双碳战略背景下的钢渣固碳技术研究进展

随着人类经济和社会的快速发展，大量的温室气体被排放到大气中，并且在之后很长一段时间，人们将仍以化石燃料燃烧作为主要的能源供给方式，这将导致更多的二氧化碳(CO₂)进入大气中。以CO₂为代表的温室气体在大气中的累积已经造成了全球平均气温的上升，据《2020年全球气候状况》报告显示，截止到2020 年全球平均气温已经比工业化前上升了大约1.2℃。如果全球平均气温上升2℃，将导致地球上约 99%的珊瑚礁会死亡；如果全球平均气温上升 5℃，将会对地球的整体环境造成不可逆的影响，甚至可能引发生物大灭绝。因此，在 2015 年 12 月，近两百多个缔约方共同签署了《巴黎协定》，它的主要目标是到本世纪末，控制全球气温升幅相比于工业化前上升低于2℃。据《BP世界能源统计年鉴》统计，2019 年全球碳排放量341.69 亿 t，其中我国碳排放量占全球28.8%，位居全球首位。为了应对全球气候变化，承担起大国应有的担当，中国于2020年9月22日在第七十五届联合国大会一般性辩论上正式提出了“我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的目标，又称“双碳计划”。 

按行业来看，我国发电和供热行业的二氧化碳排放占比最大。其次就是工业行业。钢铁又被称为工业的“粮食”，根据世界钢铁协会发布的《世界钢铁统计数据2022》显示，2021年我国粗钢产量超过10亿吨，占世界总产量的52.9%，位居全球首位。根据《废钢铁产业“十四五”发展规划》显示，到2025年，钢渣的综合利用率达到85%，其中高炉渣的综合利用率达到95%，钢渣的综合利用率达到60%。钢渣的产生率平均占粗钢产量的8%-15%。但我国钢渣的利用率与发达国家相比仍存在较大差距，大部分的钢渣被露天堆存或垃圾填埋，这种方式不仅占用了大量土地而且有污染土壤和水的潜在威胁。由于它的组分特点，钢渣可以用于烧结材料、道路工程和建筑材料制作等多个方面。除了以上资源化方式，近些年来，利用钢渣碳化封存CO₂被视为最具前景的钢渣利用途径之一，它属于一种燃烧后CO₂捕集技术。由于钢渣中主要含有硅酸钙镁，游离氧化钙和氧化镁和金属氧化物等组分，所以可以利用这些碱土金属离子与二氧化碳进行碳酸化反应，将CO₂转化为碳酸盐，最终以岩石的形式永久封存CO₂。

一、概述

1.钢渣分类及特性

钢渣是一种炼钢过程中产生的副产物，与之容易混淆的高炉渣是一种冶炼生铁过程中产生的废渣，钢渣可以分为转炉渣（Basic Oxygen Furnace Slag，BOFS）、电弧渣（Electric Arc Furnace Slag，EAFS）和钢包精炼炉渣（Ladle Furnace Slag，LFS）。如今我国仍以转炉炼钢方法为主，转炉渣约占钢渣总量的70%。转炉炼钢是将高达1300℃的液态生铁注入炉内，并加入一定量的生石灰后，吹入氧气，其中的金属迅速氧化放出大量热，为炼钢提供所需要的热量。因此，转炉渣中的CaO组分占比很高。电炉炼钢是采用电能来供热，不需要燃烧额外的燃料,这两种工艺过程中产生的钢渣组成基本相同，但各组分的含量有所差别。为了得到不同品质的钢材，在精炼过程中需要加入不同的合金，因此钢包精炼渣的化学组成会有较大的不同，一般来说，钢包渣中FeO/Fe₂O₃含量比转炉渣和电弧渣低，Al₂O₃和CaO的含量相对更高。不过无论哪种类型的钢渣，它们的密度一般在3.1?3.6 g/cm³，质地坚硬，结构致密，有良好的耐磨性能和抗压性能，它们的主要化学成分均是CaO，SiO₂，FeO/Fe₂O₃，Al₂O₃，MgO，MnO，P₂O₅等。钢渣的颜色受到其本身碱度的影响，碱度低时呈现灰色，碱度高呈现褐灰色。从元素组成上来看（以氧化物形式表示），三种类型钢渣的主要组分含量如表1。

