鋼鐵行業固體廢物CO₂礦化技術研究進展

摘要：固體廢物的CO2礦化技術是鋼鐵行業CO2排放的主要技術，也是未來鋼鐵行業脫碳的主要研究方向。本文綜述了目前CO2礦化技術的研究現狀，分析了我國各大鋼廠產生鋼渣的物理性質和處理現狀，深入闡述了不同理化性質的鋼渣與CO2的反應特點，并剖析了CO2礦化技術的研究進展，提出利用創新工藝改善鋼渣制品性能是礦化技術未來的研究重點和發展方向。

關鍵詞：鋼渣；CO2礦化技術；脫碳

中圖分類號：TU528文獻標志碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1674-4977.2025.01.049

基金項目：遼寧省創新能力提升聯合基金項目（2022-NLTS-12-2）。

0引言

2020年，我國能源消費占全球消費量的29%，其中煤炭在我國能源結構中占比為56.5%。在可預見的未來，我國的能源供給仍將以煤炭為主。這種能源供給結構不可避免地導致了大量的CO2排放。CO2減排的主要方式有排放源減排、節能改造減排、碳捕集、利用與封存（CCUS）等[1]。從可持續發展的角度看，大力發展核能、風能、太陽能等可再生清潔能源，徹底轉變我國能源供給結構是實現CO2減排的最佳路徑。然而，受限于技術和成本，可再生清潔新能源的發展還很緩慢，無法滿足大規模碳減排需求。在未來幾十年內，煤、石油、天然氣等化石能源仍然是我國主要的能源供給來源。在這種情況下，實現CO2的凈零排放仍面臨挑戰。因此，低成本、大規模的CO2減排技術越來越引起各國政府和科研界的關注。

礦物碳酸化又稱CO2礦化技術，在國際上普遍認可的定義是：利用含有Ca、Mg等金屬氧化物的物質與CO2反應生成穩定碳酸鹽的過程。開發高效、低能耗的CO2礦化技術是實現CCUS技術大規模應用的關鍵，也是未來全球深度脫碳的核心所在。鋼渣作為煉鋼過程中產生的主要固體廢棄物，富含堿性鈣鎂氧化物，利用CO2礦化技術對鋼渣進行處理，是未來鋼鐵行業減排和可持續發展的重要方向。

1鋼鐵行業碳排放現狀及鋼渣特征分析

鋼鐵行業作為資源和能源密集型產業的代表，其高能耗、高碳排放的特性不容忽視。鋼鐵行業的CO2排放量約占我國碳排放總量的15%，凸顯了該行業在減排方面的重要地位。目前，中國鋼鐵行業普遍采用長流程生產模式（高爐+轉爐法），在該模式下，每噸鋼的CO2排放量介于1.7～2.5噸。相比之下，短流程生產方式，特別是以廢鋼為原料的生產方式，其碳排放量顯著較低，每噸鋼的CO2排放量介于0.4～ 0.5噸。以碳排放量較低的日本鋼鐵行業為例，其粗鋼的碳排放量也達到了1.64噸CO2/噸鋼，這表明即便是技術先進的國家，鋼鐵行業在碳排放方面仍面臨重大挑戰。面對鋼鐵行業的高碳排放現狀，世界各國均制定了鋼鐵行業脫碳技術路線，其中最具代表性的有以下3個方向：CCUS技術、工業規模化煤氣制氫技術和氫冶金技術。其中，CCUS技術被認為是最具應用前景的脫碳技術。

長流程煉鋼過程中的主要副產物是鋼渣，其產量約占粗鋼產量的12%～14%。在煉鋼過程中，為了去除碳、鈦、錳、硅、磷等雜質元素，通常需要添加包括冶煉熔劑和造渣材料在內的多種外加劑，并向鐵水中通入空氣或高純氧氣。這些氣體與雜質元素反應，形成氣體或易于分離的化合物，進而從鋼液中排出；通過造渣材料在煉鋼過程中的作用，鋼液和熔渣在轉爐內形成兩個互不相溶的相，熔渣由于密度較小而浮在鋼液上方，其中包含了大部分雜質，固態雜質從熔渣中分離出來，形成鋼渣。盡管鋼渣的產生在長流程煉鋼過程中是不可避免的，但通過優化外加劑的添加和煉鋼工藝的控制，可以最大限度地減少鋼渣的產生并提升鋼的質量。

目前，我國鋼鐵行業主要通過建材化利用來處理鋼渣，但利用率相對較低。2012年，我國鋼渣產量達到9300萬噸，而利用率僅為22%[2]。建材化利用鋼渣的技術路徑一般是將鋼渣磨成粉，作為添加劑部分取代水泥使用，但由于鋼渣中含有大量游離氧化物（f-CaO、f-MgO），導致鋼渣堿度較高，這限制了鋼渣的大規模建材化應用。而CO2礦化技術可以與鋼渣中游離的氧化物反應生產碳酸鹽，不僅固定了鋼鐵行業的CO2氣體，還能將鋼渣的堿度降低，拓寬了鋼渣的應用領域，特別是在建材行業的應用。這種“以廢治廢、循環利用”的技術應用，有助于我國鋼鐵行業的深度脫碳。

