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轉爐煉鋼中的二氧化碳應用分析
2022.06.14
鋼鐵行業(yè)在我國國民經(jīng)濟發(fā)展及構成當中占有極為重要的地位。我國每年的產(chǎn)鋼量大約為6億t，按照相關比例進行計算生產(chǎn)鋼排放的CO2就達到13.8億t，可見我國鋼鐵行業(yè)排放的CO2量非常大。為降低CO2的排放量實現(xiàn)節(jié)能降耗綠色發(fā)展，需要通過相應的技術及設備充分利用二氧化碳。就此，目前轉爐煉鋼當中已經(jīng)對CO2有一定的應用，其中包括了將其作為冷卻劑的應用、作為反應介質的應用、用于冶煉不銹鋼等。以下先對轉爐煉鋼與二氧化碳的相關內容進行簡要的闡述，然后對二氧化碳具體的應用進行深入分析和探討。
1 轉爐煉鋼中二氧化碳的產(chǎn)生與回收方式
轉爐煉鋼（converter steelmaking）以鐵水、廢鋼、鐵合金為主要原料，無需在外加能源的基礎上便可通過物理以及化學反應共同作用下產(chǎn)生的熱量，在轉爐當中實現(xiàn)鋼的冶煉。轉爐煉鋼有其自身的發(fā)展歷程，隨著時代的發(fā)展轉爐煉鋼方法也在不斷發(fā)展。
轉爐煉鋼當中，轉爐是煉鋼的重要工具，它的材料主要分為兩種，即酸性和堿性耐火材料。當然，不同類型的轉爐有不同的特色，例如煉鋼時吹入氣體的方式有頂吹、底吹和側吹。在眾多鋼鐵冶煉企業(yè)中，使用最多的是堿性材料轉爐，主要是因為該類型轉爐生產(chǎn)效率較高并且投入成本也相對較低。
二氧化碳無色、無味、無毒，其物理特征包括∶分子量為44g/mol、熔點為-78.46℃、沸點為-56.56℃、氣態(tài)密度為1.977g/L、液態(tài)密度為1.816kg/L。在鋼鐵生產(chǎn)中，二氧化碳排放一直非常大，該氣體的回收利用也是當前鋼鐵行業(yè)十分關注的問題。
二氧化碳的來源和產(chǎn)生與鋼鐵生產(chǎn)設備及流程緊密相關，例如焦爐、轉爐、帶式焙燒機等機器設備應用中產(chǎn)生二氧化碳。以轉爐為例，轉爐煤氣燃燒的過程中，石灰石分解產(chǎn)生二氧化碳，且體積分數(shù)相對較高，其含量達到30%~40%。
目前鋼鐵企業(yè)針對二氧化碳的回收主要有六種方式，其中主要是液相吸收法、變壓吸附法、化學循環(huán)燃燒法等。以液相吸收法為例，回收二氧化碳可以進行物理吸收，也可進行化學吸收。如果采用物理吸收CO2，則是通過加壓水洗、低溫甲醇等方法進行吸收；如果使用化學方法吸收CO2，則是通過烷基醇胺法（MEA、MDEA）等方法進行。
2 二氧化碳在轉爐煉鋼中的應用分析
CO2的排放量增多會對環(huán)境產(chǎn)生不利的影響，鋼鐵生產(chǎn)排放的CO2非常大，因此必須通過相應的技術對CO2進行回收和利用，以下則是CO2在轉爐煉鋼中的應用分析。
2.1 二氧化碳作為冷卻劑的應用
經(jīng)過研究證明，二氧化碳可以作為冷卻劑應用于鋼鐵冶煉和生產(chǎn)當中，其原理涉及到CO2和Fe的反應、CO2和C的反應，其相關的計算在此就不一一呈現(xiàn)。但從其反應過程可以看出，CO2 和Fe、C可以產(chǎn)生化學吸熱反應，從而在煉鋼當中達到冷卻的效果。就其效果而言，CO2在轉爐煉鋼中產(chǎn)生的效果依賴的是化學反應熱。假設，在化學反應溫度為1500℃，入爐的溫度為25℃的情況下，根據(jù)計算，CO2在轉爐煉鋼中的總吸熱量為5297 kJ/kg，相應而言CO2的冷卻效果優(yōu)于廢鋼的冷卻效果。因此，在轉爐煉鋼當中，CO2目前也在用作冷卻劑。
2.2 二氧化碳在煉鋼流程中的應用
