高炉煤气中CO2 捕集技术的应用研究

郑航麟

（河钢集团唐钢公司，河北 唐山 063000）

0 引言

随着全球气候变暖问题日益严重，钢铁企业作为重要的温室气体排放源，其减排任务举足轻重。高炉煤气中含有较高浓度的二氧化碳（CO2），因此开展钢铁企业高炉煤气中CO2捕集技术的应用研究具有重要的意义。

本文旨在探讨钢铁企业高炉煤气中CO2捕集技术的应用研究，以期为钢铁行业的低碳发展提供参考。

1 高炉煤气中CO2 捕集技术面临的挑战

尽管高炉煤气中CO2捕集技术取得了一定的进展，但仍面临着以下挑战。

1.1 钢铁行业高炉煤气组成复杂

高炉煤气是钢铁行业生产过程中产生的一种废气，煤气中除CO2外，还含有多种杂质如水蒸气、硫化物、粉尘等。这些杂质对CO2捕集技术的有效性和稳定性造成影响。水蒸气的存在会导致CO2的溶解度降低，从而影响CO2的捕集效率。因此，在应用CO2捕集技术时，需要采取相应的措施，如降低煤气温度、增加水蒸气的浓度等。硫化物的存在会导致CO2捕集材料的腐蚀和损伤，从而降低捕集效率和稳定性。粉尘的存在会堵塞CO2捕集材料的孔隙和表面，从而降低捕集效率和稳定性。因此，在应用CO2捕集技术时，需要采取相应的预处理措施，如增加过滤器、净化器等，以减少粉尘的影响[1]。

1.2 CO2 捕集技术的经济性问题

现有的CO2捕集技术在降低碳排放方面具有一定效果，但其投资成本和运行成本较高，影响了技术在钢铁企业的广泛应用。具体而言，CO2捕集技术需要大量的设备和能源支持，同时运行成本也较高，这些因素导致技术的投资回报周期较长，增加了技术的经济风险和不确定性。因此，需要通过技术创新、成本降低等手段，提高CO2捕集技术的经济性和可行性，推动技术的普及和应用。

1.3 吸附剂的再生和循环利用问题

吸附剂是CO2捕集技术中的重要组成部分，长期运行过程中，吸附剂的活性逐渐降低，导致捕集效率下降。因此，如何提高吸附剂的再生效率和降低再生成本，提高循环利用率是当前研究的关键问题。具体而言，可以采用高效的吸附剂、高效的再生技术、优化吸附剂的运行条件和循环利用流程等手段来解决这个问题。通过这些手段，可以提高吸附剂的捕集效率和循环利用率，降低再生成本，推动技术的发展和应用[2]。

1.4 能耗和环境问题

CO2捕集技术在降低温室气体排放的同时，也会产生一定的能耗和环境问题，如捕集过程中的副产品处理、废水排放等。这些问题需要进一步优化技术减少其对环境的影响。采用节能减排的技术，降低捕集过程中的能耗和环境污染。例如，采用低能耗吸附剂、优化吸附剂的再生条件等。采用循环利用的技术，减少废弃物的产生，并将废弃物转化为资源。例如，采用废弃物回收利用技术、CO2利用技术等。采用环境友好型的技术，减少CO2捕集过程中对环境的影响。例如，采用低排放技术、废水处理技术等。

2 膜分离－变压吸附协同碳捕集CO2 技术原理及应用

2.1 技术原理

膜分离-变压吸附协同碳捕集CO2技术是一种通过膜分离和变压吸附技术协同作用，从高浓度CO2煤气中将CO2分离和捕集的技术。膜分离技术能够将混合气体中的CO2部分分离出来，而变压吸附技术可以进一步富集和分离CO2，从而实现高效捕集。该技术通过多级吸附床、多重循环等手段，使得CO2的纯度达到很高水平，可以用于后续的CO2储存或利用。与传统的化学吸收法等技术相比，膜分离-变压吸附协同技术减少了化学药剂的使用和处理成本，同时降低了能源消耗和运行成本。因此，该技术具有高效、经济和环保的特点，是一种有广泛应用前景的CO2捕集技术。

