摘要：日本于2020年10月宣布了“2050年实现碳中和及脱碳社会”的目标，发电、产业等各个领域向脱碳迈进的举措正在加速推进。为实现碳中和社会，需要尽可能地削减人为排放的CO₂，对于不得不排放的部分，则需将等量的CO₂分离捕集，使CO₂净排放量为零。由于二氧化碳排放
1 前言
日本于2020年10月宣布了“2050年实现碳中和及脱碳社会”的目标，发电、产业等各个领域向脱碳迈进的举措正在加速推进。为实现碳中和社会，需要尽可能地削减人为排放的CO₂，对于不得不排放的部分，则需将等量的CO₂分离捕集，使CO₂净排放量为零。
由于二氧化碳排放的主要原因是化石燃料的使用，作为应对措施，正在研究向氢气、氨气转换燃料，利用太阳能、风力等可再生能源等脱碳技术。然而，要实现这一目标，需要更新现有的设备和装置，改造社会公共设施和系统。由于难以在规定的时间内完成所有这些工作，因此需要在尽量利用现有设备的同时削减二氧化碳排放，作为对策之一，可采用二氧化碳捕集装置。通过分离捕集化石燃料燃烧产生的二氧化碳，能够为实现碳中和社会作出贡献。
需要进行CO₂捕集的业界很多，除了现有的火力发电厂，还有生物质燃料发电厂、LNG工厂、水泥生产厂、垃圾焚烧设备等。需要对各种CO₂排放源排放的CO₂进行捕集。其中，削减CO₂排放量困难产业，即所谓的难以消除的产业，例如钢铁产业、水泥制造业有效推进碳中和十分重要。
钢铁产业向铁路、汽车、PC、智能手机、住宅等保证人们生活的所有制品提供原料，是产销链中的最重要的产业。即使在后碳中和社会，钢铁产业也要继续提供脱碳化的制品和材料。但是，钢铁业的问题是，在包括水泥制造业和化工业在内的产业部门之中，钢铁业生产过程中CO₂排放量最大。
世界各国都在进行削减CO₂排放量的技术开发。日本和欧洲的大型钢铁企业之间进行着碳中和制铁工艺开发的竞争。日本钢铁业要保持国际竞争力，必须推进世界领先的脱碳化钢铁制造技术开发和CO₂捕集装置的应用。
2 钢铁生产中的脱碳技术
为了制造出具有高强度、高耐蚀性的钢铁制品。必须实施去除铁矿石中含有的氧的还原工艺。过去的还原工艺是将对煤炭进行干馏制造的焦炭投入高炉内的方法。钢铁业产生大量CO₂排放量的原因就是高炉进行的碳素还原。虽然与其他材料相比，钢铁的单位产量的CO₂排放量较少。但由于钢铁材料用途广泛，产量大、用量大，所以钢铁业的总CO₂排放量大。
高炉法是持续采用数百年的钢铁生产方法。此前，日本和欧洲的大型钢铁企业进行了提高用能效率的技术开发。经过长年的努力，为节能和CO₂减排作出了贡献。现在，为了实现CO₂排放量净零目标的碳中和需要进行进一步的新技术开发。
利用氢直接还原铁矿石工艺是目前的削减CO₂排放量的新工艺。用氢取代焦炭去除铁矿石中的氧的还原反应，不产生CO₂。
虽然，氢还原技术可将CO₂排放量抑制到极限程度，但该新技术的实际实施需要一定的过渡时间。此外，最终还会不可避免地产生一定量的CO₂。因此，需要同时开发将制铁生产中产生的CO₂排放量进行分离、捕集、地下储存或用做化工产品原料的碳循环利用的CCUS（碳捕集、利用与封存）的技术开发。
3 三菱重工的CO₂捕集技术
