发电技术

发电技术, 2026, 47(1): 1-13 DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.260101

碳中和

钢铁行业碳捕集与利用技术研究进展

邵雁1, 谢颖2, 刘子豪1, 方梦祥2, 许晓明1, 胡昔鸣3, 夏阳1, 陈伟3, 朴永玉4

1.中冶南方都市环保工程技术股份有限公司，湖北省 武汉市 430205

2.浙江大学能源 清洁利用全国重点实验室，浙江省 杭州市 310027

3.浙江大学青山湖能源研究基地，浙江省 杭州市 311300

4.韩国SN有限公司，首尔 06241 韩国

Research Progress on Carbon Capture and Utilization Technology in Steel Industry

SHAO Yan1, XIE Ying2, LIU Zihao1, FANG Mengxiang2, XU Xiaoming1, HU Ximing3, XIA Yang1, CHEN Wei3, PARK Young-Ok4

1.Wuhan City Environment Protection Engineering Limited Company, Wuhan 430205, Hubei Province, China

2.State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang Province, China

3.Qingshanhu Energy Research Center, Zhejiang University, Hangzhou 311300, Zhejiang Province, China

4.SN Co, Ltd. , Seoul 06241, Republic of Korea

收稿日期: 2025-07-27   修回日期: 2025-09-24  

基金资助: 国家重点研发计划政府间国际科技创新合作资助项目(中韩).  2023YFE0199300

Received: 2025-07-27   Revised: 2025-09-24  

Fund supported: National Key Research and Development Program Government International Science and Technology Innovation Cooperation Funding Project (China and South Korea).  2023YFE0199300

作者简介 About authors

邵雁(1987)，女，博士，高级工程师，主要从事节能环保相关领域技术的研究、应用与推广工作，34047@ccepc.com；

谢颖(2001)，女，博士研究生，主要从事CO2化学吸收技术的吸收剂性能及工艺优化等方面研究，本文通信作者，yingxie@zju.edu.cn；

方梦祥(1965)，男，博士，教授，主要从事煤和生物质流化床热解、气化、燃烧，CO2化学吸收技术等方面研究，mxfang@zju.edu.cn；

胡昔鸣(1993)，男，工程师，主要研究方向为CO2化学吸收技术，ximing-hu@zju.edu.cn；

朴永玉(1953)，男，博士，教授，主要研究方向为清洁能源利用、大气污染物减排技术，yopark007@gmail.com。

摘要

目的 在“双碳”目标下，以CO2为主的温室气体排放控制受到高度关注，2023年，我国CO2排放量为126亿t，居世界首位，其中钢铁行业是主要的CO2排放源之一，约占我国CO2排放量的15%。我国粗钢产量占全球1/2以上，降低钢铁行业碳排放，需要考虑我国国情及能源利用特点。因此，有必要研究适合我国钢铁行业的碳捕集与利用技术。 方法 对钢铁生产过程中CO2的排放特性进行了分析，并综述了现有碳捕集技术的研究进展，重点讨论了吸收法、吸附法和膜分离法在高炉煤气CO2捕集中的应用。此外，探讨了炉顶煤气循环氧气高炉技术的利用，并分析了其与吸收、吸附技术的耦合潜力，以期实现钢铁行业的低碳转型。 结论 利用炉顶煤气循环氧气高炉技术，可以结合吸收或吸附法在降低高炉耗碳量的同时降低高炉碳排放，且钢厂余热的有效利用有助于提高碳捕集的经济可行性。转炉CO2喷吹、钢渣矿化利用和钢化联产CO2制化工产品技术的结合，可实现钢铁行业的碳捕集与利用一体化，不仅能够减少钢铁行业的碳排放，还能通过产能优化提升行业的经济和环境效益。

