基于富氧燃烧的套筒窑烟气CO2回收与循环利用

（首钢京唐公司能环部，河北唐山 063200）

1 富氧燃烧概述

富氧燃烧是指用比空气含氧浓度高的富氧空气作为助燃风进行助燃，可以分为微富氧燃烧、氧枪喷氧燃烧和空-氧双助燃燃烧等，对所有气体、液体和固体燃料均适用。富氧燃烧比用普通空气燃烧有以下明显优点[1]:

（1）节省燃料效果显著。在工业锅炉、加热炉、石灰窑等应用节能量为20%～50%，显著提高燃料使用效率。

（2）延长炉龄。炉内燃烧环境得到优化，炉内温度场分布合理，大大延长加热炉的运行时长。

（3）提高产量和质量。燃料的燃烧效率得到提高、升温迅速，为提高产品产量、保障产品质量提供有利条件。

（4）环保效果突出。烟气中携带的固体未燃尽物充分燃烧，排烟黑度降低，燃烧分解和形成的可燃有害气体充分燃烧，排烟量明显降低，减少热污染。

随着环保要求的不断提高及节能降本力度的不断加大，富氧燃烧技术作为节能成熟技术之一，受到了钢铁行业的广泛关注。但考虑到富氧安全性及燃烧后烟气CO2含量显著提高（部分城市对CO2排放量有限制），目前富氧燃烧仅在炼铁热风炉、热轧加热炉、回转石灰窑[2]、钢包及铁包烘烤有应用的案例。富氧燃烧在使用煤气作为燃料的套筒窑富氧并无先例。

为了降低燃耗和氧气放散，实现碳循环利用，首钢结合正在进行的CO2回收项目，综合考虑现场工艺条件，计划对套筒窑进行微富氧燃烧改造。

2 富氧燃烧在套筒窑的实施

2.1 套筒窑基本工艺

炼钢厂有5座套筒窑，燃料以转炉煤气为主，混入焦炉煤气提高热值至8360 kJ/m3，设计有混合站1座，焦炉煤气和转炉煤气混合后，分别输送到每座套筒窑。单座套筒窑混合煤气平均消耗量10000 m3/h 左右（根据产量变化有波动），其中转炉煤气9000 m3/h，焦炉煤气1000 m3/h。

每座套筒窑有上、下两个燃烧室，各均匀分布6个烧嘴，其中上燃烧室为欠氧燃烧，下燃烧室为过氧燃烧。每个燃烧室都有一个用耐火材料砌筑的从窑外壳到下内套筒的拱桥，煤气在燃烧室内燃烧后，产生的热气从拱桥下面的空间进入料床，并且均匀分布到整个料床。因此每座套筒窑助燃风由三部分组成，一部分是下燃烧室的驱动风，另一部分来自冷却套筒窑耐材后的热风，第三部分为冷却料床后的热风。

单座套筒窑助燃风由2台额定风量为4500 m3/h的罗茨风机供给，1台工频，1台变频，罗茨鼓风机出口总管的加压空气经预热器预热后，直接送到燃烧室。

2.2 现场改造方案

考虑到现场工艺特点、设备布置空间及安全等因素，对下燃烧室的驱动风进行富氧改造。具体实施方案为：

煤气系统与助燃风系统整体工艺不改变，只对罗茨风机出口总管至换热器前的管道进行改造，增加氧气管道接点：

（1）结合现场设备布置，在图1所示位置增加氧气接点阀门，同时在接点阀门后的管道上增加氧含量在线分析仪，分析仪可选用现场实时显示仪表，安装维护便捷。

图1 套筒窑富氧改造接点位置

（2）氧气管道需要增加氧气流量计，用以精确控制混入助燃风管道的氧气流量。

富氧量控制最大25%（氧气量可调），氧气最大混入量360 m3/h。氧气采用槽车（液氧）供应，通过汽化器减压到0.8 MPa，再减压至(35～40)kPa 后，混入助燃风管道。也可使用管网氧气作为气源。

