燃烧后碳捕集技术（Post-combustion CC technologies）包括从烟道气中捕集二氧化碳的系统。本文回顾了钢铁工业中用于碳捕集的化学吸收和膜分离技术。

化学吸收系统以化学溶剂为基础，与某一目标物质发生可逆反应。与其他技术相比，这种方法允许非常有选择性的分离，并且具有高纯度和高回收率。困难来自于溶剂排出物系统的处理，通常表现出腐蚀性或挥发性特征，以及饱和吸收剂的再生过程，通常是吸热的，这是分离的经济性操作所必需的。

化学吸收的典型操作包括两个阶段：吸收塔从酸性气体中捕集二氧化碳，汽提塔释放捕集的二氧化碳，如图1所示。对于后者，富溶液（胺+二氧化碳）被加热到110℃，以便在浓缩气流中回收二氧化碳。从汽提塔出来的贫溶液被重新循环回吸收塔。通过安装一个热交换器来提高整体效率，在热交换器中，富溶液在使用输出的贫溶液进入汽提塔之前被预热。

2.1 溶剂和能量损耗

在钢铁工业背景下，已经研究了化学吸收用于从高炉热风炉、发电厂和焦炉的烟气中碳捕集。其他研究也研究了不同来源的碳捕集，旨在实现更大的二氧化碳减排。

最广泛使用的化学溶剂是水溶液中的单组分烷醇胺。根据胺官能团的类型将其分为三类：一级如单乙醇胺（MEA）和二乙醇胺（DGA），二级如二乙醇胺（DEA）、异丙胺乙醇（IPAE）和氨基乙基乙醇胺（AEEA），三级如哌嗪（PZ）和甲基二乙醇胺（MDEA）。它们在反应速率、反应热和腐蚀方面表现出不同的行为。伯胺的反应性最强，具有最高的反应热，通常也是最具腐蚀性的。这些性质在仲胺和叔胺中就不那么明显了。除了单组分胺外，RITE还开发了一些多组分溶剂（RITE-A和RITE-B）。这些新型溶剂是基于IPAE的胺类混合物。

最常用的胺溶剂是MEA，而其他溶剂在文献中几乎没有被研究过。高反应热导致MEA（30wt.%）的能量损失为2.9-6.5MJ/kg CO2，MDEA（50wt.%）的能量损失为2.9-3.1MJ/kg CO2。Yang等人研究了40%MDEA和10%PZ的混合物，得到了2.3MJ/kg CO2的热消耗。对于溶剂RITE-A和RITE-B，标准热损耗分别为3.3MJ/kg CO2和3.1MJ/kg CO2，但是RITE-B经过优化后，热损耗可降至2.5MJ/kg CO2。Cheng等人比较了MEA、AEEA、PZ及其混合物的反应热与热炉烟气中CO2捕集量的关系。研究表明，PZ的能耗比MEA和AEEA低10%，两者表现出相似的热损失（3.7MJ/kg CO2）。

在文献中，只有少数文章研究了碳捕集的电力消耗，范围为0.28-1.5MJ/kg CO2。这种电力消耗与CO2所需的运输和储存的压缩工作有关。对于这一特定技术，热电消耗和电消耗为1.1-3.8MJ/kg CO2，产生了总体等效的电力损失。

2.2 二氧化碳捕集、技术水平和成本

胺类溶剂捕集二氧化碳的工艺是成熟的，并已在天然气和化肥加工厂实现商业化。然而，在文献中没有发现关于在钢铁工业中化学吸收燃烧后捕集二氧化碳的大型项目。这可能是由于二氧化碳含量高、成本高，以及地质储存困难。已发表的著作多为理论研究。报告的碳减排幅度在11%-77%之间，分别相当于230kg CO2/tHM和1700kg CO2/tHM。

Cheng等人研究了在旋转填料床中从含有30vol.% CO2的流速为33L/min的热风炉烟气流中捕集CO2。研究的重点是不同溶剂（MEA、AEEA、PZ及其混合物）的热能消耗，但未评估CO2减排量。研究发现，具有10wt.%PZ和20wt.%MEA或AEEA的烷醇胺溶液是捕集CO2的最有效吸收剂。后藤等人介绍了一个安装在日本制铁君津厂的1t CO2/d的碳捕集中试装置。该装置采用高炉烟气进料，并使用MEA、RITE-A和RITE-B进行测试。用IPAE开发了RITE溶剂，并计算出RITE-B理想操作条件下的最佳再生能量为2.5MJ/kg CO2。

由于燃烧后的碳捕集不能提供任何技术或经济优势（如提高能源效率或节省燃料），它总是会导致财政负担。安装碳捕集装置的关键因素是二氧化碳税价格。如果这个价格高于碳捕集成本，那么与将二氧化碳排放到大气中相比，捕集二氧化碳是有利可图的。2018年前，欧盟配额（EUA）价格一直低于16美元/tCO2，2022年2月增加到91美元/tCO2。根据文献，MEA溶剂的捕集成本在38.2-204美元/tCO2之间（平均为77.4美元/tCO2），MDEA的捕集成本在76-81美元/tCO2之间，MDEA和PZ混合物的捕集成本约为97美元/tCO2。因此，基于当前的EUA价格，实施碳捕集在大多数情况下是有利可图的。