三菱重工发布了“2040年实现碳中和宣言”，并以“净零使命”（Mission Net Zero）为目标，着手开展相关工作。具体目标为：到2030年，将生产活动中的CO₂排放量（范围1、2）比2014年削减50%，到2040年，实现CO₂净零排放。作为承担社会基础设施建设的企业之一，三菱重工不仅研究了有助于抑制和减少温室气体CO₂排放的技术和产品，而且还研究了CO₂捕集技术和产品。三菱重工与关西电力公司共同开发的CO₂捕集技术KMCDR Process™的工艺流程如图1所示。KMCDR Process™装置由废气冷却塔、吸收塔、再生塔构成。废气经冷却塔冷却到规定温度后，输送到吸收塔。吸收塔内部设有使废气与吸收液体接触的填充材料。废气在填充材料内部不断上升。三菱重工开发的胺吸收液KS-1™和KS-21™从吸收塔的上部向下喷雾，吸收液在流过填充材料表面的同时吸收废气中的CO₂。CO₂吸收后的废气从吸收塔的上部排出。另一方面，溶入CO₂的吸收液被输送到再生塔。在再生塔内加热吸收液，使CO₂气化，并将气化CO₂捕集。从再生塔的塔顶可以得到纯度为99.9%的CO₂。排出CO₂的吸收液再次被输送到吸收塔循环利用。作为CO₂化学吸收技术。三菱重工已经交付了每天最大可捕集约5000吨的世界最大规模的CO₂捕集装置，但通过进一步的革新，致力于开发可以向发电领域和其他产业的大柜排放源发展的技术。最新的成果是使用胺的新型CO₂吸收液KS-21™的商用化。
4 新型胺吸收液KS-21™
作为新一代CO₂捕集技术，开发出了Advanced KMCDR Process™。该技术可使用三菱重工与关西电力公司共同开发的新型胺吸收液KS-21™。以下为新型胺吸收液的开发过程。首先，从2014年开始的两年间，对吸收液进行筛选，找出适合吸收CO₂的候选吸收液。然后，在关西电力公司南港发电厂和三菱重工的研发设备进行试验。2019年完成了先导装置的参数试验和最佳运行等试验。2021年，在CO₂捕集领域最先进国家之一挪威的世界最大的CO₂捕集试验场所——蒙斯塔德CO₂捕集技术中心（TCM）进行了新型胺吸收液的实证试验，获得良好的试验结果，于是决定商用化。该吸收液的性能试验是对TCM设施内的燃气轮机排出的废气进行CO₂捕集试验，试验设定的CO₂捕集率是95%-98%，高于行业标准90%。试验结果显示，大大超过了化学吸收法中使用的一般胺吸收液（MEA），也超过了三菱重工以前开发使用的胺吸收液，确认了其性能、运用成本的降低以及较低的胺排放。此外，在改变运行条件实施的高CO₂捕集率试验中，达到了世界最高水平99.8%的捕集率，成功地从废气中捕集了CO₂，达到了低于大气中含有CO₂浓度的水平（低于100ppm）。对与TCM相邻的蒙斯塔德炼油厂的残油流动接触分解装置排出的废气也进行了这些试验，得到了同样的结果。此外，在具有最先进设备和专业知识的TCM，对新型胺吸收液进行实证试验，收集有关伴随运行的劣化物的生成量和处理技术等对该吸收液的进一步改善和改良有益的运行数据。同时，环境影响评价方面，可以取得今后商谈所需的第三方机构的高可靠性排放测量结果。关于今后各国要求应对的环境评估的申请和许可等，也可以有效利用这些数据，实现事业的进一步扩大。KS-21™与以往的吸收液相比，具有挥发性更低、抗劣化稳定性高等有利特征，在今后的推广运用中，有望削减运用成本等提高经济性，具体具有以下特征。①由于挥发性降低，可大幅度减少从吸收塔伴随废气作为排放物排放到大气中的吸收液的量。