高爐煤氣中CO2 捕集技術(shù)的應用研究

鄭航麟

（河鋼集團唐鋼公司，河北 唐山 063000）

0 引言

隨著全球氣候變暖問題日益嚴重，鋼鐵企業(yè)作為重要的溫室氣體排放源，其減排任務舉足輕重。高爐煤氣中含有較高濃度的二氧化碳（CO2），因此開展鋼鐵企業(yè)高爐煤氣中CO2捕集技術(shù)的應用研究具有重要的意義。

本文旨在探討鋼鐵企業(yè)高爐煤氣中CO2捕集技術(shù)的應用研究，以期為鋼鐵行業(yè)的低碳發(fā)展提供參考。

1 高爐煤氣中CO2 捕集技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

盡管高爐煤氣中CO2捕集技術(shù)取得了一定的進展，但仍面臨著以下挑戰(zhàn)。

1.1 鋼鐵行業(yè)高爐煤氣組成復雜

高爐煤氣是鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種廢氣，煤氣中除CO2外，還含有多種雜質(zhì)如水蒸氣、硫化物、粉塵等。這些雜質(zhì)對CO2捕集技術(shù)的有效性和穩(wěn)定性造成影響。水蒸氣的存在會導致CO2的溶解度降低，從而影響CO2的捕集效率。因此，在應用CO2捕集技術(shù)時，需要采取相應的措施，如降低煤氣溫度、增加水蒸氣的濃度等。硫化物的存在會導致CO2捕集材料的腐蝕和損傷，從而降低捕集效率和穩(wěn)定性。粉塵的存在會堵塞CO2捕集材料的孔隙和表面，從而降低捕集效率和穩(wěn)定性。因此，在應用CO2捕集技術(shù)時，需要采取相應的預處理措施，如增加過濾器、凈化器等，以減少粉塵的影響[1]。

1.2 CO2 捕集技術(shù)的經(jīng)濟性問題

現(xiàn)有的CO2捕集技術(shù)在降低碳排放方面具有一定效果，但其投資成本和運行成本較高，影響了技術(shù)在鋼鐵企業(yè)的廣泛應用。具體而言，CO2捕集技術(shù)需要大量的設(shè)備和能源支持，同時運行成本也較高，這些因素導致技術(shù)的投資回報周期較長，增加了技術(shù)的經(jīng)濟風險和不確定性。因此，需要通過技術(shù)創(chuàng)新、成本降低等手段，提高CO2捕集技術(shù)的經(jīng)濟性和可行性，推動技術(shù)的普及和應用。

1.3 吸附劑的再生和循環(huán)利用問題

吸附劑是CO2捕集技術(shù)中的重要組成部分，長期運行過程中，吸附劑的活性逐漸降低，導致捕集效率下降。因此，如何提高吸附劑的再生效率和降低再生成本，提高循環(huán)利用率是當前研究的關(guān)鍵問題。具體而言，可以采用高效的吸附劑、高效的再生技術(shù)、優(yōu)化吸附劑的運行條件和循環(huán)利用流程等手段來解決這個問題。通過這些手段，可以提高吸附劑的捕集效率和循環(huán)利用率，降低再生成本，推動技術(shù)的發(fā)展和應用[2]。

1.4 能耗和環(huán)境問題

CO2捕集技術(shù)在降低溫室氣體排放的同時，也會產(chǎn)生一定的能耗和環(huán)境問題，如捕集過程中的副產(chǎn)品處理、廢水排放等。這些問題需要進一步優(yōu)化技術(shù)減少其對環(huán)境的影響。采用節(jié)能減排的技術(shù)，降低捕集過程中的能耗和環(huán)境污染。例如，采用低能耗吸附劑、優(yōu)化吸附劑的再生條件等。采用循環(huán)利用的技術(shù)，減少廢棄物的產(chǎn)生，并將廢棄物轉(zhuǎn)化為資源。例如，采用廢棄物回收利用技術(shù)、CO2利用技術(shù)等。采用環(huán)境友好型的技術(shù)，減少CO2捕集過程中對環(huán)境的影響。例如，采用低排放技術(shù)、廢水處理技術(shù)等。