3 套筒窑烟气CO2回收及循环利用

3.1 二氧化碳的回收及提纯

二氧化碳回收采用变压吸附法（简称PSA）+液化提纯法[3]。来自套筒窑富氧后CO2含量较高的尾气进入CO2回收工艺。尾气首先通过冷却器降温，然后经风机加压，经过混合、缓冲、气水分离器，脱除游离水后，进入变压吸附单元。变压吸附技术是以吸附剂(多孔固体物质)内部表面对气体分子的物理吸附为基础，利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组分、不易吸附低沸点组分和高压下吸附量增加(吸附组分)、减压下吸附量减少(解吸组分)的特性，来实现CO2气体的分离提取。以上为干法物理净化，过程中无废水、废气产生，清洁环保，CO2回收率大于93%，将套筒窑烟气中CO2浓度从0～30%提高到95%以上。

如图2 所示，以上变压吸附（PSA）出口的粗CO2气体，先经过脱硝、脱SO2塔脱除原料气中的SO2，然后在除湿器进行除湿后进入吸附净化塔。原料气所含水分及部分烃类等重组分杂质被专用吸附剂吸附除去，先后在提纯塔再沸器为精馏提纯提供再沸热量，在预冷器与提纯塔放空尾气换热被预冷，在冷凝器被冷凝液化，然后进入提纯塔进行低温精馏提纯。从提纯塔顶部排出原料气中的轻组分杂质（CO、O2、N2等），从提纯塔底部排出浓度99.8%液体CO2，通过过冷器冷却后进入低温储槽。储槽产品经泵加压和汽化后送出，供转炉顶、底吹炼使用。

图2 CO2回收与利用流程

3.2 二氧化碳的转炉顶底复合喷吹利用

如图3 所示，顶吹全程采用O2和CO2的混合气体，混合比例可根据炉况0～30%进行调节，设计流量为0～15000 m3/h。顶吹喷入的氧气中添加部分CO2，可使熔池升温速度下降，熔池火点区的理论温度下降300～500 ℃，限制金属铁的蒸发量，减少烟尘产生；同时可调控熔池温度，强化熔池搅拌，为熔池提供良好的脱磷及终点碳、氧的控制条件。

底吹全程采用N2和CO2的混合气体，CO2气体比例可根据炉况及示范工程运行情况进行调节，设计的调节CO2比例为0～100%，增强了搅拌能力，提高脱磷及降低渣中铁损，可降低钢中夹杂物的产生及提高脱硫率。同时CO2与C 的反应生成CO，提高了转炉煤气的回收量。

图3 CO2的利用及效果

4 效益效果

4.1 环保效果

（1）减少单座套筒窑废气排放14000 m3/h,按粉尘排放浓度20 mg/m3计算，每年可减排粉尘2.35 t。

（2）按钢产量437.5 万t/a，按吨钢烟尘量15 kg降低10%，计算，单座转炉每年减少烟尘量为6562.5 t。

（3）按每千克标准煤减排CO22.5 kg 或C 0.680kg 计算，年减 排CO2气体1531.25 t，或416.5t碳，可参加碳排放交易。

4.2 经济效益[3]

（1）转炉底吹N2单耗下降0.91 m3/t，顶吹O2单耗下降0.95 m3/t，铁损下降0.6 kg/t，三者合计吨钢节能折标准煤0.49 kg/t。顶底吹CO2单耗2.73 m3/t，折标准煤0.35 kg/t，则相应可实现节能0.14 kg/t。按照年产钢437.5万t计算，每年可节能折标准煤612.5 t。

（2）增加每炉转炉煤气回收时间，转炉煤气回收量可提高约1 m3/t 左右，每年效益为100 万元左右。

（3）转炉脱磷效果提高，磷含量降低，升温剂消耗降低，每年节省500万元左右。