②提高耐热性，可使再生塔在更高压的状态下运行。其结果，能够削减例如在地下储存捕集的CO₂时设置的CO₂压缩机的动力及设备费。③提高抗氧化性，可以减少与废气中存在的微量成分的反应所消耗的吸收液的劣化量。其结果是，不依赖于废气的种类，实现了可处理废气源的多样化。④CO₂捕集所需的吸收液循环量虽然比以往的吸收液略有增加，但由于KS-21™与CO₂的反应热变少，因此有利于CO₂捕集装置整体的实用消费量。⑤在CO₂捕集台式机和大型商用机使用过去吸收液的基础上，KS-21™可以立即实用化。
5 CO₂捕集装置在钢铁厂的应用
目前，三菱重工与大型钢铁企业安赛乐米塔尔、综合矿业公司BHP以及从事金属资源开发事业的MDP合作，推进CO₂捕集技术在钢铁厂应用的多年实证试验和商用机的概念设计。
该实证试验是在安赛乐米塔尔位于比利时根特的年粗钢产量为500万吨的钢铁厂进行。利用现有配管，将实际废气导入到每天可以捕集300kg CO₂的小型CO₂捕集装置中，对废气中的CO₂进行分离和捕集。
试验分为三个阶段，第一是对高炉煤气（BFG）进行CO₂分离和捕集。第二是对轧制工序的再加热炉（HSM）的废气进行CO₂分离和捕集。第三是计划在北美的直接还原铁（DRI）的废气排放系统中进行小型CO₂捕集装置的转移试验。
各种试验气体的主要成分如表1所示。高炉煤气与轧钢再加热炉的废气和直接还原铁的废气不同。高炉煤气中含有较高浓度的可燃性气体H₂和CO。三菱重工将根据该实证试验的结果，可对这些钢铁厂的各种试验气体条件进行优化设计，加速将CCUS应用到CO₂排放量削减困难的钢铁产业。
6 结语
本文简要介绍了针对2050年碳中和与脱碳社会的实现，作为CO₂排放量削减困难的钢铁产业的CO₂减排措施，钢铁厂内废气中含有的CO₂通过化学吸收法分离出来。作为捕集技术以及最近的技术开发状况，介绍了三菱重工正在尝试的与安赛乐米塔尔、BHP、MDP合作的实证试验。为应对气候变化和全球变暖问题，预计今后对产业界大幅度削减CO₂排放的要求会不断提高，对钢铁等其他行业的期待很大。三菱重工曾开发并交付高效发电设备及产生的废气净化装置（脱硝、除尘、脱硫等），旨在提高本文介绍的CO₂捕集装置的产品、技术的可靠性及经济性，并进一步普及CO₂捕集装置产品和技术，助力解决更多的环境和能源问题。
《世界金属导报》2025年第34期 B14
11月7日-11月9日，由建筑材料工业技术情报研究所、武汉理工大学、内蒙古科技大学、中国硅酸盐学会工艺岩石分会联合举办的“2025第八届全国冶金固废及尾矿处理利用学术与技术交流大会暨展览”将在湖北武汉召开。本次大会本次大会以“智汇创新 低碳共赢”为主题，主要围绕冶金固废、尾矿、工程渣土、淤泥、磷基固废等固废的理论基础研究、应用技术、产品、工艺、装备、标准、产业化、典型案例等全产业链内容开展深入交流和研讨。
同期活动：
◆ 冶金固废学术与技术交流论坛
◆ 全国尾矿综合利用产业创新论坛
◆ 工程渣土与河湖淤泥低碳处置及高值利用论坛
◆ 工业固废碳矿化技术论坛
◆ 全国磷基固废资源化利用论坛
◆ 研究生论坛
◆ 固废技术、装备、产品展览展示
以实物、图片、影像、文字等多种形式直观展示冶金固废及尾矿处理与利用相关的先进装备、工艺、技术、产品等
来源：固废利用与低碳建材