表1  三种类型钢渣主要组分含量对比表

 

2. 钢渣的资源化利用

固废常常被称作“放错地方的资源”，钢渣作为冶炼钢铁过程中产生的固废，通过采取合适的方式处理钢渣，实现钢渣的资源化，对我国钢铁产业向更加绿色科学的方向发展具有重大意义。现今，钢渣的应用主要在这几个方面，在工业上，主要用于冶炼循环利用和制作功能性材料，如孙靖婷等人首先将氯化铵浸取过的钢渣经过碳热还原提铁，然后利用还原渣最终制得了微晶玻璃；在建筑上，主要用于路基建设，水泥生产和建筑骨料等，Moon等人将不锈钢氩氧脱碳精炼渣（AOD）掺入水泥生产中，经过碳化后会得到强度明显提升的钢渣基水泥。不过钢渣中游离的CaO和MgO会导致水泥膨胀和开裂，并且钢渣中残存的重金属如铬和钒等可能会以离子形式溶于水中，从而造成严重污染；在农业上，可用于制作化肥和土壤改良剂，王昭然等人以钢渣为主要成分，制备了钢渣-锰渣复混肥，经过检测，其锰掺杂量为10%时， 混合肥的效能最好，且农用毒性检测符合国家标准；在水处理上，可用于吸附重金属元素，Kang等人利用钢渣吸附废水中的Pb²⁺，研究了温度和pH值对吸附效果的影响，并且发现利用络合剂如EDTA可以使得钢渣上吸附的Pb²⁺快速解吸，这有利于钢渣的循环利用。但以上这些应用，存在产品附加值低和市场上竞争力较弱的缺点。

最近几年，利用钢渣吸附CO₂成为 人们重点研究的钢渣应用方向之一，我们在Web of Science网站，根据主题词检索，检索式为TS=“steel slag CO₂”,研究方向选择“Environmental Sciences Ecology”，最终检索出719篇相关文献，在2021年英文发文量达到103篇。为了对我国钢渣固碳技术相关研究进展有个初步了解，我们又在中国知网上，根据主题词检索，检索式为TS=“钢渣 AND CO₂”，最终检索出501篇相关文献，由于2005年之前的文章数目很少，且与钢渣固碳技术关系不大，所以忽略不计该年之前的文献，其中中英文文献发文量以及英文文献被引次数随年份的变化趋势如图1。从两幅图中能看出我国乃至全球对钢渣固碳技术研究的热度在持续走高。为了更好地展示出钢渣固碳技术的研究进程，根据关键的时间节点制作了钢渣固碳技术的时间轴，如图2。根据钢渣吸附CO₂的工艺不同，对吸附CO₂后的钢渣有以下几种利用方式。如果用钢渣直接吸附CO₂， 可以在高温下解吸CO₂，富集的CO₂用于其它工艺或者将碳酸化后稳定的钢渣用于路基建设和骨料制作；如果利用从钢渣中浸取出的钙离子来固定CO₂，则在去除杂质离子后可以产生具有高附加值的轻质CaCO₃产品 （PCC），它可以应用在食品、水泥、造纸、粘合剂、制药等领域。从经济和环保角度考虑，利用钢渣固碳将具有非常广阔的前景。

表2  钢渣资源化利用方式

钢渣资源化利用方向	具体方式
工业	钢厂内循环利用；对钢渣进行还原改性回收铁和渣，再通过进一步加工处理制备出目标产品，如微晶玻璃、保温材料等；应用于烧结材料，如陶瓷砖、水泥等；用于橡胶填料
筑路	用于路基工程；回填工程；沥青混凝土集料
农业	制作硅肥和酸性土壤改良剂
水处理	作为吸附剂吸附水中重金属，如汞、砷、铬等
CO2封存和转化	利用钢渣的特性吸附工业排放的CO2

 

 

图1 钢渣固碳相关文献发文量及被引次数随年份的变化趋势图 

 

 