关键词： 碳捕集、利用与封存(CCUS) ; 碳排放 ; 钢铁行业 ; CO2利用 ; 炉顶煤气循环氧气高炉 ; 化学吸收 ; 吸附分离 ; 膜分离

Abstract

Objectives The control of greenhouse gas emissions, mainly CO2, under the “carbon peak and carbon neutrality” target has received high attention. In 2023, China’s CO2 emissions ranked first in the world, with 12.6 billion tons. Among them, the steel industry is one of the main sources of CO2 emissions, accounting for about 15% of China’s CO2 emissions. China’s crude steel production accounts for more than half of the world’s total, and reducing carbon emissions in the steel industry requires consideration of China’s national conditions and energy utilization characteristics. Therefore, it is necessary to study the carbon capture and utilization technologies suitable for China’s steel industry. Methods The emission characteristics of CO2 in the steel production process are analyzed and the research progress of existing carbon capture technologies are summarized, with a focus on the application of absorption, adsorption, and membrane separation methods in CO2 capture of blast furnace gas. In addition, the utilization of top gas recycling-oxygen blast furnace technology is explored and its coupling potential with absorption and adsorption technologies is analyzed, in order to achieve low-carbon transformation in the steel industry. Conclusions The use of top gas recycling-oxygen blast furnace technology can be combined with absorption or adsorption methods to reduce carbon consumption and carbon emissions of the blast furnace, and the effective utilization of steel plant waste heat can help improve the economic feasibility of carbon capture. The integration of carbon capture and utilization in the steel industry can be realized by the combination of converter CO2 injection, steel slag mineralization and utilization, and tempering co-production of CO2 to produce chemical products technology. It can not only reduce the carbon emissions in the steel industry, but also improve the industry’s economic and environmental benefits through capacity optimization.

Keywords： carbon capture, utilization and storage (CCUS) ; carbon emissions ; steel industry ; CO2 utilization ; top gas recycling-oxygen blast furnace ; chemical absorption ; adsorption separation ; membrane separation

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本文引用格式

邵雁, 谢颖, 刘子豪, 方梦祥, 许晓明, 胡昔鸣, 夏阳, 陈伟, 朴永玉. 钢铁行业碳捕集与利用技术研究进展. 发电技术[J], 2026, 47(1): 1-13 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.260101

SHAO Yan, XIE Ying, LIU Zihao, FANG Mengxiang, XU Xiaoming, HU Ximing, XIA Yang, CHEN Wei, PARK Young-Ok. Research Progress on Carbon Capture and Utilization Technology in Steel Industry. Power Generation Technology[J], 2026, 47(1): 1-13 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.260101

0 引言

全球气候变化问题日益严峻，为了应对这一挑战，2020年9月22日，中国政府在第七十五届联合国大会上宣布“双碳”目标：二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。此外，在2023年《联合国气候变化框架公约》第二十八次缔约方大会(COP28)上，198个缔约方达成共识：将全球升温控制在工业化前水平的1.5 ℃以内。据统计，2023年全球CO2排放总量达到37.4 Gt，其中，我国占比最高，CO2排放量达到12.6 Gt[2]。因此，我国各行业尤其是煤炭消耗量较高的重工业承受着较大的减排压力[3]。作为资源能源密集型产业的钢铁工业，在生产过程中会消耗大量的煤炭、焦炭以及电力、天然气等资源，我国钢铁工业排放的CO2约占全球钢铁工业排放的60%以上，在国内仅次于电力行业，约占国内CO2总排放量的15%[4]。因此，通过引入和发展先进的碳捕集与利用技术来降低钢铁行业的碳排放，成为实现“双碳”目标的关键途径之一[5]。

近年来，国内外针对钢铁行业的碳捕集与利用技术研究取得了显著进展。多种减排技术相继被引入钢铁生产中，包括燃烧后捕集技术、全氧高炉工艺等。这些技术在部分钢厂内已经得到工程示范和试点应用，证明其在降低CO2排放方面具有一定的可行性。当前研究热点集中于提高碳捕集效率、降低运行成本及能耗，例如，通过优化捕集工艺减少运行能耗、增强全氧高炉的经济可行性，以及利用吸收法、吸附法等捕集技术来提高CO2分离纯度与稳定性[6]。此外，部分研究探索了耦合余热利用等手段，以进一步提升钢铁生产过程中碳捕集技术的整体效能。尽管碳捕集与利用技术在钢铁行业有着广泛的应用前景，但依然存在许多技术瓶颈，如高能耗带来的运行成本问题、适用于高温高压环境的材料耐久性问题、规模化应用的工程可行性等，这些问题仍然制约着碳捕集与利用技术在钢铁行业的推广。

本文将在现有研究的基础上，系统评估不同碳捕集与利用技术在钢铁行业的适用性，以期为推动钢铁行业的低碳转型及实现国家“双碳”目标提供科学依据与工程参考。

1 钢铁行业能耗和碳排放特性

1.1 钢铁行业能耗和碳排放分析

钢铁行业是能源消耗大户，每年不仅会消耗大量的煤炭和焦炭，也会消耗天然气以及电力等。据统计，2022年，钢铁行业煤炭消耗约占全国煤炭消耗总量的18%，焦炭消耗占全国总量的85%左右，钢铁行业能源消耗总量约为5.6亿t标准煤[7]。随着大量化石能源消耗，CO2排放也居高不下，图1为2007—2021年我国钢铁行业CO2排放量以及吨钢CO2排放量[8]。

