钢铁行业是典型的能源、资源密集型产业，在重工业中，钢铁行业在 CO2排放方面排名第一，在能源消耗方面排名第二。钢铁行业每年 CO2直接排放量为 26 亿吨，占全球能源系统排放总量的 7%，超过所有交通运输的排放量。随着我国钢铁产量的不断增加，钢铁行业的碳排放也在也越来越高，未来钢铁行业应加快节能降耗脚步，大力推广和发展低碳技术，实现CO2减排目标。

胺吸收

根据 CO2 捕集在工业流程中的位置，可分为燃烧前捕集、燃烧后捕集和富氧燃烧。燃烧后捕获CO2 的成熟方法之一是使用胺吸收剂进行化学吸收，已在烟气处理、沼气提质和天然气加工等多个行业中得到实际应用。

胺吸收碳捕集通常包含两个过程：在吸收器中进行 CO2 吸收以及在汽提塔中进行由热量驱动的 CO2解吸来使胺吸收剂再生。当前，最广泛使用的吸收剂是价格低廉、吸收性能高的乙醇胺（MEA）水溶液，尤其是 30%的 MEA。然而，吸收剂再生的高能耗（3.2-4.0 GJ/t CO2）是目前阻碍其大规模部署和应用的主要问题。

另外一个主要问题是胺吸收剂与废气中除 CO2 之外的 O2、NOx、SOx 不可逆副反应导致其降解。过程中出现的吸收剂降解会导致吸收剂损失和起泡，造成设备结垢和腐蚀，以及形成对环境有潜在危险的挥发性化合物。

其它种类的胺吸收剂包括如二乙醇胺（DEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）、哌嗪（PZ）和 2-[(2-羟基乙基)氨基]-2-甲基丙烷-1-醇（AMP）等也被广泛研究。

因此，降低胺吸收 CO2 捕集过程中能源消耗，降低整个捕获过程的成本，以及探索吸收剂降解机理和缓解降解的应用有待深入研究。

变压吸附

利用固体吸附剂和吸附装置中压力变化产生的物理吸附-脱附是一种前景广阔的大规模气体分离工艺。这类过程被广泛称为变压吸附（PSA），在真空下运行的情况下，有时也称为真空变压吸附（VSA）或真空变压吸附（VPSA）等其他名称。

变压吸附发展时间较长，Skarstrom 于 1960 年首次描述了 PSA 系统的基本循环配置：在两个或多个吸附塔中实施的四个步骤（吸附、排气、吹扫、加压），以允许对进料气进行连续处。为了提高分离性能，除了基本的四步外，大多数 PSA 系统还包含额外的步骤。

PSA 因其低能量需求、低成本、操作便捷、安全性高而被广泛应用于商业规模的气体分离和纯化。过程的主要能量需求为气体的压缩和吸附装置真空的产生。除了可用于 CO2 捕集分离，还可用于氢气净化、空气分离、稀有气体（He、Xe、Ar）净化、沼气升级等。

至今，多种类型的 CO2 吸附剂被广泛研究，主要为沸石、活性炭、多孔硅、金属有机骨架等，它们具有较高的比表面积和单位质量的 CO2 吸附量。沸石 13X 是固体吸附剂的基准，因为它具有更高工业应用性和对 N2和 CO 等其它气体更高 CO2选择性，近期MOF材料的研究成果也非常多。

膜分离

用于气体分离的膜是进气侧和渗透侧之间的薄屏障，能够选择性地允许目标组分从进气侧渗透到渗透侧。作为一种新兴的 CO2 分离和捕获技术，膜分离由于其固有的优点而越来越受到关注。

首先，膜分离本质上是一个动力学过程，这意味着它可以克服热力学平衡的容量限制，从而消除胺吸收剂再生的能量消耗；其次，平板膜和中空纤维膜都可以制成紧凑的膜组件，这使得膜分离具有占地面积小和操作简单的特点。

