转炉炼钢中的二氧化碳应用分析
2022.06.14
钢铁行业在我国国民经济发展及构成当中占有极为重要的地位。我国每年的产钢量大约为6亿t，按照相关比例进行计算生产钢排放的CO2就达到13.8亿t，可见我国钢铁行业排放的CO2量非常大。为降低CO2的排放量实现节能降耗绿色发展，需要通过相应的技术及设备充分利用二氧化碳。就此，目前转炉炼钢当中已经对CO2有一定的应用，其中包括了将其作为冷却剂的应用、作为反应介质的应用、用于冶炼不锈钢等。以下先对转炉炼钢与二氧化碳的相关内容进行简要的阐述，然后对二氧化碳具体的应用进行深入分析和探讨。
1 转炉炼钢中二氧化碳的产生与回收方式
转炉炼钢（converter steelmaking）以铁水、废钢、铁合金为主要原料，无需在外加能源的基础上便可通过物理以及化学反应共同作用下产生的热量，在转炉当中实现钢的冶炼。转炉炼钢有其自身的发展历程，随着时代的发展转炉炼钢方法也在不断发展。
转炉炼钢当中，转炉是炼钢的重要工具，它的材料主要分为两种，即酸性和碱性耐火材料。当然，不同类型的转炉有不同的特色，例如炼钢时吹入气体的方式有顶吹、底吹和侧吹。在众多钢铁冶炼企业中，使用最多的是碱性材料转炉，主要是因为该类型转炉生产效率较高并且投入成本也相对较低。
二氧化碳无色、无味、无毒，其物理特征包括∶分子量为44g/mol、熔点为-78.46℃、沸点为-56.56℃、气态密度为1.977g/L、液态密度为1.816kg/L。在钢铁生产中，二氧化碳排放一直非常大，该气体的回收利用也是当前钢铁行业十分关注的问题。
二氧化碳的来源和产生与钢铁生产设备及流程紧密相关，例如焦炉、转炉、带式焙烧机等机器设备应用中产生二氧化碳。以转炉为例，转炉煤气燃烧的过程中，石灰石分解产生二氧化碳，且体积分数相对较高，其含量达到30%~40%。
目前钢铁企业针对二氧化碳的回收主要有六种方式，其中主要是液相吸收法、变压吸附法、化学循环燃烧法等。以液相吸收法为例，回收二氧化碳可以进行物理吸收，也可进行化学吸收。如果采用物理吸收CO2，则是通过加压水洗、低温甲醇等方法进行吸收；如果使用化学方法吸收CO2，则是通过烷基醇胺法（MEA、MDEA）等方法进行。
2 二氧化碳在转炉炼钢中的应用分析
CO2的排放量增多会对环境产生不利的影响，钢铁生产排放的CO2非常大，因此必须通过相应的技术对CO2进行回收和利用，以下则是CO2在转炉炼钢中的应用分析。
2.1 二氧化碳作为冷却剂的应用
经过研究证明，二氧化碳可以作为冷却剂应用于钢铁冶炼和生产当中，其原理涉及到CO2和Fe的反应、CO2和C的反应，其相关的计算在此就不一一呈现。但从其反应过程可以看出，CO2 和Fe、C可以产生化学吸热反应，从而在炼钢当中达到冷却的效果。就其效果而言，CO2在转炉炼钢中产生的效果依赖的是化学反应热。假设，在化学反应温度为1500℃，入炉的温度为25℃的情况下，根据计算，CO2在转炉炼钢中的总吸热量为5297 kJ/kg，相应而言CO2的冷却效果优于废钢的冷却效果。因此，在转炉炼钢当中，CO2目前也在用作冷却剂。
2.2 二氧化碳在炼钢流程中的应用
在世界范围内钢铁工业的发展相对较早，尤其是在20世纪钢铁工业产生的经济效益非常巨大，一些老牌的钢铁生产国如德国、美国为创造更大的经济利益不断更新炼钢技术，其中的转炉炼钢法也因此产生。在20世纪60—70年代，日本和德国则开始将CO2应用到转炉炼钢当中。以日本为例，日本住友金属和歌山钢铁厂在脱磷转炉应用CO2替代N2做为底吹气源，脱磷率达到90%以上，炼钢达到较好的节能降耗的效果，同时也降低了钢铁生产的成本。
CO2在炼钢流程中的具体应用步骤及过程如下
1）CO2替代底吹N2和Ar。CO2替代底吹N2和Ar的化学反应式则为CO2+【C】=2CO+Q吸，在这一反应过程中CO2可以使得转炉内部钢水搅拌更具有效果，并且能够增加1倍的气体吹入。而CO2与转炉炼钢中的铁水中的C会发生吸热反应，则可以充分提高脱磷效率，也能增加转炉煤气的回收量。
2）顶吹O2中混入一定比例的CO2。由此降低吹炼时的火点区温度，金属铁以及粉尘则相对减少。
3）用精炼CO2代替Ar。该应用的目的主要是为加大钢水的搅拌效果，提高精炼冶炼高碳钢的效率。
4）在冶炼不锈钢当中，用CO2取代Ar提高去碳保铬冶金效果，可减少10%的氩气消耗。
5）将CO2用作钢液的覆盖气体，由此来降低钢液增氮和二次氧化的现象，主要是由于CO2的密度与N2和Ar相比更高。
总而言之，在钢铁冶炼的过程中，CO2可以起到较好的作用和效果，无论是在冷却，还是在提高炼钢的质量方面，CO2能够体现出与其他气体更突出的优势。根据实践和调查，CO2在转炉炼钢的实际应用中的确能产生更好的效果，尤其是在生产中可以减少烟尘、炉渣、氮、磷的含量等。
2.3二氧化碳分析仪监测分析系统的应用
随着工业的快速发展，工业生产中产生出的二氧化碳会导致大气污染和地球温室效应。测量出二氧化碳的含量不仅有利于了解燃料燃烧的程度，锅炉燃烧质量的控制，而且还可以保证锅炉高效率运行、节约能源，同时也可以保护人类的生存环境。现在测量二氧化碳浓度的方法比较多，有非色散红外吸收法（NDIR）、烧碱法、容量滴定法、气相色谱法、可调谐半导体激光吸收光谱法（TDLAS）、热导式气体分析法等。目前实际运用较多的有非色散红外吸收法（NDIR）、可调谐半导体激光吸收光谱法（TDLAS）及热导式气体分析法。
非色散红外吸收法（NDIR），具有良好选择性、高灵敏度、抗中毒、无氧气依赖性、温度范围宽、测量范围宽、维护成本低、长期稳定性优异、寿命长久等特点。可调谐半导体激光吸收光谱法（TDLAS），具有高选择性、高分辨率、速度快、灵敏度高、被测气体的不受交叉吸收干扰、维护量小的特点。热导式气体分析法，检测范围大、工作稳定性好、使用寿命长、不存在触媒老化问题、具有广谱性、使用维护方便。在不同的工艺要求下可选择不同的测量方法进行二氧化碳浓度的监测。
3 结语
炼钢时必然会产生一定量的二氧化碳，但是在转炉炼钢过程中充分利用二氧化碳也具有较好的效果。一方面能够有效控制二氧化碳的排放，达到降耗节能的目的，另一方面也能极大提高钢铁生产的效率，极大降低钢铁生产成本提升钢铁在市场中的优势。尤其是在当前我国倡导经济与环境共同发展的背景下，CO2的应用更是符合该行业时代发展的潮流。
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