图1

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图1   2007—2021年我国钢铁行业CO2排放情况

Fig. 1   CO2 emissions of China’s steel industry from 2007 to 2021


钢铁行业生产过程复杂[9]，主流程通常采用高炉-转炉(blast furnace-basic oxygen furnace，BF-BOF)长流程以及废钢-电炉(electric arc furnace，EAF)短流程2种工艺[10-11]。目前，全球钢铁企业的平均吨钢CO2排放量约为1.7 t。废钢-电炉短流程工艺最为环保，吨钢CO2排放量约为0.4 t。而我国长流程企业吨钢CO2排放量为1.85~2 t，如宝钢2024年公布的吨钢CO2排放量为1.94 t。

1.2 钢铁行业碳排放源及特性

目前，我国90%以上的粗钢生产采用BF-BOF长流程[12]，其炼钢原理如下：将制备好的烧结矿、焦炭、熔剂等原料在高炉中发生还原反应，得到液态铁水，在转炉中形成粗钢，再通过连铸形成钢坯，经轧钢后产出钢材。BF-BOF长流程生产工序[13]如图2所示。

图2

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图2   BF-BOF长流程生产工序

Fig. 2   Production process of BF-BOF long process


在BF-BOF长流程中，煤炭、焦炭和石灰石作为燃料和原料，大部分碳作为副产品，以CO2的形式转化并排放，其中高炉炼铁造成约70%碳排放，烧结造成约12%碳排放，炼焦造成约9%碳排放，转炉炼钢造成约4%碳排放。各工序中涉及CO2直接排放的排放源主要包括石灰窑、热风炉、焦炉、高炉、转炉以及自备电厂等，其排放参数[14]有所差别，如表1所示。

表1   钢铁行业不同CO2排放源特征

Tab. 1  Characteristics of different CO2 emission sources in the steel industry

排放源温度/℃压力CO2体积分数/%
石灰窑烟气110环境压力20
热风炉烟气200环境压力28
焦炉烟气210环境压力10
高炉煤气100~3500.2~0.3 MPa20
转炉煤气1 200环境压力15
自备电厂烟气100环境压力15~20

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钢铁厂碳排放源较多，且特性各不相同。钢铁厂大部分排放源CO2浓度明显高于传统燃煤电厂烟气中CO2浓度；除高炉煤气的压力较高外，其余排放源的压力均为环境压力；热风炉烟气等排放源温度较高，进行碳捕集前应先回收余热。

2 钢铁行业碳捕集技术

钢铁行业碳减排技术可以分为间接减排技术和直接减排技术：前者指通过改进生产技术来降低能耗并减少CO2排放，即节能减排技术；后者指碳捕集技术。近年来，通过技术革新、淘汰落后产能等措施，国内钢铁行业的吨钢能耗逐渐接近世界先进水平[15-16]，未来碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization and storage，CCUS)技术对达成碳减排目标不可或缺[17]。碳捕集技术可以分为燃烧前捕集、富氧燃烧以及燃烧后捕集[18]。其中化学吸收等燃烧后捕集技术因工艺简单、技术成熟以及设备改造容易等优点而被广泛应用。本文对钢铁行业的碳捕集技术研究进展进行梳理总结，主要包括吸收法、吸附法、膜分离法在钢铁行业的研究与应用，以及钢铁行业节能减排耦合碳捕集技术的应用。

2.1 吸收分离技术

吸收分离技术通过吸收剂从烟气中分离出CO2，可以分为化学吸收法和物理吸收法[19]。该技术在化工等领域已经广泛应用，且其在钢铁领域的应用潜力已被证明[20]。

2.1.1 化学吸收法

化学吸收法是目前最成熟、应用最广泛的碳捕集技术，其原理如图3所示，工艺流程如下：烟气经过低温碱洗塔(40~50 ℃)进入吸收塔底部，与从吸收塔顶部流下的吸收剂逆流接触，发生化学吸收反应，实现CO2分离，吸收剂经过换热器等进入再生塔，通过高温蒸汽加热至100~120 ℃，吸收剂中的CO2在高温下解吸，完成CO2富集，解吸后的吸收剂再进入吸收塔，以此循环。

