鄒慶峰，劉鵬南，田 果

(新疆八一鋼鐵股份有限公司煉鐵廠)

前言

八鋼歐冶爐是熔融還原非高爐煉鐵工藝，使用全氧冶煉，其輸出煤氣具有熱值高的特點。理論分析認為，通過捕集煤氣中的CO2產生高CO的煤氣(簡稱還原煤氣)回用至煉鐵高爐使用，可以降低焦炭和煤粉的消耗，降低生產成本。為此，八鋼公司組織研發(fā)團隊針對歐冶爐還原煤氣的制取及綜合利用進行研究，開展了從煤氣CO2提純到風口復合噴吹的系列試驗，探索在歐冶爐風口實現(xiàn)復合噴吹(煤粉、煤氣)技術的實際應用，通過采用CO2捕集技術提純歐冶爐煤氣實現(xiàn)煤氣成分重整，為碳減排技術應用提供實踐及技術參考。

1 歐冶爐冶金煤氣碳捕集工藝

目前國內比較成熟的碳捕集技術有兩種：變壓吸附式(PSA)碳捕集技術及醇胺法(NCMA)碳捕集技術。兩種CO2技術各有特點，具體對比見表1。

表1 兩種碳捕集技術(PSA和NCMA)主要指標對比

兩種技術比較：PSA技術對設備精度和操作水平要求較高，在國內鋼鐵企業(yè)僅一家應用；NCMA技術在國內一些鋼鐵企業(yè)得到應用，生產運行較為成熟，并適應冬季生產，現(xiàn)場實際應用反映較好。兩種工藝技術均符合環(huán)保要求，無外排。

工程投資及經濟分析對比表明，NCMA技術較PSA技術工程投資高，兩種技術生產運行的物料、能源的消耗成本相當。

通過論證比較，結合歐冶爐實際生產工況條件，歐冶爐冶金煤氣CO2捕集技術采用了CO2脫除率為1%的醇胺法(NCMA)工藝。

八鋼歐冶爐碳捕集醇胺法(NCMA)工藝流程見圖1。歐冶爐冶金煤氣經進入壓縮系統(tǒng)加壓到0.85MPa，進入吸收塔底部，在此用NCMA溶液吸收，將歐冶爐煤氣中的CO2含量降到1%以下送往用戶進行噴吹。NCMA溶液進入常解塔及汽提塔進行再生，釋放出溶液吸收的CO2，將再生后的溶液送入吸收塔進行循環(huán)利用，釋放出的CO2氣體替代惰性氣體。

圖1 歐冶爐NCMA脫除CO2工藝流程圖

八鋼歐冶爐碳捕集項目建設內容包括：煤氣壓縮機系統(tǒng)、歐冶爐煤氣脫碳系統(tǒng)、歐冶爐煤氣脫碳單元(公輔系統(tǒng))。項目于2018年12月立項，2019年6月開工建設，2020年7月4日試運行。

2 歐冶爐CO2碳捕集工藝運行效果

2.1 CO2捕集系統(tǒng)運行效果

歐冶爐輸出煤氣脫除CO2運行期間，歐冶爐循環(huán)噴吹量的不同，系統(tǒng)處理煤氣量控制變化。2020年9月至2021年5月脫碳系統(tǒng)運行操作穩(wěn)定，工藝成熟，設備運行良好。捕集CO2氣體量17757Nm3/h,還原煤氣壓力850kPa，系統(tǒng)穩(wěn)定運行率達到98%。捕集系統(tǒng)的核心溶液濃度循環(huán)穩(wěn)定在45.7%，系統(tǒng)運行主要指標達到了設計指標。運行期間歐冶爐煤氣脫除CO2成分見圖2。

說明：2021年3月—4月歐冶爐進行計劃檢修

歐冶爐煤氣脫除CO2的還原煤氣成分穩(wěn)定，CO含量達到68%以上，CO2含量在1%以下，同時還原煤氣中的H2含量達到17.46%，具體成分見表2。

表2 歐冶爐煤氣脫碳后煤氣參數

2.2 CO2捕集系統(tǒng)投入后的能介消耗

歐冶爐碳捕集系統(tǒng)投入半年以來，運行過程穩(wěn)定，能源介質消耗達到設計指標，經過系統(tǒng)消缺、工藝調整，脫碳系統(tǒng)消耗穩(wěn)定，實際運行指標均優(yōu)于設計指標，見表3。

