操作条件对钢渣浸出液吸收二氧化碳及碳化的影响

《Process Safety and Environmental Protection》：Effects of Operating Conditions on CO 2 Absorption and Carbonation Using Steel-making Slag Leaching Solution

　　

摘要

钢铁生产面临双重环境挑战：大量CO₂排放以及钢渣（SS）这一主要固体废弃物的产生。同时，钢渣的低价值利用导致钙（Ca）资源流失。利用含钙钢渣矿化固存CO₂有望实现减碳与固废资源化利用的双重效益。本文采用间接矿化法研究了钢渣吸收CO₂的可行性。通过用氯化铵（NH₄Cl）溶解钢渣制备浸出液，然后用于吸收CO₂，其中鼓泡吸收为主要碳化方法。通过监测碳化过程中出口CO₂浓度的变化来表征不同阶段的反应行为。系统地研究了CO₂浓度、浸出液pH值、气体流速和吸收构型对CO₂吸收行为的影响。在所测试的鼓泡构型中，两级系统表现出最佳整体性能，实现了每升浸出液累积CO₂吸收量为0.38 g CO₂·L?1。此外，探索了喷雾辅助碳化方法，展示了增强的气液接触特性及进一步工艺开发潜力。

引言

温室效应的加剧被认为是威胁人类生存和社会发展的主要挑战（Kopp等人，2016）。二氧化碳（CO₂）是主要的温室气体，其大部分排放来自不可避免的人类活动（Choi和Manousiouthakis，2022；Dai等人，2022）。随着人口的持续增长和经济的快速发展，对化石燃料的需求急剧增加，并预计在未来几十年内仍将占主导地位，使得大量CO₂的生成和排放不可避免。根据目前的工业碳排放率，如果不实施有效的排放控制措施，预计到2100年大气CO₂浓度将达到540~970 ppm，全球平均地表温度预计将上升1.4~4.4 °C。这可能引发不可逆转的生态危机，包括冰川融化和海平面上升（Solomon，2007；政府间气候变化专门委员会，2023）。因此，必须实施工业碳排放削减措施。

钢铁工业是传统的能源密集型行业，碳排放量巨大。以中国为例，钢铁生产的CO₂排放约占全国CO₂排放总量的15%和全球钢铁行业CO₂排放总量的60%以上（Liu等人，2022；Wang等人，2022a；Wang等人，2022b）。研究表明，为实现全球能源和气候目标，到2050年，全球钢铁行业的CO₂总排放量必须至少减少50%，每吨钢的排放量需减少60%。同时，钢铁生产过程中产生的钢渣（SS）是一种主要固体废弃物，其产生量巨大。例如，中国每年产生超过1亿吨钢渣，但利用率不到25%。虽然部分用于制造砖块和路基材料，但大多数只是简单地堆放。这种做法导致资源浪费和环境问题不可避免（Zhang等人，2023）。目前，环境保护形势严峻，如何减少碳排放或消耗CO₂已成为许多领域研究的热议话题（Niu和Chen，2020；Adesina，2020；Ni等人，2023）。

碳捕集、利用与封存（CCUS）技术目前被认为是减轻CO₂不利影响的最具前景的技术途径之一。现有的CCUS方法主要包括海洋封存、地质封存、生物固碳和矿物封存（Adesina，2020）。其中，CO₂矿物封存因其长期安全性好和具有经济潜力而受到广泛关注。矿物碳化通过模拟含钙和镁（Mg）矿物的天然风化过程实现CO₂的稳定吸收。在此过程中，CO₂被吸收并转化为稳定的、不溶于水的碳酸盐矿物，如CaCO₃和MgCO₃。各种原料可用于此碳化过程。已针对CO₂矿化研究了多种天然矿物，包括橄榄石（Mg₂SiO₄）（House等人，2007）、硅灰石（CaSiO₃）（Haque等人，2020）和蛇纹石（Mg₃Si₂O₅(OH)₄）（Huijgen等人，2006）。然而，开采、运输和预处理这些天然矿石的成本天然较高，这构成了一个重大制约因素。