图3

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图3   化学吸收法碳捕集工艺流程

Fig. 3   Carbon capture process of chemical absorption method


化学吸收法采用碱性化学吸收剂，如有机胺、氨水、碳酸钾、氨基酸盐等，通过化学反应吸收混合气中CO2，形成氨基甲酸盐或碳酸盐，捕获烟气中CO2，并在一定温度、压力条件下逆向反应，分解释放CO2，实现CO2分离[21]。表2为一些国家钢铁行业化学吸收法典型应用。

表2   钢铁行业化学吸收法典型应用

Tab. 2  Typical applications of chemical absorption method in steel industry

国家应用排放源吸收剂捕集率/%

能耗/

[GJ/(t CO2)]

来源
阿联酋竖炉MEA904.00文献[22]
韩国高炉氨水902.50文献[23]
日本高炉IPEA982.34文献[24]
中国欧冶炉NCMA95—文献[25]

注：MEA为单乙醇胺；IPEA为2-(异丙基氨)乙醇；NCMA为中石化南京化工研究院开发的基于甲基二乙醇胺(MDEA)的改良溶剂。

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胺基吸收剂目前应用最广泛，常用的有MEA、哌嗪(PZ)以及混合胺等，表3列出了不同胺基吸收剂的特性。

表3   胺基吸收剂特性

Tab. 3  Characteristics of amino absorbents

吸收剂典型溶剂

能耗/

[GJ/(t CO2)]

特点来源
单一胺MEA4.0循环容量小，能耗高，吸收速率低文献[26]
混合胺MDEA/PZ2.8~3.5循环容量大，能耗较低，吸收速率快文献[27]
两相吸收剂DEEA/MAPA2.0~2.8循环容量大，能耗低，连续运行考验分相稳定性文献[28]
少水吸收剂AMP/AEEA/NMP2.1~2.8循环容量大，能耗低，缺乏工业验证文献[29]

注：DEEA为二甲基乙二胺；MAPA为3-甲氨基丙胺；AMP为2-氨基-2-甲基-1-丙醇；AEEA为羟乙基乙二胺；NMP为甲基吡咯烷酮。

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Tobiesen等[30]以常规高炉煤气和全氧高炉煤气为研究对象，测试了多种胺基吸收剂的性能，结果显示，AMP吸收剂的吸收效果最佳，其次为MDEA/PZ、MEA，AMP结合贫富液换热器，对于常规高炉煤气的处理能耗仅为2.2 GJ/(t CO2)。Goto等[24]在日本COURSE项目的支持下，为了降低高炉煤气碳捕集的能耗，对胺溶剂吸收和解吸CO2的特性进行了研究，在1 t CO2/d的实验装置上测试了IPEA吸收剂，结果发现吸收速率和吸收焓之间存在一定折中关系，基于IPEA开发了新的混合胺溶剂RITE，且发现RITE-B的能耗在优化工艺和设备后有望达到2.5 GJ/(t CO2)。Chowdhury等[31]对6种胺基吸收剂的碳捕集性能进行了评估，开发了适用于高炉煤气的高性能RN吸收剂，相较于MEA，RN吸收剂表现出更低的反应热和更高的循环负荷，其CO2捕集率达到96%，捕集能耗达到2.0 GJ/(t CO2)。Dreillard等[32]在VALORCO项目的支持下，针对高炉煤气对DMX两相吸收剂进行了研究，结果发现DMX具有高CO2/CO选择性，产生的CO2中CO含量极少，CO2捕集率达到99.5%，当CO2分压达到0.11 MPa时，能耗为2.5 GJ/(t CO2)。

此外，高炉煤气中的H2S和COS会造成管道腐蚀、溶剂降解，这对吸收剂提出了新挑战。Danckwerts等[33]研究发现，与传质相比，H2S与有机胺反应速率被认为是无限快的。耿李妤[34]研究了高炉煤气脱硫脱碳协同体系，所开发的MDEA/MEA/MOR/DBU/DDBAC配方吸收剂，其CO2、H2S、COS脱除率分别为99%、98%及95%。

除了传统的胺基吸收剂外，也有关于氨水吸收剂在钢铁行业碳捕集系统中应用的研究。Kim等[23]在韩国POSCO项目的支持下，在1 000 m3/h(标准状态下)的中试装置上对氨水法捕集CO2进行了测试，并且通过整合余热回收系统降低了能耗，通过对系统的评估计算，发现运行成本可以降低至20美元/(t CO2)以下。Han等[35]利用钢铁企业废热为氨水吸收剂再生过程提供能源，再生能耗降低到2.5 GJ/(t CO2)，氨水挥发量降低到约10-5。