2 膜分離－變壓吸附協(xié)同碳捕集CO2 技術(shù)原理及應用

2.1 技術(shù)原理

膜分離-變壓吸附協(xié)同碳捕集CO2技術(shù)是一種通過膜分離和變壓吸附技術(shù)協(xié)同作用，從高濃度CO2煤氣中將CO2分離和捕集的技術(shù)。膜分離技術(shù)能夠?qū)⒒旌蠚怏w中的CO2部分分離出來，而變壓吸附技術(shù)可以進一步富集和分離CO2，從而實現(xiàn)高效捕集。該技術(shù)通過多級吸附床、多重循環(huán)等手段，使得CO2的純度達到很高水平，可以用于后續(xù)的CO2儲存或利用。與傳統(tǒng)的化學吸收法等技術(shù)相比，膜分離-變壓吸附協(xié)同技術(shù)減少了化學藥劑的使用和處理成本，同時降低了能源消耗和運行成本。因此，該技術(shù)具有高效、經(jīng)濟和環(huán)保的特點，是一種有廣泛應用前景的CO2捕集技術(shù)。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

2.2.1 整體效率高

膜分離和變壓吸附技術(shù)在CO2捕集中的協(xié)同作用，可以顯著提高整個過程的CO2捕集效率，使得整體效率更高。膜分離技術(shù)可以將混合氣體中的CO2部分分離出來，使得變壓吸附過程更加高效。而變壓吸附技術(shù)可以進一步富集分離出的CO2，提高純度和捕集效率。兩種技術(shù)協(xié)同作用，可以充分利用各自的優(yōu)點，達到更高的CO2捕集效率。此外，膜分離-變壓吸附技術(shù)還具有結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活等優(yōu)點，可適用于不同的工業(yè)領(lǐng)域和CO2排放源。因此，膜分離-變壓吸附技術(shù)在CO2捕集領(lǐng)域具有很大的潛力，可以為解決氣候變化和減少溫室氣體排放做出貢獻[3]。

2.2.2 能耗低

相比單一的膜分離或變壓吸附技術(shù)，膜分離-變壓吸附協(xié)同技術(shù)可以通過優(yōu)化工藝流程，降低整體能耗，降低運行成本。在膜分離過程中，只需要消耗一定的能量以維持分離膜的運轉(zhuǎn)，而在變壓吸附過程中，通過調(diào)整壓力、溫度等參數(shù)，可以降低能耗。兩種技術(shù)協(xié)同作用，可以充分利用各自的優(yōu)點，達到更低的能耗和運行成本。因此，膜分離-變壓吸附協(xié)同技術(shù)在CO2捕集領(lǐng)域具有很大的潛力，可以為工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)減排和降本的雙重目標做出貢獻。

2.2.3 設(shè)備體積小

膜分離和變壓吸附技術(shù)在CO2捕集中的協(xié)同作用，可以使得設(shè)備體積得到縮小，占地面積減少，便于安裝和維護。膜分離技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)點，可以采用緊湊型的模塊化設(shè)計，使得設(shè)備體積大幅減小。而變壓吸附技術(shù)可以采用多層吸附床，通過緊湊設(shè)計，進一步縮小設(shè)備體積。兩種技術(shù)協(xié)同作用，可以充分利用各自的優(yōu)點，達到更小的設(shè)備體積和占地面積。因此，膜分離-變壓吸附協(xié)同技術(shù)在CO2捕集領(lǐng)域具有很大的潛力，可以為工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)節(jié)約空間和資源的目標做出貢獻。

2.2.4 系統(tǒng)運行穩(wěn)定

膜分離和變壓吸附技術(shù)在CO2捕集中的協(xié)同作用，可以使得整個系統(tǒng)在運行過程中更加穩(wěn)定，減少故障率。膜分離技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等優(yōu)點，可以降低系統(tǒng)運行的復雜度和故障率。而變壓吸附技術(shù)可以采用多層吸附床，通過多級調(diào)節(jié)吸附壓力、溫度等參數(shù)，避免單一吸附床因吸附量過大而導致的系統(tǒng)堵塞等問題。兩種技術(shù)協(xié)同作用，不僅可以充分利用各自的優(yōu)點，還可以互相補充不足，形成一個完整的CO2捕集系統(tǒng)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定和可靠。此外，膜分離-變壓吸附協(xié)同技術(shù)還能夠采用在線監(jiān)測和自動控制等手段，進一步提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。因此，膜分離-變壓吸附協(xié)同技術(shù)具有更高的系統(tǒng)穩(wěn)定性，為工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)穩(wěn)定減排和可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

