炼钢脱碳反应

由于炼钢中氧的来源不同，有3种形式的脱碳反应：

(1)吹氧气脱碳时，金属中的一部分碳可被氧气直接氧化：

[C] 1/2O₂(气)=CO(气) (1)

反应的标准吉布斯能(J/mol)

△G°=-142000-40.79T

(2)金属中大部分碳与溶解在金属中的[O]相结合，发生如下的反应：

[C] [O]=CO(气) (2)

反应的标准吉布斯能

△G°=-25000-37.90T

(3)用铁矿石作氧化剂时，矿石可直接氧化一小部分碳，或溶于渣中成为(FeO)，再与金属中的碳按下式进行反应：

[C] (FeO)=Fe(液) CO(气) (3)

反应的标准吉布斯能

△G°= 115000-98.18T

脱碳反应的生成物CO是气体，只有当气体有逸出条件时，反应才得以进行。在金属液内部进行脱碳反应是不可能的，只有在炉衬耐火材料的空隙处以及已形成的气泡表面上，CO气体才有去处，脱碳反应方能进行。渣—钢界面上也很难进行脱碳反应。所以渣中的(FeO)和气态的O₂大都先溶解于金属，才能在气—液界面上发生[C]和[O]的结合形成CO而进入气泡中。但三种形式的脱碳反应的能量变化是有区别的。

反应式(1)、式(2)和式(3)的标准吉布斯能△G°均随温度的升高而降低，即升高温度对脱碳反应有利。但三种反应的热效应有所不同，反应(1)和(2)是放热反应，但反应(3)是吸热反应。反应(1)放热量大，在氧气炼钢时，碳的氧化可作为热的来源之一。反应(2)放热量很小，不可能成为炼钢的热源，但它说明了沸腾钢在钢锭模内凝固时，温度的下降促使该反应进行，使钢水一边沸腾一边凝固。反应(3)是强吸热反应，再加上加入炉内的矿石熔化和分解所吸收的热使反应总吸热量更大。平炉和电炉炼钢以铁矿石作为主要氧源，必须在熔池温度很高时，才能加入矿石进行脱碳，否则加入矿石愈多，温度愈低，脱碳反应被抑制;待炉温重新升高后则反应爆发，将引起喷溅。而在氧气转炉中，铁矿石是作为一种冷却剂来使用的。

反应过程和反应机理

钢液的组成物质主要是铁的分子。不同形式的氧接触钢液后，除少量气态氧直接和碳反应外，大多数的氧和铁相结合形成氧化铁进入炉渣。铁有二价铁和三价铁，两个原子价形态，在渣和氧化性气氛接触面上，二价铁被氧化成三价铁，三价铁传递到渣钢界面后，又被还原成二价铁，同时把氧传到钢液中。(见图1)碳和氧进一步传递到气液界面上，例如炉底耐火材料的缝隙表面，在该界面碳和氧相互结合生成CO气体而进入气相。

所以，脱碳反应可以分成3个环节：

(1)氧通过渣层的传质及钢液内碳和氧的传质;

(2)碳和氧的化学反应;

(3)CO向气相逸出。

各环节中速率最慢的决定了整个脱碳反应的速率。在很高的炼钢温度下，化学反应速率一般很快，不会限制脱碳的进行。熔池中有气相存在(如小气泡和耐火材料上的缝隙)时，CO的逸出也没有困难。最可能成为限制性环节的就是传质过程。对传质速率的影响因素首先是流动速度，其次还有流体的黏度、两相接触面积、传递距离的长短和两端的浓度差等。提高温度能加快传质，但是影响程度有限。在平炉和电炉炼钢中，炉渣成为一个整体层覆盖在钢液上面，氧必须通过渣层的传递，然后又通过钢液中的传递才能到达气液反应界面，平炉和电炉熔池中的流动速度相当低，所以传质速率不大。在熔池较为活跃的纯沸腾期，脱碳速率一般只有0.10%～0.15%C/h。在转炉中，熔池搅拌强烈，流动速度大，钢液和炉渣形成乳化状态，有很大的接触界面积，所以传质速率大得多，转炉脱碳速率可达14%～18%C/h(0.23%～0.3%C/min)。

转炉炼钢过程中，随着含碳量的降低，脱碳速率由传氧控制变为由碳的传递所控制。在碳高时，碳的传递比较有利，所以限制脱碳速率的主导因素是传氧，这时只要加强供氧，脱碳速率能进一步增加。当碳被氧化到某个浓度时，由于碳降低，其传质变慢，而氧传质比较有利，这时传碳成为脱碳反应的限制环节，脱碳反应逐渐减慢，即使加强供氧，只能造成氧在钢液中积累而不能提高脱碳速率。

