【钢铁】钢铁高炉煤气二氧化碳捕集技术经济性分析VIP专享VIP免费

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2021 9
环 境 工 程
Environmental Engineering
Vol.39 No.9
Sep. 2021
收稿日期20201020
基金项目必和必拓北京大学碳捕集
利用与封存钢铁行业研究项目国家重点研发计划2016YFB0600803-02
第一作者李飒
硕士研究生
主要研究方向为二氧化碳捕集
利用与封存lisa@ ncepu.educn
*通信作者林千果
博士
教授
主要研究方向为二氧化碳捕
利用与封存qianguo.lin@ gmail.com
钢铁高炉煤气二氧化碳捕集技术经济性分析
李 飒1林千果12* 梁 希2雷 明3江梦菲2杨永智4
1.华北电力大学 环境科学与工程学院
北京 1022062.英国爱丁堡大学 商学院
英国 爱丁堡 EH8 9YL
3.北京大学 光华管理学院
北京 1008714.中国石油勘探开发研究院
北京 100083
摘要基于固定单一原料气量导向
固定碳捕集量导向和固定混合原料气量导向 3种不同的碳捕集情景
结合不同捕
集技术 CO2捕集率与 CO2产品纯度的变化
分析了 CO2捕集对于高炉煤气热值提升的间接经济效益的影响结果表
CO2捕集率和 CO2产品纯度均一定时
基于固定单一原料气量导向较基于固定碳捕集量导向情景捕集单位质
CO2提升的热值效益更高CO2捕集率一定时
随着 CO2产品纯度降低
基于固定单一原料气量导向情景与基于
固定碳捕集量导向情景捕集单位质量 CO2提升的热值效益均更高CO2产品纯度一定时
随着 CO2捕集
于固定单一原料气量导向情景捕集单位质量 CO2的热值提升效益越高
而基于固定碳捕集量导向情景捕集单位质量
CO2提升的热值效益降低
关键词高炉煤气碳捕集煤气热值技术经济性
DOI10. 13205 /jhjgc202109017
TECHNICAL AND ECONOMIC ANALYSIS OF CARBON DIOXIDE CAPTURE OF IRON AND
STEEL BLAST FURNACE GAS
LI Sa1LIN Qian-guo12* LIANG Xi2LEI Ming3JIANG Meng-fei2YANG Yong-zhi4
1.School of Environmental Science and EngineeringNorth China Electric Power UniversityBeijing 102206China
2.Business SchoolUniversity of EdinburghEdinburgh EH8 9YLUK
3.Guanghua School of ManagementPeking UniversityBeijing 100871China
4.Research Institute of Petroleum Exploration & DevelopmentBeijing 100083China
AbstractIn this studythree carbon capture scenarios were designednamely fixed quantity raw gas scenariofixed carbon
capture amount scenarioand mixed raw gas scenario. Cases reflecting different CO2capture rates and product purity associated
with different capture technologies were further designed under each scenario. The impacts of CO2capture on the economic
benefits of calorific value variation of blast furnace gas were analyzed. When the CO2capture rate and CO2product purity were
equalthe calorific value of CO2per unit based on the fixed quantity raw gas scenario was higher than that under the fixed
carbon capture amount scenario. When the CO2capture rate was fixedwith the reduction of CO2product puritythe calorific
value benefits of CO2per unit mass based on the fixed quantity raw gas scenario and the fixed carbon capture amount scenario
were both higher. When the purity of CO2product was fixedwith the reduction of CO2capture ratethe calorific value of fixed
quantity raw gas scenario increased in efficiencywhile the calorific value of the fixed carbon capture amount scenario
decreased in efficiency.