表3 歐冶爐煤氣脫碳能介消耗

2.3 捕集的CO2氣體的利用

鋼鐵企業(yè)在安全運行過程中大量使用N2作為安全介質，入如粉煤輸送、氣體反吹、煤粉制備的安保氣體等，歐冶爐系統(tǒng)噸鐵消耗N2達到450～550Nm3/tHM。CO2捕集系統(tǒng)每小時產生的純度達到99.1%的CO2氣體性質可以替代惰性氣體，同時可作為轉爐底部噴吹的優(yōu)質可選能源介質。

理論認為，高純的CO2氣體可以替換N2比例達到100%，能夠在鋼鐵冶煉系統(tǒng)實現(xiàn)碳捕集的內部循環(huán)，進一步探索低碳冶煉的技術路徑。歐冶爐已經進行CO2氣體的工藝利用實踐，將CO2氣體用在煤粉制備系統(tǒng)，作為安保氣源，可有效降低系統(tǒng)氧含量與揮發(fā)分氣體濃度。

冶金煤氣捕集CO2氣體技術的成功應用，擴展了冶金煤的利用價值，改變了冶金煤氣僅作為燃料使用的低端方式，同時提供了煤氣成分調整的技術方案，為鋼鐵冶煉行業(yè)碳減排碳循環(huán)提供了可借鑒的技術方案。

3 CO2碳捕集系統(tǒng)投入后的效益分析

直接效益：捕集1m3CO2氣體，使用歐冶爐煤氣2.82m3，產生還原煤氣1.82m3，歐冶爐風口和拱頂同時噴吹還原煤氣，經過實踐測算氣與燃料置換比約0.36kg/Nm3，根據置換比，降低歐冶爐煉鐵生產成本約0.546元/tHM。

間接效益：歐冶爐風口噴吹還原煤氣后，燃料比焦比下降，鐵水爐溫和硅素的波動降低，風口噴吹煤氣單耗70Nm3/tHM，鐵水硅素由噴吹前1.0%降低至0.82%以下，有利于煉鋼工序的冶煉。社會效益：歐冶爐冶金煤氣捕集CO2技術實現(xiàn)了安全穩(wěn)定運行，是煉鐵實現(xiàn)碳捕集循環(huán)利用的實例，提供了一種碳減排方案。

4 CO2碳捕集系統(tǒng)投運后的改進

歐冶爐CO2捕集系統(tǒng)是一套化工工藝設施在冶金煤氣處理系統(tǒng)的耦合使用，同時要經受新疆嚴寒天氣與蒸汽能源系統(tǒng)供應的考驗。半年的冬季運行，針對歐冶爐煤氣捕集系統(tǒng)生產過程出現(xiàn)的問題，技術人員經過努力都逐一解決，保證了系統(tǒng)順行。

4.1 蒸發(fā)冷分配器的改進

歐冶爐CO2捕集系統(tǒng)運行后，貧液蒸發(fā)冷分配器發(fā)生2次爆管事故，造成脫碳再生系統(tǒng)無法使用。分析認為是由于分配器焊縫強度不夠所致，將分配器改為弧板焊接并在焊縫處焊接加強筋板，改進后的蒸發(fā)冷分配器運行正常。

4.2 蒸汽回收系統(tǒng)改進

歐冶爐生產現(xiàn)場蒸汽回水系統(tǒng)采用低進高出，為防止冬季發(fā)生凍結，將蒸汽回水系統(tǒng)改為高進低出，并將回水收集進入壓縮機循環(huán)水池。

改造后CO2碳捕集系統(tǒng)在冬季生產期間(2020年末至2021年初)保持穩(wěn)定連續(xù)運行，未發(fā)生因設備結凍造成系統(tǒng)停機的事故。冷凝水回收進壓縮機循環(huán)水池后，壓縮機循環(huán)水池無需補水，降低了新水消耗量。

5 結束語

八鋼歐冶爐CO2捕集系統(tǒng)投入運行，也是CO2捕集技術在非高爐煉鐵工藝中的首次應用。投運后的生產實踐效果表明：歐冶爐冶金煤氣CO2捕集系統(tǒng)運行平穩(wěn)，操作自動化成熟，系統(tǒng)穩(wěn)定運行率98%以上；CO2捕集溶液循環(huán)使用效果良好，還原煤氣中CO2降低至1%，溶液解析循環(huán)率能夠達到99.5%，具備工業(yè)化大生產的技術條件。