化学吸收法工艺简单、技术成熟，比较适合钢铁行业碳捕集。但化学吸收法依旧面临再生能耗高、溶剂降解损耗大、胺逃逸控制困难等问题。开发低能耗、挥发及降解性能稳定且能协同脱硫脱碳的吸收剂配方，是化学吸收法捕集高炉煤气未来的研究方向。

2.1.2 物理吸收法

物理吸收法分离CO2使用甲醇、碳酸丙烯酯等吸收剂，通过CO2在溶剂中的溶解度随温度压力等条件变化实现，CO2浓度较高的烟气捕集时能耗较低且分离效率较高[36]。Gielen[37]研究表明，运用Selexol法对高炉煤气等进行碳捕集处理，可以显著地降低CO2排放量，且考虑到捕集后煤气质量提高等因素，钢铁碳捕集的成本可以由过去估算的35美元/t降低到16.7~18.8美元/t。由于传统钢铁行业烟气中的CO2浓度并不足够高，物理吸收法的应用有一定难度，但是结合近年来发展的全氧高炉技术后还有进一步挖掘研究的潜力。

2.2 吸附分离技术

吸附分离技术通过介质吸附的选择性以及可逆性来分离烟气中的CO2，高温或高压下吸附后，在降温或降压条件下解析CO2[38]。吸附分离工艺包括变压吸附(pressure swing adsorption，PSA)和变温吸附(temperature swing adsorption，TSA)等[39]，目前应用较多的是变压吸附法，技术路线如图4所示。

图4

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图4   变压吸附法技术路线

Fig. 4   Technical route of pressure swing adsorption method


吸附剂通常使用具有高比表面积和特殊化学性质的材料，如沸石、活性炭和金属有机骨架材料等。表4列出了一些国家钢铁行业吸附分离法的典型应用。

表4   钢铁行业吸附分离法典型应用

Tab. 4  Typical applications of adsorption separation method in steel industry

国家应用排放源工艺吸附剂捕集率/%来源
德国高炉VPSA—70文献[40]
日本高炉PSA沸石80文献[41]
中国石灰窑PSA沸石、活性炭80文献[42]

注：VPSA为真空变压吸附技术。

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Saima等[43]将变压吸附技术应用于高炉煤气中CO2和CO的分离回收，结果发现，Zeolum F-9吸附剂具有高吸附容量和吸附选择性；在处理量为3 t CO2/d的示范工厂中的运行结果表明，更低的解吸压力导致更高的捕集率和更大的真空泵电耗。Ho等[44-45]研究发现，使用MEA胺基吸收剂吸收高炉煤气中的CO2成本在65~80澳元/(t CO2)，而使用zeolite 13X吸附剂结合真空变压吸附技术，可以降低25%~40%的捕集成本。

首钢京唐公司针对石灰窑烟气CO2捕集开发了“TSA+PSA”技术，在5万t/a的捕集装置上进行了技术验证，结果表明，石灰窑烟气经过TSA技术脱硫脱硝后，再采用沸石和活性炭作为吸附剂，利用PSA技术进行CO2吸附提纯，纯化的CO2经过加压液化浓度可达99%[42]。

由于钢铁行业烟气中CO2分压较高的特点，吸附分离技术适用于钢铁行业CO2捕集，但如何进一步提高捕集率、吸附剂稳定性和降低再生成本，需要进行深入研究。

2.3 膜分离法

膜分离法的原理是利用特定的膜材料，通过膜两侧压力差且膜材料对CO2和其他气体组分的渗透性不同，选择性地分离CO2。膜分离法具有设备体积小、能耗低、环境友好等优点[46]。膜材料一般采用无机膜、有机膜和混合膜，许多研究致力于开发具有高选择性的膜材料，以提高CO2的分离效率、降低能耗。

