陈培敦，王俊海，赵丽明，赵 刚
（山东泰山钢铁集团有限公司，山东 济南 271100）
随着能源消耗的增加，CO2排放己成为全球关注的热点，钢铁行业是一种能源密集型行业，生产制造过程中排放大量的温室气体。目前，中国钢产量超过10亿t，CO2的年排放量超过20亿t，急需采取措施减少CO2的排放量。过去10 a间，许多国家开始致力于开发能够显著降低CO2排放的突破性低碳炼钢技术，碳捕集、利用与封存技术逐渐成为了钢铁行业的一大重要减排技术。CO2捕集、利用与封存（CCUS）技术，指将CO2从排放源中分离后或直接加以利用或封存，以实现CO2减排的技术过程。
在钢铁生产流程中采用CO2用于冶金过程，可实现CO2可靠、安全的资源化应用。CO2在冶金过程的资源化应用技术，尚处于技术研究开发阶段，泰山钢铁致力于开展CO2资源综合应用技术研究，注重依靠科技创新，积极运用高新技术，提高企业的经济效益，促进了企业的绿色发展。“CO2在冶金过程资源化应用”项目的酝酿、发动和展开过程，对于泰钢乃至行业绿色发展起到了关键的推动作用。
铁前系统（包括焦化、烧结、高炉）的能耗及CO2排放占钢铁生产流程总量的70%以上，因此高炉炼铁工序是减少钢铁企业能源消耗、CO2及其他污染物排放的重要途径。将CO2作为资源循环利用于炼铁过程，在完成冶金任务、改善高炉经济技术指标的同时，实现CO2减排。
高炉CO2喷吹技术已在泰山钢铁公司1 780 m3高炉进行工业试验，主要过程是将CO2混入高炉热风中，与空气、富氧一同鼓入高炉风口，基于CO2在风口回旋区与碳元素的反应特性，包括吸热效应，生成两倍体积的CO气体，日均喷吹二氧化碳100 t。此次大中型高炉CO2喷吹试验在国内外尚属首次，是CO2规模化利用于炼钢后的又一重大创新，是钢铁行业实现碳中和目标的重要手段。
朱荣教授课题组前期开展了CO2在高炉资源化应用技术研究［1］，进行了CO2在高炉炼铁中应用的理论计算，建立了热风中混入CO2气体的高炉炼铁物料及能量平衡模型，定义了高炉热风富CO2率，分析了热风中不同富CO2率情况下，炉内关键参数变化，研究了热风中CO2气体对高炉炼铁能耗和排放指标的影响规律，验证了CO2气体在高炉炼铁中应用的可能性。具体技术指标如图1所示（技术效果分析按热风中富CO2率为6%、风量为3 600 m3/min工况进行计算）。
图1 CO2在高炉的资源化应用技术效果概述
CO2气体可以作为“氧化剂”使用，高温下能够提供具有氧化性的氧原子，热风中氧化性得到增加，从而提高高炉的有效容积利用系数。CO2气体可以作为“增碳剂”使用，高温下的CO2气体与碳素反应生成2倍体积的CO气体，使高炉内的还原气氛得到增强，炉内直接还原度减弱，提高了高炉能量的综合利用效率。CO2气体可以作为“控温剂”使用，高温下CO2气体与碳素的反应是一项吸热反应，适用于有富余热量和富氧能力的高炉，是炼铁技术的革命。
进行高炉喷吹CO2试验，迈开了CO2在高炉工序资源化应用的第一步，是高炉炼铁领域的一项重要技术进步及大胆尝试，有希望形成新一代高富氧-高煤比-富CO2的高炉操作工艺，是CO2资源化应用于炼铁的一个里程碑，为钢铁行业的绿色发展提供了新思路。
国内外学者对复吹转炉底吹CO2进行初步研究发现［2-4］，底吹CO2可参与熔池反应，其底吹搅拌能力强于氩气和氮气。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［5］。
利用CO2在炼钢温度下的氧化作用，将CO2资源回收应用于转炉炼钢的脱磷过程，实现普碳钢产品在转炉脱磷过程的温度调控，同时改善了脱磷动力学反应。