一系列研究已评估使用碱性工业固体废弃物替代天然矿物进行CO₂捕集和封存的可行性（Jo等人，2017；Liu等人，2021；Mi和Ma，2019）。来自电力、钢铁和化工生产等行业的碱性固体废弃物，包括粉煤灰、钢渣和电石渣，具有CO₂矿化封存能力。钢渣的化学成分主要由钙（Ca）、镁（Mg）、铝（Al）、铁（Fe）和硅（Si）等元素的氧化物组成。由于其反应活性高于天然矿物且具有固有碱性，钢渣特别适用于CO₂矿化，其丰富的Ca和Mg相可作为有效载体。使用钢渣进行碳固定具有双重优势：既减少CO₂排放，又降低钢渣堆积带来的环境风险。因此，通过同时应对气候变化和推进工业废弃物资源回收，具有重要的环境意义。

目前，间接矿化已成为基于钢渣的CO₂吸收的重要途径，而相比之下，富钙浸出液的CO₂吸收和碳化行为受到关注较少（Tang等人，2014；Zhao等人，2015；Tian，2016；Li等人，2023；Liang等人，2020；Kusaka等人，2022）。特别是，操作条件对CO₂吸收行为的影响需要进一步系统研究（Tong等人，2019；Said等人，2016；Kodama等人，2008；Yuan等人，2022）。

本研究聚焦于源自钢渣的富钙浸出液的CO₂吸收和碳化行为。间接矿化过程包括两个主要步骤。第一步是从钢渣中浸出含钙组分以获得富钙浸出液，按照我们先前研究（Xie等人，2025）建立的流程进行。本工作重点关注随后的碳化步骤。系统地研究了入口CO₂浓度、浸出液pH值、气体流速和吸收构型对CO₂吸收行为的影响。根据碳酸盐平衡和气液传质考虑，对观察到的反应阶段行为进行了进一步解释。此外，探索了喷雾辅助碳化作为替代气液接触模式。这些结果为使用钢渣浸出液进行间接碳化的操作提供了实验洞察，并为进一步工艺开发奠定了基础。

章节摘要

原材料

钢渣取自河北钢铁股份有限公司承德分公司。钢渣的化学成分如表1所示。NH₄Cl和NaOH购自上海阿拉丁生化科技有限公司。去离子水在实验室配制。二氧化碳（CO₂，纯度> 99%）由唐山唐钢气体有限公司供应。

钢渣浸出液的制备

使用一系列不同浓度的NH₄Cl溶液对钢渣进行浸出。在优化条件下，获得富含Ca离子的浸出液，以及

Ca和Mg浓度及CO₂矿化产物的分析

鉴于浸出液中Ca²?浓度远高于Mg²?，研究了该条件下两种离子的变化。将CO₂浓度稳定在18.8 ± 0.5%和40.0 ± 1.0%（体积分数）的气体混合物分别引入含有500 mL浸出液的容器中。维持气体流速为1200 mL·min?1，并采用主要吸收方法。

不同CO₂浓度对Ca²⁺和Mg²⁺含量的影响

结论

本研究调查了钢渣浸出液的CO₂吸收和碳化情况，并评估了关键操作条件的影响。主要结论如下：

• 1)
  入口CO₂浓度显著影响反应动力学，但未改变浸出液的总CO₂吸收能力。浓度过高会导致未反应的CO₂大量直接排放，导致严重的碳"短路"现象。在所研究的

CRediT作者贡献声明

李秋明：数据整理。白瑞莹：验证。胡晨光：可视化、调查。刘刚：验证。孙秀芳：可视化、调查、数据整理。贾源：初稿撰写、数据整理。冯小鑫：可视化、调查。谢元涛：初稿撰写、方法学、调查、形式分析、概念化。

利益冲突声明

所有作者声明，他们没有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

作者感谢河北省重点研发项目（编号22373710D）的支持；以及京津冀区域大气污染协同治理-国家重点研发计划（2024ZD1200404）。

谢元涛|冯小鑫|贾源|胡晨光|白瑞莹|孙秀芳|刘刚|李秋明