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前言
日本于2020年10月宣布了“2050年實(shí)現(xiàn)碳中和及脫碳社會(huì)”的目標(biāo)，發(fā)電、產(chǎn)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域向脫碳邁進(jìn)的舉措正在加速推進(jìn)。為實(shí)現(xiàn)碳中和社會(huì)，需要盡可能地削減人為排放的CO?，對于不得不排放的部分，則需將等量的CO?分離捕集，使CO?凈排放量為零。由于二氧化碳排放的主要原因是化石燃料的使用，作為應(yīng)對措施，正在研究向氫氣、氨氣轉(zhuǎn)換燃料，利用太陽能、風(fēng)力等可再生能源等脫碳技術(shù)。然而，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要更新現(xiàn)有的設(shè)備和裝置，改造社會(huì)公共設(shè)施和系統(tǒng)。由于難以在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成所有這些工作，因此需要在盡量利用現(xiàn)有設(shè)備的同時(shí)削減二氧化碳排放，作為對策之一，可采用二氧化碳捕集裝置。通過分離捕集化石燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)碳中和社會(huì)作出貢獻(xiàn)。需要進(jìn)行CO?捕集的業(yè)界很多，除了現(xiàn)有的火力發(fā)電廠，還有生物質(zhì)燃料發(fā)電廠、LNG工廠、水泥生產(chǎn)廠、垃圾焚燒設(shè)備等。需要對各種CO?排放源排放的CO?進(jìn)行捕集。其中，削減CO?排放量困難產(chǎn)業(yè)，即所謂的難以消除的產(chǎn)業(yè)，例如鋼鐵產(chǎn)業(yè)、水泥制造業(yè)有效推進(jìn)碳中和十分重要。鋼鐵產(chǎn)業(yè)向鐵路、汽車、PC、智能手機(jī)、住宅等保證人們生活的所有制品提供原料，是產(chǎn)銷鏈中的最重要的產(chǎn)業(yè)。即使在后碳中和社會(huì)，鋼鐵產(chǎn)業(yè)也要繼續(xù)提供脫碳化的制品和材料。但是，鋼鐵業(yè)的問題是，在包括水泥制造業(yè)和化工業(yè)在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)部門之中，鋼鐵業(yè)生產(chǎn)過程中CO?排放量最大。世界各國都在進(jìn)行削減CO?排放量的技術(shù)開發(fā)。日本和歐洲的大型鋼鐵企業(yè)之間進(jìn)行著碳中和制鐵工藝開發(fā)的競爭。日本鋼鐵業(yè)要保持國際競爭力，必須推進(jìn)世界領(lǐng)先的脫碳化鋼鐵制造技術(shù)開發(fā)和CO?捕集裝置的應(yīng)用。
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鋼鐵生產(chǎn)中的脫碳技術(shù)
為了制造出具有高強(qiáng)度、高耐蝕性的鋼鐵制品。必須實(shí)施去除鐵礦石中含有的氧的還原工藝。過去的還原工藝是將對煤炭進(jìn)行干餾制造的焦炭投入高爐內(nèi)的方法。鋼鐵業(yè)產(chǎn)生大量CO?排放量的原因就是高爐進(jìn)行的碳素還原。雖然與其他材料相比，鋼鐵的單位產(chǎn)量的CO?排放量較少。但由于鋼鐵材料用途廣泛，產(chǎn)量大、用量大，所以鋼鐵業(yè)的總CO?排放量大。高爐法是持續(xù)采用數(shù)百年的鋼鐵生產(chǎn)方法。此前，日本和歐洲的大型鋼鐵企業(yè)進(jìn)行了提高用能效率的技術(shù)開發(fā)。經(jīng)過長年的努力，為節(jié)能和CO?減排作出了貢獻(xiàn)。現(xiàn)在，為了實(shí)現(xiàn)CO?排放量凈零目標(biāo)的碳中和需要進(jìn)行進(jìn)一步的新技術(shù)開發(fā)。利用氫直接還原鐵礦石工藝是目前的削減CO?排放量的新工藝。用氫取代焦炭去除鐵礦石中的氧的還原反應(yīng)，不產(chǎn)生CO?。雖然，氫還原技術(shù)可將CO?排放量抑制到極限程度，但該新技術(shù)的實(shí)際實(shí)施需要一定的過渡時(shí)間。此外，最終還會(huì)不可避免地產(chǎn)生一定量的CO?。因此，需要同時(shí)開發(fā)將制鐵生產(chǎn)中產(chǎn)生的CO?排放量進(jìn)行分離、捕集、地下儲(chǔ)存或用做化工產(chǎn)品原料的碳循環(huán)利用的CCUS（碳捕集、利用與封存）的技術(shù)開發(fā)。