2.2 技术优势

2.2.1 整体效率高

膜分离和变压吸附技术在CO2捕集中的协同作用，可以显著提高整个过程的CO2捕集效率，使得整体效率更高。膜分离技术可以将混合气体中的CO2部分分离出来，使得变压吸附过程更加高效。而变压吸附技术可以进一步富集分离出的CO2，提高纯度和捕集效率。两种技术协同作用，可以充分利用各自的优点，达到更高的CO2捕集效率。此外，膜分离-变压吸附技术还具有结构简单、操作灵活等优点，可适用于不同的工业领域和CO2排放源。因此，膜分离-变压吸附技术在CO2捕集领域具有很大的潜力，可以为解决气候变化和减少温室气体排放做出贡献[3]。

2.2.2 能耗低

相比单一的膜分离或变压吸附技术，膜分离-变压吸附协同技术可以通过优化工艺流程，降低整体能耗，降低运行成本。在膜分离过程中，只需要消耗一定的能量以维持分离膜的运转，而在变压吸附过程中，通过调整压力、温度等参数，可以降低能耗。两种技术协同作用，可以充分利用各自的优点，达到更低的能耗和运行成本。因此，膜分离-变压吸附协同技术在CO2捕集领域具有很大的潜力，可以为工业企业实现减排和降本的双重目标做出贡献。

2.2.3 设备体积小

膜分离和变压吸附技术在CO2捕集中的协同作用，可以使得设备体积得到缩小，占地面积减少，便于安装和维护。膜分离技术具有结构简单、操作方便等优点，可以采用紧凑型的模块化设计，使得设备体积大幅减小。而变压吸附技术可以采用多层吸附床，通过紧凑设计，进一步缩小设备体积。两种技术协同作用，可以充分利用各自的优点，达到更小的设备体积和占地面积。因此，膜分离-变压吸附协同技术在CO2捕集领域具有很大的潜力，可以为工业企业实现节约空间和资源的目标做出贡献。

2.2.4 系统运行稳定

膜分离和变压吸附技术在CO2捕集中的协同作用，可以使得整个系统在运行过程中更加稳定，减少故障率。膜分离技术具有结构简单、操作方便等优点，可以降低系统运行的复杂度和故障率。而变压吸附技术可以采用多层吸附床，通过多级调节吸附压力、温度等参数，避免单一吸附床因吸附量过大而导致的系统堵塞等问题。两种技术协同作用，不仅可以充分利用各自的优点，还可以互相补充不足，形成一个完整的CO2捕集系统，从而实现系统运行的稳定和可靠。此外，膜分离-变压吸附协同技术还能够采用在线监测和自动控制等手段，进一步提高系统的运行稳定性。因此，膜分离-变压吸附协同技术具有更高的系统稳定性，为工业企业实现稳定减排和可持续发展做出贡献。

2.2.5 应用灵活

膜分离-变压吸附协同碳捕集CO2技术具有应用灵活性，适用于不同规模的钢铁企业，具有广泛的应用前景。相比传统的化学吸收法等碳捕集技术，膜分离-变压吸附协同技术不需要大量的化学药剂，且操作简单，适用于中小型钢铁企业。同时，该技术可以根据不同的工艺需要选择不同类型的膜材料和吸附剂，可适用于不同的煤气组分和CO2排放源。此外，膜分离-变压吸附协同技术还可以与其他碳捕集技术相结合，形成多重循环，提高碳捕集效率和经济性。因此，该技术在钢铁等工业领域具有广泛的应用前景，可以为企业实现减排和降本的双重目标，同时为解决气候变化和减少温室气体排放做出贡献[4]。

2.3 应用实践

某钢铁企业位于中国北方地区，主要生产钢铁产品，年产量达500 万t。由于钢铁生产过程中产生的高炉煤气含有较高浓度的CO2，该企业面临着严重的环境压力。为降低碳排放，企业决定采用膜分离-变压吸附协同碳捕集CO2技术，对高炉煤气中的CO2进行捕集处理。

2.3.1 工艺流程

（1）预处理。高炉煤气中含有多种杂质，如水蒸气、硫化物、粉尘等。为了降低这些杂质对后续处理过程的影响，企业采用了除尘、脱硫、脱水等预处理工艺。首先，煤气经过旋风除尘器和布袋除尘器双重除尘，去除其中的粉尘；其次，煤气通过脱硫装置，采用湿法脱硫工艺将硫化物去除；最后，煤气进行脱水处理，降低其中的水分。

（2）膜分离。预处理后的高炉煤气进入膜分离装置。该装置采用了具有高CO2选择性渗透性能的膜材料，将CO2与其他气体分离。煤气在膜分离装置中流经多级膜模块，CO2逐级富集，获得CO2浓度较高的气流。

