八鋼歐冶爐冶金煤氣CO2捕集技術(shù)應(yīng)用

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(diǎn)。理論分析認(rèn)為，通過捕集煤氣中的CO2產(chǎn)生高CO的煤氣(簡(jiǎn)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(chǎn)成本。為此，八鋼公司組織研發(fā)團(tuán)隊(duì)針對(duì)歐冶爐還原煤氣的制取及綜合利用進(jìn)行研究，開展了從煤氣CO2提純到風(fēng)口復(fù)合噴吹的系列試驗(yàn)，探索在歐冶爐風(fēng)口實(shí)現(xiàn)復(fù)合噴吹(煤粉、煤氣)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，通過采用CO2捕集技術(shù)提純歐冶爐煤氣實(shí)現(xiàn)煤氣成分重整，為碳減排技術(shù)應(yīng)用提供實(shí)踐及技術(shù)參考。

1 歐冶爐冶金煤氣碳捕集工藝

目前國(guó)內(nèi)比較成熟的碳捕集技術(shù)有兩種：變壓吸附式(PSA)碳捕集技術(shù)及醇胺法(NCMA)碳捕集技術(shù)。兩種CO2技術(shù)各有特點(diǎn)，具體對(duì)比見表1。

表1 兩種碳捕集技術(shù)(PSA和NCMA)主要指標(biāo)對(duì)比

兩種技術(shù)比較：PSA技術(shù)對(duì)設(shè)備精度和操作水平要求較高，在國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)僅一家應(yīng)用；NCMA技術(shù)在國(guó)內(nèi)一些鋼鐵企業(yè)得到應(yīng)用，生產(chǎn)運(yùn)行較為成熟，并適應(yīng)冬季生產(chǎn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用反映較好。兩種工藝技術(shù)均符合環(huán)保要求，無外排。

工程投資及經(jīng)濟(jì)分析對(duì)比表明，NCMA技術(shù)較PSA技術(shù)工程投資高，兩種技術(shù)生產(chǎn)運(yùn)行的物料、能源的消耗成本相當(dāng)。

通過論證比較，結(jié)合歐冶爐實(shí)際生產(chǎn)工況條件，歐冶爐冶金煤氣CO2捕集技術(shù)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(jīng)進(jìn)入壓縮系統(tǒng)加壓到0.85MPa，進(jìn)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(jìn)行噴吹。NCMA溶液進(jìn)入常解塔及汽提塔進(jìn)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(jìn)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(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括：煤氣壓縮機(jī)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(xiàng)目于2018年12月立項(xiàng)，2019年6月開工建設(shè)，2020年7月4日試運(yùn)行。

2 歐冶爐CO2碳捕集工藝運(yùn)行效果

2.1 CO2捕集系統(tǒng)運(yùn)行效果

歐冶爐輸出煤氣脫除CO2運(yùn)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(yùn)行操作穩(wěn)定，工藝成熟，設(shè)備運(yùn)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(yùn)行率達(dá)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(yùn)行主要指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。運(yùn)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(jìn)行計(jì)劃?rùn)z修

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

表2 歐冶爐煤氣脫碳后煤氣參數(shù)

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(yùn)行過程穩(wěn)定，能源介質(zhì)消耗達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，經(jīng)過系統(tǒng)消缺、工藝調(diào)整，脫碳系統(tǒng)消耗穩(wěn)定，實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)，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(yùn)行過程中大量使用N2作為安全介質(zhì)，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(dá)到450～550Nm3/tHM。CO2捕集系統(tǒng)每小時(shí)產(chǎn)生的純度達(dá)到99.1%的CO2氣體性質(zhì)可以替代惰性氣體，同時(shí)可作為轉(zhuǎn)爐底部噴吹的優(yōu)質(zhì)可選能源介質(zhì)。

理論認(rèn)為，高純的CO2氣體可以替換N2比例達(dá)到100%，能夠在鋼鐵冶煉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)碳捕集的內(nèi)部循環(huán)，進(jìn)一步探索低碳冶煉的技術(shù)路徑。歐冶爐已經(jīng)進(jìn)行CO2氣體的工藝?yán)脤?shí)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(shù)的成功應(yīng)用，擴(kuò)展了冶金煤的利用價(jià)值，改變了冶金煤氣僅作為燃料使用的低端方式，同時(shí)提供了煤氣成分調(diào)整的技術(shù)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(shù)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(chǎn)生還原煤氣1.82m3，歐冶爐風(fēng)口和拱頂同時(shí)噴吹還原煤氣，經(jīng)過實(shí)踐測(cè)算氣與燃料置換比約0.36kg/Nm3，根據(jù)置換比，降低歐冶爐煉鐵生產(chǎn)成本約0.546元/tHM。

間接效益：歐冶爐風(fēng)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(dòng)降低，風(fēng)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(huì)效益：歐冶爐冶金煤氣捕集CO2技術(shù)實(shí)現(xiàn)了安全穩(wěn)定運(yùn)行，是煉鐵實(shí)現(xiàn)碳捕集循環(huán)利用的實(shí)例，提供了一種碳減排方案。

4 CO2碳捕集系統(tǒng)投運(yùn)后的改進(jìn)

歐冶爐CO2捕集系統(tǒng)是一套化工工藝設(shè)施在冶金煤氣處理系統(tǒng)的耦合使用，同時(shí)要經(jīng)受新疆嚴(yán)寒天氣與蒸汽能源系統(tǒng)供應(yīng)的考驗(yàn)。半年的冬季運(yùn)行，針對(duì)歐冶爐煤氣捕集系統(tǒng)生產(chǎn)過程出現(xiàn)的問題，技術(shù)人員經(jīng)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(jìn)

歐冶爐CO2捕集系統(tǒng)運(yùn)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(rèn)為是由于分配器焊縫強(qiáng)度不夠所致，將分配器改為弧板焊接并在焊縫處焊接加強(qiáng)筋板，改進(jìn)后的蒸發(fā)冷分配器運(yùn)行正常。

4.2 蒸汽回收系統(tǒng)改進(jìn)

歐冶爐生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)蒸汽回水系統(tǒng)采用低進(jìn)高出，為防止冬季發(fā)生凍結(jié)，將蒸汽回水系統(tǒng)改為高進(jìn)低出，并將回水收集進(jìn)入壓縮機(jī)循環(huán)水池。

改造后CO2碳捕集系統(tǒng)在冬季生產(chǎn)期間(2020年末至2021年初)保持穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行，未發(fā)生因設(shè)備結(jié)凍造成系統(tǒng)停機(jī)的事故。冷凝水回收進(jìn)壓縮機(jī)循環(huán)水池后，壓縮機(jī)循環(huán)水池?zé)o需補(bǔ)水，降低了新水消耗量。

5 結(jié)束語(yǔ)

八鋼歐冶爐CO2捕集系統(tǒng)投入運(yùn)行，也是CO2捕集技術(shù)在非高爐煉鐵工藝中的首次應(yīng)用。投運(yùn)后的生產(chǎn)實(shí)踐效果表明：歐冶爐冶金煤氣CO2捕集系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，操作自動(dòng)化成熟，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(dá)到99.5%，具備工業(yè)化大生產(chǎn)的技術(shù)條件。