Keywordsblast furnace gasCO2capturecalorific value of gastechnical and economic
环 境 工 程 39
0引 言
2018 年全18. 086 亿t
相应碳排
放量约占全球排放总量的 3. 20%1在中国 2060
碳中和的目标下
高炉煤气BFG二氧化碳CO2
集被认为是可以实现高炉炼铁大规模 CO2减排和钢
实现碳中和的关键技术
一方面由于
BFG 中的 CO2浓度较低
相应的捕集成本高昂
方面
同高炉炼铁的技术条件差异较大
相应的
BFG 中的 CO2和其他气体组分浓度差异大
加上不
同的碳捕集技术的应用原理和适应性不同
捕集
难以准确估计
影响了决策者的投资信心
也制约了
技术的发展过去有很者针BFG 碳捕集的成
本开展了分析研究
例如 Arasto 2依据设备成本和
价来计算钢铁厂 BFG CO2捕集的总成本
Ramírez 3据设备的投资和运营成本
气体分离
成本计算某钢铁厂 BFG 碳捕集的总成本Ho 4
TGRBFHismeltCorex 钢铁厂和传统钢铁厂中 BFG
碳捕集成本进行了比较以往针对 BFG 碳捕集的技
术经济性研究仅限于碳捕集的成本
但是这些研究
碳捕集的间接经济效益事实上BFG
含有一定量的 CO H2
由于单位热值较低
可以和
高热值高价值COG混合后燃烧5
过碳捕集可以间CO H2的浓度
从而提升
单位 BFG 的热值
减少混和燃料气所需的 COG
BFG 的碳捕集带来间接经济效此类研究的缺
乏降低了碳捕集的价值
影响了碳捕集技术在钢铁
业的推广及应用因此
本研究目标是根据不同 BFG
碳捕集技
基于固定单一原料气量导
固定碳捕集量导向和固定混合原料气量导向 3
碳捕集情景
结合不同捕集技术的 CO2捕集率与 CO2
产品纯度
通过理论计算分析碳捕集后 BFG
热值的提升以及 COG 的节约所带来的间接收益
统评估 BFG 碳捕集的技术经济性
1钢铁高炉煤气碳捕集的技术
高炉炼铁是现代炼铁的主要方法
其产量占
生铁总产量的 95%6BFG 是高炉炼铁过程产
生的 副 产 品
产量巨大78BFG 的主要成分为
20% ~28%CO17% ~ 25%CO250% ~ 55%N2
1% ~ 5% H2
9适用于钢铁 BFG 碳捕集的技
根据气体分离方式不同
可分为化学吸收法
吸附法和膜分离法10
化学吸收法是指利用吸收剂的化学特性在吸收
塔中选择性吸收混合气中的 CO2
在解吸塔中释放出
CO2
分离出混合气中 CO2的方法11化学吸
收法对 CO2吸收量大
选择性高
处理钢铁 BFG
但是工艺复杂
设备易腐蚀12
吸收剂对 CO2的吸收选择性高
在吸收塔内易通过
化学键与 CO2进行结合
但不易与 BFG N2等其他
气体形成化学键13
CO2的产品纯度较高解吸时
度较容易造成吸收液的降解14
CO2的回收
率也
但是吸收液的降解会产生设备腐蚀等
问题15
吸附法包括变温吸附TSA和变压吸附
PSA2
分别是利用固体吸附剂在常温或高压
件下吸附混合气中 CO2
或降压
CO2
从而达到从混合气中分离出 CO2的目的16
附法具有设备不易腐蚀
污染少等优点
时也有吸附剂容量有限
处理大气量时设备占地面
大等缺点17理吸附法碳捕集主要包括吸附和解
2个阶段
般情况下
固体吸附剂通过分子间弱
相互作用或范德华力在一定条件下从 BFG 中优先选
择性CO2
CO2
CO2产品纯度18降低气体分压或升高温度有
利于气体解吸
因此吸附剂可通过减压或加热的方
再生由于 TSA 附和吸附剂再生过程中需要频
繁的降温和升温
能耗较大
故工业上多采用 PSA
PSA 处理大气量 BFG 时所需固体吸附剂量较多
设备占地面积也会相应增大
膜分离法主要是利用特殊膜材料对于混合气各
组分的选择透过性差异将气体分离19在钢铁 BFG
碳捕集过程中主要选用对于 CO2有优先透过性的膜
材料膜分离法具有工艺简单
20
难以同时实现高捕集率和高纯度
离法的分离效果主要受到膜分离材料的制约
在众多
的膜材料中
机膜材料具有优异的分离性能
定性以及
然而成本高且难以规模化制
21高分子材料廉价易得
可大面积制膜
但是难
以克服渗透性与选择性之间的相互制约trade-off
) ,
故难以同时获得高捕集率和高纯度的 CO2
22
总体
化学吸收法捕集率易获得高捕集率和
纯度的 CO2产品气
但涉及工艺复杂膜法
达到高捕集率和
但具有工艺简单等优点
811
9 李 飒
钢铁高炉煤气二氧化碳捕集技术经济性分析
法处大气量时具有设备占地面积大等缺点
