1、第 44 卷第 5 期2023 年 10 月Vol.44.No.5October 2023特殊钢SPECIAL STEELCO2在炼钢工艺中的资源化利用现状与展望邓浩华，彭锋，李晓（冶金工业规划研究院，北京 100013）摘 要：将CO2用于炼钢工艺可实现对CO2资源化利用，是一种绿色化、低成本、高效率和易实现的冶炼技术。本文以采用CO2炼钢工艺为立足点，介绍了近年来CO2在转炉、电弧炉等流程的应用研究现状和发展情况。同时，结合基于钢铁企业的实际运用情况，概述了CO2资源化利用在炼钢过程中的可行性和实际效果。CO2可作为反应气体、保护气体、搅拌气体应用在炼钢工艺过程中，具有生产成本低、热力学条
2、件好、搅拌能力强等优点，应用前景非常广阔。实际生产表明，采用CO2炼钢可提高铁水脱磷率5%7%，吨钢节约生产成本9元以上。CO2在炼钢工艺中的资源化利用将是实现我国钢铁行业高效率、低成本减排的重点研究方向之一。以我国年产粗钢10亿t估算，采用CO2炼钢工艺可降低钢铁行业CO2总排放量约5%左右。关键词：CO2；炼钢；资源化利用；节能降耗DOI:10.20057/j.1003-8620.2023-00140 中图分类号：TF703Current Situation and Prospects of Resource Application of CO2 in Steelmaking Proces
3、sDeng Haohua，Peng Feng，Li Xiao（China Metallurgical Industry Planning and Research Institute，Beijing 100013，China）Abstract：Using CO2 in steelmaking process can realize the utilization of CO2 resources，which is a green，low cost，high efficiency and easy to achieve smelting technology.This article was b
4、ased on the application of steelmaking CO2 technology，the development and application of CO2 in the converter and electric arc furnace in recent years were introduced.According to the domestic steel enterprises actual production situation，the practical effects of resource application of CO2 in energ
5、y-saving，consumption reducing，and improving the quality of molten steel in steelmaking process were summarized.It also analyzed the current application status of CO2 gas as reaction gas，stirring gas，etc.in steelmaking process.Application of CO2 in steelmaking process had the advantages of lower cost
6、，better thermodynamic conditions，stronger stirring ability，and higher gas calorific value，the application prospects can be very broad.The research results indicate that application of CO2 in steelmaking process can increase the dephosphorization rate of molten iron by 5%to 7%，and save production cos
