钢铁行业固体废物CO2矿化技术研究进展

摘要：固体废物的CO2矿化技术是钢铁行业CO2排放的主要技术，也是未来钢铁行业脱碳的主要研究方向。本文综述了目前CO2矿化技术的研究现状，分析了我国各大钢厂产生钢渣的物理性质和处理现状，深入阐述了不同理化性质的钢渣与CO2的反应特点，并剖析了CO2矿化技术的研究进展，提出利用创新工艺改善钢渣制品性能是矿化技术未来的研究重点和发展方向。

关键词：钢渣；CO2矿化技术；脱碳

中图分类号：TU528文献标志码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1674-4977.2025.01.049

基金项目：辽宁省创新能力提升联合基金项目（2022-NLTS-12-2）。

0引言

2020年，我国能源消费占全球消费量的29%，其中煤炭在我国能源结构中占比为56.5%。在可预见的未来，我国的能源供给仍将以煤炭为主。这种能源供给结构不可避免地导致了大量的CO2排放。CO2减排的主要方式有排放源减排、节能改造减排、碳捕集、利用与封存（CCUS）等[1]。从可持续发展的角度看，大力发展核能、风能、太阳能等可再生清洁能源，彻底转变我国能源供给结构是实现CO2减排的最佳路径。然而，受限于技术和成本，可再生清洁新能源的发展还很缓慢，无法满足大规模碳减排需求。在未来几十年内，煤、石油、天然气等化石能源仍然是我国主要的能源供给来源。在这种情况下，实现CO2的净零排放仍面临挑战。因此，低成本、大规模的CO2减排技术越来越引起各国政府和科研界的关注。

矿物碳酸化又称CO2矿化技术，在国际上普遍认可的定义是：利用含有Ca、Mg等金属氧化物的物质与CO2反应生成稳定碳酸盐的过程。开发高效、低能耗的CO2矿化技术是实现CCUS技术大规模应用的关键，也是未来全球深度脱碳的核心所在。钢渣作为炼钢过程中产生的主要固体废弃物，富含碱性钙镁氧化物，利用CO2矿化技术对钢渣进行处理，是未来钢铁行业减排和可持续发展的重要方向。

1钢铁行业碳排放现状及钢渣特征分析

钢铁行业作为资源和能源密集型产业的代表，其高能耗、高碳排放的特性不容忽视。钢铁行业的CO2排放量约占我国碳排放总量的15%，凸显了该行业在减排方面的重要地位。目前，中国钢铁行业普遍采用长流程生产模式（高炉+转炉法），在该模式下，每吨钢的CO2排放量介于1.7～2.5吨。相比之下，短流程生产方式，特别是以废钢为原料的生产方式，其碳排放量显著较低，每吨钢的CO2排放量介于0.4～ 0.5吨。以碳排放量较低的日本钢铁行业为例，其粗钢的碳排放量也达到了1.64吨CO2/吨钢，这表明即便是技术先进的国家，钢铁行业在碳排放方面仍面临重大挑战。面对钢铁行业的高碳排放现状，世界各国均制定了钢铁行业脱碳技术路线，其中最具代表性的有以下3个方向：CCUS技术、工业规模化煤气制氢技术和氢冶金技术。其中，CCUS技术被认为是最具应用前景的脱碳技术。

长流程炼钢过程中的主要副产物是钢渣，其产量约占粗钢产量的12%～14%。在炼钢过程中，为了去除碳、钛、锰、硅、磷等杂质元素，通常需要添加包括冶炼熔剂和造渣材料在内的多种外加剂，并向铁水中通入空气或高纯氧气。这些气体与杂质元素反应，形成气体或易于分离的化合物，进而从钢液中排出；通过造渣材料在炼钢过程中的作用，钢液和熔渣在转炉内形成两个互不相溶的相，熔渣由于密度较小而浮在钢液上方，其中包含了大部分杂质，固态杂质从熔渣中分离出来，形成钢渣。尽管钢渣的产生在长流程炼钢过程中是不可避免的，但通过优化外加剂的添加和炼钢工艺的控制，可以最大限度地减少钢渣的产生并提升钢的质量。