于不同捕
还需要考虑技
和环保等多种因素的影响碳捕集工艺在
BFG 不同的适用性和经济性
BFG
的影响主要反映在获得 CO2产品的纯度和 CO2
率的差异BFG 原料气量条件下
这些差异
决定了不同的捕集量和处理后不同的热值提升幅
在相同碳捕集
这些差异决定了原料
BFG 求量以及处理后热值提升的幅度BFG
COG 高热值气体混合后捕集的条件下
这些差
异决定了 BFG COG 等混合的比例
2钢铁高炉煤气碳捕集的经济性
钢铁 BFG 产量巨大
但是
热值较
23铁企业通常选择将 BFG COG 等高热值
高价值煤气H-GAS混合用作燃料
以提高 BFG
热值
通过锅炉燃烧产汽
24通过碳
捕集可以间接提CO H2的浓度
从而提升单位
BFG 的热值
故可减少混和燃料气中高热值高价值
COG 的使
BFG 的碳捕集带来间接经济效益
BFG 碳捕集的间接经济效益主要包括 2方面碳捕集
后单位 BFG 热值的增加量和捕获单位质量 CO2
的热值效益
2. 1 碳捕集后单位混合燃料气热值的增加量
混合CO2被捕获
使CO H2
可燃组分在剩余总煤气中含量上升
故捕集后剩余
气的单位热值有所提升碳捕集后单位 BFG 热值的
增加量即为碳捕集后与未碳捕集BFG 单位热值的
差值
ΔE=E2E11
Ej=
n
i=1
Bji ×Eji
100%
( )
2
S=1
×BCO2
100 BCO2×100%×1100 P
100%
( )
3
B2i=B1i
S×100%4
式中ΔE为碳捕集后单位 BFG 热值的增加量MJ /
Nm3E2E1分别为碳捕集后
未碳捕集的 BFG
MJ / Nm3E为气体的单位热值MJ /Nm3B
合气体中各气%i为各气体组分
j为各混合气体CO2捕集率%PCO2
纯度%S为碳捕集后剩余煤气体积比%
2. 2 捕获单位质量 CO2提升的热值效益
对于捕获CO2提升的热值效益而言
主要BFG 碳捕集后热值增加
达到相同的目标
混合热值需要的 H-GAS 混合量减少
H-GAS
减少量可得到总节约成本
该总节约成本即为因 BFG
提升的总热值效益
BFG 碳捕集后
剩余混合CO2量减少
保证总热量平
需要一部分 H-GAS 填补因气量减
少导致的总热量变化
因此计算过程中要考虑因热
平衡需要 H-GAS 故捕集 BFG 中单位质量
CO2产生的热值效益即为在保持热量平衡的基础上
有无 BFG 碳捕集时混合燃料气的成本差值与捕获
CO2总质量之比
2. 2. 1 BFG 未碳捕集时混合燃料气的成本
BFG 未碳捕集时混合燃料气的成本等于 BFG
H-GAS 的成本之和若原气量
5
算出需要的 BFG 若碳捕集量固定
则由式6
BFG
N2=N1
BCO2×M5
N2=m
M×P××BCO2
6
N3=N2×Y0
X0
7
E1×X0+E2×Y0
100%=E0
X0+Y0=100%
{
8
P1=N2×J1+N3×J2
N2+N3
9
式中N2原料气的总摩尔量kmolN1为原料气中
CO2的质量kgMCO2的相对分子质量kg /kmol
m为捕获 CO2的质量kgX0为原料气在混合燃料气
中的摩尔分数%Y0为未碳捕集时 H-GAS 在混合燃
料气中的%E0为混合煤气的目标热值
MJ /Nm3N3为原料气需要配比的 H-GAS kmol
P1为未碳捕集的单位摩尔量混合燃料气的成本
/
kmolJ1BFG 的单价
/kmolJ2H-GAS
/kmol
2. 2. 2 BFG 碳捕集后混合燃料气的成本
捕集的混合燃料气成本计算方式相
BFG 碳捕集后混合燃料气的成本计算方式见
1013
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第39卷第9期2021年9月环境工程EnvironmentalEngineeringVol.39No.9Sep.2021收稿日期:2020-10-20基金项目:必和必拓-北京大学碳捕集、利用与封存(钢铁行业)研究项目;国家重点研发计划(2016YFB0600803-02)。第一作者:李飒,硕士研究生,主要研究方向为二氧化碳捕集、利用与封存。lisa@ncepu.edu.cn通信作者:林千果,博士,教授,主要研究方向为二氧化碳捕集、利用与封存。qianguo.lin@gmail.com钢铁高炉煤气二氧化碳捕集技术经济性分析李飒1林千果1,2梁希2雷明3江梦菲2杨永智4(1.华北电力大学环境科学与工程学院,北京102206;2.英国爱丁堡大学商学院,英国爱丁堡EH89YL;3.