中石化南京化工研究院搭建了50 000 m3/d(标准状态下)的膜分离法碳捕集示范装置，该装置包括600根直径0.3 m、长1.5 m的膜组件，CO2产品气纯度超过95%，捕集率达到81%，实现了单位CO2捕集能耗下降30%[47]。Lie等[48]评估了选择性吸附碳膜(adsorption selective carbon membrane，ASCM)、碳分子筛膜(carbon molecular sieving membrane，CMSM)和固定位点载体膜(fixed site carrier membrane，FSCM)3种膜从高炉煤气回收CO2的分离性能，结果发现，FSCM表现出最佳的CO2选择性，具有高CO2渗透性，易于加工处理，成本较低，且具有一定的耐水性，使用该膜捕集CO2的总成本为15.0~17.5欧元/(t CO2)。Yun等[49]对钢铁厂体积分数为4.8%~27.3%的烟气进行模拟，结果发现，随着烟气浓度增加，采用聚酰亚胺膜捕集CO2成本从271.7美元/(t CO2)降到41.7美元/(t CO2)，这种巨大的成本变化是因为高CO2分压提升了膜分离法的成本效益。Chung等[50]模拟了4种高炉煤气CO2捕集方法，研究发现，胺基吸收法和膜分离法混合并进行CO、H2回收利用是最有竞争力的方案，具有最低运行成本、最高捕集率和最低捕集成本(仅30.4美元/(t CO2))。

如何提升膜材料的稳定性是膜分离法规模化应用的关键问题，受制于高炉煤气组分的复杂性，目前钢铁行业膜分离法的技术应用还比较少。

2.4 节能减排耦合碳捕集技术

单纯的碳捕集技术因经济性不足，在钢铁行业推广应用较难，而节能减排耦合碳捕集技术能提升碳捕集经济性，有利于钢铁行业低碳炼钢。

1）炉顶煤气循环氧气高炉

在环保与碳交易的双重压力下，欧盟钢铁行业成立欧洲钢铁技术平台(European steel technology platform，ESTEP)进行炼钢过程节能减排的研究，提出炉顶煤气循环氧气高炉(top gas recycling-oxygen blast furnace，TGR-OBF)等节能减排技术。多项研究证明，TGR-OBF技术能够实现钢铁行业碳减排，且具有一定的经济效益[41,51]。TGR-OBF技术工艺流程[52]如图5所示。

图5

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图5   TGR-OBF工艺流程图

Fig. 5   TGR-OBF process flow diagram


纯氧和煤粉喷入高炉，气化出来的炉顶煤气经过除尘后进行CO2捕集，脱除CO2的富CO煤气经过升温和加压后回到高炉，利用剩下的CO将极大程度地提升还原率、降低焦比，且TGR-OBF技术采用纯氧替换热风，减少了系统中的氮气，炉顶气中的CO2体积分数从20%提升到约35%，更高的CO2分压有利于碳捕集。

安赛乐米塔尔公司将TGR-OBF与VPSA相结合，高炉煤气经过除尘降温后，通过VPSA技术分离CO2，脱碳炉顶煤气吹入高炉炉底鼓风口，与氧气、煤粉混合，进一步反应，可以减少26%碳消耗[41,53]，并降低76%的高炉CO2排放[40]。

中国宝钢集团新疆八一钢铁有限公司采用熔融还原炼铁工艺，使用全氧冶炼，通过捕集煤气中CO2产生富CO的煤气循环回高炉，减少焦炭和煤粉的使用量，降低生产成本。其中脱除CO2采用醇胺法NCMA工艺，欧冶炉煤气加压至0.85 MPa，进入吸收塔底部，NCMA溶液捕集超99%的CO2后，进入常解析塔和汽提塔进行再生。欧冶炉煤气脱除CO2的还原煤气成分稳定，CO体积分数达到68%以上，CO2体积分数在1%以下，同时还原煤气中的H2体积分数达到17.46%，再生后的CO2纯度达到99.1%[25]。

TGR-OBF技术能降低高炉耗碳量并降低高炉碳排放，安全性高，系统稳定，可行性强，是实现钢铁行业低碳发展的有效技术。

2）耦合余热的高效低成本碳捕集技术

我国钢铁行业的余热资源非常丰富，有效利用余热有利于钢铁行业降低成本、减少环境污染[54-55]。钢铁行业的余热资源可以按温度划分为高温余热、中温余热和低温余热。高温余热又分为高温固体、高温液体、高温烟气，高温固体包括高温钢材、高温焦炭、高温烧结材料等，高温液体包括铁渣、钢渣、高温水等，高温烟气包括加热炉烟气、电炉煤气和焦炉煤气等，高温余热回收率达到44%以上。中温余热包括风炉尾气初级余热回收后的烟气、烧结烟气、高炉煤气等，往往热量较集中，温度较高，回收率超过30%。低温余热包括各种低温物料、低温烟气、废热水和废蒸汽，其特点是分散且热源波动频繁，不容易集中回收，因此回收率也很低[13]。