图2所示的研究结果，恰好反映了脱碳过程的上述特点。脱碳速率显著下降的碳含量称为临界含碳量。在临界含碳量以下，氧的利用效率ηO₂明显降低，而钢中含氧量明显增高。这个事实也说明，碳氧结合成CO的反应在转炉中仍然是搅拌熔池的主要动力，在临界含碳量以下，由于熔池流动减弱，碳和氧的传质都难以顺利进行，供给炉子的氧大量在钢液中积累起来。临界含碳量的值随条件而有不同：实验室试验所得值较低，在0.2%～0.3%C附近;而生产中的大炉子内，临界含碳量可能高达0.6%～0.7%C。当转炉炉底吹气体搅拌时，增强了低碳时期熔池的搅拌，使碳和氧的传质均得以加强。顶底复吹转炉炼钢法的实践证明，随着底吹氧量的增加，钢中含氧量能够减低，临界含碳量也达到较低的数值。

反应效果

碳是钢中的主要合金元素，在铁—碳系中，大多数钢的含碳量都在1%以下，而生铁的含碳量一般为3.5%～4.5%。因此，炼钢过程必须进行脱碳。脱碳不仅是为了降低含碳量，脱碳反应生成CO气泡(在含碳量很低时也生成少量CO₂)，在析出时强烈地搅动熔池，这种现象称为熔池沸腾。熔池沸腾可使钢中气体和钢中非金属夹杂物随上浮的气泡去除掉;使钢水成分和温度均匀化;以及增加气—渣—钢之间的接触面积，加快反应速率，缩短冶炼时间。在平炉炼钢和电弧炉炼钢熔池中，CO气泡的上浮所引起的沸腾，促进熔池由上向下的传热。可以说，脱碳反应实质上是一种非常有效的熔池搅拌操作。

2021年6月24日，《烟气脱碳系统及方法、烟气脱碳系统用再生塔》获得第二十二届中国专利优秀奖。 2100433B

烟气脱碳系统及方法、烟气脱碳系统用再生塔专利目的

《烟气脱碳系统及方法、烟气脱碳系统用再生塔》的目的在于提供一种比2009年12月前的传统技术具有更低能耗的烟气脱碳系统，以满足大型燃烧设备，化工行业等CO₂分压较低，需大幅降低能耗的CO₂捕集系统。《烟气脱碳系统及方法、烟气脱碳系统用再生塔》的另一个目的在于提供一种烟气脱碳方法。《烟气脱碳系统及方法、烟气脱碳系统用再生塔》的又一个目的在于提供一种烟气脱碳系统用再生塔。

烟气脱碳系统及方法、烟气脱碳系统用再生塔技术方案

一方面，《烟气脱碳系统及方法、烟气脱碳系统用再生塔》提供了一种烟气脱碳系统，其包括：吸收系统，利用贫二氧化碳吸收液吸收烟气中的二氧化碳，以形成富二氧化碳吸收液；再生系统，用于解吸富二氧化碳吸收液中的二氧化碳，以形成二氧化碳再生气和供吸收系统循环使用的贫二氧化碳吸收液；以及热交换系统，供富二氧化碳吸收液与贫二氧化碳吸收液和/二氧化碳再生气之间换热，其中，再生系统包括再生塔，其下部具有贫液槽、上部具有富液喷淋器、以及位于富液喷淋器上方的激冷喷淋器，其中，在贫液槽的贫二氧化碳吸收液的液面之上、在富液喷淋器之下的空间形成再生区，激冷喷淋器和富液喷淋器之间的空间形成激冷区。

优选地，向上述再生系统提供的富二氧化碳吸收液的70％~95％经过热交换系统换热后供给富液喷淋器，其余的直接供给激冷喷淋器。

优选地，上述再生塔的上端设有除雾器，富液喷淋器设置在贫液槽液面与除雾器之间的2/3~4/5高度处，激冷喷淋器设置在富液喷淋器与除雾器之间。

优选地，上述再生系统还包括连接至再生塔的再生气冷却器和再生气分离器，其中，再生气分离器分离得到的液体与贫液冷却器冷却后的贫二氧化碳吸收液相混合。

优选地，上述热交换系统包括：贫富液换热器；以及贫液冷却器，其中，再生塔的贫液槽中的贫二氧化碳吸收液经过贫液冷却器冷却后供给吸收塔的贫液喷淋器。

优选地，上述再生塔的上端设有除雾器，富液喷淋器设置在贫液槽液面与除雾器之间的2/3~4/5高度处，激冷喷淋器设置在富液喷淋器与除雾器之间。

优选地，上述吸收系统包括与风机相连通的至少一吸收塔，吸收塔的底部具有富液槽、中部具有自循环喷淋器、上部具有贫液喷淋器，自循环喷淋器设置在富液槽液面和贫液喷淋器之间的1/3~2/3高度处，其中，自循环喷淋器与贫液喷淋器之间构成贫液吸收区，自循环喷淋器与富液槽之间形成半贫液吸收区，吸收塔的贫液喷淋器的上方还具有循环洗涤系统和除雾器。

