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电炉炼钢中灵活钙循环CO2捕集技术的经济性分析与优化策略
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年09月07日 来源：Carbon Capture Science & Technology 10.5
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本研究针对电炉炼钢(EAF)尾气波动大、CO2浓度低的特点，创新性地提出四种钙循环(CaL)配置方案，通过引入固体中间存储等柔性策略，实现91%的CO2捕集率，最低能耗5.85 MJ/kgCO2，为钢铁行业减排提供新思路。
钢铁工业作为全球工业领域最大的CO2排放源，贡献了约29%的工业相关排放。其中，电弧炉(EAF)炼钢工艺虽然碳排放强度(0.3-0.5 tCO2/tHM)低于传统高炉-转炉路线，但其尾气具有流量波动剧烈(4-224 Am3/s)、CO2浓度变化大(0-25 mol.%)、温度不稳定(175-1190°C)三大特征，给碳捕集技术带来严峻挑战。现有针对燃煤电厂的钙循环(CaL)技术难以适应这种分钟级波动，亟需开发新型柔性捕集方案。
为攻克这一难题，Néstor D. Montiel-Bohórquez团队在《Carbon Capture Science》发表研究，创新性地提出四种CaL配置方案：无固体存储可变循环(NST-V)、无固体存储恒定循环(NST-C)、单固体存储(1ST-C)和双固体存储(2ST)。研究采用Aspen Plus和Thermoflex软件构建0D模型，基于挪威某112 tsteel/h电炉实测数据，结合热力学分析和经济性评估，系统比较了不同配置在应对尾气波动、能耗表现和经济性方面的优劣。
在技术方法上，研究主要采用：1）基于实测EAF尾气特性的动态模拟；2）钙循环反应器质量能量平衡建模；3）熔盐储热系统(TES)设计；4）空气分离装置(ASU)与CO2纯化单元(CPU)集成优化；5）全生命周期经济性分析。特别引入固体中间存储策略，通过750-1750吨流化床储罐缓冲固体物料波动。
研究结果揭示多项重要发现：
固体存储的缓冲效应：双固体存储方案(2ST)使进入煅烧炉的CaCO3含量波动范围从0-20%降至9-16%，煅烧炉热负荷波动减少60%，设备规模缩小23%。
能耗表现对比：可变固体循环方案(NST-V/2ST)比恒定循环方案节能15-20%，最低比能耗达5.85 MJ/kgCO2。恒定循环虽增加燃料消耗(90 vs 45 MWth)，但可多捕获13 tCO2/h生物源CO2。
经济性分析：2ST方案总投资最低(1.93亿欧元)，吨钢成本增加26欧元。敏感性分析显示当碳税>160�/tCO2时，1ST-C经济性更优。
负排放潜力：使用林业残余生物质作燃料，所有方案均实现负排放(100-200 kgCO2/tsteel)，其中高燃料消耗方案负排放量翻倍。
研究结论指出，钙循环技术可稳定处理EAF波动尾气，实现91%的CO2捕集率。双固体存储方案在能耗与经济性间取得最佳平衡，而恒定循环方案在高碳价情景下展现优势。该技术不仅可将EAF炼钢碳排放降至0.02-0.03 tCO2/tsteel，还能通过生物质利用实现碳移除，为钢铁行业深度脱碳提供重要技术路径。未来需进一步开展中试验证流化床储罐的工程可行性，并优化固体库存控制策略。
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