北京大学光华管理学院,北京100871;4.中国石油勘探开发研究院,北京100083)摘要:基于固定单一原料气量导向、固定碳捕集量导向和固定混合原料气量导向3种不同的碳捕集情景,结合不同捕集技术CO2捕集率与CO2产品纯度的变化,分析了CO2捕集对于高炉煤气热值提升的间接经济效益的影响。结果表明:当CO2捕集率和CO2产品纯度均一定时,基于固定单一原料气量导向较基于固定碳捕集量导向情景捕集单位质量CO2提升的热值效益更高;当CO2捕集率一定时,随着CO2产品纯度降低,基于固定单一原料气量导向情景与基于固定碳捕集量导向情景捕集单位质量CO2提升的热值效益均更高;当CO2产品纯度一定时,随着CO2捕集率降低,基于固定单一原料气量导向情景捕集单位质量CO2的热值提升效益越高,而基于固定碳捕集量导向情景捕集单位质量CO2提升的热值效益降低。关键词:高炉煤气;碳捕集;煤气热值;技术经济性DOI:10.13205/j.hjgc.202109017TECHNICALANDECONOMICANALYSISOFCARBONDIOXIDECAPTUREOFIRONANDSTEELBLASTFURNACEGASLISa1,LINQian-guo1,2,LIANGXi2,LEIMing3,JIANGMeng-fei2,YANGYong-zhi4(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China;2.BusinessSchool,UniversityofEdinburgh,EdinburghEH89YL,UK;3.GuanghuaSchoolofManagement,PekingUniversity,Beijing100871,China;4.ResearchInstituteofPetroleumExploration&Development,Beijing100083,China)Abstract:Inthisstudy,threecarboncapturescenariosweredesigned,namelyfixedquantityrawgasscenario,fixedcarboncaptureamountscenario,andmixedrawgasscenario.CasesreflectingdifferentCO2captureratesandproductpurityassociatedwithdifferentcapturetechnologieswerefurtherdesignedundereachscenario.TheimpactsofCO2captureontheeconomicbenefitsofcalorificvaluevariationofblastfurnacegaswereanalyzed.WhentheCO2capturerateandCO2productpuritywereequal,thecalorificvalueofCO2perunitbasedonthefixedquantityrawgasscenariowashigherthanthatunderthefixedcarboncaptureamountscenario.WhentheCO2captureratewasfixed,withthereductionofCO2productpurity,thecalorificvaluebenefitsofCO2perunitmassbasedonthefixedquantityrawgasscenarioandthefixedcarboncaptureamountscenariowerebothhigher.WhenthepurityofCO2productwasfixed,withthereductionofCO2capturerate,thecalorificvalueoffixedquantityrawgasscenarioincreasedinefficiency,whilethecalorificvalueofthefixedcarboncaptureamountscenariodecreasedinefficiency.Keywords:blastfurnacegas;CO2capture;calorificvalueofgas;technicalandeconomic环境工程第39卷0引言2018年全球粗钢产量为18.086亿t,相应碳排放量约占全球排放总量的3.20%[1]。