莫立武：钢渣捕集水泥窑烟气二氧化碳制备固碳辅助性胶凝材料及低碳水泥的关键技术

一直以来，钢渣的资源化利用都面临着巨大的挑战。钢渣中含有游离氧化钙、游离氧化镁等有害物质，这极大影响了钢渣的安定性，导致钢渣在建材中使用存在一定安全隐患。在这样的背景下，钢渣捕集水泥窑烟气二氧化碳制备固碳辅助性胶凝材料的技术应运而生。

近日，南京工业大学教授莫立武以《钢渣捕集水泥窑烟气二氧化碳制备固碳辅助性胶凝材料及低碳水泥的关键技术》为主题进行精彩演讲，详细介绍了钢渣固碳的反应机制，钢渣捕集水泥窑烟气二氧化碳制备固碳辅助性胶凝材料等内容。

莫立武表示，通过与水泥窑烟气中的二氧化碳进行反应，钢渣中的游离CaO等有害物质会转化成碳酸钙，既起到了固碳的作用、又提高了钢渣的稳定性。钢渣捕集水泥窑烟气二氧化碳制备固碳辅助性胶凝材料的技术相比传统的碳捕集方式有诸多优点，是当前最经济、最安全、最高效的固碳方法之一。

一、背景介绍

水泥工业是国家碳达峰碳中和战略实施重点行业，含碳的矿产资源的使用是二氧化碳排放的主要原因。碳酸盐原料煅烧分解产生的过程排放是水泥碳减排难点，水泥熟料制备排放二氧化碳占90%，碳酸钙分解产生的二氧化碳占50%~60%。

数据显示，2022年，中国水泥产量21亿吨，排放二氧化碳近14亿吨。

目前，水泥工业碳达峰碳中和主要技术途径有非碳原材料替代、生物质废弃物利用、热工效率进一步提高、高性能水泥熟料开发、氢燃料及清洁电能、水泥窑烟气二氧化碳捕集与利用技术。

其中，CCS对水泥工业碳减排的贡献约为65%，新燃料16%，能源效率11%，熟料替代8%。

在低碳水泥制造领域的核心关键技术

二氧化碳捕集、存储与利用技术（CCS+CCUS）

二氧化碳捕集、存储与利用技术是目前讨论较多的应对方案，但是存在不少挑战，主要包括：1、成本高（投资与运行费高）；2、二氧化碳储存或利用规模小；3、效率较低、能耗较高。

相对而言，选择钢渣固碳更具可行性。

我国钢渣年排放量超1亿吨，累积堆存10亿吨钢渣，利用率不足30%，堆放占用耕地，污染环境。目前主要利用途径：路基填料、混凝土粗细骨料、混凝土掺合料、水泥原材料。

钢渣具有较高的碳化反应活性，具有巨大的固碳潜力。利用钢渣捕集二氧化碳制备低碳建筑材料（低碳水泥），可以实现固化储存二氧化碳和资源化利用钢渣的统一。

二、钢渣捕集水泥窑延烟气二氧化碳制备固碳辅助性胶凝材料及低碳水泥

钢渣预处理之后在催化剂的参与下发生钢渣捕碳反应，生成固碳辅助性胶凝材料，生产低碳水泥，可以替代水泥熟料4%-15%（42.5强度等级），二氧化碳减排3%-13%；生产成本降低2%-7.5%。

此外，钢渣捕碳反应还可以在加入多固废、助磨激发剂的情况下生产高效复合粉，用于生产混凝土预制品（含高性能混凝土）可以替代水泥10-30%，减少二氧化碳排放10%以上，成本降低1%-5%；

生产商品混凝土，如C30/40混凝土，每立方米替代30-80kg水泥，替代水泥10-30%，减少二氧化碳排放10%以上，降低生产成本1%-5%。

应用案例方面，在济源中联，采用钢渣捕集二氧化碳，捕碳率为3.6wt.%-4.6wt.%

三、结论与展望

莫立武指出，钢渣中C₂S和f-CaO具有较高的碳化反应活性，而CAF和C12A7碳化反应活性低，高镁RO相也具有一定的碳化反应活性。

硅酸钙的碳化时钙析出，扩散至硅酸钙矿相表面，沉淀形成碳酸钙；同时原地形成富硅区，呈现核壳结构。高镁RO相中Mg在碳化过程中可溶出迁移，一定程度抑制碳酸钙沉淀，使碳酸钙不限制在硅酸钙表面原位生长。Mg的溶出影响碳酸钙晶型和微观形貌的转变，主要形成球状文石。

钢渣固碳形成的碳酸钙和无定型SiO2均在水泥基材料中发生水化反应，分别形成Mc和C—S—H，有利于水泥基材料强度的提高。

各种钢渣组成结构不同，使其具有不同碳化、水化特性，需针对性设计对应工艺参数，并设定适宜的捕碳率，以确保最高性价比。拓展捕碳钢渣的利用途径将具有十分重要的现实意义。

“虽然实现了0到1的突破，但必须承认，由于钢渣的复杂性致使仍有很多未解之谜”莫立武表示，基础研究将为技术颠覆性突破带来可能。