邢奕等：钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 7 体溶液（约1600℃）发生电化学反应，从而将化合 行业能源结构保持不变的条件下，CO2的捕集利 物氧化铁分解产生氧气和铁水，带负电的氧离子 用可有效弥补钢铁生产工艺优化降碳措施的不 迁移到正极后生成氧气泡到顶部，带正电的铁离 足.目前钢铁行业主要以燃烧后捕集为主，CO2捕 子迁移到负极后被还原为铁5，该工艺采用电解 集方法的特点总结在表1中，根据捕集原理可以 的方法，不需要传统炼铁工艺中所使用的焦炉、链 分为物理吸附法和化学吸收法两大类P-21前者 筐机回转窑和高炉等设备，如果使用无碳电力，可 利用范德华力将CO2气体捕集在材料表面和孔 达到零CO2排放的目标 道，后者利用酸碱化学反应将CO2气体与液体通 安塞乐米塔尔公司对该工艺进行可行性实验 过化学键强有力结合 室研究，得到的铁纯度可达99.98%，能耗为 日本JFE钢铁公司选用沸石ZEOLUMF-9HA 2600~3000kWht,但中试工厂产能为5kgd 作为CO2吸附剂，高炉煤气依次经过预处理装置 麻省理工学院设立波土顿金属公司用于开展研 脱湿塔和脱硫塔去除水分和硫化物，低温净煤气 究，2014年该公司委托开发首个原形高温熔盐电 进入两段变压装置，分别得到CO,和C0气体.该 解槽，目前已经产出共计超过1t金属.该公司设 技术投资4.3亿日元成功应用在日本制铁所福山 定了4MWh吨钢材的目标，如果实现这一目标， 厂，CO2日处理能力为3t,回收率和纯度分别为 将需要46GW低碳电力产能作为支撑，这相当于 80%和99%.2010年建设1000m3h高炉煤气中 5500个全球最大功率海上风力发电机，或者28座 试设备.2012年配套建成CO2净化/液化装置，目 1.6GW核反应堆.根据国际能源署提出的加速创 前已实现CO2回收率超过90%、液态CO2纯度超 新方案，在极端条件下，2050年之前可以达到1亿 过99.5% 吨铁矿石的电解能力 中国碳捕捉研究和示范主要集中在煤炭、油 2.3碳负排技术 气和电力行业，钢铁行业碳捕集基本处于空白.中 碳捕获、利用与储存(Carbon Capture,. 国钢铁公司选用体积分数为30%单乙醇胺为吸收 Utilization and Storage,CCUS)技术是将由人为活 剂进行为期约1个月的碳捕集实验，CO2回收率超 动已经排放到空气的二氧化碳进行捕集，然后通 过95%.后续采用自产氨水作为吸收剂并成功于 过化学转化生成高附加价值的产品和长时间封存 2015年商业化.2014年宝钢与中南大学合作开展 到地质环境中，以此来减少空气中二氧化碳浓度. 烧结烟气脱硫渣碳酸化固定CO,的研究，使工业 当CCUS技术耦合其他二氧化碳源头低碳排放技 废气中的CO2与脱硫渣中的钙反应生成碳酸钙， 术，钢铁行业的二氧化碳排放量可实现数学意义 从而实现CO2的固定 上的“负排放”， 2.3.2碳循环及跨行业联产技术 2.3.1碳捕集 (1)CO2厂内循环利用技术 钢铁生产是以碳还原氧化铁为主的高温化学 CO2作为碳的完全氧化产物，热力学和化学性 过程，生产过程中会排放大量的CO2.在我国钢铁 质十分稳定，但在高温下也可以与碳发生氧化还 表1.物理吸附与化学吸收方法捕集CO2比较 Table 1 Comparison of CO2 capture by the physical adsorption and chemical absorption methods Capture Representative Common materials technology method Advantages Disadvantages 1.Low energy consumption 1.The flue gas needs to be cooled and Physical Pressure swing 13X molecular sieve 2.Mature technology and flexible operation dewatered before adsorption method adsorption 3.No corrosive problem 2.The capture efficiency is low and there is a 4.Suitable for high concentration CO2 lack of high capture performance materials 1.The absorbent is easy to evaporate and lose 2.The regeneration energy consumption is high Chemica Liquid amine Alkane alcohol amine 1.Suitable for low concentration and large flow 3.The absorption liquid easily corrodes the solution,amino acid salt flue gas equipment method absorption solution 2.High absorption efficiency 4.The solution circulation is large and the area occupied by the absorption tower and regeneration tower is large 1.Wide sources of calcium oxide 1.Low capture efficiency Others Carbonization Calcium-based 2.Low price 2.Poor sintering resistance and cannot be reaction materals 3.Carbonated products can be used as road recycled many times materials 3.High regeneration energy consumption体溶液 (约 1600 ℃) 发生电化学反应，从而将化合 物氧化铁分解产生氧气和铁水，带负电的氧离子 迁移到正极后生成氧气泡到顶部，带正电的铁离 子迁移到负极后被还原为铁[5,8] . 