创新点
通讯作者简介
徐文青，女，博士，中国科学院过程工程研究所研究员，博士生导师。国家自然科学基金优秀青年基金获得者，国家重点研发计划项目首席科学家，担任北京市过程污染控制工程中心副主任。主要研究方向为工业烟气减污协同降碳。创新构建了烟气污染物全过程节能减排及资源化多功能耦合技术体系，已累计推广应用20余套，入选国家《科创中国先导技术榜单》《绿色技术推广目录》等。作为骨干参与研发的“钢铁行业减污降碳协同控制关键技术与应用”评为2022年“中国生态环境十大科技进展”。在Advanced Materials、Applied Catalysis B、Environmental Science & Technology等期刊上发表论文90余篇，授权国际、国内发明专利40余项，参编中英文专著2部、团体标准3项。获得国家自然科学二等奖、环境保护科学技术一等奖、有色技术工业技术发明一等奖等奖励10余项。
第一作者简介
钢铁行业二氧化碳捕集技术研究及应用进展
作者
杨阳1，李毅仁2，刘娟2，朱廷钰1，田京雷2,*，徐文青1,*
单位
1. 中国科学院过程工程研究所
2. 河钢集团有限公司
基金项目
1. 国家重点研发计划资助项目（2022YFE0208100）
2. 云南省重点研发计划资助项目（202303AC100008）
3. 山西省科技重大专项计划“揭榜挂帅”资助项目（20220105021011）
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摘要
钢铁行业碳减排对我国实现双碳目标具有重要意义，也是国家实现碳中和承诺的主战场之一。本文系统综述了钢铁行业碳捕集技术的研究及应用进展，总结了钢铁行业碳排放特征，其中高炉炼铁工序是钢铁行业碳排放量最高的工序，其CO2直接排放主要来源于高炉热风炉，占比高达30%左右。钢铁行业的碳捕集技术主要包括有机胺吸收技术、氨水吸收技术、变压吸附技术和钢渣矿化技术，但目前应用案例较少且规模普遍偏小。此外，本文还对新型有机胺吸收剂、改性分子筛材料等碳捕集材料的研究进展进行了系统总结。未来的研究应重点关注高炉煤气以及高炉热风炉烟气中的CO2捕集，加强对相变吸收体系和催化辅助再生体系的研究，以解决吸收剂分相性能和粘度之间的平衡问题及催化剂稳定性问题，促进两者耦合应用；加强CO2捕集利用一体化技术的研究，重点关注烟气-钢渣直接矿化技术和吸收-矿化一体化技术。
研究背景
钢铁是我国国民经济的支柱产业，世界钢铁协会统计数据表明，2022年我国粗钢产量达10.13亿t，占全球粗钢产量的53.9%。我国钢铁行业能源结构中煤炭占比高达90%，造成钢铁行业碳排放强度高，其碳排放量占全球钢铁行业碳排放总量的60%以上，约占全国碳排放总量的15%~18%，位列制造业行业首位。因此，钢铁行业碳减排对我国双碳目标的实现具有重要意义，是国家兑现碳中和承诺的主战场之一。国际能源署（IEA）的研究报告指出，未来钢铁行业碳减排路径主要有控制钢铁产能、提升能效、应用低碳生产技术以及碳捕集、利用与封存技术（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）等，其中前3种措施可分别减少40%、21%和23%的碳排放，仍有16%的累积碳排放量需要通过CCUS技术解决。2023年度中国CCUS年度报告显示，2060年前，我国钢铁行业约有1亿t的CO2排放需要依靠碳捕集技术解决，碳捕集是钢铁行业实现碳中和重要保障性技术。据统计，截止2022年底我国已投运和规划建设中的CCUS示范项目98个，主要集中在石油、煤化工、电力行业，钢铁行业仅有7个应用案例，仍然处于起步阶段。钢铁生产是多工序、非均相的复杂系统，不同生产工序烟气排放特征差异显著，排放的烟气/煤气特征与上述行业差异显著，直接进行技术移植风险较大，因此碳捕集技术的研发及应用需要充分考虑各生产工序的烟气排放特征。近年来，国内外针对钢铁行业碳捕集开展了众多研究，并取得了良好进展，可以为碳捕集技术在钢铁行业的应用提供指导。本文系统梳理了钢铁行业CO2排放特征，总结了碳捕集技术在钢铁行业的研究进展及应用案例，并对碳捕集技术中涉及到的关键材料的研究进展进行了系统总结，以期为碳捕集技术在我国钢铁行业的大规模推广应用提供指导。
部分图片
图1 钢铁生产工艺流程
图2 ESCAP化学吸收工艺流程
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编辑｜姚情璐
审核｜金丽丽