宝钢开展了低能耗高炉煤气热值提升与产品气综合利用技术的研发，在对比分析化学吸收法和变压吸附法的各自优缺点和经济性后，提出利用钢厂的余热资源作为化学吸收法实施碳分离与捕获的能量来源，为我国钢厂中低温余热有效利用提供了新思路[56]。

钢厂增加碳捕集系统需要额外的资源、经济投入，节能减排耦合碳捕集技术能提升经济效益。与多种节能减排技术相结合是碳捕集技术在钢铁行业未来的发展方向，也是钢铁行业降低碳排放的一条重要路径。

3 钢铁行业CO2利用技术

除碳捕集技术外，CO2利用技术也是钢铁行业碳减排途径之一。CO2化学性质较稳定，不可燃烧，与部分元素在特定条件下反应，将其资源化利用于炼钢工艺中，可以实现碳减排。钢铁行业CO2利用技术包括转炉CO2喷吹、钢渣矿化利用和钢化联产等。

3.1 转炉CO2喷吹

传统的转炉炼钢过程中通过吹入Ar或N2去除钢中杂质，而CO2具有弱氧化性，同样可以与钢液中杂质元素反应生成CO，CO气泡同时增强熔池流动性，且使用CO2代替N2进行喷吹能降低N2带来的钢液中N元素含量累积的不利影响。

转炉CO2喷吹包括底吹CO2和顶吹CO2。何平等[57]研究发现，使用CO2气体代替Ar和N2作为转炉底吹气体，CO2的搅拌能力是Ar或N2的1.45~2倍。吕明等[58]研究发现，喷吹CO2-O2混合气体相比于纯氧炼钢可以大幅减少烟尘量，且在炉渣试验终点，钢液中N、P元素含量都有所降低。冯超等[59]对某厂120 t转炉进行了顶吹CO2-O2的工业试验，结果发现，喷吹CO2可以降低冶炼终点碳氧积、渣中FeO含量和粗灰产量，且能提高脱磷率和煤气回收量。

首钢京唐公司开展了300 t转炉炼钢CO2资源化应用示范工程，进行了转炉炼铁CO2-O2混合喷吹技术验证，实现吨钢烟尘减少9.95%，吨钢煤气量增加5.2 m3，转炉环节吨钢CO2排放减少18.23 kg[42,60]。

3.2 钢渣矿化利用

钢铁工业的炉渣是一种重要的固体废弃物，是指在炼铁和炼钢过程中产生的熔渣，高炉炼钢过程中，钢渣的吨钢产量为120~150 kg，我国年钢渣产量超过1亿t[61]。目前，我国钢渣的利用率较低，仅为22%，远低于发达国家[62]。大量钢渣堆放闲置，不仅占用大量的耕地，而且钢渣中所含重金属离子、碱金属离子还会渗入土壤中，造成地下水污染。

1990年，瑞士科学家Seifritz提出了矿物碳酸化(简称“矿化”)的概念，模拟了含钙和镁的矿物风化的过程以固定CO2[63]。钢渣矿化则是利用钢渣中的CaO、MgO等碱性氧化物作为捕获CO2的载体，且有研究[64]发现，钢渣较天然矿物有更高的反应活性，1 t钢渣固碳能力约为160 kg CO2。Ghouleh等[65]将钢渣压制成型后进行矿化养护，结果发现，2 h养护后可达到80 MPa的抗压强度，CO2吸收率约为13%，28天自然静置后，抗压强度提高到109 MPa。

包头钢铁(集团)有限责任公司投资建设了固废CO2矿化产业化项目，利用钢渣等工业固体废弃物中的钙元素与CO2反应生成碳酸钙，将固废转化成高附加值的工业产品，同时在生产过程中实现CO2的利用与封存。每处理1 t钢渣可直接封存0.2~0.25 t CO2。一条生产线年处理10万t钢渣，设备寿命10年，投资回收期8~10年[66-67]。

矿化技术对钢铁行业固体废弃物再利用具有重要意义，同时实现了钢铁行业CO2减排，是适用于钢铁行业的CO2利用技术，也是钢铁行业节能减排、CO2综合利用的新方向。

3.3 钢化联产

钢化联产即钢铁与化工协同发展，实现资源循环利用，其技术路径重点之一是利用钢铁厂产出的煤气作为原料合成化工产品。焦炉煤气制氢气、甲醇、天然气，转炉煤气制甲醇、乙醇等技术已经在钢铁行业广泛应用。但钢厂煤气中高炉煤气约占64%，煤气产量最大，其中N2含量高，CO分离困难，且含有硫、尘等不利因素，使得高炉煤气制化工产品技术难度较大，目前应用示范较少。而高炉煤气捕集CO2、利用CO2制化工产品，能补充高炉煤气在钢化联产中应用的空缺，促进钢铁行业资源有效利用，实现CO2捕集-利用一体化。