图2  钢渣固碳技术研究的发展进程

二、现状

1. 钢渣固碳机理

无论哪种类型的钢渣，它们中含量最高的化学组分均是氧化钙，钙存在的物相主要是硅酸盐形式，其次是氧化物和氢氧化物形式。氧化钙和氢氧化钙的反应活性较高，在溶液中很容易释放出钙离子进行碳酸化反应，硅酸钙物相中的硅酸根也易被碳酸根取代生成CaCO₃沉淀，同时，浸取后浆液的高pH值有利于CO₂的溶解和CO₃^2-的形成。因此，钢渣具有很高的CO₂吸收潜能。 钢渣固碳是受到自然风化过程的的启迪而发展过来的，矿石自然风化的反应机理如下：

利用钢渣直接与CO₂反应存在碳化率低、操作条件苛刻等缺点，为了提升钢渣的碳化速率，有人提出水溶液碳酸化工艺，即先将CO₂溶于水，然后再和钢渣中溶于水的钙镁离子反应生成稳定的碳酸盐，其反应方程式如2-4

与前两种方式不同，间接碳酸化技术的过程是先用媒介（如酸，碱和铵盐）从钢渣中提取出钙镁离子，然后CO₂通入含有钙镁离子的浸取液中发生反应，生成碳酸盐沉淀，最后固液分离。生成的CaCO₃存在三种物相，分别是方解石、文石和球霰石，其晶体相结构如图3，它们的颗粒尺寸、形状、密度、颜色、光泽等物化性质与物相密切相关。其反应方程式如5-7

 

图 3  （a）方解石（b）球霰石（c）文石的晶相结构图（黄球—Ca 红球—C 灰球—O）

2. 钢渣固碳技术研究

根据已有的钢渣固碳分类，常见的有两种分法，一种是将钢渣固碳技术分成直接碳酸化固碳和间接碳酸化固碳。直接碳酸化固碳技术又分为直接气-固碳酸化和直接气-液碳酸化，直接气-固碳酸化就是钢渣直接与CO₂发生反应，直接气-液碳酸化是溶解在水中的CO₂与钢渣发生反应，间接碳酸化工艺是先通过媒介（常见的有酸，碱，铵盐）将钢渣中的有效组分浸出，然后利用浸取液吸收 CO₂。另一种分法，是将其分成干法固碳工艺和湿法固碳工艺，湿法固碳工艺又分成直接湿法固碳工艺和间接湿法固碳工艺，干法固碳与上面提到的直接气固碳酸化技术类似，直接湿法碳酸化与上面提到的直接气-液碳酸化工艺类似。本文采取第二种分类方法。

（1） 干法碳酸化固碳技术

图 4：反应温度和CO₂浓度对钢渣碳酸化率的影响.

