八钢欧冶炉冶金煤气CO2捕集技术应用

邹庆峰，刘鹏南，田 果

(新疆八一钢铁股份有限公司炼铁厂)

前言

八钢欧冶炉是熔融还原非高炉炼铁工艺，使用全氧冶炼，其输出煤气具有热值高的特点。理论分析认为，通过捕集煤气中的CO2产生高CO的煤气(简称还原煤气)回用至炼铁高炉使用，可以降低焦炭和煤粉的消耗，降低生产成本。为此，八钢公司组织研发团队针对欧冶炉还原煤气的制取及综合利用进行研究，开展了从煤气CO2提纯到风口复合喷吹的系列试验，探索在欧冶炉风口实现复合喷吹(煤粉、煤气)技术的实际应用，通过采用CO2捕集技术提纯欧冶炉煤气实现煤气成分重整，为碳减排技术应用提供实践及技术参考。

1 欧冶炉冶金煤气碳捕集工艺

目前国内比较成熟的碳捕集技术有两种：变压吸附式(PSA)碳捕集技术及醇胺法(NCMA)碳捕集技术。两种CO2技术各有特点，具体对比见表1。

表1 两种碳捕集技术(PSA和NCMA)主要指标对比

两种技术比较：PSA技术对设备精度和操作水平要求较高，在国内钢铁企业仅一家应用；NCMA技术在国内一些钢铁企业得到应用，生产运行较为成熟，并适应冬季生产，现场实际应用反映较好。两种工艺技术均符合环保要求，无外排。

工程投资及经济分析对比表明，NCMA技术较PSA技术工程投资高，两种技术生产运行的物料、能源的消耗成本相当。

通过论证比较，结合欧冶炉实际生产工况条件，欧冶炉冶金煤气CO2捕集技术采用了CO2脱除率为1%的醇胺法(NCMA)工艺。

八钢欧冶炉碳捕集醇胺法(NCMA)工艺流程见图1。欧冶炉冶金煤气经进入压缩系统加压到0.85MPa，进入吸收塔底部，在此用NCMA溶液吸收，将欧冶炉煤气中的CO2含量降到1%以下送往用户进行喷吹。NCMA溶液进入常解塔及汽提塔进行再生，释放出溶液吸收的CO2，将再生后的溶液送入吸收塔进行循环利用，释放出的CO2气体替代惰性气体。

图1 欧冶炉NCMA脱除CO2工艺流程图

八钢欧冶炉碳捕集项目建设内容包括：煤气压缩机系统、欧冶炉煤气脱碳系统、欧冶炉煤气脱碳单元(公辅系统)。项目于2018年12月立项，2019年6月开工建设，2020年7月4日试运行。

2 欧冶炉CO2碳捕集工艺运行效果

2.1 CO2捕集系统运行效果

欧冶炉输出煤气脱除CO2运行期间，欧冶炉循环喷吹量的不同，系统处理煤气量控制变化。2020年9月至2021年5月脱碳系统运行操作稳定，工艺成熟，设备运行良好。捕集CO2气体量17757Nm3/h,还原煤气压力850kPa，系统稳定运行率达到98%。捕集系统的核心溶液浓度循环稳定在45.7%，系统运行主要指标达到了设计指标。运行期间欧冶炉煤气脱除CO2成分见图2。

说明：2021年3月—4月欧冶炉进行计划检修

欧冶炉煤气脱除CO2的还原煤气成分稳定，CO含量达到68%以上，CO2含量在1%以下，同时还原煤气中的H2含量达到17.46%，具体成分见表2。

表2 欧冶炉煤气脱碳后煤气参数

2.2 CO2捕集系统投入后的能介消耗

欧冶炉碳捕集系统投入半年以来，运行过程稳定，能源介质消耗达到设计指标，经过系统消缺、工艺调整，脱碳系统消耗稳定，实际运行指标均优于设计指标，见表3。

表3 欧冶炉煤气脱碳能介消耗

2.3 捕集的CO2气体的利用

钢铁企业在安全运行过程中大量使用N2作为安全介质，入如粉煤输送、气体反吹、煤粉制备的安保气体等，欧冶炉系统吨铁消耗N2达到450～550Nm3/tHM。CO2捕集系统每小时产生的纯度达到99.1%的CO2气体性质可以替代惰性气体，同时可作为转炉底部喷吹的优质可选能源介质。

理论认为，高纯的CO2气体可以替换N2比例达到100%，能够在钢铁冶炼系统实现碳捕集的内部循环，进一步探索低碳冶炼的技术路径。欧冶炉已经进行CO2气体的工艺利用实践，将CO2气体用在煤粉制备系统，作为安保气源，可有效降低系统氧含量与挥发分气体浓度。

冶金煤气捕集CO2气体技术的成功应用，扩展了冶金煤的利用价值，改变了冶金煤气仅作为燃料使用的低端方式，同时提供了煤气成分调整的技术方案，为钢铁冶炼行业碳减排碳循环提供了可借鉴的技术方案。

3 CO2碳捕集系统投入后的效益分析

直接效益：捕集1m3CO2气体，使用欧冶炉煤气2.82m3，产生还原煤气1.82m3，欧冶炉风口和拱顶同时喷吹还原煤气，经过实践测算气与燃料置换比约0.36kg/Nm3，根据置换比，降低欧冶炉炼铁生产成本约0.546元/tHM。

间接效益：欧冶炉风口喷吹还原煤气后，燃料比焦比下降，铁水炉温和硅素的波动降低，风口喷吹煤气单耗70Nm3/tHM，铁水硅素由喷吹前1.0%降低至0.82%以下，有利于炼钢工序的冶炼。社会效益：欧冶炉冶金煤气捕集CO2技术实现了安全稳定运行，是炼铁实现碳捕集循环利用的实例，提供了一种碳减排方案。

4 CO2碳捕集系统投运后的改进

欧冶炉CO2捕集系统是一套化工工艺设施在冶金煤气处理系统的耦合使用，同时要经受新疆严寒天气与蒸汽能源系统供应的考验。半年的冬季运行，针对欧冶炉煤气捕集系统生产过程出现的问题，技术人员经过努力都逐一解决，保证了系统顺行。

4.1 蒸发冷分配器的改进

欧冶炉CO2捕集系统运行后，贫液蒸发冷分配器发生2次爆管事故，造成脱碳再生系统无法使用。分析认为是由于分配器焊缝强度不够所致，将分配器改为弧板焊接并在焊缝处焊接加强筋板，改进后的蒸发冷分配器运行正常。

4.2 蒸汽回收系统改进

欧冶炉生产现场蒸汽回水系统采用低进高出，为防止冬季发生冻结，将蒸汽回水系统改为高进低出，并将回水收集进入压缩机循环水池。

改造后CO2碳捕集系统在冬季生产期间(2020年末至2021年初)保持稳定连续运行，未发生因设备结冻造成系统停机的事故。冷凝水回收进压缩机循环水池后，压缩机循环水池无需补水，降低了新水消耗量。

5 结束语

八钢欧冶炉CO2捕集系统投入运行，也是CO2捕集技术在非高炉炼铁工艺中的首次应用。投运后的生产实践效果表明：欧冶炉冶金煤气CO2捕集系统运行平稳，操作自动化成熟，系统稳定运行率98%以上；CO2捕集溶液循环使用效果良好，还原煤气中CO2降低至1%，溶液解析循环率能够达到99.5%，具备工业化大生产的技术条件。