CO2加氢制甲醇(CH3OH)是CO2在化工领域应用的重要技术，反应式如下：

CO2+3H2→        CH3OH+H2O

甲醇用途广泛，可用于制备甲酸、甲醛、氯甲烷等多种化工产品。温度、压力、氢碳比、催化剂和空速等因素都会影响CO2制甲醇过程的转化率和选择性。温度升高可使转化率提高、选择性降低；压力增大可使转化率和选择性均提高；高氢碳比能提升转化率和选择性，但成本会增加。催化剂也是决定甲醇转化率的重要因素，如铜基催化剂能有效提高甲醇选择性[68-69]。中国石化南京化工研究院有限公司开发了2种技术路线，其中：一步法制甲醇转化率25%，甲醇选择性67%；两步法制甲醇转化率36%[70]。高效的催化剂以及工艺开发是CO2加氢制甲醇的研究方向。

德国蒂森克虏伯公司的CARBON2CHEM项目投资6 000万欧元，对中试钢铁工厂的废气进行转化利用，成功实现利用钢铁厂煤气中的CO2制甲醇。该项目预计在2030年实现商业化应用，并预计可减少德国钢铁行业2 000万吨碳排放[71]。

四川天一科技有限公司建设了国内首个转炉煤气补充焦炉煤气制甲醇装置，并已在达钢投产，焦炉煤气混合转炉煤气后，优化了气体原料构成，降低了10%的甲醇制造成本，提升了20%的甲醇产量[72]。

CO2制甲烷(CH4)有2步主要反应：1）甲烷化反应，如式(2)所示；2）逆水煤气反应，如式(3)所示。

CO2+4H2→        CH4+2H2O 
CO2+H2→        CO+H2O

由式(2)、(3)可见，除甲烷外，反应产物中还有一定量的CO，如何抑制逆水煤气反应，保障较高的甲烷选择性是CO2制甲烷的一大挑战，而催化剂的使用能降低活化能、提高甲烷转化速率。过渡金属(Ru、Rh、Pd等)作为催化剂在CO2制甲烷反应中具有高催化活性和选择性，如Ru基催化剂在低温下就能表现出高催化活性和选择性。Ni基催化剂成本较低、原料丰富，且能有效催化CO2甲烷化反应，在工业中广泛应用[73]。

英国戴维(Davy)公司、德国巴斯夫公司(Badische Anilin-und-Soda-Fabrik，BASF)、丹麦托普索(Topsoe)公司和美国巨点能源公司开发的催化剂都已经实现商业化运用，且这些催化剂在甲烷化技术中有着良好表现[74]。

恒坤化工有限公司实现了焦炉煤气甲烷化工业应用示范，利用煤气中的CO、CO2和H2制得甲烷，其中催化剂对甲烷制造至关重要。目前，国内多个机构已对催化剂展开深入研究，如大连化学物理研究所、西南化工设计院等[75]。

4 结论

总结了碳捕集与利用技术在钢铁行业的研究现状，介绍了部分应用案例，得到以下结论：

1）对于吸收分离技术，针对高炉煤气捕集的混合胺吸收剂捕集能耗为2.5 GJ/(t CO2)及以下，且伯胺和仲胺能吸收高炉煤气中的COS，具有实现脱硫脱碳协同的潜力，但胺基吸收剂面临大规模应用的挑战，其降解稳定性、挥发性等需要关注。

2）炉顶煤气循环氧气高炉技术能减少高炉76%的CO2排放，目前该技术的工艺示范项目较少，系统稳定运行条件及技术难点细节需要更多的研究。炉顶煤气循环氧气高炉需要结合吸收或吸附等技术捕集CO2，耦合钢厂余热综合利用是解决碳捕集能耗问题、实现节能减排的新方向。

3）加强钢铁行业CO2利用技术的应用，尤其是转炉CO₂喷吹、钢渣矿化利用和钢化联产等工艺，对于实现钢厂碳捕集与利用的一体化具有重要意义。通过CO2利用技术，能有效降低钢厂碳排放，提升钢材质量及资源利用效率。此外，CO2利用技术能够进一步缓解碳捕集技术带来的经济压力，提高钢铁企业的综合经济效益与竞争力，助力钢铁行业发展绿色、低碳经济。

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