（1-2）在不同CO₂浓度气氛条件下，反应温度对转炉渣碳酸化率的影响；

（3）在75%的CO₂浓度气氛条件下，反应温度对电弧渣碳酸化率的影响；

（4）不同温度下，CO₂浓度对转炉渣碳酸化率的影响；

（5）不同温度下，CO₂浓度对电弧渣碳酸化率的影响

（2） 直接湿法碳酸化固碳技术

直接湿法碳酸化固碳技术相比于干法固碳有固碳效率较好，不需要高温高压环境的优点。直接湿法碳酸化的反应过程可以分成3步，第一步是Ca的浸取；第二步是CO₂气体溶于水生成H₂CO₃；第三步是CaCO₃沉淀的生成。影响钢渣碳酸化程度和碳酸化速率的因素有很多，如温度、液固比、颗粒尺寸、CO₂压力、反应时间、搅拌方式和速度等。温度对碳酸化反应的影响是不可忽略的，Huijgen等人发现温度升高有利于钙的浸取但会降低CO₂的溶解，当温度处在25℃?150℃的范围时，Ca的浸取是钢渣碳酸化反应的决速步，高于最佳反应温度（>200℃）时，CO₂的溶解决定了钢渣碳酸化反应的速率。搅拌速率对于钢渣碳酸化率的影响很小，Huijgen等人发现搅拌速度对于钢渣碳化率的影响微乎其微，这表明钙离子从颗粒表面向溶液的质量传递是相对快速的，钙从颗粒内部向颗粒表面的扩散才是整个碳酸化反应的决速步。但是搅拌方式的改进可以显著提升钢渣的碳酸化程度，Said等人比较了机械搅拌和超声搅拌对钙浸取率的影响，作者发现对于粒径在50-74 μm的钢渣颗粒，超声搅拌的浸取率达到了96%，机械搅拌的浸取率为65%，对于粒径在500-1000 μm的钢渣颗粒，超声搅拌的浸取率仍有38%，机械搅拌却只有18%，因此可以看出超声搅拌显著提升了钙的浸取率。常见的用于解释水溶液湿法碳酸化机理的模型有表面覆盖模型和收缩核模型，基于收缩核模型的反应机理如图5。从图中不难看出，反应过程中形成的CaCO₃和SiO₂覆盖在钢渣颗粒表面，形成惰性层，会阻碍颗粒内部的钙离子向颗粒表面扩散，从而阻止碳酸化反应的进行，Lekakh等人设计了一种两段式水溶液反应系统来削弱保护层的阻碍作用，当采用循环水模式时，可以通过减小钢渣颗粒尺寸和延长反应器1内的停留时间来减弱保护层对钢渣钙离子浸出效率的影响。经过研究者们对各项工艺参数的不断优化，如今，直接湿法碳酸化已经能实现很高的碳酸化率，Pan等人利用动力学模型和RSM分析，在温度为65 ℃，浆液搅拌速度为840 rpm，浆液流速为0.85 L/min的操作条件下，旋转填料床内转炉渣的最大碳酸化率可以达到95%。Chang等人在常压，温度为65 ℃，粒径小于62 μm，CO₂浓度为99%，搅拌速度为750 r/min，CO₂流量为2.5 L/min的操作条件下，反应30分钟，最终实现93.5%的钢渣碳酸化率。为了减少水资源的消耗，人们开始考虑能否用其它溶剂来取代新鲜水，在沿海地区，如果利用海水作为溶剂可以大大降低工艺过程的成本，因此有人提出海水-钢渣系统去吸收CO₂，其反应机理如图6。Li等人 利用CO^2-海水-钢渣系统在最佳操作条件下以低能耗和低成本实现了90%以上的CO₂吸收能力。Li等人将比重为1.00 wt%的钢渣混入海水中，混合液的CO₂吸收能力相比于纯海水提升了64.27 %。

图5：基于收缩核模型的直接湿法碳酸化反应机理示意图

图6：CO₂溶于海水反应机理图

（3） 间接湿法碳酸化固碳技术

间接湿法碳酸化将钢渣中碱土金属元素的浸出和沉淀分成两个步骤，这样可以有效避免生成的产物附着在钢渣表面而阻碍反应进一步进行的问题。媒介的选取对于间接湿法碳酸化技术非常重要，为了节约能耗和成本，媒介不仅要能高效有选择地浸出钢渣中的Ca离子而且要易于回收利用。已经用于间接湿法碳酸化的的浸取剂大致有以下几类，强酸（比如盐酸或硝酸）、弱酸（如醋酸）、强碱（如氢氧化钠）和铵盐（如氯化铵，硫酸铵等）等。

 1) 酸类盐酸浸取钢渣有浸取率高的优点，Lee等人用盐酸浸取钢渣，实现了 97%的钙浸取率，同时镁和铝的浸取率分别是46%和35%。但是盐酸有腐蚀性强、易挥发、选择性差和难以循环利用的缺点，所以盐酸浸取的方法需要耗费大量试剂且产品纯度较低，经济性较差。醋酸作为一种弱酸，将它用于钢渣的浸取阶段可以实现很高的钙离子浸取率，Teir等人第一次尝试了以醋酸为浸取剂浸出Ca离子，结果发现相比于硅灰石，钢渣在醋酸中的溶解更完全，唐海燕等人发现常温下盐酸对Ca的浸出率高于醋酸，但高于80℃时情况发生反转，这是因为升高温度会使盐酸挥发，醋酸也会挥发但温度升高有利于其电离，所以醋酸对钙的浸取率会上升。醋酸作为钢渣的浸取剂也有利于制备出高纯度的CaCO₃副产品。Eloneva 等人先用低浓度醋酸选择性浸取出钙离子，然后加入氢氧化钠提升溶液 pH 值来促进碳酸化反应的进行，最终制备出高纯度的CaCO₃产品。Bao等人利用了一种包含磷酸三丁酯、醋酸和超纯水的新型的浸取剂从钢渣中提取钙离子，作者发现可以通过控制反应温度，反应时间和液固比来选择性地浸取出Ca离子。

