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(guān)鍵技術(shù)

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(zhì)，這極大影響了鋼渣的安定性，導(dǎo)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(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

近日，南京工業(yè)大學(xué)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(guān)鍵技術(shù)》為主題進(jìn)行精彩演講，詳細(xì)介紹了鋼渣固碳的反應(yīng)機(jī)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(jìn)行反應(yīng)，鋼渣中的游離CaO等有害物質(zhì)會(huì)轉(zhuǎn)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(shù)相比傳統(tǒng)的碳捕集方式有諸多優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前最經(jīng)濟(jì)、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(dá)峰碳中和戰(zhàn)略實(shí)施重點(diǎn)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(diǎn)，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(dá)峰碳中和主要技術(shù)途徑有非碳原材料替代、生物質(zhì)廢棄物利用、熱工效率進(jìn)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(shù)。

其中，CCS對(duì)水泥工業(yè)碳減排的貢獻(xiàn)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(lǐng)域的核心關(guān)鍵技術(shù)

二氧化碳捕集、存儲(chǔ)與利用技術(shù)（CCS+CCUS）

二氧化碳捕集、存儲(chǔ)與利用技術(shù)是目前討論較多的應(yīng)對(duì)方案，但是存在不少挑戰(zhàn)，主要包括：1、成本高（投資與運(yùn)行費(fèi)高）；2、二氧化碳儲(chǔ)存或利用規(guī)模小；3、效率較低、能耗較高。

相對(duì)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(xì)骨料、混凝土摻合料、水泥原材料。

鋼渣具有較高的碳化反應(yīng)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(shí)現(xiàn)固化儲(chǔ)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(yù)處理之后在催化劑的參與下發(fā)生鋼渣捕碳反應(yīng)，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(qiáng)度等級(jí)），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(yīng)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(fù)合粉，用于生產(chǎn)混凝土預(yù)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(yīng)用案例方面，在濟(jì)源中聯(lián)，采用鋼渣捕集二氧化碳，捕碳率為3.6wt.%-4.6wt.%

三、結(jié)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(yīng)活性，而CAF和C12A7碳化反應(yīng)活性低，高鎂RO相也具有一定的碳化反應(yīng)活性。

硅酸鈣的碳化時(shí)鈣析出，擴(kuò)散至硅酸鈣礦相表面，沉淀形成碳酸鈣；同時(shí)原地形成富硅區(qū)，呈現(xiàn)核殼結(jié)構(gòu)。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(zhuǎn)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(yīng)，分別形成Mc和C—S—H，有利于水泥基材料強(qiáng)度的提高。

各種鋼渣組成結(jié)構(gòu)不同，使其具有不同碳化、水化特性，需針對(duì)性設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)，并設(shè)定適宜的捕碳率，以確保最高性價(jià)比。拓展捕碳鋼渣的利用途徑將具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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