泰山钢铁在70 t转炉进行冶炼普碳钢的工业试验，在脱磷阶段采用底吹CO2的吹炼工艺。转炉底吹CO2气体，充分利用了CO2的冶金原理（见表1）及作用，增大底吹搅拌能力。随着吨钢喷吹CO2用量的增加，普碳钢特别是中高碳钢的磷含量明显降低，脱磷率提高，钢中碳含量提高，实现转炉低磷、低氧、保碳冶炼。该技术的应用实施，带动了冶金行业和相关产业的技术升级，提升了我国冶金企业CO2资源化利用水平，为冶金行业的节能减排和资源高值化利用提供了新的示范支撑。
表1 CO2的冶金原理
转炉底吹采用四孔底吹炉底，底吹气体在前期和中期采用CO2，后期采用氩气。底吹CO2时间为10～11 min。主要用于冶炼前期和中期，冶炼前期和中期采用较大的CO2流量。具体流量见表2。
表2 流量控制
与原底吹Ar工艺相比，CO2脱磷工艺渣中P2O5含量增加0.53%，脱磷率达到95%以上，保碳率增加0.75%，达到脱磷保碳效果。CO2脱磷工艺渣中TFe降低0.64%，P2O5提高0.5%，P的分配系数Lp提高32，钢铁料消耗降低2.75 kg/t。
TSR炉是一个具有1支顶吹氧枪和多支底吹枪的顶底复吹不锈钢冶炼炉，相较于AOD和VOD等传统的不锈钢精炼炉，TSR炉不仅可以实现顶部超音速供氧，而且可以通过底吹枪喷吹大流量底吹气体进行全程混合喷吹冶炼，兼具冶炼碳钢和不锈钢的功能。
顶底复吹CO2冶炼技术在泰山钢铁公司70 t氩氧精炼炉进行了工业试验及应用，设计顶吹管道和底吹管道由一根总管输入，总管选择DN100，最大流量60 m3/min，管道、阀组安装示意图见图2。日均喷吹CO218 t，此次氩氧精炼炉大规模喷吹CO2冶炼的应用尚属首次，是CO2在炼钢行业资源化利用的又一重要创新。
图2 CO2管道阀组示意图
泰山钢铁利用TSR炉顶底复吹CO2冶炼不锈钢［6］，通过在氧化期不同阶段从顶部或底部吹入不同比例的CO2，利用CO2的弱氧化性强化熔池脱碳，减少铬的氧化烧损，降低生产成本。并且CO2参与脱碳反应有良好的吸热效应，可以对熔池进行控温，降低炉身和炉底耐材的高温熔损。同时，CO2参与炼钢反应提升熔池的搅拌性能，配合吹入一定量的N2/Ar，改善熔池动力学条件，降低熔池CO分压，提高铬金属收得率，缩短冶炼周期，具体喷吹参数如图3所示。
图3 TSR冶炼不锈钢CO2喷吹参数
该技术将CO2分别从顶吹氧枪和底吹枪混和喷入不锈钢冶炼熔池，利用CO2的弱氧化及强搅拌特性促进熔池脱碳保铬反应，强化不锈钢冶炼效率，提高钢液Cr收得率。在技术及工艺上取得了多项技术突破，联合团队深入研究了CO2冶炼不锈钢的脱碳保铬反应机理，揭示了基于CO2喷吹比例动态调整的不锈钢冶炼全过程熔池CO分压调控机制，建立了CO2用于冶炼不锈钢的工艺操控模型，并相继完成了相关专利技术覆盖。工业应用结果表明，底吹CO2能有效减缓氩氧精炼炉底吹喷嘴侵蚀，顶吹CO2可通过降低顶吹火点区温度，减少含铬烟尘的排放并减轻渣线部位高温侵蚀，延长了炉龄；
同时CO2与熔池碳反应生成2倍体积的CO。CO2冶炼不锈钢技术的应用，增强了熔池的搅拌，降低了钢液中铬合金的损失，缩短了不锈钢的冶炼周期，同时降低了生产成本。
在钢铁生产流程中采用CO2用于冶金过程技术，可实现CO2可靠、安全资源化应用。泰山钢铁结合国内外研究现状，从CO2碳在钢铁冶金流程的资源化应用方向出发，先后在高炉炼铁、转炉冶炼普碳钢和TSR炉冶炼不锈钢等流程进行了系统研究，并进行了工业试验生产。将CO2由对环境有害的气体转变为冶金资源进行有效利用，既降低了CO2的排放，又提高了生产的效率，取得了预期效果，实现了CO2可靠、安全资源化应用。
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