 2) 碱类近些年有人利用低浓度碱为介质来提升钢渣碳酸化转化效率，相比于酸，以碱为介质一方面可以提升CO₂ 的吸收效率，另一方面可以延缓钢渣中钙镁组分的解离速率，减弱生成的碳酸盐包覆在钢渣中未反应组分上，从而改善钢渣的碳酸化率。王晨晔等人在搅拌转速450 r/min，碱浓度20 g/L，反应温度70℃的操作条件下，在低浓度碱溶液中最终实现了49.72%的钢渣碳化率。实验测得最佳碱浓度为20 g/L，当碱浓度低于20 g/L时，钢渣中的固碳组分解离速度受到抑制，溶液中离子浓度维持在较低水平，可以有效减弱碳酸盐包覆现象，而当碱浓度高于20 g/L时，由于钢渣中硅酸钙物相溶解，溶液中钙离子浓度迅速增加，容易使得碳酸盐固体快速生成从而包覆在未反应组分表面，降低钢渣碳酸化效率。Jo等人采用了一种氯化钠电解系统生产HCl和NaOH，然后利用这两种试剂从钢渣中浸取出钙，最终制得高纯度纳米CaCO₃沉淀，该方法可以大大降低试剂成本。

 3) 铵盐类常见的用于钢渣浸取的铵盐有NH₄Cl，NH₄NO₃和CH₃COONH₄等。利用铵盐浸取钢渣具有两个优点，其一是试剂可以循环利用，从而降低能耗，以氯化铵浸取钢渣为例，其化学反应方程式如 8-9，Said 等人循环利用氯化铵溶液浸取钢渣中的 Ca 离子，新鲜氯化铵溶液的浸取率为 77%，当循环利用次数超过10 次后，钢渣浸取率就会低于39%；另一个是铵盐可以高选择性地提取出钢渣中的钙离子，有人研究发现氯化铵溶液的pH值一般处在8.0-10.5的范围内，这个范围只有钙离子能浸出，而盐酸和醋酸的pH值一般分别处在3.72和5.32左右，而镁离子和锰离子在pH<7.5和pH<7.0时才会浸出，因此氯化铵可以有选择地浸取出钢渣中的钙离子。Kodama等人利用氯化铵溶液从钢渣中高选择性地提取出Ca离子，并且浸取率达到60%。Tong等人利用氯化铵溶液浸出电弧渣中的钙离子，并且在微波辐射下使钙离子碳酸化，结果发现微波辐射可以阻碍球文石的晶型转变。氯化铵在温度较高的情况下会导致更多的氨从溶液中蒸发出来，从而使得能耗增大，所以利用氯化铵作为浸取剂时应在较低温度下进行。2014年，在芬兰世界上第一座矿物碳酸化中试厂建成，它以氯化铵为浸取液，可以实现80%的钙浸取率，同时超过70%的CO₂被利用和转化为PCC，为了减少氨蒸发导致得损耗，该厂控制溶液温度在45℃下进行

