基于富氧燃燒的套筒窯煙氣CO2回收與循環利用

（首鋼京唐公司能環部，河北唐山 063200）

1 富氧燃燒概述

富氧燃燒是指用比空氣含氧濃度高的富氧空氣作為助燃風進行助燃，可以分為微富氧燃燒、氧槍噴氧燃燒和空-氧雙助燃燃燒等，對所有氣體、液體和固體燃料均適用。富氧燃燒比用普通空氣燃燒有以下明顯優點[1]:

（1）節省燃料效果顯著。在工業鍋爐、加熱爐、石灰窯等應用節能量為20%～50%，顯著提高燃料使用效率。

（2）延長爐齡。爐內燃燒環境得到優化，爐內溫度場分布合理，大大延長加熱爐的運行時長。

（3）提高產量和質量。燃料的燃燒效率得到提高、升溫迅速，為提高產品產量、保障產品質量提供有利條件。

（4）環保效果突出。煙氣中攜帶的固體未燃盡物充分燃燒，排煙黑度降低，燃燒分解和形成的可燃有害氣體充分燃燒，排煙量明顯降低，減少熱污染。

隨著環保要求的不斷提高及節能降本力度的不斷加大，富氧燃燒技術作為節能成熟技術之一，受到了鋼鐵行業的廣泛關注。但考慮到富氧安全性及燃燒后煙氣CO2含量顯著提高（部分城市對CO2排放量有限制），目前富氧燃燒僅在煉鐵熱風爐、熱軋加熱爐、回轉石灰窯[2]、鋼包及鐵包烘烤有應用的案例。富氧燃燒在使用煤氣作為燃料的套筒窯富氧并無先例。

為了降低燃耗和氧氣放散，實現碳循環利用，首鋼結合正在進行的CO2回收項目，綜合考慮現場工藝條件，計劃對套筒窯進行微富氧燃燒改造。

2 富氧燃燒在套筒窯的實施

2.1 套筒窯基本工藝

煉鋼廠有5座套筒窯，燃料以轉爐煤氣為主，混入焦爐煤氣提高熱值至8360 kJ/m3，設計有混合站1座，焦爐煤氣和轉爐煤氣混合后，分別輸送到每座套筒窯。單座套筒窯混合煤氣平均消耗量10000 m3/h 左右（根據產量變化有波動），其中轉爐煤氣9000 m3/h，焦爐煤氣1000 m3/h。

每座套筒窯有上、下兩個燃燒室，各均勻分布6個燒嘴，其中上燃燒室為欠氧燃燒，下燃燒室為過氧燃燒。每個燃燒室都有一個用耐火材料砌筑的從窯外殼到下內套筒的拱橋，煤氣在燃燒室內燃燒后，產生的熱氣從拱橋下面的空間進入料床，并且均勻分布到整個料床。因此每座套筒窯助燃風由三部分組成，一部分是下燃燒室的驅動風，另一部分來自冷卻套筒窯耐材后的熱風，第三部分為冷卻料床后的熱風。

單座套筒窯助燃風由2臺額定風量為4500 m3/h的羅茨風機供給，1臺工頻，1臺變頻，羅茨鼓風機出口總管的加壓空氣經預熱器預熱后，直接送到燃燒室。

2.2 現場改造方案

考慮到現場工藝特點、設備布置空間及安全等因素，對下燃燒室的驅動風進行富氧改造。具體實施方案為：

煤氣系統與助燃風系統整體工藝不改變，只對羅茨風機出口總管至換熱器前的管道進行改造，增加氧氣管道接點：

（1）結合現場設備布置，在圖1所示位置增加氧氣接點閥門，同時在接點閥門后的管道上增加氧含量在線分析儀，分析儀可選用現場實時顯示儀表，安裝維護便捷。

圖1 套筒窯富氧改造接點位置

（2）氧氣管道需要增加氧氣流量計，用以精確控制混入助燃風管道的氧氣流量。

富氧量控制最大25%（氧氣量可調），氧氣最大混入量360 m3/h。氧氣采用槽車（液氧）供應，通過汽化器減壓到0.8 MPa，再減壓至(35～40)kPa 后，混入助燃風管道。也可使用管網氧氣作為氣源。