7、ts of over 9 yuan per ton of steel.Resource application of CO2 in steelmaking process will be one of the key research directions for achieving higher efficiency and lower cost emission reduction in China s iron and steel industry.Based on an estimated annual output of crude steel of 1 billion tons i
8、n China，application of CO2 in steelmaking process can reduce the total CO2 emissions of the iron and steel industry about 5%.Key Words：CO2；Steelmaking；Resource Application；Energy-saving and Consumption Reducing近年来，CO2排放引发的环境问题已引起国际社会的广泛关注，欧盟、日本、韩国等世界上的主要产钢地区陆续制定了相应的发展规划和技术路线来实现碳减排目标，见表1。2003年，国际钢铁协会
9、（Worldsteel）公布了11项指标来评价钢铁行业的可持续发展，其中，CO2排放量作为指标之一被重点关注1。在我国主要碳排放行业中，钢铁行业是纳入全国碳排放交易市场首批8个重点排放行业之一，是履行国家对气候变化目标责任的重要组成部分，CO2排放量占到国内工业总排放量的 15%左右2。当前，我国钢铁工业主要以长流程炼钢为主，占比约90%，短流程炼钢仅占比10%左右3-4，这就导致我国钢铁行业CO2的排放强度显著高于世界平均水平。“做好碳达峰、碳中和工作”是我国的基本国策，是国家发展的重大战略部署。降低CO2排放的同时对其进行资源化利用，从而实现钢铁行业低碳化和绿色化，是目前钢铁工业亟待解决的
10、共性问题。目前，钢铁行业的碳减排思路主要分三种：一是源头治理，即通过开发新工艺、采用能源替代等方式减少使用焦炭等化石能源；二是末端治理，即采用先进的CO2封存技术，“捕获CO2”；三是过程控制，即开发CO2循环利用技术，将其资源化应用于生作者简介：邓浩华（1988），男，博士，工程师；E-mail：；收稿日期：2023-07-119第 44 卷 特殊钢产过程中。CO2化学性质较为稳定，无毒无害，不可燃烧，可与某些元素在一定条件下发生化学反应。鉴于 CO2广泛存在于钢铁企业生产过程中5-6，将CO2资源化应用于炼钢工艺中可实现CO2的减排以及降本增效，达到一举两得的目的。本文基于国内外多家科研机
11、构与企业对CO2炼钢工艺的研究与生产应用情况，概述了CO2在钢铁生产过程中的资源化利用效果，旨在为我国钢铁行业的绿色低碳转型，实现高质量发展提供相关资料。1CO2在炼钢工艺中的研究与应用现状1.1CO2用于炼钢的理论研究CO2与氧气相比，其氧化性较弱，在高温条件下可与铁水中的 C、Si、Mn 等元素发生氧化反应7-9。同时，还会产生CO，从而增加煤气量，提高煤气热值，见表2。此外，在特定温度条件下，CO2气体可替代N2、Ar和CxHy，作为炼钢搅拌气体和保护气体使用。不过与Ar和N2不同的是CO2可以与 Si、Mn、Fe进行氧化反应，并且在反应过程中气体的体积保持不变，但由于存在CO2与 C
12、的氧化反应，在转炉冶炼中期脱碳反应较为剧烈时，可产生两倍于CO2体积的CO，增大了对熔池的搅拌能力11-12，提高了铁水脱碳、脱磷等反应速率，并且CO2的制取成本要远低于氩气。1.2CO2作为炼钢反应气体的应用将CO2应用于炼钢工艺，其经济、社会、环境效益将非常显著。可减少温室气体排放，降低炼钢过程中烟尘和铁损的产生，降低冶炼成本。1.2.1转炉顶吹CO2炼钢工艺在转炉顶吹氧气炼钢过程中，由于氧化反应较为剧烈，导致富含氧化铁的烟尘产生量较大，容易造成吹炼铁损高。同时，采用传统的转炉顶吹工艺冶炼低碳钢时，在吹炼末期，脱碳反应急剧减弱，炉渣氧化性提高，导致炉衬侵蚀较为严重，而且在后续钢液精炼过程中