（4） 新型钢渣固碳技术

除了以上提到的钢渣固碳技术，最近几年，又出现了一种新的钢渣固碳途径，即以钢渣为原料制作出一种性能优良且成本低廉的CO₂吸附材料。一种方法是以钢渣为前驱体制作高效氧化钙基吸附剂，氧化钙循环煅烧法被视作一种最具商业化应用前景的燃烧后CO₂捕集技术，由于天然氧化钙在循环煅烧中高温烧结和孔隙塌陷而造成吸附能力迅速下降的问题，该技术的应用受到了严重限制，因此开发出一种性能更加优异的CO₂吸附材料对于该技术的发展具有重要意义。田思聪等人以钢渣为原料采用协同沉淀的方法制作出了一种钙基CO₂吸附剂，该吸附剂材料相比于商品化氧化钙具有更大的吸附容量和更加稳定的循环吸附能力；Tian 等人用醋酸萃取改性钢渣制得的吸附剂经过10 次吸附循环后其CO₂吸附容量是商业氧化钙的1.4 倍；Sun等人利用醋酸处理钢渣进而制备钙基 CO₂吸附剂，通过控制操作条件，在浸取时间为2 h，浸取温度为60 ℃，醋酸浓度30 wt%和固液比1:10的条件下，制备出了一种性能优良的CO2吸附剂。另一种方法，是以钢渣为硅源，从中提取出SiO₂基体，经过改性制备出CO₂吸附剂，李凯敏对固废源SiO₂基固态胺材料用于CO₂捕集进行了相关研究，高炉铁渣含有大量硅酸盐，可以从中提取出SiO₂，作为固态胺吸附剂的基体，如今已经成功的有，林七女等人从高炉铁渣提取出了 SiO₂产品。此外，Liu 等人也以高炉渣为硅源，然后从LiCO₃和LiOH·H₂O提取出Li进而制备出了Li₄SiO₄吸附剂。该方法如今还在起步阶段，相关研究还不充分。

3. 钢渣固碳的应用案例

目前矿物固碳技术大部分仍存在于实验室中，实际的工程应用案例很少，已有的钢渣固碳应用案例大多采用间接湿法碳酸化技术，比较典型的有中国的包钢集团碳化法钢渣综合利用项目一期二阶段10万吨示范产业化项目和在芬兰的阿尔托大学能源工程和环境保护研究团队建成并测试的世界上第一座利用钢渣固碳的矿物碳酸化中试厂。包钢集团碳化法钢铁渣综合利用项目是世界上首个钢渣和二氧化碳综合利用的项目，该项目一期共分成两阶段进行，第一阶段主要是以哥伦比亚大学项目组实验室中试为基础进行的概念验证和测试，第二阶段于2021年7月31号正式开工，根据初期生产数据，一吨钢渣可以碳化封存0.21?0.4吨二氧化碳，生产过程中可以产生高纯CaCO₃和含铁料，CaCO₃可用于 PVC 管材的实际生产，含铁料可回用于烧结工序，最终实现钢厂中钢渣资源化利用和CO₂封存的双重目的。该项目一期二阶段预期最终实现年消耗10万吨固废，同时生产约4万吨高纯CaCO₃、7万吨含铁料和消耗1万多吨的二氧化碳气体。芬兰的钢渣固碳矿化中试厂项目于2014年建成并试运行，从早期的测试结果来看，该厂能处理20 kg的钢渣固废和190 L的溶液，同时产生约10 kg的PCC。由于化学试剂能再生并重新利用于钙的浸取部分，所以该厂的经济成本可控制在允许范围内。但是，在运行过程中仍有许多问题需要进一步改进，首先，在浸取部分钢渣中一些重金属离子，如铬，钒等，也会随着钙离子浸出，从而影响最终制取的 PCC 品质。Mattila 等人建议使用超低浓度的氯化铵溶液浸取，但这会大大降低钙的浸取速率。其次，如何在较低温度（45℃）下控制生成更加稳定的CaCO₃晶相也是一个问题，传统的PCC制作工艺中，CaCO₃晶相一般在高于55℃的温度下制备，但在该温度下，溶液中的氨会蒸发使得化学试剂损耗量增大并且会影响钙的浸取速率，因此需要控制碳化温度在较低的范围内，Said等人发现可通过控制CO₂流速来弥补温度对CaCO₃晶相的影响，不过要实现对CO₂流速的精准控制需要我们对碳酸化过程中的动力学有更深的认识。最后，Said 等人还发现设备中的含铜部件（常出现在连接部分）与溶液接触会使得铜离子浸取出来，不但损害设备而且影响产物纯度，因此在该系统中应尽量减少使用含铜部件的使用或者在裸露的铜表面涂覆保护层。

