莫立武：鋼渣捕集水泥窯煙氣二氧化碳制備固碳輔助性膠凝材料及低碳水泥的關鍵技術

一直以來，鋼渣的資源化利用都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。鋼渣中含有游離氧化鈣、游離氧化鎂等有害物質，這極大影響了鋼渣的安定性，導致鋼渣在建材中使用存在一定安全隱患。在這樣的背景下，鋼渣捕集水泥窯煙氣二氧化碳制備固碳輔助性膠凝材料的技術應運而生。

近日，南京工業(yè)大學教授莫立武以《鋼渣捕集水泥窯煙氣二氧化碳制備固碳輔助性膠凝材料及低碳水泥的關鍵技術》為主題進行精彩演講，詳細介紹了鋼渣固碳的反應機制，鋼渣捕集水泥窯煙氣二氧化碳制備固碳輔助性膠凝材料等內(nèi)容。

莫立武表示，通過與水泥窯煙氣中的二氧化碳進行反應，鋼渣中的游離CaO等有害物質會轉化成碳酸鈣，既起到了固碳的作用、又提高了鋼渣的穩(wěn)定性。鋼渣捕集水泥窯煙氣二氧化碳制備固碳輔助性膠凝材料的技術相比傳統(tǒng)的碳捕集方式有諸多優(yōu)點，是當前最經(jīng)濟、最安全、最高效的固碳方法之一。

一、背景介紹

水泥工業(yè)是國家碳達峰碳中和戰(zhàn)略實施重點行業(yè)，含碳的礦產(chǎn)資源的使用是二氧化碳排放的主要原因。碳酸鹽原料煅燒分解產(chǎn)生的過程排放是水泥碳減排難點，水泥熟料制備排放二氧化碳占90%，碳酸鈣分解產(chǎn)生的二氧化碳占50%~60%。

數(shù)據(jù)顯示，2022年，中國水泥產(chǎn)量21億噸，排放二氧化碳近14億噸。

目前，水泥工業(yè)碳達峰碳中和主要技術途徑有非碳原材料替代、生物質廢棄物利用、熱工效率進一步提高、高性能水泥熟料開發(fā)、氫燃料及清潔電能、水泥窯煙氣二氧化碳捕集與利用技術。

其中，CCS對水泥工業(yè)碳減排的貢獻約為65%，新燃料16%，能源效率11%，熟料替代8%。

在低碳水泥制造領域的核心關鍵技術

二氧化碳捕集、存儲與利用技術（CCS+CCUS）

二氧化碳捕集、存儲與利用技術是目前討論較多的應對方案，但是存在不少挑戰(zhàn)，主要包括：1、成本高（投資與運行費高）；2、二氧化碳儲存或利用規(guī)模小；3、效率較低、能耗較高。

相對而言，選擇鋼渣固碳更具可行性。

我國鋼渣年排放量超1億噸，累積堆存10億噸鋼渣，利用率不足30%，堆放占用耕地，污染環(huán)境。目前主要利用途徑：路基填料、混凝土粗細骨料、混凝土摻合料、水泥原材料。

鋼渣具有較高的碳化反應活性，具有巨大的固碳潛力。利用鋼渣捕集二氧化碳制備低碳建筑材料（低碳水泥），可以實現(xiàn)固化儲存二氧化碳和資源化利用鋼渣的統(tǒng)一。

二、鋼渣捕集水泥窯延煙氣二氧化碳制備固碳輔助性膠凝材料及低碳水泥

鋼渣預處理之后在催化劑的參與下發(fā)生鋼渣捕碳反應，生成固碳輔助性膠凝材料，生產(chǎn)低碳水泥，可以替代水泥熟料4%-15%（42.5強度等級），二氧化碳減排3%-13%；生產(chǎn)成本降低2%-7.5%。

此外，鋼渣捕碳反應還可以在加入多固廢、助磨激發(fā)劑的情況下生產(chǎn)高效復合粉，用于生產(chǎn)混凝土預制品（含高性能混凝土）可以替代水泥10-30%，減少二氧化碳排放10%以上，成本降低1%-5%；

生產(chǎn)商品混凝土，如C30/40混凝土，每立方米替代30-80kg水泥，替代水泥10-30%，減少二氧化碳排放10%以上，降低生產(chǎn)成本1%-5%。

應用案例方面，在濟源中聯(lián)，采用鋼渣捕集二氧化碳，捕碳率為3.6wt.%-4.6wt.%

三、結論與展望

莫立武指出，鋼渣中C?S和f-CaO具有較高的碳化反應活性，而CAF和C12A7碳化反應活性低，高鎂RO相也具有一定的碳化反應活性。

硅酸鈣的碳化時鈣析出，擴散至硅酸鈣礦相表面，沉淀形成碳酸鈣；同時原地形成富硅區(qū)，呈現(xiàn)核殼結構。高鎂RO相中Mg在碳化過程中可溶出遷移，一定程度抑制碳酸鈣沉淀，使碳酸鈣不限制在硅酸鈣表面原位生長。Mg的溶出影響碳酸鈣晶型和微觀形貌的轉變，主要形成球狀文石。

鋼渣固碳形成的碳酸鈣和無定型SiO2均在水泥基材料中發(fā)生水化反應，分別形成Mc和C—S—H，有利于水泥基材料強度的提高。

各種鋼渣組成結構不同，使其具有不同碳化、水化特性，需針對性設計對應工藝參數(shù)，并設定適宜的捕碳率，以確保最高性價比。拓展捕碳鋼渣的利用途徑將具有十分重要的現(xiàn)實意義。

“雖然實現(xiàn)了0到1的突破，但必須承認，由于鋼渣的復雜性致使仍有很多未解之謎”莫立武表示，基礎研究將為技術顛覆性突破帶來可能。