该工艺采用电解 的方法，不需要传统炼铁工艺中所使用的焦炉、链 筐机回转窑和高炉等设备，如果使用无碳电力，可 达到零 CO2 排放的目标. 安塞乐米塔尔公司对该工艺进行可行性实验 室 研 究 ， 得 到 的 铁 纯 度 可 达 99.98%， 能 耗 为 2600～3000 kW·h·t−1，但中试工厂产能为 5 kg·d−1 . 麻省理工学院设立波士顿金属公司用于开展研 究，2014 年该公司委托开发首个原形高温熔盐电 解槽，目前已经产出共计超过 1 t 金属. 该公司设 定了 4 MW·h 吨钢材的目标，如果实现这一目标， 将需要 46 GW 低碳电力产能作为支撑，这相当于 5500 个全球最大功率海上风力发电机，或者 28 座 1.6 GW 核反应堆. 根据国际能源署提出的加速创 新方案，在极端条件下，2050 年之前可以达到 1 亿 吨铁矿石的电解能力. 2.3    碳负排技术 碳 捕 获 、 利 用 与 储 存 （ Carbon  Capture， Utilization and Storage，CCUS）技术是将由人为活 动已经排放到空气的二氧化碳进行捕集，然后通 过化学转化生成高附加价值的产品和长时间封存 到地质环境中，以此来减少空气中二氧化碳浓度. 当 CCUS 技术耦合其他二氧化碳源头低碳排放技 术，钢铁行业的二氧化碳排放量可实现数学意义 上的“负排放”. 2.3.1    碳捕集 钢铁生产是以碳还原氧化铁为主的高温化学 过程，生产过程中会排放大量的 CO2 . 在我国钢铁 行业能源结构保持不变的条件下，CO2 的捕集利 用可有效弥补钢铁生产工艺优化降碳措施的不 足. 目前钢铁行业主要以燃烧后捕集为主，CO2 捕 集方法的特点总结在表 1 中，根据捕集原理可以 分为物理吸附法和化学吸收法两大类[21−23] . 前者 利用范德华力将 CO2 气体捕集在材料表面和孔 道，后者利用酸碱化学反应将 CO2 气体与液体通 过化学键强有力结合. 日本 JFE 钢铁公司选用沸石 ZEOLUMF−9HA 作为 CO2 吸附剂，高炉煤气依次经过预处理装置 脱湿塔和脱硫塔去除水分和硫化物，低温净煤气 进入两段变压装置，分别得到 CO2 和 CO 气体. 该 技术投资 4.3 亿日元成功应用在日本制铁所福山 厂 ，CO2 日处理能力为 3 t，回收率和纯度分别为 80% 和 99%. 2010 年建设 1000 m 3 ·h−1 高炉煤气中 试设备. 2012 年配套建成 CO2 净化/液化装置，目 前已实现 CO2 回收率超过 90%、液态 CO2 纯度超 过 99.5%. 中国碳捕捉研究和示范主要集中在煤炭、油 气和电力行业，钢铁行业碳捕集基本处于空白. 中 国钢铁公司选用体积分数为 30% 单乙醇胺为吸收 剂进行为期约 1 个月的碳捕集实验，CO2 回收率超 过 95%. 后续采用自产氨水作为吸收剂并成功于 2015 年商业化. 2014 年宝钢与中南大学合作开展 烧结烟气脱硫渣碳酸化固定 CO2 的研究，使工业 废气中的 CO2 与脱硫渣中的钙反应生成碳酸钙， 从而实现 CO2 的固定. 2.3.2    碳循环及跨行业联产技术 （1）CO2 厂内循环利用技术 . CO2 作为碳的完全氧化产物，热力学和化学性 质十分稳定，但在高温下也可以与碳发生氧化还 表 1 物理吸附与化学吸收方法捕集 CO2 比较 Table 1 Comparison of CO2 capture by the physical adsorption and chemical absorption methods Capture technology Representative method Common materials Advantages Disadvantages Physical method Pressure swing adsorption 13X molecular sieve 1. Low energy consumption 2. Mature technology and flexible operation 3. No corrosive problem 4. Suitable for high concentration CO2 1. The flue gas needs to be cooled and dewatered before adsorption 2. The capture efficiency is low and there is a lack of high capture performance materials Chemical method Liquid amine absorption Alkane alcohol amine solution, amino acid salt solution 1. Suitable for low concentration and large flow flue gas 2. High absorption efficiency 1. The absorbent is easy to evaporate and lose 2. The regeneration energy consumption is high 3. The absorption liquid easily corrodes the equipment 4. The solution circulation is large and the area occupied by the absorption tower and regeneration tower is large Others Carbonization reaction Calcium-based materials 1. Wide sources of calcium oxide 2. Low price 3. Carbonated products can be used as road materials 1. Low capture efficiency 2. Poor sintering resistance and cannot be recycled many times 3. High regeneration energy consumption 邢    奕等： 钢铁行业碳中和低碳技术路径探索 · 7 ·