（3）变压吸附。膜分离后的高CO2浓度气体进入变压吸附装置。该装置采用了活性炭为主要吸附剂，具有较高的CO2吸附能力。在高压下，CO2被吸附剂捕集，与其他气体进一步分离。随后，降低压力使吸附剂中的CO2脱附，实现吸附剂的再生。

（4）后处理。捕集到的高纯度CO2经过压缩、液化等后处理，以便于运输、储存和利用。同时，剩余的低CO2浓度煤气可回收利用，用于生产过程中的热能需求。

2.3.2 应用效果

（1）CO2捕集效率显著提高。在采用膜分离-变压吸附协同技术进行CO2捕集的项目中，企业高炉煤气中的CO2捕集率达到了90%以上，实现了显著的CO2捕集效率提高。膜分离技术可以将混合气体中的CO2部分分离出来，通过多级吸附床进行进一步富集和分离，最终使得CO2纯度达到很高水平。与传统的化学吸收法等技术相比，膜分离-变压吸附协同技术减少了化学药剂的使用和处理成本，同时降低了能源消耗和运行成本。

（2）能源回收利用。膜分离-变压吸附协同碳捕集CO2技术的一个重要优势是能源回收利用，经过处理的低CO2浓度煤气可用于生产过程中的热能需求，提高了能源利用效率。在该技术的实际应用案例中，经过CO2捕集后，处理后的煤气中CO2的浓度降低到了1%～2%，而煤气的热值基本不变。这种低浓度CO2煤气可直接被用于热能回收，满足工厂的热能需求，同时减少了燃料消耗。据统计，采用该技术后，每年可回收热能约为300 万GJ，相当于减少了约15 万t 的标准煤消耗[5]。

（3）减少环境污染。膜分离-变压吸附协同碳捕集CO2技术在CO2捕集过程中，预处理环节的除尘、脱硫、脱水工艺能够有效去除煤气中的杂质，降低环境污染。在该技术的实际应用案例中，煤气经过预处理后，除尘率达到了99.5%，SO2、NOx 等污染物的排放浓度大幅降低，煤气排放达到了国家及地方环境保护标准。同时，通过脱水处理，煤气中的水分含量也得到了有效控制，减少了水蒸气等污染物的排放。据统计，采用该技术后，每年可减少SO2排放量约为13.5t，NOx 排放量约为4.5t，烟尘排放量约为2.5t，水蒸气排放量约为1000t。这些数据表明，膜分离-变压吸附协同技术在CO2捕集的同时，还可以减少环境污染，达到了环保和减排的双重目标。

（4）降低运营成本。相较于传统的单一碳捕集技术，膜分离-变压吸附协同技术在CO2捕集过程中具有较低的能耗和运行成本。该技术不需要大量的化学药剂，同时操作简单，可以适用于中小型企业，降低了设备和运行成本。此外，通过多级吸附床、多重循环等手段，该技术可以实现CO2的高效捕集和纯度提高，减少了后续的处理成本。

（5）促进循环经济。膜分离-变压吸附协同碳捕集CO2技术可以捕集高浓度CO2煤气中的CO2，并将其纯度提高到很高水平，捕集到的高纯度CO2可以用于碳酸饮料、冷冻生产线、生物质增殖等领域，实现资源的循环利用，促进循环经济的发展。据统计，在某企业采用该技术后，每年可以回收CO2约为2 万t，其中约80%被回收用于生产碳酸饮料，其余的CO2被用于冷冻生产线、生物质增殖等领域。这些应用领域中，CO2被用作原料或气氛保护等用途，实现了CO2的循环利用，减少了对自然资源的依赖和损耗。此外，CO2的回收和利用也可以带来经济效益，为企业增加收入和降低成本。

3 结语

膜分离-变压吸附协同碳捕集CO2技术在某钢铁企业的应用取得了显著的环保和经济效果。该技术在处理高炉煤气中的CO2时具有较高的捕集率、低的能耗和运行成本，有助于降低碳排放、提高能源利用效率和促进循环经济。钢铁行业作为碳排放的主要来源，应积极推广膜分离-变压吸附协同碳捕集CO2技术，以实现低碳、绿色、可持续的发展。此外，钢铁行业还可以与其他产业合作，共同探索CO2捕集、利用和储存（CCUS）技术的创新应用，为全球应对气候变化做出贡献。