3 套筒窯煙氣CO2回收及循環利用

3.1 二氧化碳的回收及提純

二氧化碳回收采用變壓吸附法（簡稱PSA）+液化提純法[3]。來自套筒窯富氧后CO2含量較高的尾氣進入CO2回收工藝。尾氣首先通過冷卻器降溫，然后經風機加壓，經過混合、緩沖、氣水分離器，脫除游離水后，進入變壓吸附單元。變壓吸附技術是以吸附劑(多孔固體物質)內部表面對氣體分子的物理吸附為基礎，利用吸附劑在相同壓力下易吸附高沸點組分、不易吸附低沸點組分和高壓下吸附量增加(吸附組分)、減壓下吸附量減少(解吸組分)的特性，來實現CO2氣體的分離提取。以上為干法物理凈化，過程中無廢水、廢氣產生，清潔環保，CO2回收率大于93%，將套筒窯煙氣中CO2濃度從0～30%提高到95%以上。

如圖2 所示，以上變壓吸附（PSA）出口的粗CO2氣體，先經過脫硝、脫SO2塔脫除原料氣中的SO2，然后在除濕器進行除濕后進入吸附凈化塔。原料氣所含水分及部分烴類等重組分雜質被專用吸附劑吸附除去，先后在提純塔再沸器為精餾提純提供再沸熱量，在預冷器與提純塔放空尾氣換熱被預冷，在冷凝器被冷凝液化，然后進入提純塔進行低溫精餾提純。從提純塔頂部排出原料氣中的輕組分雜質（CO、O2、N2等），從提純塔底部排出濃度99.8%液體CO2，通過過冷器冷卻后進入低溫儲槽。儲槽產品經泵加壓和汽化后送出，供轉爐頂、底吹煉使用。

圖2 CO2回收與利用流程

3.2 二氧化碳的轉爐頂底復合噴吹利用

如圖3 所示，頂吹全程采用O2和CO2的混合氣體，混合比例可根據爐況0～30%進行調節，設計流量為0～15000 m3/h。頂吹噴入的氧氣中添加部分CO2，可使熔池升溫速度下降，熔池火點區的理論溫度下降300～500 ℃，限制金屬鐵的蒸發量，減少煙塵產生；同時可調控熔池溫度，強化熔池攪拌，為熔池提供良好的脫磷及終點碳、氧的控制條件。

底吹全程采用N2和CO2的混合氣體，CO2氣體比例可根據爐況及示范工程運行情況進行調節，設計的調節CO2比例為0～100%，增強了攪拌能力，提高脫磷及降低渣中鐵損，可降低鋼中夾雜物的產生及提高脫硫率。同時CO2與C 的反應生成CO，提高了轉爐煤氣的回收量。

圖3 CO2的利用及效果

4 效益效果

4.1 環保效果

（1）減少單座套筒窯廢氣排放14000 m3/h,按粉塵排放濃度20 mg/m3計算，每年可減排粉塵2.35 t。

（2）按鋼產量437.5 萬t/a，按噸鋼煙塵量15 kg降低10%，計算，單座轉爐每年減少煙塵量為6562.5 t。

（3）按每千克標準煤減排CO22.5 kg 或C 0.680kg 計算，年減 排CO2氣體1531.25 t，或416.5t碳，可參加碳排放交易。

4.2 經濟效益[3]

（1）轉爐底吹N2單耗下降0.91 m3/t，頂吹O2單耗下降0.95 m3/t，鐵損下降0.6 kg/t，三者合計噸鋼節能折標準煤0.49 kg/t。頂底吹CO2單耗2.73 m3/t，折標準煤0.35 kg/t，則相應可實現節能0.14 kg/t。按照年產鋼437.5萬t計算，每年可節能折標準煤612.5 t。

（2）增加每爐轉爐煤氣回收時間，轉爐煤氣回收量可提高約1 m3/t 左右，每年效益為100 萬元左右。

（3）轉爐脫磷效果提高，磷含量降低，升溫劑消耗降低，每年節省500萬元左右。