在中国2060年碳中和的目标下,高炉煤气(BFG)二氧化碳(CO2)捕集被认为是可以实现高炉炼铁大规模CO2减排和钢铁行业实现碳中和的关键技术。然而,一方面由于BFG中的CO2浓度较低,相应的捕集成本高昂;另一方面,不同高炉炼铁的技术条件差异较大,相应的BFG中的CO2和其他气体组分浓度差异大,加上不同的碳捕集技术的应用原理和适应性不同,捕集成本难以准确估计,影响了决策者的投资信心,也制约了技术的发展。过去有很多学者针对BFG碳捕集的成本开展了分析研究,例如Arasto等[2]依据设备成本和电价来计算钢铁厂BFG中CO2捕集的总成本;Ramírez等[3]根据设备的投资和运营成本、气体分离成本计算某钢铁厂BFG碳捕集的总成本;Ho等[4]对TGRBF、Hismelt、Corex钢铁厂和传统钢铁厂中BFG碳捕集成本进行了比较。以往针对BFG碳捕集的技术经济性研究仅限于碳捕集的成本,但是这些研究均没有考虑碳捕集的间接经济效益。事实上,BFG中含有一定量的CO和H2,由于单位热值较低,可以和高热值高价值的焦炉煤气(COG)混合后燃烧[5]。通过碳捕集可以间接提升CO和H2的浓度,从而提升单位BFG的热值,减少混和燃料气所需的COG量,为BFG的碳捕集带来间接经济效益。此类研究的缺乏降低了碳捕集的价值,影响了碳捕集技术在钢铁行业的推广及应用。因此,本研究目标是根据不同BFG碳捕集技术的运行条件,基于固定单一原料气量导向、固定碳捕集量导向和固定混合原料气量导向3种碳捕集情景,结合不同捕集技术的CO2捕集率与CO2产品纯度的变化,通过理论计算分析碳捕集后BFG热值的提升以及COG的节约所带来的间接收益,系统评估BFG碳捕集的技术经济性。1钢铁高炉煤气碳捕集的技术高炉炼铁是现代炼铁的主要方法,其产量占世界生铁总产量的95%以上[6]。BFG是高炉炼铁过程产生的副产品,产量巨大[7,8]。BFG的主要成分为20%~28%的CO、17%~25%的CO2、50%~55%的N2和1%~5%的H2[9]。适用于钢铁BFG碳捕集的技术,根据气体分离方式不同,可分为化学吸收法、物理吸附法和膜分离法[10]。化学吸收法是指利用吸收剂的化学特性在吸收塔中选择性吸收混合气中的CO2,在解吸塔中释放出CO2,从而分离出混合气中CO2的方法[11]。化学吸收法对CO2吸收量大、选择性高、吸收效率高,适合处理钢铁BFG,但是工艺复杂、设备易腐蚀[12]。因为吸收剂对CO2的吸收选择性高,在吸收塔内易通过化学键与CO2进行结合,但不易与BFG中N2等其他气体形成化学键[13],故CO2的产品纯度较高;解吸时温度较高容易造成吸收液的降解[14],故CO2的回收率也较高,但是吸收液的降解会产生设备腐蚀等问题[15]。物理吸附法包括变温吸附(TSA)和变压吸附(PSA)2类,分别是利用固体吸附剂在常温(或高压)条件下吸附混合气中CO2,升温(或降压)时解吸出CO2,从而达到从混合气中分离出CO2的目的[16]。物理吸附法具有设备不易腐蚀、污染少等优点,但同时也有吸附剂容量有限、处理大气量时设备占地面积大等缺点[17]。物理吸附法碳捕集主要包括吸附和解吸2个阶段,一般情况下,固体吸附剂通过分子间弱相互作用或范德华力在一定条件下从BFG中优先选择性地吸附CO2,实现CO2与其他气体的分离,故CO2产品纯度较高[18];降低气体分压或升高温度有利于气体解吸,因此吸附剂可通过减压或加热的方式再生。由于TSA在吸附和吸附剂再生过程中需要频繁的降温和升温,能耗较大,故工业上多采用PSA,但PSA处理大气量BFG时所需固体吸附剂量较多,故设备占地面积也会相应增大。膜分离法主要是利用特殊膜材料对于混合气各组分的选择透过性差异将气体分离[19]。在钢铁BFG碳捕集过程中主要选用对于CO2有优先透过性的膜材料。膜分离法具有工艺简单、占地面积小等优点[20],但是难以同时实现高捕集率和高纯度。膜分离法的分离效果主要受到膜分离材料的制约,在众多的膜材料中,无机膜材料具有优异的分离性能、热稳定性以及化学稳定性,然而成本高且难以规模化制备[21];高分子材料廉价易得、可大面积制膜,但是难以克服渗透性与选择性之间的相互制约(trade-off效应),故难以同时获得高捕集率和高纯度的CO2产品气[22]。总体上,化学吸收法捕集率易获得高捕集率和高纯度的CO2产品气,但涉及工艺复杂;膜法难以同时达到高捕集率和高纯度,但具有工艺简单等优点;吸811第9期李飒,等:钢铁高炉煤气二氧化碳捕集技术经济性分析附法处理大气量时具有设备占地面积大等缺点。对于不同捕集情景下具体工艺的选择,还需要考虑技术、经济和环保等多种因素的影响。