13、，会增加脱氧合金的消耗量6，13。因此，在转炉吹氧过程中混入一定量的CO2，在对铁水进行脱碳的同时，也可有效地降低钢中溶解氧的浓度以及渣中（FeO）的含量。此外，与采用纯氧吹炼相比，CO2可降低氧化反应热效应，改善脱磷反应的热力学条件，促进反应进行14。通过30 t转炉顶吹 CO2炼钢工艺脱磷工业实验研究表明，采用 CO2工艺，出钢温度控制在 1 6001 640，可提高铁 水 脱 磷 率 约 7%，降 低 钢 渣 中 氧 化 铁 含 量约5%15-17。北京科技大学朱荣教授团队通过采用冶金反应热力学分析，结合热态实验研究了二氧化碳与氧气的混合喷吹炼钢工艺18。根据热平衡理论计算得出，CO2可
14、参与钢液中 C 的氧化反应，并且在转炉炼钢中，CO2喷入量控制在13%以内，同时减少废钢加入量，可满足转炉炼钢过程中对热量的需求。随后，课题组采用真空电弧炉进行了热态实验，进一步证明了在满足炼钢过程热量要求的前提下，在氧气射流中配加一定量的 CO2可进行铁水脱碳反应，从而达到冶炼的目的。此外，该课题组对采用CO2炼钢对烟尘产生量的影响进行了研究19，发现利用CO2来减少炼钢过程中产生的烟尘量，既循环利用CO2减轻了温室效应，又提高了金属收得率，可作为一种节能减排新思路。目前，作为转炉采用CO2炼钢工艺已完成首钢京唐300 t转炉炼钢CO2资源化应用的示范工程，实现吨钢烟尘减排 9.95%、吨钢
15、废钢铁料消耗降低3.73 kg、吨钢煤气量增加 5.2 m3、吨钢 CO2减排量 20 kg以上20，直接经济效益可达到9元/t以上。表1世界各国钢铁工业CO2减排目标Table 1CO2 emission reduction targets of iron and steel industry around the world国家欧盟韩国日本中国减排目标到2030年，欧洲钢铁工业CO2排放量将比2018年减少30%（比1990年减少约55%），到2050年将减少80%95%2030年工业领域计划减排CO2为9 860万t2020年，日本钢铁业的CO2排放量将比2005年减少200万t；到20
16、30年，CO2减排量比2005年减少900万tCO2排放力争2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和表2CO2参与的氧化反应和相应G0=A+BT关系式10Table 2 Oxidation reactions with CO2 and the corresponding relation of G0=A+BT10化学反应式C+CO2=2CO1/2Si+CO2=1/2(SiO2)+COMn+CO2=(MnO)+COFe+CO2=(FeO)+COA/（Jmol-1）144 700-117 290-122 0504 343B/（Jmol-1K-1）-135.4816.3738.66-13
17、.65注：式中，A、B为常数；T为温度，K10第 5 期邓浩华等：CO2在炼钢工艺中的资源化利用现状与展望1.2.2转炉底吹CO2炼钢工艺近年来，在转炉底吹CO2炼钢工艺方面，日本对其进行了广泛的研究。采用该工艺后，熔池的搅拌能力得到了明显改善，提高了铁水去夹杂的能力。同时，由于CO2参与脱碳反应的热效应相对降低，使得铁水脱磷的热力学条件得到了改善。日本福山厂的180 t和250 t转炉通过采用底吹CO2炼钢技术，降低了生产成本，提高了铁水脱磷率。日本住友金属工业公司将含有CO2的转炉废气作为底吹气体进行炼钢生产，同时回收熔池反应生成的CO，提高了转炉煤气热值21。20世纪 90年代，鞍山钢铁
18、也进行了转炉底吹CO2炼钢工艺研究，结果表明，采用CO2作为底吹气体，其搅拌效果较好。在鞍钢转炉工艺条件下，吹炼中后期可确保成品钢种的w N 5010-6。同时，CO2与O2适当混合，可有效地控制喷嘴出口处形成蘑菇头的大小，有利于提高喷嘴寿命22。太原钢铁集团通过采用CO2替代底吹氩气用于炼钢工艺，发现将CO2作为底吹气体可提高脱碳效率，降低吨钢冶炼成本23。张家口宣化钢铁对 150 t 转炉进行CO2底吹工艺改造后，铁水脱磷率明显提高，钢水中氮含量显著下降。同时还发现与常规底吹氧气工艺相比，冶炼时间明显缩短，吨钢氧气的消耗量也显著下降，从而降低了炼钢生产成本24。1.2.3CO2用于电弧炉炼