目前，我国钢铁行业主要通过建材化利用来处理钢渣，但利用率相对较低。2012年，我国钢渣产量达到9300万吨，而利用率仅为22%[2]。建材化利用钢渣的技术路径一般是将钢渣磨成粉，作为添加剂部分取代水泥使用，但由于钢渣中含有大量游离氧化物（f-CaO、f-MgO），导致钢渣碱度较高，这限制了钢渣的大规模建材化应用。而CO2矿化技术可以与钢渣中游离的氧化物反应生产碳酸盐，不仅固定了钢铁行业的CO2气体，还能将钢渣的碱度降低，拓宽了钢渣的应用领域，特别是在建材行业的应用。这种“以废治废、循环利用”的技术应用，有助于我国钢铁行业的深度脱碳。

2钢渣CO2矿化技术研究现状

我国钢铁行业对于钢渣的资源化处理主要是作为一种添加剂取代水泥在建材行业规模化推广，但由于钢渣的高碱度特征，其建材化成品存在性能劣化的风险。国标GB/T 20491—2017《用于水泥和混凝土中的钢渣粉》规定，只有当钢渣中的游离氧化钙（f-CaO）含量小于4%时才可以作为填料使用。现阶段对于高碱度钢渣的处理方式是自然陈化，即将钢渣存放于空地处，通过雨水或空气中的水分与f-CaO反应，降低其碱度，然后应用到建材行业。但这种方式需要占用大量土地，并且陈化时间较长，容易导致环境污染。钢渣CO2矿化技术因其能够有效降低钢渣碱度并将处理时间大幅缩短，有助于钢渣在建材行业的大规模推广应用，而引起了各界的广泛关注。

总的来说，钢渣CO2矿化技术按照处理工艺可以分为直接矿化和间接矿化两种技术路线。直接矿化涉及CO2与钢渣直接反应的处理流程，而间接矿化则需要借助不同类型的溶液作为中间反应介质。

2.1钢渣CO2直接矿化技术

钢渣CO2直接矿化技术的原理是利用钢渣中游离的碱性氧化物与CO2直接反应形成稳定的碳酸盐，以降低钢渣的碱度。一般来说，钢渣CO2直接矿化技术的目的是使经过处理后的钢渣可以满足建材行业的使用。

Chang等[3]开发了CO2直接矿化钢渣工艺流程，在装有钢渣的旋转容器中通入含有CO2的溶液，利用转子转动促进钢渣与CO2水溶液的反应速率，从而实现钢渣的矿化，最佳工艺条件为：T=65℃、转动速度为750 r/min、t=30 min。钢渣CO2矿化率为93.5%。Sto？ laroff等[4]设计了一套直接矿化装置，利用水泵将水循环喷入矿化池中，与池中的钢渣循环接触发生反应，搅动的钢渣与空气中的CO2反应生成CaCO3，从而实现对钢渣的深度资源化处理，但是空气中CO2浓度仅为0.04%，严重阻碍了钢渣的转化速率，导致这种工艺的反应效率较低，矿化成本较高，限制了其大规模推广应用。有学者研究了CO2直接矿化的机理[5]，提出Ca（OH）2是影响钢渣与CO2反应的重要因素，矿化初期的速率控制步骤是游离的CaO形成Ca（OH）2的动力学过程，矿化后期是Ca（OH）2与CO2反应形成CaCO3的动力学过程，环境温度的提升可以显著增加矿化反应速度。Pan等[6]针对不同的矿化反应器，如旋转填料床、淤泥反应器、高压釜等设备的反应效率进行了研究，结果表明旋转填料床的矿化效率最高。

