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钢铁行业电弧炉碳捕集技术的工艺优化研究1

钢铁行业电弧炉碳捕集技术的工艺优化研究

摘要

本研究聚焦于钢铁行业电弧炉（EAF）生产过程中的碳排放问题，系统性地探讨了

碳捕集技术的工艺优化方案。随着全球碳中和目标的推进，钢铁行业作为碳排放大户，

其减排技术路径备受关注。电弧炉作为短流程炼钢的主要设备，其碳排放强度虽低于高

炉转炉长流程，但仍存在显著的减排空间。本研究通过理论分析、数值模拟和实验验证

相结合的方法，构建了一套适用于电弧炉的碳捕集技术优化体系。研究结果表明，采用

化学吸收法与膜分离技术相结合的复合工艺，可使电弧炉的碳捕集效率提升至85%以

上，同时将能耗控制在合理范围内。本研究还开发了基于人工智能的工艺参数优化模

型，实现了碳捕集系统的智能化运行。经济性分析显示，优化后的碳捕集技术投资回收

期可缩短至57年，具有良好的产业化前景。本研究成果为钢铁行业实现碳中和目标提

供了技术支撑，对推动行业绿色转型具有重要意义。

引言与背景

1.1研究背景与意义

钢铁行业是全球工业领域碳排放的主要来源之一，约占全球总排放量的79%。在

中国，钢铁行业碳排放量占全国总量的15%左右，是落实”双碳”目标的关键领域。电

弧炉炼钢作为钢铁生产的重要工艺，其碳排放主要来源于电力消耗和电极氧化，其中电

力消耗产生的间接排放占比约6070%。随着可再生能源电力比例的提升，电弧炉的直接

碳排放成为减排重点。碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被认为是实现深度脱碳的关

键路径，而电弧炉烟气具有温度高、CO浓度相对较高（1525%）的特点，为碳捕集提

供了有利条件。本研究通过优化电弧炉碳捕集工艺，旨在提高捕集效率、降低能耗和成

本，为钢铁行业碳中和提供技术解决方案。

1.2国内外研究现状

国际上，欧盟、美国等发达国家和地区已开展多项电弧炉碳捕集示范项目。欧盟

ULCOS项目开发了适用于电弧炉的化学吸收法碳捕集技术，捕集效率达到80%以上。

美国钢铁协会资助的研究项目则探索了膜分离技术在电弧炉烟气处理中的应用。国内

方面，宝武集团、河钢集团等大型钢铁企业已启动碳捕集技术试点，但整体仍处于起步

阶段。现有研究多集中于单一碳捕集技术路线，缺乏系统性的工艺优化研究。特别是在

电弧炉烟气特性波动大、余热回收与碳捕集协同运行等方面，仍存在诸多技术瓶颈。本

研究将在借鉴国际先进经验的基础上，结合中国钢铁行业实际情况，开展针对性的工艺

优化研究。

钢铁行业电弧炉碳捕集技术的工艺优化研究2

1.3研究目标与内容

本研究的主要目标是开发一套高效、低耗、经济的电弧炉碳捕集工艺优化方案。具

体研究内容包括：1）电弧炉烟气特性分析及碳捕集技术适应性评估；2）化学吸收法与

膜分离技术耦合工艺设计；3）基于人工智能的工艺参数优化模型开发；4）碳捕集系统

集成与余热回收协同运行方案；5）技术经济性分析与产业化路径研究。通过上述研究，

力求实现电弧炉碳捕集效率85%、系统能耗2.5GJ/tCO、投资回收期7年的技术

经济指标。

政策与行业环境分析

2.1国家政策导向

中国已明确提出”2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的目标，钢铁行业被列为重

点减排领域。《钢铁行业碳达峰实施方案》明确提出，到2025年，电弧炉钢产量占粗钢

总产量比例提升至15%以上；到2030年，电弧炉钢产量占比达到20%以上。国家发

改委《产业结构调整指导目录》将”钢铁行业超低排放改造”和”碳捕集利用与封存技术”

列为鼓励类项目。工信部《“十四五”工业绿色发展规划》提出，要突破钢铁行业低碳冶

炼关键技术，开展CCUS技术示范应用。这些政策为电弧炉碳捕集技术研发提供了良

好的政策环境。

2.2行业发展趋势

全球钢铁行业正经历从”高碳低碳零碳”的转型过程。根据世界钢铁协会预测，到

2050年，电炉钢比例将从目前的25%提升至4050%。中国钢铁工业协会数据显示，

2022年中国电炉钢比例仅为10.4%，远低于全球平均水平，提升空间巨大。随着废钢资

源积累和电力结构优化，电弧炉炼钢将成为中国钢铁行业减碳的重要路径。同时，碳捕

集技术的成本持续下降，据国际能源署（IEA）预测，到2030年，钢铁行业碳捕集成本

将比2020年降低30