三、发展

根据以上介绍，可以看出如今主要有两种固碳技术，一种是利用钢渣直接固定 CO₂，另一种是利用从钢渣中浸取出的碱金属离子（如Ca²⁺，Mg²⁺）来固定CO₂。此外，最近几年有研究者尝试以钢渣为原料制作高效的CO₂吸附材料的方式来达到工业固碳的目的。以下是对各个技术优缺点的总结，如表3。

 （1）干法固碳是利用钢渣直接吸附CO₂，该技术具有工艺简单和能耗低的优点，不过由于钢渣中能与CO₂反应的活性钙组分较低和生成的CaCO₃层的阻碍作用，导致该技术固碳效率低下。虽然可以通过控制反应在高温高压下进行来提升钢渣的固碳速率，但这需要消耗大量的能量，并且固碳效率也很难达到令人满意的效果。在最近几年，有人又提出将钢渣以高温钙循环的方式吸附 CO₂，相比于钢渣高温直接气固碳酸化，该方式可以显著提高钢渣的CO₂吸附容量。在一些会产生高温高压废气的厂区，如炼钢厂等，有望利用废气高温高压的性质来助力该技术的实现。 

 （2）直接湿法碳酸化工艺利用水溶液溶解CO₂后再与钢渣中的Ca反应，该技术相比于干法固碳工艺，在常温常压下可以实现更高的碳酸化速率。但由于过程中需要消耗大量水，并且产生的废水也需要经过处理达标后才可以排放，所以无形中增加了经济成本和水资源的浪费。不过，已经有人开始研究是否可以用工业过程中产生的废水来取代新鲜用水，尤其在在一些沿海地区，已经有人研究利用海水代替新鲜水，研究结果显示钢渣与海水的混合液不但大大提升了钢渣的碳化率而且降低了成本和能耗。 

 （3）间接湿法碳酸化工艺把碱土金属离子的浸出和沉淀反应分开成了两个步骤，因此可以有效避免生成的碳酸盐沉淀附在钢渣表面从而阻碍反应进一步进行的问题。该技术能在较低的反应温度和气体压力下实现很高的碳酸化效率，并且去除杂质离子后可以获得高附加值的CaCO₃产品。但该技术现在存在需要耗费大量化学试剂和水，设备腐蚀和废液最终处理等问题。

表3  钢渣固碳技术优缺点对比表

钢渣固碳技术	优点	缺点
干法固碳技术	操作简单；成本低；	碳酸化率低，反应条件苛刻
直接湿法固碳技术	在常温常压下可以实现较高的碳酸化率	需要耗费大量水；产生的废水如果处理不当会造成新的污染
间接湿法固碳技术	在常温常压下实现很高的碳酸化率；可以产生具有高附加值的CaCO3产品	需要额外消耗化学试剂，工艺复杂；化学试剂的最终处置需要考虑；化学试剂具有腐蚀作用，会缩短装置寿命。

经历了二十几年的发展，钢渣固碳技术已经得到了一定的发展。但如今它们大部分都停留在实验阶段，距离实现工业化应用还有许多待解决的问题。由于碳的捕集和封存技术（CCS）的灵活性和普适性，毫无疑问它将是实现工业降碳的关键技术之一。而要将钢渣固碳技术实现规模化应用，还面临着许多阻碍。在经济和财政上，工业脱碳往往存在初始投资成本高、投资周期长和风险大等问题，在未来随着碳排放成本的提升和政府制度的完善，碳的捕集和封存（CCS）技术在经济上将会变得可行，钢渣作为原材料具有成本低廉、运输方便的优点，之后一定会受到更多研究者的关注。在技术上，各种钢渣固碳技术都有着各自的优缺点，但概括起来主要有两个大方面，一方面是要提升钢渣的固碳速率和固碳能力，另一方面是降低钢渣固碳工艺过程中的成本。要实现它们，需要研究者们对钢渣固碳技术进行更全面和更深层次的研究，首先，钢渣固碳机理和相关的动力学理论尚不完善，需要进一步探究；其次，开发出高选择性，高吸附容量、良好的稳定性和低能耗的钢渣基CO₂吸附材料是钢渣固碳技术实现突破的关键；最后，设备工艺过程的优化也具有重要意义，现有的研究，人们更多注意的是单因素对钢渣固碳效率的影响，此后，研究者可以关注不同工艺参数对钢渣固碳效率的综合影响，经过调控，最后达到最佳的反应条件。除了以上几点，钢渣固碳工艺过程中能量的消耗、产物的利用以及工艺流程中可能出现的新的CO₂排放和环境污染的相关研究还未引起重视，在未来，要将钢渣固碳技术真正实现工业化应用，也必须要加强这些方面的研究。