19、钢工艺鉴于底吹CO2技术在转炉炼钢工艺中的成功应用，北京科技大学的研究人员开展了喷吹CO2电弧炉炼钢工艺研究17。结果表明，在电弧炉冶炼过程中，底吹CO2可增大熔池搅拌能力，提高炉渣碱度以及金属收得率，改善铁水脱硫、脱磷反应的动力学及热力学条件，铁水脱硫率可提高7%左右，铁水脱磷率可提高5%左右。目前，该项技术已在西宁特钢、天津钢管实现了实际生产应用，并取得了良好的经济效益和社会效益。1.2.4石灰石分解生成CO2用于转炉炼钢工艺造渣在炼钢过程中是一项至关重要的环节，对于铁水脱硫反应和脱磷反应25，石灰都是不可或缺的组分26，传统的炼钢工艺是在吹炼过程中，直接向熔池中加入石灰进行造渣。不同于采
20、用石灰造渣转炉炼钢工艺，采用石灰石替代石灰进行造渣时，在熔池中首先会发生石灰石分解反应（CaCO3CaO+CO2），然后分解生成的石灰再参与铁水脱磷反应27-32，CO2作为氧源参与铁水氧化反应生成CO，提高煤气热值。基于底吹转炉和顶吹转炉工艺的开发，从20世纪80年代开始，已有通过从转炉底部向熔池喷吹石灰石粉，利用其分解产生的CO2解决底吹搅拌气源的研究。21世纪初期，日本开始提出采用石灰石粉剂替代石灰进行转炉造渣炼钢工艺33。近年来，由于钢铁行业面临的节能减排压力，很多钢企开展了石灰石替代石灰用于转炉造渣的生产实践探索，并取得了不错的效果34-35。邯钢集团在260 t转炉上进行了石灰石替
21、代部分石灰直接造渣炼钢的工艺研究，结果表明，在满足熔池热量要求的前提下，石灰石平均加入量控制在3.53.8 t/炉，普碳钢和低碳钢的脱磷率有所提高，石灰消耗分别由 10.3、10.2 t/炉降低到8.4、8.5 t/炉，吨钢转炉煤气回收量可增加至150 m3，吨钢成本降低2元以上36。1.3CO2用于转炉炼钢溅渣护炉工艺溅渣护炉技术是20世纪90年代炼钢工艺发展过程中的一项重大技术变革。该技术是利用转炉氧枪系统喷吹氮气，将高氧化镁含量的炼钢终渣喷溅在炉衬表面上，形成高熔点熔渣层，起到保护耐火砖的作用，从而提高转炉炉衬使用寿命，减少耐火材料损耗，降低生产成本16，37。近年来，中国科学院研究发现
22、采用CO2替代氮气可对转炉进行溅渣护炉操作。首先，在溅渣护炉阶段，向炉内的高温炉渣配加一定比例的焦炭粉等添加剂，然后通过转炉氧枪喷吹富含CO2的超音速射流，将熔渣喷溅至转炉内衬表面，在炉壁上形成高熔点溅渣层，从而起到保护炉衬，提高转炉炉衬寿命的目的。与此同时，CO2与焦炭粉在高温下发生化学反应生成CO，CO和CO2混合烟气通过分离回收，CO2再次作为溅渣护炉的喷吹气体，CO作为表3不同工艺的实际应用效果Table 3Actual application effects of different processes工艺转炉顶吹CO2转炉底吹CO2电炉喷吹CO2石灰石造渣典型企业首钢集团宣钢集团西
23、宁特钢，天津钢管邯钢集团应用效果实现吨钢烟尘减排9.95%，废钢铁料消耗降低3.73 kg/t钢，煤气量增加5.2 m3/t钢铁水脱磷率升高1.44%，钢铁料消耗降低0.8 kg/t钢冶炼终点氮含量降低至4310-6煤气回收量提高至150 m3/t11第 44 卷 特殊钢炼钢厂烘烤气体使用38。CO2用于转炉炼钢溅渣工艺可实现绿色炼钢生产过程，具有一定的经济效益、社会效益和环境效益。目前该种工艺已取得了发明专利，但尚未实现大规模应用。1.4CO2用于连铸保护气体工艺在钢水浇注过程中，为了防止钢液的二次氧化以及钢液增氮的发生，需要采用保护浇注措施。传统工艺是采用氩气对浇注水口进行密封，从而起到隔
24、绝高温钢液与空气的作用。国内某钢厂采用99.9%的 CO2代替氩气作为保护连铸保护气体39。研究结果表明，采用CO2保护浇铸可获得与氩气相同的效果，还可以降低钢水中的夹杂物含量16.6%。在冶炼对氧含量要求不严格的钢种时，可采用CO2代替氩气作为保护连铸保护气体。2结论和展望CO2在钢铁冶炼流程的资源化利用，适用于钢铁冶炼流程。通过提纯钢铁企业石灰窑尾气、热电厂尾气、热风炉尾气、转炉煤气、高炉煤气等气源中的CO2，并将其应用于转炉、电炉等工序，利用CO2的反应吸热、气泡增殖、强化搅拌等高温反应特性，实现转炉冶炼工序的冶金指标改善、节能降耗。其优势主要包括以下几点。（1）与Ar、N2气体相比，C