2.2钢渣CO2间接矿化技术

钢渣CO2间接矿化技术原理是借助酸碱溶液与钢渣反应形成游离的Ca2+、Mg2+，然后与CO2反应制备附加值高的碳酸盐产品。Iizuka A等[7]利用乙酸溶液对钢渣进行间接矿化，结果表明，在60℃、CO2为常压、反应时间为5 h的条件下，可使钢渣中48%的钙形成碳酸盐。Teir S等[8]则开发了一套新工艺用于轻质CaCO3的生产，其创新点在于先分离出SiO2，然后再通入CO2与剩余钢渣反应生产CaCO3。包炜军等[9]在上述工艺的基础上提出加入有机溶剂磷酸三丁酯（TBP），以制备多种碳酸盐产品，其中碳酸钙的生产率达到75%，碳酸镁的生产率达到35%，最佳工艺条件为：反应温度为94℃、反应时间控制在60 min，液固相比为l，搅拌转速设定在500 r/min，固液比0.75 g/ g。Said A[12]和杜龙等[13]用超声波或微波等强化传质技术改进铵盐的反应效率，结果表明，经过外加强化传质过程的干预，钢渣CO2间接矿化效率显著提高。

3钢渣CO2矿化技术未来发展趋势

CCUS技术作为钢铁行业深度脱碳的首选技术，引起了各国政府、企业和研究机构的重视，钢渣CO2矿化技术则是CCUS技术的重要组成部分。作为钢铁行业产生的固体废物，钢渣含有呈碱性的大量游离氧化物，具有封存大量CO2的潜力，可以实现“以废治废”的目标，对于钢铁行业的深度脱碳具有重要的意义。未来钢渣CO2矿化技术主要聚焦以下几个研究方向：

1）深入研究CO2的矿化机理，提高CO2直接矿化效率，改进矿化钢渣的综合性能，以满足建材行业的大规模应用；2）针对CO2直接矿化效率低的问题，重点开展大型矿化设备和相应工艺的研发，特别是低能耗设备和短流程工艺；3）开发新型CO2间接矿化反应介质，研发高效率间接矿化工艺，加强CO2间接矿化机理和反应流程研究，探索制备新型高值化碳酸盐的反应工艺。

参考文献

[1]罗家鑫.双循环背景下产业部门二氧化碳的排放强度及减排配额研究[D].兰州：兰州大学，2024.

[2]王纯，杨景玲，朱桂林，等.钢铁渣高价值利用技术发展和现状[J].中国废钢铁，2012（1）：42-53.

[3]Chang E E，Pan S Y，Chen Y H，et a1.Accelerated carbon？ ation of steelmaking slags in a high-gravity rot ating packed bed[J].Journal of Hazardous Materials，2012，227-228：97-106.

[4]STOLAROFF J K，LOWRY G V，KEITH D W.Using CaO-and MgO-rich industrial waste streams for carbon se questration [J].Energy Convers Management，2005，46（5）：687-699.

[5]LEKAKH S，ROBERTSON D G C，RAWLINS C H，et at. Investigation of a two-stage aqueous reactor desi gn for car？ bon dioxide sequestration using steelmaking slag[J].Metal？ lurgical and Materials Transactions B，2008，39（3）：484-492.

[6]PAN S Y，CHIANG P C，CHEN Y H.et a1.Kinetics of carbonation reaction of basic oxygen furnace slag s in a ro？ tating packed bed using the surface coverage model：Maxi？ mization of carbonation conversion[J].Appl Energy，2014，113：267-276.

[7]IIZUKA A，FUJII M，YAMASAKI A，et a1.Development Of a new CO2 sequestration process utilizing the carbonation of waste cement[J].Industrial Engineering Chemistry Research，2004，43（24）：7880-7887.

[8]TEIR S，ELONEVA S，FOGELHOLM C J，et al.Dissolu？ tion of steelmaking slags in acetic acid for precipitated calci？ um carbonate production[J].Energy，2007，32（4）：528-539.

[9]包炜军，李会泉，张懿.强化碳酸化固定CO2反应过程分析与机理探讨[J].化工学报，2009，60（9）：2332-2338.

[10] SAID A，MATTILA O，ELONEVA S，et al.Enhancement of calcium dissolution from steel slag by ultrasound[J]. Chemical Engineering and Processing：Process Intensifica？ tion，2015，89：1-8.

[11]杜龙，马国军，张翔，等.微波场中铵盐浸出钢渣体系的升温行为[J].太原理工大学学报，2014，45（2）：157-162.

作者简介

宋篪，男，1980年出生，高级工程师，硕士，研究方向为电力金具和电力水泥杆的研发、测试和检验。

（编辑：刘一童，收稿日期：2024-06-19）