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轉爐煉鋼中的二氧化碳應用分析

2022.06.14

鋼鐵行業在我國國民經濟發展及構成當中占有極為重要的地位。我國每年的產鋼量大約為6億t，按照相關比例進行計算生產鋼排放的CO2就達到13.8億t，可見我國鋼鐵行業排放的CO2量非常大。為降低CO2的排放量實現節能降耗綠色發展，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生的熱量，在轉爐當中實現鋼的冶煉。轉爐煉鋼有其自身的發展歷程，隨著時代的發展轉爐煉鋼方法也在不斷發展。
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℃、氣態密度為1.977g/L、液態密度為1.816kg/L。在鋼鐵生產中，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十分關注的問題。
二氧化碳的來源和產生與鋼鐵生產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，石灰石分解產生二氧化碳，且體積分數相對較高，其含量達到30%~40%。
目前鋼鐵企業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境產生不利的影響，鋼鐵生產排放的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。但從其反應過程可以看出，CO2 和Fe、C可以產生化學吸熱反應，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的發展相對較早，尤其是在20世紀鋼鐵工業產生的經濟效益非常巨大，一些老牌的鋼鐵生產國如德國、美國為創造更大的經濟利益不斷更新煉鋼技術，其中的轉爐煉鋼法也因此產生。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，煉鋼達到較好的節能降耗的效果，同時也降低了鋼鐵生產的成本。
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能夠體現出與其他氣體更突出的優勢。根據實踐和調查，CO2在轉爐煉鋼的實際應用中的確能產生更好的效果，尤其是在生產中可以減少煙塵、爐渣、氮、磷的含量等。
2.3二氧化碳分析儀監測分析系統的應用

隨著工業的快速發展，工業生產中產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、節約能源，同時也可以保護人類的生存環境。現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、長期穩定性優異、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測。
3 結語
煉鋼時必然會產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，達到降耗節能的目的，另一方面也能極大提高鋼鐵生產的效率，極大降低鋼鐵生產成本提升鋼鐵在市場中的優勢。尤其是在當前我國倡導經濟與環境共同發展的背景下，CO2的應用更是符合該行業時代發展的潮流。

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