碳捕集工艺在BFG中具有不同的适用性和经济性,对于BFG热值的影响主要反映在获得CO2产品的纯度和CO2捕集率的差异。在相同BFG原料气量条件下,这些差异决定了不同的碳捕集量和处理后不同的热值提升幅度;在相同碳捕集量的条件下,这些差异决定了原料BFG的需求量以及处理后热值提升的幅度;在BFG和COG等高热值气体混合后捕集的条件下,这些差异决定了BFG和COG等混合的比例。2钢铁高炉煤气碳捕集的经济性钢铁BFG产量巨大,但是可燃成分较少、热值较低[23]。钢铁企业通常选择将BFG与COG等高热值高价值煤气(H-GAS)混合用作燃料,以提高BFG的热值,并通过锅炉燃烧产汽、供热、发电[24]。通过碳捕集可以间接提升CO和H2的浓度,从而提升单位BFG的热值,故可减少混和燃料气中高热值高价值COG的使用,为BFG的碳捕集带来间接经济效益。BFG碳捕集的间接经济效益主要包括2方面:碳捕集后单位BFG热值的增加量和捕获单位质量CO2提升的热值效益。2.1碳捕集后单位混合燃料气热值的增加量混合燃料气中的CO2被捕获,使得CO和H2等可燃组分在剩余总煤气中含量上升,故捕集后剩余煤气的单位热值有所提升。碳捕集后单位BFG热值的增加量即为碳捕集后与未碳捕集的BFG单位热值的差值。ΔE=E2-E1(1)Ej=∑ni=1Bji×Eji100%()(2)S=1-R×BCO2(100-BCO2)×100%×1-100-P100%()(3)B2i=B1iS×100%(4)式中:ΔE为碳捕集后单位BFG热值的增加量,MJ/Nm3;E2、E1分别为碳捕集后、未碳捕集的BFG的热值,MJ/Nm3;E为气体的单位热值,MJ/Nm3;B为混合气体中各气体组分的体积比,%;i为各气体组分;j为各混合气体;R为CO2捕集率,%;P为CO2产品纯度,%;S为碳捕集后剩余煤气体积比,%。2.2捕获单位质量CO2提升的热值效益对于捕获单位质量CO2提升的热值效益而言,主要因为BFG碳捕集后热值增加,达到相同的目标混合热值需要的H-GAS混合量减少,由H-GAS等的减少量可得到总节约成本,该总节约成本即为因BFG碳捕集提升的总热值效益。同时,因BFG碳捕集后剩余混合煤气中CO2量减少,导致总气量减少。为保证总热量平衡,需要一部分H-GAS填补因气量减少导致的总热量变化,因此计算过程中要考虑因热量平衡需要H-GAS的气量。故捕集BFG中单位质量CO2产生的热值效益即为在保持热量平衡的基础上,有无BFG碳捕集时混合燃料气的成本差值与捕获CO2总质量之比。2.2.1BFG未碳捕集时混合燃料气的成本BFG未碳捕集时混合燃料气的成本等于BFG与H-GAS的成本之和。若原料气量固定,由式(5)可计算出需要的BFG量;若碳捕集量固定,则由式(6)计算BFG。N2=N1BCO2×M(5)N2=mM×P×R×BCO2(6)N3=N2×Y0X0(7)E1×X0+E2×Y0100%=E0X0+Y0=100%{(8)P1=N2×J1+N3×J2N2+N3(9)式中:N2为原料气的总摩尔量,kmol;N1为原料气中CO2的质量,kg;M为CO2的相对分子质量,kg/kmol;m为捕获CO2的质量,kg;X0为原料气在混合燃料气中的摩尔分数,%;Y0为未碳捕集时H-GAS在混合燃料气中的摩尔分数,%;E0为混合煤气的目标热值,MJ/Nm3;N3为原料气需要配比的H-GAS量,kmol。P1为未碳捕集的单位摩尔量混合燃料气的成本,元/kmol;J1为BFG的单价,元/kmol;J2为H-GAS的单价,元/kmol。2.2.2BFG碳捕集后混合燃料气的成本与未碳捕集的混合燃料气成本计算方式相似,BFG碳捕集后混合燃料气的成本计算方式见式(10)—(13)。911环境工程第39卷P1=N2×J1+N3×J2N2+N3(10)N5=N4×Y1X1(11)P2=N4×J1+N5×J2N4+N5(12)N4=N2×S(13)式中:N4为碳捕集后剩余的BFG总量,kmol;X1为碳捕集后BFG在混合燃料气中的摩尔分数,%;Y1为碳捕集后H-GAS在混合燃料气中的摩尔分数,%;N5为碳捕集后混合燃料气需要配比的H-GAS量,kmol;P2为碳捕集后单位摩尔量混合燃料气的成本,元/kmol。2.2.3捕获单位质量CO2提升的热值效益若碳捕集量固定,则捕获CO2质量已知;若原料气量固定,则由式(15)可计算出捕获CO2的质量。计算出节约的总成本与捕获CO2总质量后,再用式(16)即可求出捕获单位质量CO2提升的热值效益。