2.2.5 應用靈活

膜分離-變壓吸附協(xié)同碳捕集CO2技術(shù)具有應用靈活性，適用于不同規(guī)模的鋼鐵企業(yè)，具有廣泛的應用前景。相比傳統(tǒng)的化學吸收法等碳捕集技術(shù)，膜分離-變壓吸附協(xié)同技術(shù)不需要大量的化學藥劑，且操作簡單，適用于中小型鋼鐵企業(yè)。同時，該技術(shù)可以根據(jù)不同的工藝需要選擇不同類型的膜材料和吸附劑，可適用于不同的煤氣組分和CO2排放源。此外，膜分離-變壓吸附協(xié)同技術(shù)還可以與其他碳捕集技術(shù)相結(jié)合，形成多重循環(huán)，提高碳捕集效率和經(jīng)濟性。因此，該技術(shù)在鋼鐵等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應用前景，可以為企業(yè)實現(xiàn)減排和降本的雙重目標，同時為解決氣候變化和減少溫室氣體排放做出貢獻[4]。

2.3 應用實踐

某鋼鐵企業(yè)位于中國北方地區(qū)，主要生產(chǎn)鋼鐵產(chǎn)品，年產(chǎn)量達500 萬t。由于鋼鐵生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的高爐煤氣含有較高濃度的CO2，該企業(yè)面臨著嚴重的環(huán)境壓力。為降低碳排放，企業(yè)決定采用膜分離-變壓吸附協(xié)同碳捕集CO2技術(shù)，對高爐煤氣中的CO2進行捕集處理。

2.3.1 工藝流程

（1）預處理。高爐煤氣中含有多種雜質(zhì)，如水蒸氣、硫化物、粉塵等。為了降低這些雜質(zhì)對后續(xù)處理過程的影響，企業(yè)采用了除塵、脫硫、脫水等預處理工藝。首先，煤氣經(jīng)過旋風除塵器和布袋除塵器雙重除塵，去除其中的粉塵；其次，煤氣通過脫硫裝置，采用濕法脫硫工藝將硫化物去除；最后，煤氣進行脫水處理，降低其中的水分。

（2）膜分離。預處理后的高爐煤氣進入膜分離裝置。該裝置采用了具有高CO2選擇性滲透性能的膜材料，將CO2與其他氣體分離。煤氣在膜分離裝置中流經(jīng)多級膜模塊，CO2逐級富集，獲得CO2濃度較高的氣流。

（3）變壓吸附。膜分離后的高CO2濃度氣體進入變壓吸附裝置。該裝置采用了活性炭為主要吸附劑，具有較高的CO2吸附能力。在高壓下，CO2被吸附劑捕集，與其他氣體進一步分離。隨后，降低壓力使吸附劑中的CO2脫附，實現(xiàn)吸附劑的再生。

（4）后處理。捕集到的高純度CO2經(jīng)過壓縮、液化等后處理，以便于運輸、儲存和利用。同時，剩余的低CO2濃度煤氣可回收利用，用于生產(chǎn)過程中的熱能需求。

2.3.2 應用效果

（1）CO2捕集效率顯著提高。在采用膜分離-變壓吸附協(xié)同技術(shù)進行CO2捕集的項目中，企業(yè)高爐煤氣中的CO2捕集率達到了90%以上，實現(xiàn)了顯著的CO2捕集效率提高。膜分離技術(shù)可以將混合氣體中的CO2部分分離出來，通過多級吸附床進行進一步富集和分離，最終使得CO2純度達到很高水平。與傳統(tǒng)的化學吸收法等技術(shù)相比，膜分離-變壓吸附協(xié)同技術(shù)減少了化學藥劑的使用和處理成本，同時降低了能源消耗和運行成本。