概括起来，在技术层面，今后钢渣固碳技术的研究方向要重点关注以下方面： 

（1）进一步搞清钢渣固碳反应机理和过程中的动力学，完善钢渣固碳工艺效果的评价体系。

（2）开发新的高效钢渣源CO₂吸附材料。 

（3）研究钢渣固碳技术中多种因素的综合影响效果。 

（4）加强钢渣碳酸化生命周期评估（LCA)的研究。 

 （5）结合区域和工厂实际情况，采用针对性的技术措施，比如沿海地区可以考虑用海水替代新鲜淡水，利用一些工业生成废气高温高压的特点加速碳酸化反应，在大城市附近的钢厂将吸附CO₂的钢渣用于建筑材料制作等，综合各方面因素，将技术与工业其它部分相整合，充分发挥区域优势，实现可持续可循环的发展格局。

五、结论

在这篇文献中，我们首先介绍了钢渣的分类和组分特点，以及钢渣常见的资源化利用方式。接着简述了钢渣固碳的反应机理，并且重点介绍了钢渣固碳技术的研究现状。最后比较了不同固碳技术之间的优缺点，对于钢渣固碳未来的发展提出了自己的看法。以下是对各个部分的一个概述。 

 （1）钢渣作为一种炼钢工业过程中的副产物，它含有大量的金属碱土氧化物，因此钢渣的碱度较大。 由于钢渣的这些特点，钢渣可以用于路基建设，水泥生产，土壤施肥和废水处理等方面。近几年，人们发现发展钢渣固碳技术有望实现良好的经济和环境效益的结合，因此更多的人开始关注和研究这个方向。 

 （2）钢渣固碳的反应机理概述起来就是利用钢渣中碱土金属离子与CO₂的碳酸化反应实现 CO₂的封存。对于CO₂来说，碳酸盐是一种非常稳定的存在形式。碳酸化后的钢渣在稳定性上会得到增强，钢渣中的重金属离子浸出能力会降低，钢渣的碱度也会下降，这些改变有助于钢渣应用到更广泛的领域。 

 （3）钢渣固碳技术大体上可以分成干法固碳技术和湿法固碳技术两种方式。钢渣干法固碳技术由于碳酸化反应困难和反应条件苛刻的缺点，渐渐被人们抛弃。如今，人们把注意力更多地放在了钢渣湿法固碳技术上。为了提高钢渣的固碳率，研究者通过优化工艺操作参数，利用不同的反应器和采用其它技术（如超声处理，钢渣改性，微生物处理等）来实现这一目的。此外，最近几年又出现了对钢渣进行改性或提取制备高效CO2吸附材料的方法来实现钢渣固碳的相关研究。不过要想使得钢渣固碳技术应用到实际的工业中，我们还要考虑到经济、社会、政策和技术等多方面因素，从技术角度来看，我们要在实现高CO2吸附能力的同时降低工艺过程中的能量消耗和成本，同时有效应对工业过程中潜在的CO2排放和其它污染，使得钢渣固碳技术真正实现环境和经济效益的统一。 

 （4）如今已经有人尝试将钢渣/矿物碳酸化固碳技术工业化和商业化，如中国的包钢集团碳化法钢渣综合利用项目和芬兰的钢渣固碳的矿物碳酸化中试厂项目，根据现有的数据可以看出矿物碳酸化固碳具有很大的固碳潜力，虽然现在还无法做到真正的商业化，但在不断地改进和更迭后，矿物碳酸化固碳技术在固碳能力效率和经济性上已经取得了很大进步，相信在不久的将来，矿物碳酸化技术将在降低CO₂工业排放上发挥更大的作用。