我國能源以煤炭為主，煤炭等化石燃料的消耗帶來經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時，CO2、SO2及NOx等大量排放，環(huán)境污染問題日益加劇。傳統(tǒng)鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)過程嚴(yán)重依賴于煤和焦炭等化石燃料，是僅次于電力行業(yè)的能耗和CO2排放大戶。國際能源署的統(tǒng)計結(jié)果表明，制造業(yè)CO2排放量約占全球CO2排放總量的40%，其中鋼鐵工業(yè)占制造業(yè)CO2排放量的27%左右。煉鐵系統(tǒng)的能耗占鋼鐵生產(chǎn)總能耗的70%以上，CO2排放量約占鋼鐵生產(chǎn)全流程的80%左右，是鋼鐵工業(yè)節(jié)能減排的重點環(huán)節(jié)。堅持高爐精料操作，優(yōu)化風(fēng)溫、富氧等調(diào)劑手段，推進(jìn)低燃料比操作是煉鐵系統(tǒng)降低能耗、減少CO2排放的重要措施之一，但減排效果有限。采用碳捕捉結(jié)合低碳煉鐵技術(shù)減少CO2直接排放，逐步成為解決鋼鐵行業(yè)碳排放的有效措施。
部分國外鋼鐵企業(yè)已經(jīng)開展大量高爐煤氣中CO2分離捕捉的研究和試驗。
一、JFE物理吸附法分離高爐煤氣CO2
日本JFE鋼鐵公司在福山廠建立了小型CO2捕捉試驗設(shè)備，其處理能力為3t/d，高爐煤氣處理量約300m3/h，采用物理吸附技術(shù)路線分離高爐煤氣中的CO2。該項目是日本COURSE50計劃的子項目之一。高爐煤氣經(jīng)過加壓、冷卻后，依次經(jīng)過脫濕塔和脫硫塔，脫除煤氣中的水分和硫化物，凈煤氣進(jìn)入變壓吸附核心處理單元。該單元分為兩段，第一段是CO2-變壓吸附，第二段是CO-變壓吸附，分別將CO2和CO從煤氣中分離出來。分離回收的CO氣體是高熱值氣體燃料，可用于燒結(jié)、熱風(fēng)爐及軋鋼等工序。
二、日本制鐵化學(xué)吸收法分離高爐煤氣CO2
日本制鐵在君津廠建造了高爐煤氣CO2捕集試驗裝置，處理能力約為100m3/h，該試驗裝置主要由三部分組成：吸收塔、再生塔、再沸器，以及富液與貧液換熱系統(tǒng)。吸收塔內(nèi)采用胺溶液逆向噴淋技術(shù)，捕捉進(jìn)入吸收塔內(nèi)高爐煤氣中的CO2。富含CO2的富液經(jīng)換熱后，泵送至再生塔上部進(jìn)行汽提解吸，釋放部分CO2。經(jīng)汽提解吸后的半貧液進(jìn)入再沸器，使CO2進(jìn)一步解吸。解吸CO2后的貧液經(jīng)處理后可返回吸收塔循環(huán)使用，捕捉到的高濃度CO2處理后可用于化工生產(chǎn)、開采石油等。
三、浦項制鐵化學(xué)法吸收分離高爐煤氣CO2
與日本制鐵化學(xué)法不同，浦項制鐵采用氨水作為化學(xué)吸收劑，基本流程與日本制鐵的有機胺法相似，但解吸溫度遠(yuǎn)低于后者。日本制鐵采用常規(guī)有機胺法，其解吸溫度約為120℃，而浦項制鐵采用氨水法的解吸溫度僅為80℃，使氣體解吸過程的能耗大幅度降低。此外，浦項制鐵還在研究變壓吸附法的高爐煤氣CO2分離技術(shù)，已經(jīng)搭建了處理能力為1m3/h的小型試驗平臺。
四、安賽樂米塔爾公司氧氣高爐煤氣CO2分離
日本JFE鋼鐵公司在福山廠建立了小型CO2捕捉試驗設(shè)備，其處理能力為3t/d，高爐煤氣處理量約300m3/h，采用物理吸附技術(shù)路線分離高爐煤氣中的CO2。該項目是日本COURSE50計劃的子項目之一。高爐煤氣經(jīng)過加壓、冷卻后，依次經(jīng)過脫濕塔和脫硫塔，脫除煤氣中的水分和硫化物，凈煤氣進(jìn)入變壓吸附核心處理單元。該單元分為兩段，第一段是CO2-變壓吸附，第二段是CO-變壓吸附，分別將CO2和CO從煤氣中分離出來。分離回收的CO氣體是高熱值氣體燃料，可用于燒結(jié)、熱風(fēng)爐及軋鋼等工序。
文中對CO2捕捉工藝、燃燒后CO2捕捉方法、捕捉劑類型等內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)對比分析，重點介紹了部分鋼鐵企業(yè)高爐煤氣CO2捕捉的工藝試驗，結(jié)論如下： （1）CO2捕捉工藝可分為燃燒前捕捉、燃燒過程中捕捉及燃燒后捕捉三類，煉鐵高爐采用燃燒前捕捉需提前對噴吹煤粉進(jìn)行改質(zhì)，采用燃燒過程中捕捉則需要進(jìn)行全氧噴吹，采用燃燒后捕捉需要采用物理或化學(xué)方法從爐頂煤氣中捕捉CO2，并進(jìn)行后續(xù)處理。 （2）CO2燃燒后捕捉方法包括溶液或固體吸收劑吸收、固體吸附分離及膜分離。溶液吸收是常見的CO2捕捉工藝之一，在CO2濃度較低的情況下捕捉效率較高，但易腐蝕設(shè)備，再生過程能耗較高，容易產(chǎn)生蒸發(fā)損失。采用固體吸收劑對CO2進(jìn)行化學(xué)吸收可得到高純度CO2，便于后續(xù)處理。固體吸收劑包括堿土金屬類及堿金屬類，其中氧化鈣及硅酸鋰是常見的固體吸收劑。氧化鈣吸收劑成本低，但吸收能力較低且易燒結(jié)，循環(huán)使用效果較差；硅酸鋰吸收能力較強，循環(huán)使用效果好，但受鋰資源限制，成本較高。采用固體吸收劑捕捉爐頂煤氣中的CO2，需開發(fā)高性價比固體吸收劑。 （3）變壓吸附工藝能耗低，操作簡便，但操作時需要將爐頂煤氣冷卻干燥，且缺乏高性價比的吸附材料，捕捉效率較低。膜分離工藝投資少、能耗低，但需前級處理、脫水和過濾，難以得到高純度的CO2。 （4）部分國外鋼鐵企業(yè)已開展高爐煤氣 CO2捕捉研究，主要以燃燒后捕捉工藝為主。JFE采用物理吸附法，日本制鐵及浦項制鐵采用溶液化學(xué)吸收法，安賽樂米塔爾公司則采用氧氣高爐與真空變壓吸附相結(jié)合的工藝方法。目前可用于工業(yè)化捕捉的主要是液胺作吸收劑捕捉CO2。
