水泥厂残渣与工业副产物矿化固碳：工艺路径、窑炉烟气集成与技术成熟度

《Carbon Capture Science & Technology》：Mineral carbonation of cement-plant residues and industrial by-products: Process pathways, cement-kiln flue-gas integration and technology readiness

　　

水泥生产产生高浓度含CO2烟气以及碱性残渣，可通过矿化固碳（mineral carbonation，MC）耦合以支撑水泥行业部分脱碳。本综述评估了厂内水泥厂残渣（如水泥窑灰（cement kiln dust，CKD）、水泥旁路灰（cement bypass dust，CBPD）、非规格熟料、废耐火材料）以及厂外高炉渣（blast-furnace slag，BFS）、钢渣、粉煤灰的碳化路径。研究人员按来源、活性Ca/Mg可及性、处理需求、已证实碳化性能、产品去向和技术成熟度（technology readiness level，TRL）对原料与路径进行比较。干法或湿辅助气固路径和直接水相路径最适用于含可接触游离CaO或Ca(OH)2的残渣；而硅酸盐、铝硅酸盐及死烧MgO丰富材料通常需更长停留时间或机械、化学、热或加压强化。CKD与CBPD因具备可接触钙和厂内可得性而具最强近期集成潜力，但其组成与净可得性因厂而异。外部渣与粉煤灰可扩大原料能力，但带来运输、竞争利用和负担分配问题；废耐火材料仍验证不足。研究人员进一步指出，总CO2吸收量、最终CO2含量、碳化程度、提取与碳酸盐回收效率不可互换，缓解决策取决于过程能耗、试剂回收、产品认证、市场需求与末端处置。厂级表征、一致碳核算与集成中试示范是将碳化性能转化为可信减排的关键。

论文解读：《水泥厂残渣与工业副产物矿化固碳》主体内容总结

研究背景方面，水泥生产约占全球人为CO₂排放7–8%，其中石灰石煅烧贡献约60%，燃料燃烧贡献其余部分。电网脱碳不能消除煅烧排放，传统熟料工艺中煅烧不可避免。窑炉烟气通常含14–33 vol% CO₂，浓度高于天然气电厂尾气，可供给活性碱性碳化体系直接使用，但仍可能需冷却、除尘、压缩或纯化。厂内产生水泥窑灰、旁路灰、非规格熟料与废耐火材料；厂外可纳入高炉渣、钢渣、粉煤灰形成产业共生。已有综述较少把窑炉烟气与水泥厂残渣作为厂级配对输入来系统比较原料集成潜力、活性Ca/Mg可及性、过程严酷度与TRL。因此，研究人员开展本综述，以建立厂内闭环框架下的原料—路径选择依据。

作者为开展研究采用的主要关键技术方法包括：在Scopus与Web of Science至2026年5月文献基础上补充ScienceDirect与Google Scholar检索；按来源与集成潜力、活性Ca/Mg可及性、过程严酷度、技术成熟度四项准则对原料打分（0–2分，总分8分分Tier 1–4）；将TRL赋予具体原料—路径组合，并按集成系统中最不成熟关键组件确定整体TRL；用原始实验、中试、工业、技术经济（techno-economic assessment，TEA）与生命周期评价（life-cycle assessment，LCA）研究进行证据综合。

第1节引言说明，矿化固碳把CO₂与含Ca/Mg相转为碳酸盐，可同时服务废物稳定化与建材生产；但缓解决策不只看总吸收量，还受能源、试剂、转化率、原料可得性、运输、产品质量、市场需求与末端处置影响。研究人员强调加速碳化可缩短生产排放与后续吸收之间的时延，厂内闭环指碳与物料流在水泥体系内集成，并不意味水、试剂、盐类与产品流完全闭合。

第2节综述方法显示，研究人员通过结构化叙述性综述筛除地质封存、生物固碳等不相关主题，保留矿化固碳、加速碳化、沉淀碳酸钙（precipitated calcium carbonate，PCC）等方向；用四项准则做比较评分，TRL按最高示范规模赋值。

第3节矿化碳化学基础指出，气固、水相、超临界CO₂与间接提取—沉淀路径的共同机制包括Ca²⁺/Mg²⁺释放、CO₂溶解与碳酸盐类 speciation、碳酸盐沉淀。CKD与CBPD中Ca(OH)₂由游离CaO水化形成，是最活泼相之一；C–S–H脱钙会降低Ca/Si比并形成富硅层，可能限制离子传输；产品层扩散是重要速率控制机制之一。

关于水泥窑灰与旁路灰，研究人员认为其具备厂内可得性与可接触钙，近期集成潜力最高，但净可用量因厂内回用与产品去向而异。关于非规格熟料与废耐火材料，非规格熟料可提供钙相但需视矿物学而定；废耐火材料多为致密难溶相，验证不充分，TRL较低。关于外部高炉渣、钢渣与粉煤灰，它们可扩大原料规模，但引入运输距离、区域可得性、现有应用替代与上游负担分配问题；硅酸盐与铝硅酸盐相常需研磨、加热、加压或化学处理等强化。

技术经济与生命周期部分显示，矿化系统在产品替代常规材料时可降低生命周期排放，但经济可行全球缓解潜力受原料供应与产品需求限制；总CO₂吸收量、最终CO₂含量、碳化程度、提取效率与碳酸盐回收效率必须分别核算。碳酸盐回窑生料属碳循环，因煅烧会再释放CO₂；非煅烧利用才可能提供较长久储存与材料替代收益。

讨论部分指出，矿化固碳应被视为水泥行业补充性或部分减缓策略，而非消除全部排放的单独路线。厂级原料表征、一致碳核算边界、反应器与产品市场匹配、试剂回收和末端处置决定净效益。最成熟机会在CKD/CBPD加速碳化与厂内烟气直接利用；外部工业副产物适合在区域供应链成熟时扩展。

结论部分翻译：矿化碳化为水泥厂残渣与选定工业副产物提供了将窑炉烟气转化为稳定碳酸盐和潜在建材的路径；CKD与CBPD因可接触钙与厂内集成优势而处于最近期可部署位置，硅酸盐类、铝硅酸盐类与死烧MgO类原料则需更高过程严酷度。研究人员证实，总CO₂吸收量、最终CO₂含量、碳化程度、提取效率与碳酸盐回收效率不是可互换指标，减排可信度取决于过程能源、试剂回收、产品合格性、市场需求与寿命终点归宿。厂级特定表征、一致碳会计与集成中试示范，是将碳化性能转化为水泥行业可信脱碳贡献的必要前提。