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三菱重工的CO?捕集技術(shù)
三菱重工發(fā)布了“2040年實(shí)現(xiàn)碳中和宣言”，并以“凈零使命”（MissionNetZero）為目標(biāo)，著手開展相關(guān)工作。具體目標(biāo)為：到2030年，將生產(chǎn)活動(dòng)中的CO?排放量（范圍1、2）比2014年削減50%，到2040年，實(shí)現(xiàn)CO?凈零排放。作為承擔(dān)社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的企業(yè)之一，三菱重工不僅研究了有助于抑制和減少溫室氣體CO?排放的技術(shù)和產(chǎn)品，而且還研究了CO?捕集技術(shù)和產(chǎn)品。三菱重工與關(guān)西電力公司共同開發(fā)的CO?捕集技術(shù)KMCDRProcess?的工藝流程如圖1所示。KMCDRProcess?裝置由廢氣冷卻塔、吸收塔、再生塔構(gòu)成。廢氣經(jīng)冷卻塔冷卻到規(guī)定溫度后，輸送到吸收塔。吸收塔內(nèi)部設(shè)有使廢氣與吸收液體接觸的填充材料。廢氣在填充材料內(nèi)部不斷上升。三菱重工開發(fā)的胺吸收液KS-1?和KS-21?從吸收塔的上部向下噴霧，吸收液在流過填充材料表面的同時(shí)吸收廢氣中的CO?。CO?吸收后的廢氣從吸收塔的上部排出。另一方面，溶入CO?的吸收液被輸送到再生塔。在再生塔內(nèi)加熱吸收液，使CO?氣化，并將氣化CO?捕集。從再生塔的塔頂可以得到純度為99.9%的CO?。排出CO?的吸收液再次被輸送到吸收塔循環(huán)利用。作為CO?化學(xué)吸收技術(shù)。三菱重工已經(jīng)交付了每天最大可捕集約5000噸的世界最大規(guī)模的CO?捕集裝置，但通過進(jìn)一步的革新，致力于開發(fā)可以向發(fā)電領(lǐng)域和其他產(chǎn)業(yè)的大柜排放源發(fā)展的技術(shù)。最新的成果是使用胺的新型CO?吸收液KS-21?的商用化。
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新型胺吸收液KS-21?
作為新一代CO?捕集技術(shù)，開發(fā)出了AdvancedKMCDRProcess?。該技術(shù)可使用三菱重工與關(guān)西電力公司共同開發(fā)的新型胺吸收液KS-21?。以下為新型胺吸收液的開發(fā)過程。首先，從2014年開始的兩年間，對吸收液進(jìn)行篩選，找出適合吸收CO?的候選吸收液。然后，在關(guān)西電力公司南港發(fā)電廠和三菱重工的研發(fā)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。2019年完成了先導(dǎo)裝置的參數(shù)試驗(yàn)和最佳運(yùn)行等試驗(yàn)。2021年，在CO?捕集領(lǐng)域最先進(jìn)國家之一挪威的世界最大的CO?捕集試驗(yàn)場所——蒙斯塔德CO?捕集技術(shù)中心（TCM）進(jìn)行了新型胺吸收液的實(shí)證試驗(yàn)，獲得良好的試驗(yàn)結(jié)果，于是決定商用化。該吸收液的性能試驗(yàn)是對TCM設(shè)施內(nèi)的燃?xì)廨啓C(jī)排出的廢氣進(jìn)行CO?捕集試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)定的CO?捕集率是95%-98%，高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)90%。試驗(yàn)結(jié)果顯示，大大超過了化學(xué)吸收法中使用的一般胺吸收液（MEA），也超過了三菱重工以前開發(fā)使用的胺吸收液，確認(rèn)了其性能、運(yùn)用成本的降低以及較低的胺排放。此外，在改變運(yùn)行條件實(shí)施的高CO?捕集率試驗(yàn)中，達(dá)到了世界最高水平99.8%的捕集率，成功地從廢氣中捕集了CO?，達(dá)到了低于大氣中含有CO?濃度的水平（低于100ppm）。對與TCM相鄰的蒙斯塔德煉油廠的殘油流動(dòng)接觸分解裝置排出的廢氣也進(jìn)行了這些試驗(yàn)，得到了同樣的結(jié)果。