高炉渣利用的温室气体减排潜力与经济可行性的系统量化：从单一路径到级联利用路径

《Process Safety and Environmental Protection》：Systematic quantification of greenhouse gas reductions potential and economic viability of blast furnace slag utilization: from single to cascade utilization pathways

　　

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  量化了高炉矿渣利用中理论温室气体减排与净温室气体减排之间的差距
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  在单一利用途径中，水泥替代具有最高的净温室气体减排量
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  梯级利用显著增强了脱碳潜力
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  余热回收和水泥替代是最优利用途径
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  全球高炉矿渣梯级利用可减少3.18亿吨CO₂当量

引言

随着全球气候危机加剧，减少温室气体排放已成为可持续发展的关键目标（van Soest et al., 2021, Ritchie, 2020）。为减轻全球变暖的严重影响，各工业部门的全面脱碳势在必行。特别是，钢铁行业仍然是人为温室气体排放的主要来源，占全球温室气体总排放量的约8%（Xu et al., 2023, Lei et al., 2023, Tian et al., 2018）。鉴于该行业固有的高碳排放特征，其脱碳已成为紧迫任务（Wang et al., 2025）。因此，在该行业识别并实施有效的减排策略对于应对全球气候危机至关重要。

固体废弃物利用为钢铁行业脱碳提供了有前景的途径（Pan et al., 2020, Sun et al., 2022, Di et al., 2025, He et al., 2025）。具体而言，高炉矿渣被认为是一种具有巨大温室气体减排潜力的关键二次资源。为充分利用高炉矿渣，研究已聚焦于三条主要途径（余热回收、碳化作用和产品替代）。首先，高炉矿渣的排放温度高达1500–1600 °C，是一种适合回收的高品位热能来源（Sun et al., 2022, Wang et al., 2016）。理论上，可回收热能为1677.5 MJ/t矿渣。其次，由于其高碱性，高炉矿渣可与CO₂反应形成稳定的碳酸盐，从而实现永久性碳封存（Mayes et al., 2018, Kirchofer et al., 2013, Pan et al., 2016, Said et al., 2016, Liu et al., 2021, Yang et al., 2022, Gao et al., 2023, Sanna et al., 2014）。据估计，通过碳化作用可实现6300万吨CO₂当量的理论温室气体减排（Pan et al., 2020）。最后，高炉矿渣可作为多种工业产品的替代品，从而避免初级生产和填埋处置相关的温室气体排放（Mayes et al., 2018, Yang et al., 2022, Shah et al., 2022, Miller and Myers, 2019, Gast et al., 2022, Arrigoni et al., 2020, Whittle et al., 2026, Miller et al., 2018, Miller et al., 2016）。如果所有高炉矿渣都用于替代水泥，可减少3.86亿吨CO₂当量的温室气体排放。总体而言，这些途径表明高炉矿渣具有显著的温室气体减排理论潜力。

理论温室气体减排往往忽视了利用效率和材料消耗。实现有效脱碳需要明确了解理论减排与净减排之间的差距。目前，缺乏对不同利用途径净温室气体减排潜力的比较分析。此外，鉴于高炉矿渣供应有限，单一利用不足以满足脱碳需求。这使得梯级利用途径的探索成为关键（Fan et al., 2024）。然而，对梯级利用途径的综合评估仍然稀缺（Di et al., 2025）。此外，净温室气体减排与经济性之间的权衡关系仍不清楚。

因此，本研究系统调查了单一利用和梯级利用的温室气体减排潜力及经济可行性。首先，评估了各种利用途径的理论减排与净减排。随后，开展成本效益分析以考察经济可行性。最后，量化了通过高炉矿渣利用可实现的全球温室气体减排潜力。本研究旨在为钢铁行业制定有效的高炉矿渣管理策略提供理论基础。

章节摘要

材料与方法

为全面评估高炉矿渣利用的温室气体减排和经济可行性，建立了一个系统性框架。该框架包括温室气体减排潜力分析、经济可行性评估以及全球温室气体减排潜力量化。对单一利用和梯级利用均进行了评估（图1）。高炉矿渣的单一利用包括余热回收、碳化作用和产品替代。高炉矿渣的梯级利用包括余热回收、湿法碳化作用和

单一利用的温室气体减排潜力

在钢铁行业，高炉矿渣是一种不可避免且具有双重环境影响的副产物。传统处理处置消耗大量材料，从而产生温室气体排放。然而，有效利用高炉矿渣可减少温室气体排放。为充分利用脱碳潜力，已基于其特性（余热回收、碳化作用和产品替代）调查了三种利用途径。然而，关键

结论

本研究对高炉矿渣各种利用途径的温室气体减排潜力和经济可行性进行了全面评估。研究表明，从单一利用转向梯级利用对于最大化环境效益和经济效益至关重要。在实际应用中，利用效率和材料消耗的固有约束导致理论减排与净减排之间存在巨大差距。在单一利用途径中，水泥

作者贡献声明

张亚磊：写作–审阅与编辑、监督、资金获取。初华强：写作–审阅与编辑、方法论。周雪飞：监督、资金获取。萧绍泽：可视化、正式分析、数据管理。王恩泽：写作–审阅与编辑、正式分析。彭原玮：写作–初稿、验证、方法论、正式分析、数据管理、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究由中国国家重点研发计划（编号：2024YFD1600202）、国家自然科学基金（编号：52270076）和中国宝武低碳冶金创新基金（编号：BWLCF202105）提供资金支持。

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