤氣回收量逐年增加，但值得指出的是，目前我國近年建立的相當多的民營轉爐煉鋼企業沒有設置轉爐煤氣回收裝置，亟需進行整頓，這些煉鋼廠在生產中不僅浪費了大量的能源，也過多地排放了CO2而加重生態問題，令人痛心。 

轉爐煤氣熱值比較高，含硫量低，是一種優質的燃料，同時也是比較好的化工原料。轉爐煤氣除了供鋼鐵廠內部如烘烤鋼包、熱冷軋、高爐熱風爐和石灰窯等使用外，也可供給外部企業使用如發電、供熱取暖和化工等方面使用。 

從節約能量角度考慮，按全國轉爐鋼產量為5億噸、回收量取現在進行轉爐煤氣回收的企業的平均值60m3/t計算，每立方轉爐煤氣熱值為0.23kg標準煤，則每年回收的轉爐煤氣可以節約能量約為69億kg 標準煤，可見是非常大的能量來源，而如果按照世界水平來要求，其數量更為巨大。

因此，加強對轉爐煤氣的回收與管理，不僅可以增加能源生產，而且有利于環境保護發展循環經濟，特別是，對于大量進口能源的我國來說，回收轉爐煤氣無疑在國家能源安全方面也會起到重要作用。

石灰石代替石灰造渣煉鋼過程的煤氣回收

從減少資源和能源浪費、減排粉塵和CO2及降低煉鋼成本出發，北京科技大學提出了一種用石灰石代替石灰造渣煉鋼的新方法。在一系列的理論探索和實驗室研究基礎上，已在國內兩家鋼鐵企業成功地進行了工業試驗。研究結果表明，新生產方法除可保證煉鋼生產正常進行，還可以提高轉爐煤氣的產生量。 

用石灰石代替石灰造渣煉鋼與傳統工藝相比，一個突出優點是石灰石在轉爐內分解生成大量的CO2氣體，從而可以增加爐氣生成量和爐內碳素來源。由于生成的CO2氣體在煉鋼初期可以參與入爐鐵水中雜質元素的氧化反應，根據熱力學計算，在1200～1600K間標準狀態下可以自發進行如下反應： 

從式（1）和（2）可以看出，石灰石分解的CO2可以自發參加轉爐內的氧化反應而轉化為CO，不僅增加了煤氣發生量，而且也可以提高CO含量。

工業試驗結果表明：用石灰石造渣煉鋼與傳統的用石灰造渣煉鋼相比，轉爐煤氣中CO含量升高了很多，并且開始回收時間也可以提前1分鐘左右，從而提高了轉爐煤氣的回收指標。實踐表明，添加石灰石的爐次爐氣中的CO含量明顯比全石灰冶煉高出很多，從而可以說明，用石灰石代替石灰造渣煉鋼可以有效提高轉爐煤氣的回收量，提高轉爐煤氣的發熱值。

低CO濃度爐氣循環利用產生轉爐煤氣

目前轉爐煤氣的回收要求是，CO濃度要大于30%，O2濃度同時要小于2%，不能回收的爐氣要在煙氣凈化除塵系統的排放煙囪頂端燃燒后放空。為了充分利用煉鋼過程中產生的因CO濃度過低而排放掉的爐氣，北京科技大學提出了對現有的轉爐煤氣回收設備進行略加改造，把轉爐生產過程中放空的爐氣回收后用作復吹氣體，讓它再通過爐內鐵水與碳等元素反應，生成高濃度CO的爐氣的“循環利用轉爐低濃度CO爐氣產生轉爐煤氣”系統裝置，結構簡圖如圖a所示。 

圖a.提出的新的轉爐煤氣回收模式 

從圖a可以看出，新的轉爐煤氣回收模式使低CO濃度而排放的爐氣得到了充分的循環利用，從而可以達到增加能源收入和減少CO2排放的目的。

轉爐煤氣能源的再生

傳統的轉爐煤氣回收系統對爐氣主要有兩種處理途徑，一種是成分合格的作為煤氣回收利用，另一種是成分不達標的則要進行點燃放散。這種處理辦法無疑會造成能量的浪費和CO2排放量的增加。上面介紹的“用石灰石代替石灰造渣煉鋼”方法，代替的是現在煉鋼操作前煅燒石灰，把CO2放散到大氣中的做法，由此可以在轉爐中使石灰石中的CO2自然地、不需人工干預地反應生成CO，可以認為是一種能源的自然再生過程； “循環利用轉爐低濃度CO爐氣產生轉爐煤氣”方法可以使要放散的爐氣（CO2含量高CO含量低）由人工干預再生成為高CO含量的轉爐煤氣。只要有轉爐煉鋼生產，這種循環過程也將會不斷地進行下去，因此在某種意義上可以認為這也是一種具有可再生性質的能源，這是有別于非工業過程的自然循環的能源。其循環過程可以用圖b表示。 

圖b. 轉爐煤氣的可再生過程 

由圖b可見，石灰石中的CO2經分解、參與爐內反應后變成了CO，從而增加轉爐煤氣的來源；另一方面，不能被利用的低CO濃度爐氣經回收和再次吹入轉爐后又一次增加了轉爐煤氣的來源。對工藝作很小的改革，就可以獲得一部分再生能源，這是一種值得提倡的工業生產方法。對人類社會來說，或許還有許多這樣的生產過程可以改變以獲得再生能源，這是一個值得探討的新能源領域。

另外，從在煉鋼中作為氧化劑使用的角度來看，充分利用CO2的氧化作用，從而相對減少純氧的使用也可以降低生產純氧的能量消耗。這種新的生產方法充分利用了石灰石分解的和低CO濃度爐氣中的CO2的氧化作用，可以降低噸鋼耗氧量，從而減少純氧的使用，降低了生產純氧的能量消耗。這是煉鋼過程產生再生能源之外的收獲。 

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