在世界范圍內鋼鐵工業(yè)的發(fā)展相對較早，尤其是在20世紀鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生的經(jīng)濟效益非常巨大，一些老牌的鋼鐵生產(chǎn)國如德國、美國為創(chuàng)造更大的經(jīng)濟利益不斷更新煉鋼技術，其中的轉爐煉鋼法也因此產(chǎn)生。在20世紀60—70年代，日本和德國則開始將CO2應用到轉爐煉鋼當中。以日本為例，日本住友金屬和歌山鋼鐵廠在脫磷轉爐應用CO2替代N2做為底吹氣源，脫磷率達到90%以上，煉鋼達到較好的節(jié)能降耗的效果，同時也降低了鋼鐵生產(chǎn)的成本。
CO2在煉鋼流程中的具體應用步驟及過程如下
1）CO2替代底吹N2和Ar。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。
2）頂吹O2中混入一定比例的CO2。由此降低吹煉時的火點區(qū)溫度，金屬鐵以及粉塵則相對減少。
3）用精煉CO2代替Ar。該應用的目的主要是為加大鋼水的攪拌效果，提高精煉冶煉高碳鋼的效率。
4）在冶煉不銹鋼當中，用CO2取代Ar提高去碳保鉻冶金效果，可減少10%的氬氣消耗。
5）將CO2用作鋼液的覆蓋氣體，由此來降低鋼液增氮和二次氧化的現(xiàn)象，主要是由于CO2的密度與N2和Ar相比更高。
總而言之，在鋼鐵冶煉的過程中，CO2可以起到較好的作用和效果，無論是在冷卻，還是在提高煉鋼的質量方面，CO2能夠體現(xiàn)出與其他氣體更突出的優(yōu)勢。根據(jù)實踐和調查，CO2在轉爐煉鋼的實際應用中的確能產(chǎn)生更好的效果，尤其是在生產(chǎn)中可以減少煙塵、爐渣、氮、磷的含量等。
2.3二氧化碳分析儀監(jiān)測分析系統(tǒng)的應用
隨著工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生出的二氧化碳會導致大氣污染和地球溫室效應。測量出二氧化碳的含量不僅有利于了解燃料燃燒的程度，鍋爐燃燒質量的控制，而且還可以保證鍋爐高效率運行、節(jié)約能源，同時也可以保護人類的生存環(huán)境。現(xiàn)在測量二氧化碳濃度的方法比較多，有非色散紅外吸收法（NDIR）、燒堿法、容量滴定法、氣相色譜法、可調諧半導體激光吸收光譜法（TDLAS）、熱導式氣體分析法等。目前實際運用較多的有非色散紅外吸收法（NDIR）、可調諧半導體激光吸收光譜法（TDLAS）及熱導式氣體分析法。
非色散紅外吸收法（NDIR），具有良好選擇性、高靈敏度、抗中毒、無氧氣依賴性、溫度范圍寬、測量范圍寬、維護成本低、長期穩(wěn)定性優(yōu)異、壽命長久等特點。可調諧半導體激光吸收光譜法（TDLAS），具有高選擇性、高分辨率、速度快、靈敏度高、被測氣體的不受交叉吸收干擾、維護量小的特點。熱導式氣體分析法，檢測范圍大、工作穩(wěn)定性好、使用壽命長、不存在觸媒老化問題、具有廣譜性、使用維護方便。在不同的工藝要求下可選擇不同的測量方法進行二氧化碳濃度的監(jiān)測。
3 結語
煉鋼時必然會產(chǎn)生一定量的二氧化碳，但是在轉爐煉鋼過程中充分利用二氧化碳也具有較好的效果。一方面能夠有效控制二氧化碳的排放，達到降耗節(jié)能的目的，另一方面也能極大提高鋼鐵生產(chǎn)的效率，極大降低鋼鐵生產(chǎn)成本提升鋼鐵在市場中的優(yōu)勢。尤其是在當前我國倡導經(jīng)濟與環(huán)境共同發(fā)展的背景下，CO2的應用更是符合該行業(yè)時代發(fā)展的潮流。
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