（2）能源回收利用。膜分離-變壓吸附協(xié)同碳捕集CO2技術(shù)的一個重要優(yōu)勢是能源回收利用，經(jīng)過處理的低CO2濃度煤氣可用于生產(chǎn)過程中的熱能需求，提高了能源利用效率。在該技術(shù)的實際應用案例中，經(jīng)過CO2捕集后，處理后的煤氣中CO2的濃度降低到了1%～2%，而煤氣的熱值基本不變。這種低濃度CO2煤氣可直接被用于熱能回收，滿足工廠的熱能需求，同時減少了燃料消耗。據(jù)統(tǒng)計，采用該技術(shù)后，每年可回收熱能約為300 萬GJ，相當于減少了約15 萬t 的標準煤消耗[5]。

（3）減少環(huán)境污染。膜分離-變壓吸附協(xié)同碳捕集CO2技術(shù)在CO2捕集過程中，預處理環(huán)節(jié)的除塵、脫硫、脫水工藝能夠有效去除煤氣中的雜質(zhì)，降低環(huán)境污染。在該技術(shù)的實際應用案例中，煤氣經(jīng)過預處理后，除塵率達到了99.5%，SO2、NOx 等污染物的排放濃度大幅降低，煤氣排放達到了國家及地方環(huán)境保護標準。同時，通過脫水處理，煤氣中的水分含量也得到了有效控制，減少了水蒸氣等污染物的排放。據(jù)統(tǒng)計，采用該技術(shù)后，每年可減少SO2排放量約為13.5t，NOx 排放量約為4.5t，煙塵排放量約為2.5t，水蒸氣排放量約為1000t。這些數(shù)據(jù)表明，膜分離-變壓吸附協(xié)同技術(shù)在CO2捕集的同時，還可以減少環(huán)境污染，達到了環(huán)保和減排的雙重目標。

（4）降低運營成本。相較于傳統(tǒng)的單一碳捕集技術(shù)，膜分離-變壓吸附協(xié)同技術(shù)在CO2捕集過程中具有較低的能耗和運行成本。該技術(shù)不需要大量的化學藥劑，同時操作簡單，可以適用于中小型企業(yè)，降低了設(shè)備和運行成本。此外，通過多級吸附床、多重循環(huán)等手段，該技術(shù)可以實現(xiàn)CO2的高效捕集和純度提高，減少了后續(xù)的處理成本。

（5）促進循環(huán)經(jīng)濟。膜分離-變壓吸附協(xié)同碳捕集CO2技術(shù)可以捕集高濃度CO2煤氣中的CO2，并將其純度提高到很高水平，捕集到的高純度CO2可以用于碳酸飲料、冷凍生產(chǎn)線、生物質(zhì)增殖等領(lǐng)域，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，促進循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，在某企業(yè)采用該技術(shù)后，每年可以回收CO2約為2 萬t，其中約80%被回收用于生產(chǎn)碳酸飲料，其余的CO2被用于冷凍生產(chǎn)線、生物質(zhì)增殖等領(lǐng)域。這些應用領(lǐng)域中，CO2被用作原料或氣氛保護等用途，實現(xiàn)了CO2的循環(huán)利用，減少了對自然資源的依賴和損耗。此外，CO2的回收和利用也可以帶來經(jīng)濟效益，為企業(yè)增加收入和降低成本。

3 結(jié)語

膜分離-變壓吸附協(xié)同碳捕集CO2技術(shù)在某鋼鐵企業(yè)的應用取得了顯著的環(huán)保和經(jīng)濟效果。該技術(shù)在處理高爐煤氣中的CO2時具有較高的捕集率、低的能耗和運行成本，有助于降低碳排放、提高能源利用效率和促進循環(huán)經(jīng)濟。鋼鐵行業(yè)作為碳排放的主要來源，應積極推廣膜分離-變壓吸附協(xié)同碳捕集CO2技術(shù)，以實現(xiàn)低碳、綠色、可持續(xù)的發(fā)展。此外，鋼鐵行業(yè)還可以與其他產(chǎn)業(yè)合作，共同探索CO2捕集、利用和儲存（CCUS）技術(shù)的創(chuàng)新應用，為全球應對氣候變化做出貢獻。