此外，在具有最先進(jìn)設(shè)備和專業(yè)知識(shí)的TCM，對新型胺吸收液進(jìn)行實(shí)證試驗(yàn)，收集有關(guān)伴隨運(yùn)行的劣化物的生成量和處理技術(shù)等對該吸收液的進(jìn)一步改善和改良有益的運(yùn)行數(shù)據(jù)。同時(shí)，環(huán)境影響評價(jià)方面，可以取得今后商談所需的第三方機(jī)構(gòu)的高可靠性排放測量結(jié)果。關(guān)于今后各國要求應(yīng)對的環(huán)境評估的申請和許可等，也可以有效利用這些數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)事業(yè)的進(jìn)一步擴(kuò)大。KS-21?與以往的吸收液相比，具有揮發(fā)性更低、抗劣化穩(wěn)定性高等有利特征，在今后的推廣運(yùn)用中，有望削減運(yùn)用成本等提高經(jīng)濟(jì)性，具體具有以下特征。①由于揮發(fā)性降低，可大幅度減少從吸收塔伴隨廢氣作為排放物排放到大氣中的吸收液的量。②提高耐熱性，可使再生塔在更高壓的狀態(tài)下運(yùn)行。其結(jié)果，能夠削減例如在地下儲(chǔ)存捕集的CO?時(shí)設(shè)置的CO?壓縮機(jī)的動(dòng)力及設(shè)備費(fèi)。③提高抗氧化性，可以減少與廢氣中存在的微量成分的反應(yīng)所消耗的吸收液的劣化量。其結(jié)果是，不依賴于廢氣的種類，實(shí)現(xiàn)了可處理廢氣源的多樣化。④CO?捕集所需的吸收液循環(huán)量雖然比以往的吸收液略有增加，但由于KS-21?與CO?的反應(yīng)熱變少，因此有利于CO?捕集裝置整體的實(shí)用消費(fèi)量。⑤在CO?捕集臺(tái)式機(jī)和大型商用機(jī)使用過去吸收液的基礎(chǔ)上，KS-21?可以立即實(shí)用化。
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CO?捕集裝置在鋼鐵廠的應(yīng)用
目前，三菱重工與大型鋼鐵企業(yè)安賽樂米塔爾、綜合礦業(yè)公司BHP以及從事金屬資源開發(fā)事業(yè)的MDP合作，推進(jìn)CO?捕集技術(shù)在鋼鐵廠應(yīng)用的多年實(shí)證試驗(yàn)和商用機(jī)的概念設(shè)計(jì)。該實(shí)證試驗(yàn)是在安賽樂米塔爾位于比利時(shí)根特的年粗鋼產(chǎn)量為500萬噸的鋼鐵廠進(jìn)行。利用現(xiàn)有配管，將實(shí)際廢氣導(dǎo)入到每天可以捕集300kgCO?的小型CO?捕集裝置中，對廢氣中的CO?進(jìn)行分離和捕集。試驗(yàn)分為三個(gè)階段，第一是對高爐煤氣（BFG）進(jìn)行CO?分離和捕集。第二是對軋制工序的再加熱爐（HSM）的廢氣進(jìn)行CO?分離和捕集。第三是計(jì)劃在北美的直接還原鐵（DRI）的廢氣排放系統(tǒng)中進(jìn)行小型CO?捕集裝置的轉(zhuǎn)移試驗(yàn)。各種試驗(yàn)氣體的主要成分如表1所示。高爐煤氣與軋鋼再加熱爐的廢氣和直接還原鐵的廢氣不同。高爐煤氣中含有較高濃度的可燃性氣體H?和CO。三菱重工將根據(jù)該實(shí)證試驗(yàn)的結(jié)果，可對這些鋼鐵廠的各種試驗(yàn)氣體條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，加速將CCUS應(yīng)用到CO?排放量削減困難的鋼鐵產(chǎn)業(yè)。
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結(jié)語
本文簡要介紹了針對2050年碳中和與脫碳社會(huì)的實(shí)現(xiàn)，作為CO?排放量削減困難的鋼鐵產(chǎn)業(yè)的CO?減排措施，鋼鐵廠內(nèi)廢氣中含有的CO?通過化學(xué)吸收法分離出來。作為捕集技術(shù)以及最近的技術(shù)開發(fā)狀況，介紹了三菱重工正在嘗試的與安賽樂米塔爾、BHP、MDP合作的實(shí)證試驗(yàn)。為應(yīng)對氣候變化和全球變暖問題，預(yù)計(jì)今后對產(chǎn)業(yè)界大幅度削減CO?排放的要求會(huì)不斷提高，對鋼鐵等其他行業(yè)的期待很大。三菱重工曾開發(fā)并交付高效發(fā)電設(shè)備及產(chǎn)生的廢氣凈化裝置（脫硝、除塵、脫硫等），旨在提高本文介紹的CO?捕集裝置的產(chǎn)品、技術(shù)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性，并進(jìn)一步普及CO?捕集裝置產(chǎn)品和技術(shù)，助力解決更多的環(huán)境和能源問題。