N6=N5×E0E3(14)P3=(N3-N5)×(P1-P2)+(N2+N3-N4-N5-N6)×J2(15)m=N1×RM×100%(16)P0=P3×1000m×F×100%(17)式中:N6为热量平衡需配比的H-GAS量,kmol;P3为总节约成本,元;P0为捕获单位质量CO2提升的热值效益,$/t;F为美元与人民币的汇率。3案例研究及情景分析案例中,某传统钢铁厂原计划将BFG与COG混合形成热值为4.20MJ/Nm3的燃料气,BFG和COG价格分别为0.12,1.68元/Nm3,汇率R取1.00美元($)=7.00元人民币,其各自的主要成分见表1。现针对该钢铁厂BFG碳捕集的技术经济性进行分析。基于以下3种情景对该钢铁厂BFG碳捕集的技术经济性进行分析。情景1:将含10.00×104tCO2的BFG通入碳捕集装置,选择合适的碳捕集工艺,结合不同工艺的捕集率与CO2产品纯度脱除BFG中的CO2,脱碳后的剩余煤气与COG等高热值高价值煤气混合形成燃料气。情景2:将不限量的BFG通入碳捕集装置,选择合适的碳捕集工艺,结合不同工艺的捕集率与CO2产品纯度脱除BFG中的CO2,但当CO2捕集量达到10.00×104t后停止捕集,脱碳后的剩余煤气与COG等高热值高价值煤气混合形成燃料气。情景3:先将含10.00×104tCO2的BFG与COG等高热值煤气混合后形成热值为4.20MJ/Nm3的混合煤气,结合不同碳捕集工艺的捕集率与CO2产品纯度脱除BFG中的CO2,脱碳后的剩余煤气与COG等高热值高价值煤气混合形成燃料气。表1钢铁厂中BFG和COG的主要成分Table1MaincomponentsofBFGandCOGinsteelworks成分COCO2H2N2CH4C2H4C2H6C3H6O2H2OBFG/%20.3721.582.9948.30————0.196.58COG/%5.201.8051.603.3022.502.000.800.200.4012.30热值/(MJ/Nm3)12.64—10.79—35.8859.4464.3587.61——表2为目前BFG碳捕集协同工艺所能达到CO2捕集率与CO2产品纯度的6种组合捕集方案。A方案因CO2捕集率和产品纯度均较高,可选择化学吸收或变压吸附工艺位于协同工艺前端获得95%的高捕集率,选择化学吸收或变压吸附工艺位于协同工艺后端获得99%的高产品纯度。同理,根据各碳捕集工艺的特点可得到适于B—F方案的BFG碳捕集协同工艺。利用第2节的计算方式可得出不同条件下BFG碳捕集的经济效益。由图1可知:当捕集方案一定,表2钢铁BFG碳捕集方案Table2SteelBFGcarboncaptureschemes捕集方案捕集纯度/%捕集率/%适用于BFG碳捕集的协同工艺A99.0095.00②/⑤B99.0090.00②/③/④/⑤C99.0085.00②/③/④/⑤D95.0095.00①/②/⑤/⑥E95.0090.00①/②/③/④/⑤/⑥F95.0085.00①/②/③/④/⑤/⑥注:①~⑥分别代表化学吸收-膜分离、化学吸收-变压吸附、膜分离-化学吸收、膜分离-变压吸附、变压吸附-化学吸收、变压吸附-膜分离协同碳捕集工艺021第9期李飒,等:钢铁高炉煤气二氧化碳捕集技术经济性分析CO2捕集率与CO2产品纯度均一定时,情景1和2BFG碳捕集后单位混合燃料气热值的增加量相同;情景1捕获单位质量CO2热值效益的提升高于情景2。如方案A中捕集率和CO2产品纯度分别为95%和99%的条件下,情景1和2混合燃料气热值增量均为1.09MJ/Nm3;热值效益的提升分别为21.62,20.33$/tCO2。因为2种情景下,捕获气体总量分别固定,CO和H2的捕集率相等;原配比COG量分别固定且情景2大于情景1,捕集后需配比COG变化量相等,情景2中捕获CO2量较大。在情景3中,因为COG中所含可燃气体较多,故情景3单位混合煤气热值的增加量最大,可燃气体的热值差异也较大,故而单位热值的变化呈无规律性。图1捕集情景对BFG碳捕集经济性的影响Figure1TheinfluenceofcapturescenarioontheeconomicsofBFGcarboncapture以CO2产品纯度为基准将捕集方案分为2组,方案A、B、C为1组,CO2产品纯度均为99%;方案D、E、F为1组,CO2产品纯度均为95%。由图2可知:当CO2产品纯度一定时,随着CO2捕集率降低,在情景1和2的条件下,BFG碳捕集后单位混合燃料气热值的增加量均降低;对于捕集BFG中单位质量CO2提升的热值效益而言,情景1增加,而情景2减少。