高纯度气体回收技术突破：多级膜分离在炼铁煤气资源化中的技术经济分析

针对钢铁工业高炉煤气(BFG)中CO、H2和CO2资源化利用难题，研究人员创新设计多级膜分离系统（集成CMSMs、MMMs和FT膜），实现>90%回收率与>95%纯度目标气体同步获取，能耗仅为深冷法的1/3，为钢铁行业低碳转型提供关键技术支撑。

　　

钢铁工业作为全球CO₂排放的主要源头之一，其副产品高炉煤气(BFG)富含CO(22-26%)、CO₂(16-19%)和H₂(1-5%)，但现有分离技术如化学吸收法(MEA)能耗高达3-4 GJ/吨CO₂，深冷分离投资成本巨大，而变压吸附(PSA)难以实现多组分高效分离。这种技术瓶颈导致BFG中高价值气体组分利用率不足，严重制约钢铁行业碳中和进程。

广东工业大学的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，提出革命性的多级膜分离方案。该系统创新性地组合碳分子筛膜(Carbon Molecular Sieve Membranes, CMSMs)、混合基质膜(Mixed Matrix Membranes, MMMs)和促进传递膜(Facilitated Transport membranes, FT膜)，通过三级串联设计：1a级采用CO₂选择性FT膜预浓缩，2b级MMMs精准分离H₂/CO混合气，3c级CMSMs最终提纯H₂至99.6%。工艺创新包括跨级压力匹配（维持1.5-3.5 MPa）和渗透气循环设计，避免额外压缩能耗。

关键技术方法包括：1）基于Aspen Plus的流程模拟优化操作参数；2）针对BFG组分特性定制三阶段膜材料；3）灵敏度分析确定关键参数（膜面积、进料压力）的帕累托最优区间；4）全生命周期成本分析模型评估经济性。

Process design
研究团队突破性地将传统单级膜分离拓展为"粗分离-精制-提纯"三级联用架构。1a阶段FT膜在3.5 MPa下优先渗透CO₂，获得>95%纯度CO₂的同时将剩余气流CO浓度提升至40%；2b阶段MMMs在2.0 MPa下实现H₂/CO选择性分离，H₂渗透率是CO的8倍；3c阶段CMSMs通过0.1 nm孔径筛分效应，最终产出99.6%超纯H₂。

Overall system performance
模拟数据显示系统综合性能显著：CO回收率92.3%（纯度97.5%）、H₂回收率90.8%（纯度99.6%）、CO₂回收率94.7%（纯度95.2%）。特别值得注意的是，通过将3c阶段截留气循环至2b阶段进料，H₂总回收率提升12.5个百分点。能耗分析表明，单位分离能耗仅为1.2 kWh/Nm³，较深冷法降低67%。

Conclusions
该研究首次证实多级膜系统在BFG分离中的技术经济可行性：1）创新性膜组合策略破解了传统技术"高选择性(Selectivity)与高通量(Permeance)"的权衡困境；2）模块化设计适应BFG组分波动（H₂含量1-5%）；3）经济评估显示投资回收期<5年，较PSA缩短40%。这项成果为钢铁工业提供兼具减排效益（年减碳百万吨级）和经济效益（年增收数亿元）的解决方案，被评价为"工业气体分离领域的范式转变"。

研究团队特别指出，该技术的规模化应用仍需解决两大挑战：一是长期运行中膜污染控制策略，二是适应不同规模钢厂的模块化设计标准。未来将通过GTIIT常州创新研究院的示范项目验证工业化可行性，并探索CO/H₂合成甲醇的产业链延伸价值。这项突破不仅推动钢铁行业绿色转型，其分级膜分离理念更为焦炉煤气、化工尾气等复杂气体分离提供普适性技术框架。