另一方面，《烟气脱碳系统及方法、烟气脱碳系统用再生塔》还提供了一种烟气脱碳方法，包括以下步骤：A）在吸收塔中，利用贫二氧化碳吸收液吸收烟气中的二氧化碳，以形成富二氧化碳吸收液；B）在再生塔中，解吸富二氧化碳吸收液中的二氧化碳，以形成二氧化碳再生气和供吸收系统循环使用的贫二氧化碳吸收液；C）在热交换系统中，使富二氧化碳吸收液与贫二氧化碳吸收液和/二氧化碳再生气进行换热，其中，在步骤B中，使步骤A中吸收塔提供的富二氧化碳吸收液的一部分经过加热后由再生塔的富液喷淋器向下喷射，而富二氧化碳吸收液的其余部分直接由位于富液喷淋器上方的激冷喷淋器向下喷射。

优选地，由再生塔的富液喷淋器向下喷射的富二氧化碳吸收液占吸收塔提供的富二氧化碳吸收液总量的70~95％。

优选地，在步骤C中，使再生塔的贫液槽中的贫二氧化碳吸收液经由热交换系统冷却后与二氧化碳再生气经由冷却和汽液分离所得到的液体相混合，再供应至吸收塔。

优选地，在步骤A中，使经过预处理的烟气通过风机从吸收塔下部进入到吸收塔中，并先让雾化的富二氧化碳吸收液吸收，再经由雾化的贫二氧化碳吸收液吸收，其中，富二氧化碳吸收液来自吸收塔下部的富液槽中。

此外，《烟气脱碳系统及方法、烟气脱碳系统用再生塔》还提供了一种烟气脱碳系统用再生塔，该再生塔的下部具有贫液槽和位于贫液槽中的蒸发器、上部具有富液喷淋器、以及在富液喷淋器上方还设有激冷喷淋器，其中，在贫液槽的贫二氧化碳吸收液的液面之上、在富液喷淋器之下的空间形成再生区，激冷喷淋器和富液喷淋器之间的空间形成激冷区。

烟气脱碳系统及方法、烟气脱碳系统用再生塔改善效果

在《烟气脱碳系统及方法、烟气脱碳系统用再生塔》优选实施例的系统和方法中，吸收塔和再生塔均采用喷淋法，且在吸收塔中增加了一套喷淋内循环，在再生塔中增加了一套喷淋激冷系统，再生塔后冷凝液直接与冷却器后的贫液混合。一方面，能有效地对系统进行热分配，减少贫富液循环速度、降低出贫富液换热器后贫液和经过再生气冷凝器后流体的温度，从而减小冷却水负荷，降低系统能耗和电耗；另一方面，减少了昂贵的系统内件，降低吸收塔高度，从而降低系统的造价。

铸铁脱碳钢是一种特殊的制钢方法。它的工艺过程是先制取白口生铁铸件，然后在氧化性气氛中脱碳退火，使它的含碳量降低到钢的成分范围而不析出或很少析出石墨，其金相组织和近代的钢相似。在河南洛阳水泥制品厂出土的战国早期的铁锛，即经过不完全脱碳处理，应属铸铁脱碳钢的早期阶段。这表明，铸铁脱碳钢可能在战国时期就已发明。 铸铁脱碳钢根据用途的不同，在退火时适当掌握，可以得到含碳量不同的高碳钢以至低碳钢，这是变铁为钢的一种捷便方法。如在河南渑池汉魏窖藏中出土的一些铁器，就是根据对器物各部分不同的性能要求，进行不同的渗碳脱碳处理，使它具有不同的成分和组织。这说明我国古代劳动人民对碳在金属中的作用已经有了某种程度的感性认识，也说明了铸铁脱碳钢技术在汉代已经相当成熟。 在古代，世界上一般没有铸钢，而锻钢的冶炼和加工效率又都相当低，并且所含的杂质也比较多。我国古代利用生铁容易成型、含夹杂极少的优点，通过脱碳退火的方法，得到一种在成分上、性能上和近代铸钢件近似的铸件。所以，铸铁脱碳钢是我国古代钢铁冶炼史上的一项重大发明，在世界冶金史上也具有十分重要的意义。 我国的铸铁脱碳钢虽然发明很早，但在古代文献中却不见于任何记载，直到1974年河南渑池汉魏窖藏的铁器出土后，才在金相检验中被发现。