25、O2生产成本较低，广泛存在于钢铁生产过程中，如石灰窑、转炉、电炉废气等。（2）CO2参与铁水氧化反应的热效应相对较低，可在一定程度上起到调节熔池温度的作用。反应过程中产生的 CO 有利于增加转炉煤气量和煤气热值。（3）CO2与钢液中的 C 反应时，可产生 2倍于Ar和N2通入量的CO，大大地提高了对熔池的搅拌能力，改善了反应的动力学条件。（4）CO2密度大于空气，易于将熔池或炉内的空气排出，起到保护钢液的作用。（5）以现有的技术水平，按吨钢使用 100 kg CO2，年产粗钢10亿t估算，可回收利用CO2约1亿t，降低钢铁行业CO2排放量约5%左右。目前，CO2的相关技术在炼钢工序陆续的得到应
26、用，在烧结、高炉、轧钢等工序的工业试验也正在进行，研究结果显示出较大应用前景。CO2炼钢工艺技术是一种绿色化、低成本、高效率和易实现的冶炼技术，具有应用范围广、节能减排和降本增效的技术优势，具有很强的应用推广潜力。但该工艺仍然存在一些问题有待研究。例如，喷吹CO2的最佳加入量和加入时间、熔池温度变化规律、CO回收量等。在未来的一段时间内，随着CO2回收技术的不断完善以及 CO2炼钢技术的不断进步和工艺优化，势必将对我国低碳炼钢技术的发展起到一定的推动作用，促进我国钢铁工业的绿色化和低碳化。CO2在炼钢工艺中的资源化利用，将是实现我国钢铁行业高效率、低成本减排的重点研究方向之一。3发展建议就目前
27、而言，炼钢技术发展相对成熟，但面对日益严重的CO2减排问题和环境保护的压力，我国需继续加强钢铁企业对低碳发展前沿技术研究，重视绿色低碳发展的战略重要性，具体建议如下。（1）政府应加强政策引导。大力推广高效、先进的节能低碳、环保的冶炼工艺和设备，提升钢铁行业的整体水平，尤其是要做好碳的捕集、CO2资源化利用前沿技术以及短流程炼钢技术的统筹规划和顶层设计。同时，对于积极采用CO2资源化利用前沿技术和短流程炼钢工艺的企业，应加大政策倾斜力度。（2）积极推广工业示范。汇聚国内优势科研单位，进行联合攻关，选择有条件、有积极性的钢铁企业作为CO2资源化利用项目的试点，有序开展工业示范项目。（3）钢铁企业应
28、加强与高校、研究机构的技术交流。积极开展 CO2资源化利用的技术攻关与推广，同时加强与业内权威咨询机构交流合作，掌握技术发展的最新动向和实施效果，积极制定低碳发展战略规划，为企业赢得更广阔的发展空间。参考文献1 赵沛，董鹏莉.碳排放是中国钢铁业未来不容忽视的问题J.钢铁，2018，53（8）：1-7.2 李晓.我国炼钢工艺低碳技术发展方向 J.冶金经济与管理，2019（4）：21-24.3 王新江.中国电炉炼钢的技术进步 J.钢铁，2019，54（8）：1-8.4 陈煜，赵瑞敏，魏光升.电弧炉炼钢工程的系统工程思考J.特殊钢，2023，44（4）：74-79.5 周韦慧，陈乐怡.国外二氧化碳减
29、排技术措施的进展 J.中外能源，2008，13（3）：7-13.6 严红燕，罗超，胡晓军，等.CO2在钢铁工业资源利用现状J.有色金属科学与工程，2018，9（6）：26-30.12第 5 期邓浩华等：CO2在炼钢工艺中的资源化利用现状与展望7 黄希祜.钢铁冶金原理 M.3 版.北京：冶金工业出版社，2002.8 齐向盛，甘力强，李新.工业废气二氧化碳应用研究进展J.科技创新导报，2008，5（24）：13+15.9 朱荣，王雪亮，刘润藻.二氧化碳在钢铁冶金流程应用研究现状与展望 J.中国冶金，2017，27（4）：1-4+10.10 冯佳，年武，李晨晓，等.石灰石在转炉中与铁水相互作用研究
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35、d dissolution of limestone in converter slag C/10 th International Symposium on High-Temperature Metallurgical Processing.Cham：Springer，2019：693-703.32 李晨晓，郝华强，王书桓，等.唐钢60 t转炉石灰石替代部分石灰造渣炼钢的工业试验 J.特殊钢，2017，38（6）：16-18.33 Maruoka N，Ito A，Hayasaka M，et al.Effect of CO2 content in quicklime on dissolutio
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