因此与传统的CO2分离技术相比更具发展前景。开发先进的膜材料对于提高分离性能和降低 CO2 捕集成本是至关重要。

已被开发的膜种类有聚合物膜、微孔有机聚合物（MO）、混合基质膜（MMM）、碳分子筛膜（CMSM）和无机（陶瓷、金属、沸石）膜可用于 CO2等气体分离。每种膜材料在材料成本、分离性能和寿命方面都有其自身的优势和挑战。

然而，膜分离技术在 CO2 捕获方面的应用仍然存在一些挑战。大多数聚合物膜的透气性和选择性的权衡会限制膜分离性能的限制，以及当膜暴露于含有酸性气体杂质（如 SO2、NOx）的气流中时，其稳定性较差导致寿命缩短。因此，应开发具有低材料成本和高稳定性的高性能膜。

钢铁行业碳捕集技术简析

烟气 CO2 燃烧后捕集

钢铁厂具有丰富的余热资源可供碳捕集系统使用。如果能够利用生产过程中产生的余热资源，将降低钢铁企业整体的能源消耗水平，从而减少 CO2 排放。

此外，与其他行业相比，钢铁行业具有高 CO2 浓度的排放源和碳捕集所需温度的大量余热，因而可能获得较低的 CO2 捕集成本。

钢铁厂有多个 CO2 排放源和工艺单元，如石灰窑、发电厂、热风炉、焦炉、高炉、转炉，如果不采用碳捕集工艺而达到碳减排的目的在技术和经济上都是不可行的。因此，余热资源与碳捕集技术的整合将有助于减少 CO2排放。

高炉炉顶煤气循环 CO2 捕集

该工艺是利用氧气鼓风并将高炉炉顶煤气应用真空变压吸附（VPSA）技术脱除二氧化碳后返回高炉重新利用的炼铁工艺。

该工艺有以下 3 个主要特点：

是使用纯氧代替预热空气，除去了氮气，有利于二氧化碳的捕集和封存；

是用 VPSA 技术和二氧化碳捕集和贮存（CCS）技术将二氧化碳分离并封存在地下；

是回收一氧化碳并作为还原剂，减少焦炭的使用量。

由欧洲钢铁行业的主要参与者及行业和学术界的主要合作伙伴发起的研究项目ULCOS 项目组在瑞典 LKAB 公司的试验高炉上分别开展了为期 7 周的炉缸和炉身喷吹循环试验研究。其中，在 1200℃时将脱碳后的高温炉顶煤气、氧气和煤粉吹入炉缸的鼓风口，脱碳后的高炉炉顶煤气在900℃时吹入炉身鼓风口的方案减排效果最佳，可减少 26%的二氧化碳排放。

负碳炼钢？

碳捕集与生物能源负碳炼钢（BECCS）涉及植物对大气中 CO2的吸收，然后将其燃烧以获取能量，所产生的生物质 CO2被捕获并送至永久封存。实现负碳排放需要从大气中物理去除 CO2，然后永久防止 CO2 重新进入大气。

此外，必须考虑碳捕集和封存过程中产生的任何排放，如能源利用与损失、生物质生产、土地利用变化、基础设施建设、可燃副产品的生产等。为了减少大气中的 CO2，整个负排放技术系统的净碳平衡必须为负。

BECCS 技术可以整合到几种炼钢工艺中，包括高炉-转炉工艺、Midrex 直接还原工艺、HIsarna 炼铁工艺、ULCORED DRI-EAF 新工艺。

负碳炼钢是可能的，但需要在整个生产链中进行重大干预，包括可持续的生物质植物种植，高效的钢铁生产，整个钢铁和生物能源生产过程中的 CO2 捕集，以及 CO2 的永久封存或转化利用。

碳捕集与利用技术在钢铁生产中具有极大的应用潜力。同时钢铁生产中也涉及很多气体分离纯化过程，气体分离材料及相关进展是重中之重！

来源：DT气体分离