膜是一种成本效益高的新兴技术，用于发电厂和能源密集型工业的碳捕集。当膜的两侧承受压差时，气体分离利用了某些物质对特定物质的不同渗透速率。

3.1 膜的材料和特性

不同的膜材料被研究用于CO2分离，包括聚合物、无机化合物、金属有机框架、咪唑酸沸石框架、氧化石墨烯和微孔中空纤维。膜的性能主要是通过选择性和渗透性来评估的，这在传统上涉及到两者之间的权衡。气体渗透率是每膜面积和每膜压差的渗透流量。渗透率是渗透率与膜厚度的乘积，而选择性是大于单位的两种气体的渗透率系数之比。其他需要考虑的重要特性是稳定性、机械阻力，以及易于和具有成本效益的制造。

气体输运机制主要包括三个步骤：渗透物的溶解、扩散和解吸（溶液-扩散传递机制）。此外，膜中活性载体的存在可以增强传质和选择性。因此，膜对某种气体的选择性和渗透性取决于分子相对于孔径的相对大小，以及与气流中存在的其他物质相比，与某些质量载体的溶解度、扩散性和反应性的差异。溶解度选择性随临界温度增加而增加，而扩散选择性倾向于小分子。渗透率越高，压差越小，膜面积越小，成本越低；而选择性越高，渗透液纯度越高，成本也越高。

市场上已经存在用于分离H2和CO2的膜，例如Polarism，这是第一个专门用于燃烧后分离的商用膜。然而，这种捕集技术目前还处于开发阶段，只有挪威布雷维克的Norcem水泥公司的一个小型试验工厂在运行。在那里，单膜级的二氧化碳纯度达到了70mol%。由于碳捕集的成本随着气流中二氧化碳浓度的降低而大幅降低，相对于电厂气体（12vol.%-15vol.%），钢铁厂和水泥厂气体（20vol.%-30vol.%）更受青睐。在CO存在的情况下，需要增加一个水气转换反应器以增加CO2浓度。此外，由于硫有害于膜，因此需要先进行脱硫，以将SO2浓度降低到10-25ppmv的水平。

3.2  配置和KPIs

在钢铁行业中，目前还没有关于基于膜的二氧化碳捕集系统集成的试验研究，理论性的研究著作也很少。膜的操作建立在进料流和渗透流之间有足够分压差的基础上。BFG处于3bar，有两种选择：①在BFG进入分离系统之前对其加压，②在渗透侧安装真空泵。②是首选，因为它消耗较少的能源。

考虑到基于膜的低成本捕集的最佳范围是在第一步中，CO2捕集率为50%-70%，至少需要两个膜阶段才能达到更高的捕集率。对工业中主要CO2排放源的不同配置进行了模拟。Luca & Petrescu研究了一种二氧化碳捕集系统，该系统由两个螺旋缠绕膜串联而成，第一级和第二级的再循环渗透率分别为30%和5%，压力比分别为100和80。烟气流中CO2含量为21.1%，而输出的CO2流纯度为95.5%。捕集率为94%，比能耗为327kWh/tCO2。

对图2中的两阶段二氧化碳捕集结构进行了探讨。配置A更适用于20vol.%-25vol.%的CO2，而配置B则更好地处理含有25%以上CO2的气流。Baker等人在这两种情况下都使用了PolarisTM膜。配置A适用于1000t CO2/d的气流，其典型成分为水泥工业烟气（25vol.% CO2），类似于高炉或钢铁工业公用电厂的烟气。第一阶段将二氧化碳浓度提高到40vol.%，捕集大约60%的进入的二氧化碳。第二阶段富集75%以上的渗透气，达到80%的二氧化碳捕集率。

电能耗为286kWh/tCO2，所需要的膜面积为3400m2/（tCO2/h），捕集总成本为47美元/tCO2。配置B应用于具有28.5vol.%CO2的高炉烟气，第一层和第二层膜分别将二氧化碳浓度从28%降低到17%和8%，相当于捕集80%的二氧化碳。所得的渗透流通过冷凝柱前的第三个膜组件进一步富集（超过80%）。耗电量为235kWh/tCO2，膜的界面面积为2780m2/（tCO2/h），捕集的总成本是36美元/tCO2。

Yun等人使用聚酰亚胺膜，分别分析了净化（脱水和汽提塔）和最终压缩至152.7bar的效果。为了便于比较，将CO2的捕集率设为90%。配置A适用于烧结（4.81vol.%）和焦炉（14.77vol.%）气流，配置B适用于石灰生产（19.41vol.%）、发电厂（26.43vol.%）和高炉（27.3vol.%）烟气。在进口流中二氧化碳含量低于10vol.%时，耗电量和所需的膜表面积急剧增加。碳捕集成本随二氧化碳进入含量的降低而增加。

根据这些理论结果，基于膜的捕集系统可能是富二氧化碳流的竞争性解决方案。然而，要使这种系统达到商业规模，还需要进一步的试验研究。