如方案A和B中,CO2纯度均为99%,捕集率分别为95%和90%,单位混合燃料气热值均由1.09MJ/Nm3降至1.03MJ/Nm3;情景1热值提升效益由21.62$/tCO2增至21.91$/tCO2,情景2热值提升效益由20.33$/tCO2降至19.51$/tCO2。因为在情景1条件下,捕获总气量减少,CO和H2捕集率减少;原配比COG量不变,捕集后需配比COG量增加,捕获CO2量减少,CO2捕获量变化量更大。在情景2条件下,捕获总气量一定,CO和H2捕集率减少;原配比COG量减少,捕集后配比COG量增加。图2CO2产品纯度对BFG碳捕集经济性的影响Figure2TheinfluenceofCO2purityontheeconomicsofBFGcarboncapture以CO2捕集率为基准将捕集方案分为2组,方案A和D为1组,CO2捕集率均为95%;方案B和E为1组,CO2捕集率均为90%;方案C和F为1组,CO2捕集率均为85%。由图3可知:当CO2捕集率一定,随着CO2产品纯度降低,在情景1和2的条件下,BFG碳捕集后单位混合燃料气热值的增加量和捕获单位质量CO2热值提升效益均增加。如方案A和D121环境工程第39卷中,CO2捕集率均为95%,CO2产品纯度分别为99%和95%,单位混合燃料气热值增量均由1.09MJ/Nm3增至1.13MJ/Nm3;情景1中热值提升效益由21.62$/tCO2增至23.21$/tCO2,情景2中热值提升效益由20.33$/tCO2增至20.82$/tCO2。因为2种情景下,捕获总气量均增加,CO和H2的捕集率相等;原配比COG量均不变,捕集后需配比COG量均减少,捕获CO2总量均一定。图3CO2捕集率对BFG碳捕集经济性的影响Figure3TheinfluenceofCO2capturerateoneconomyofBFGcarboncapture对于该钢铁厂而言,利用情景3与D方案结合对BFG中CO2捕集时单位混合煤气热值的增加量最大达到1.71MJ/Nm3。该捕集情形因CO2捕集率和产品纯度均较高且所需捕集的煤气量较大,但是物理吸附法处理大气量时设备占地面积较大,故物理吸附法不可用于协同工艺前端;化学吸收法工艺复杂且设备易腐蚀,膜分离法成本较高,故选择膜分离-物理吸附工艺更环保,化学吸收-物理吸附协同工艺更经济。利用F方案与情景1结合对BFG捕集时单位质量CO2热值效益提升最大达到23.85$/tCO2。因CO2产品纯度较高而CO2捕集率较低,且所需捕集的煤气量相对较小,故选择物理吸附-膜分离工艺更环保,化学吸收-物理吸附协同工艺更经济。4结论本文基于情景1固定单一原料气量导向;情景2固定碳捕集量导向和情景3固定混合原料气量导向3种不同的碳捕集情景,结合不同CO2捕集技术的捕集率与CO2产品纯度的变化关系,采用情景分析的方法分析了某钢铁厂3种不同捕集情景下相同CO2捕集率和CO2产品纯度的产生热值效益差异,相同捕集情景下不同CO2捕集率与CO2产品纯度对于BFG碳捕集后热值效益的影响,系统评估了BFG碳捕集的技术经济性。结果表明:1)当CO2捕集率与CO2产品纯度均一定,情景1和2条件下BFG碳捕集后单位混合煤气热值的增加量相同且小于情景3;情景1捕获单位质量CO2热值效益的提升高于情景2。2)当CO2捕集率一定,随着CO2产品纯度降低,在情景1和2的条件下,BFG碳捕集后单位混合煤气热值的增加量和捕获单位质量CO2热值提升效益均增加。3)当CO2产品纯度一定,随着CO2捕集率降低,在情景1和2的条件下,BFG碳捕集后单位混合煤气热值的增加量均降低;对于捕集BFG中单位质量CO2提升的热值效益而言,情景1增加,而情景2减少。通过钢铁BFG中CO2捕集后的技术经济性分析,为综合评估钢铁BFG碳捕集的成本和认识钢铁行业碳捕集的价值提供了基础数据,同时为钢铁行业的碳捕集技术的示范和大规模应用提供了决策参考。参考文献[1]ZHAOG,GAOX,WANGZR,etal.Amechanismmodelforaccuratelyestimatingcarbonemissionsonamicroscaleofiron-makingsystem[J].ISIJInternational,2019,59(2):381-390.[2]ARASTOA,TSUPARIE,KRKIJ,etal.Costsandpotentialofcarboncaptureandstorageatan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