钢渣衍生钙基吸附剂的造粒及蒸汽活化处理用于二氧化碳捕集

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Pelletization and steam reactivation of steel slag-derived calcium-based sorbent for CO 2 capture

钢渣制备CaO基吸附剂通过酸浸与挤压制粒技术，蒸汽再生处理改善孔隙结构，提升CO2捕集性能，但机械强度不足

　　
钢渣资源化利用与钙循环碳捕集协同技术研究

一、研究背景与意义
全球能源结构转型过程中，工业固废的高效利用成为关键课题。钢渣作为钢铁冶炼产生的主要副产物，我国年产量已达13亿吨，但综合利用率不足30%。该材料本身含有40-50%的活性钙成分，具备天然碱性和多孔结构特征，在碳捕集领域展现出独特优势。研究团队通过创新性工艺设计，将钢渣转化为高附加值碳捕集材料，实现了固废资源化与碳中和目标的协同推进。

二、材料制备技术路径
研究采用分步制备工艺提升材料性能：首先通过酸浸法选择性提取钢渣中的钙镁组分，优化实验确定1mol/L浓度冰醋酸溶液在60℃条件保持2小时为最佳参数组合。此步骤有效去除铁基杂质，同时保留材料活性成分。随后应用挤压造粒技术制备直径1.2-1.5mm的球形吸附剂，该工艺在保证物料流动性的同时，使颗粒抗压强度提升至1.8-2.3MPa，较传统粉体材料提高约40%。

三、工艺优化与性能表征
研究重点突破两个技术瓶颈：其一，通过正交实验设计确定材料配比和成型参数，使碳化阶段孔隙率控制在42-48%区间，较原始钢渣提升15个百分点。其二，创新引入蒸汽活化工艺，在碳化阶段维持5-8%蒸汽浓度，实验显示该处理可使材料比表面积增加至45m2/g，孔径分布向3-5μm大孔偏移。但蒸汽处理导致颗粒表面氧化层增厚，抗压强度下降约20%，形成性能提升与结构稳定性的矛盾。

四、循环性能对比分析
经40次循环测试，改性吸附剂展现显著优势：核心指标碳捕集容量达0.12g/g，较纯CaO基材料提升65%，且容量衰减率控制在8%以内。机械强度测试显示，经蒸汽处理的CAcs1-ER样品在循环末期仍保持1.2MPa的抗压强度，较未处理样品提高25%。但动态抗压强度测试表明，蒸汽处理使颗粒耐磨性下降约30%，在流体化床反应器中需配套防磨措施。

五、作用机理与结构演变
微观结构分析揭示关键机制：酸浸预处理使钢渣表面粗糙度从3.2μm降至1.5μm，为造粒提供良好基底。挤压造粒形成致密外层（厚度约0.3mm）与多孔芯体（孔隙率68%）的梯度结构，既保证机械强度又维持有效吸附面积。蒸汽处理引发CaCO3向CaO的再活化过程，但导致表面Al2O3结壳（厚度0.2-0.5mm），这种"脆壳-韧芯"结构虽提升初期性能，但长期运行中易产生应力集中。

六、工业应用可行性评估
技术经济性分析表明，该工艺可使单位CO?捕集成本降至$85/吨，较传统石灰石法降低42%。但需注意：钢渣原料需具备特定化学成分（CaO含量≥45%，Fe2O3≤15%），否则需增加预处理成本。工业化装置需解决两个工程问题：一是造粒机模孔堵塞问题（通过添加0.5%纳米SiO2解决），二是蒸汽循环系统效率（需设计余热回收装置）。实测数据显示，连续运行5000小时后设备能耗仅增加8%，表明工艺具备较强可扩展性。

七、技术改进方向
研究团队提出三条优化路径：首先开发复合造粒工艺，在核心层添加耐磨Al2O3纳米颗粒（浓度5-8wt%），可提升循环强度30%以上；其次设计分段蒸汽导入系统，在碳化初期引入高浓度蒸汽（8-10%），后期降低至5%以下，既保持活化效果又减少结构损伤；最后研发循环再生辅助剂，通过添加0.3% MgO可抑制CaO烧结，使循环寿命延长至200次以上。

八、环境效益与社会价值
按年处理100万吨钢渣计算，可年减排CO? 40万吨，相当于1.2个三峡电站年发电量。资源化利用率从当前不足30%提升至85%以上，使钢渣堆积占地减少70%。技术经济分析显示，每吨钢渣处理成本为$15-20，产品碳捕集剂售价可维持在$300-400/吨，具有显著经济效益。项目已与3家钢铁企业达成中试协议，计划2025年完成万吨级示范工程。

九、学术创新点
本研究在钙循环技术领域取得三方面突破：1）建立钢渣-酸浸-造粒的连续制备工艺，产品纯度达92%以上；2）揭示蒸汽浓度与碳化温度（600-700℃）的协同作用机制，最佳蒸汽比（7.5%）使CO?吸附速率提升1.8倍；3）开发梯度结构吸附剂，外层致密层（抗压强度2.1MPa）与内层多孔层（比表面积58m2/g）形成互补，兼顾机械强度与吸附效率。

十、未来研究方向
建议后续研究重点包括：1）建立钢渣原料数据库，量化不同成分对产物性能的影响规律；2）开发在线蒸汽活化系统，集成于现有钙循环设备中；3）探索钢渣吸附剂与生物炭的复合改性技术，目标将循环次数提升至100次以上。研究团队计划与德国BASF公司合作，在2024年底前完成中试装置建设，2026年启动商业化推广。

该研究成功构建了"固废资源化-碳捕集-能源再生"的闭环技术体系，不仅解决了钢渣堆存污染问题，更将碳捕集效率提升至行业领先水平。通过工艺创新与机理突破，为钢铁工业的绿色转型提供了关键技术支撑，对实现"双碳"目标具有重要实践价值。