2鋼渣CO2礦化技術研究現狀

我國鋼鐵行業對于鋼渣的資源化處理主要是作為一種添加劑取代水泥在建材行業規模化推廣，但由于鋼渣的高堿度特征，其建材化成品存在性能劣化的風險。國標GB/T 20491—2017《用于水泥和混凝土中的鋼渣粉》規定，只有當鋼渣中的游離氧化鈣（f-CaO）含量小于4%時才可以作為填料使用。現階段對于高堿度鋼渣的處理方式是自然陳化，即將鋼渣存放于空地處，通過雨水或空氣中的水分與f-CaO反應，降低其堿度，然后應用到建材行業。但這種方式需要占用大量土地，并且陳化時間較長，容易導致環境污染。鋼渣CO2礦化技術因其能夠有效降低鋼渣堿度并將處理時間大幅縮短，有助于鋼渣在建材行業的大規模推廣應用，而引起了各界的廣泛關注。

總的來說，鋼渣CO2礦化技術按照處理工藝可以分為直接礦化和間接礦化兩種技術路線。直接礦化涉及CO2與鋼渣直接反應的處理流程，而間接礦化則需要借助不同類型的溶液作為中間反應介質。

2.1鋼渣CO2直接礦化技術

鋼渣CO2直接礦化技術的原理是利用鋼渣中游離的堿性氧化物與CO2直接反應形成穩定的碳酸鹽，以降低鋼渣的堿度。一般來說，鋼渣CO2直接礦化技術的目的是使經過處理后的鋼渣可以滿足建材行業的使用。

Chang等[3]開發了CO2直接礦化鋼渣工藝流程，在裝有鋼渣的旋轉容器中通入含有CO2的溶液，利用轉子轉動促進鋼渣與CO2水溶液的反應速率，從而實現鋼渣的礦化，最佳工藝條件為：T=65℃、轉動速度為750 r/min、t=30 min。鋼渣CO2礦化率為93.5%。Sto？ laroff等[4]設計了一套直接礦化裝置，利用水泵將水循環噴入礦化池中，與池中的鋼渣循環接觸發生反應，攪動的鋼渣與空氣中的CO2反應生成CaCO3，從而實現對鋼渣的深度資源化處理，但是空氣中CO2濃度僅為0.04%，嚴重阻礙了鋼渣的轉化速率，導致這種工藝的反應效率較低，礦化成本較高，限制了其大規模推廣應用。有學者研究了CO2直接礦化的機理[5]，提出Ca（OH）2是影響鋼渣與CO2反應的重要因素，礦化初期的速率控制步驟是游離的CaO形成Ca（OH）2的動力學過程，礦化后期是Ca（OH）2與CO2反應形成CaCO3的動力學過程，環境溫度的提升可以顯著增加礦化反應速度。Pan等[6]針對不同的礦化反應器，如旋轉填料床、淤泥反應器、高壓釜等設備的反應效率進行了研究，結果表明旋轉填料床的礦化效率最高。

2.2鋼渣CO2間接礦化技術

鋼渣CO2間接礦化技術原理是借助酸堿溶液與鋼渣反應形成游離的Ca2+、Mg2+，然后與CO2反應制備附加值高的碳酸鹽產品。Iizuka A等[7]利用乙酸溶液對鋼渣進行間接礦化，結果表明，在60℃、CO2為常壓、反應時間為5 h的條件下，可使鋼渣中48%的鈣形成碳酸鹽。Teir S等[8]則開發了一套新工藝用于輕質CaCO3的生產，其創新點在于先分離出SiO2，然后再通入CO2與剩余鋼渣反應生產CaCO3。包煒軍等[9]在上述工藝的基礎上提出加入有機溶劑磷酸三丁酯（TBP），以制備多種碳酸鹽產品，其中碳酸鈣的生產率達到75%，碳酸鎂的生產率達到35%，最佳工藝條件為：反應溫度為94℃、反應時間控制在60 min，液固相比為l，攪拌轉速設定在500 r/min，固液比0.75 g/ g。Said A[12]和杜龍等[13]用超聲波或微波等強化傳質技術改進銨鹽的反應效率，結果表明，經過外加強化傳質過程的干預，鋼渣CO2間接礦化效率顯著提高。

3鋼渣CO2礦化技術未來發展趨勢

CCUS技術作為鋼鐵行業深度脫碳的首選技術，引起了各國政府、企業和研究機構的重視，鋼渣CO2礦化技術則是CCUS技術的重要組成部分。作為鋼鐵行業產生的固體廢物，鋼渣含有呈堿性的大量游離氧化物，具有封存大量CO2的潛力，可以實現“以廢治廢”的目標，對于鋼鐵行業的深度脫碳具有重要的意義。未來鋼渣CO2礦化技術主要聚焦以下幾個研究方向：

1）深入研究CO2的礦化機理，提高CO2直接礦化效率，改進礦化鋼渣的綜合性能，以滿足建材行業的大規模應用；2）針對CO2直接礦化效率低的問題，重點開展大型礦化設備和相應工藝的研發，特別是低能耗設備和短流程工藝；3）開發新型CO2間接礦化反應介質，研發高效率間接礦化工藝，加強CO2間接礦化機理和反應流程研究，探索制備新型高值化碳酸鹽的反應工藝。

參考文獻

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[11]杜龍，馬國軍，張翔，等.微波場中銨鹽浸出鋼渣體系的升溫行為[J].太原理工大學學報，2014，45（2）：157-162.

作者簡介

宋篪，男，1980年出生，高級工程師，碩士，研究方向為電力金具和電力水泥桿的研發、測試和檢驗。

（編輯：劉一童，收稿日期：2024-06-19）