工业转化炉渣同时作为二氧化碳吸附材料和铺路砖的使用

转炉渣（CS）作为CO?吸附材料在高温焚烧炉中的适用性及吸附后材料在混凝土铺块中的应用潜力被系统评估。研究显示CS在460-860℃区间具备有效CO?吸附能力，且吸附后材料（CCS）作为骨料制成的铺块抗弯强度与商业产品相当，环保性更优，实现固废资源化与碳中和协同。

　　

朴博妍|崔成元|南亨硕|洪健泰|郑成烨

韩国庆北国立大学环境工程系，大邱，41566

摘要

高质量钢材被广泛应用于全球众多行业。然而，作为钢铁制造过程的副产品，转炉渣（CS）在可持续管理和处置方面存在显著挑战。本研究系统评估了将CS用作高温焚烧设施中二氧化碳（CO₂）吸附材料的可行性。随后，探讨了吸附了CO₂的CS作为混凝土铺路块可持续材料的潜在应用。研究了CS在从环境温度到900°C范围内的CO₂吸收能力，这一温度范围对应于焚烧炉和空气污染控制系统的典型工作温度。CS的CO₂吸收能力在约460°C时开始，并持续增加至860°C；但在更高温度下观察到明显的CO₂解吸现象。随后，CS和吸附了CO₂的CS（CCS）被用作生产铺路块的骨料。含有CS和CCS的铺路块的抗弯强度与商用铺路块相当或更高。具体而言，用CCS替代50%的传统混凝土骨料（即碎石）可提高抗弯强度。此外，含有CCS的铺路块在浸出测试中未释放有害重金属，表现出更优的环境稳定性。最后，评估了所提出方法的经济可行性。总体而言，这种吸附CO₂的铺路块具有优异的机械性能和环境稳定性，且无不良影响。因此，本研究表明，将CS同时用作CO₂吸附材料和可持续混凝土块的成分是一种可行的策略，有助于管理钢铁工业废弃物并促进碳中和。

引言

随着世界经济的快速增长和人口增加，全球钢铁产量大幅增加（Li等人，2022年；Said等人，2016年）。然而，作为钢铁生产副产品的钢渣大量产生，已成为日益严重的环境问题。据美国地质调查局（U.S. Geological Survey）发布的《矿物商品概要》（2024年）估计，2023年全球钢渣产量预计在1.9亿至2.9亿吨之间。钢铁生产涉及对铁矿石进行一系列连续处理过程（Gao等人，2023年；Yang等人，2014年）。在初始阶段，通过向高温（≥1500°C）下运行的高炉中加入焦炭和石灰石来生产生铁（Bailera等人，2021年；Shu和Sasaki，2022年）。由于生铁含有较高比例的碳（约4%）以及其他杂质（如钙、硅、锰、硫和磷），因此需要在后续的转炉中去除这些杂质以生产更高纯度的钢铁。转炉在氧气流的作用下运行，通过热化学反应将杂质以氧化产物的形式去除（Stewart和Barron，2020年）。由此产生的氧化杂质流被称为转炉渣（CS）。在钢铁行业中，对CS进行适当和可持续的管理至关重要（Mombelli等人，2024年；Stefanini等人，2024年），因为目前大部分CS都被填埋处理（Wang等人，2013b年；Zhang等人，2024年）。

由于CS结构复杂且成分多样，其可持续回收方法尚未完全开发（Alex等人，2021年；Kim等人，2021年）。考虑到钢铁生产过程中使用石灰石作为原料，CS中含有大量钙（Zhang等人，2024年）。因此，CS可能含有在转炉氧化过程中形成的氧化钙（CaO），后者可以通过化学反应（CaO + CO₂ → CaCO₃）捕获温室气体（Monshi和Asgarani，1999年；Samanta等人，2023年）。然而，CO₂在CaO上的吸附仅在高温（≥450°C）下自发发生，且人工促进CS对CO₂的吸附成本高昂且能耗大。尽管如此，当CO₂吸收集成到高温设施中时，CS可以作为一种有前景的CO₂吸附材料。

焚烧设施通过过量空气燃烧固体废物，产生的废气主要成分是CO₂。大多数国家都有限制空气污染物排放的法规；但目前尚无针对CO₂排放的类似法规（Lee等人，2018年）。通常，每燃烧一吨固体废物，焚烧炉会产生0.7–1.2吨CO₂（Biava等人，2024年；Kwon等人，2023年）。因此，废气中的CO₂被释放到大气中，导致大气中CO₂浓度升高，加剧全球变暖（Hanifa等人，2023年；Soo等人，2024年）。因此，焚烧并不被视为一种可持续的废物管理方法。焚烧废气的温度通常在850至1100°C之间（Wienchol等人，2020年；Zakaria等人，2021年）。当废气通过连接的锅炉、热交换器和其他空气污染控制（APC）单元时，其温度会逐渐降至约900至100°C后再排放到大气中（Wienchol等人，2020年；Zakaria等人，2021年）。这些温度范围适合通过化学反应在CS上吸附CO₂，也适合物理吸附CO₂（Duan等人，2024年；Samanta等人，2023年）。因此，利用CS捕获焚烧炉产生的高温CO₂可以在实际应用中减少CO₂排放。

钢渣中的矿物相（例如自由CaO、MgO、水硬性钙硅酸盐等）在水中会发生水化反应，形成金属氢氧化物（Stewart等人，2018年）。当钢渣用作建筑材料中的骨料时，水化反应产生的金属氢氧化物会导致钢渣和建筑材料的膨胀，降低其机械和化学稳定性（Sim等人，2025年）。此外，来自钢渣和含钢渣材料的强碱性浸出液也可能释放出来（Stewart等人，2018年）。最近，钢渣的碳化被提出作为一种防止矿物相水化的方法。碳化被认为可以通过引入CO₂作为碳源来最终提高钢渣和建筑材料的机械和化学稳定性。以往的研究主要集中在（1）了解CO₂与钢渣/建筑材料之间的相互作用（Zhang等人，2025年），（2）大气中的CO₂在钢渣和建筑材料上的固定（Wang等人，2021年），以及（3）碳化钢渣和建筑材料的机械和化学稳定性（Wang等人，2013a年）。人们对使用钢渣进行CO₂固定的兴趣日益增加。然而，据我们所知，尚未研究来自化学或焚烧厂的高温CO₂气体在转炉渣上的固定作用。

基于这些理由，本研究探讨了在高温下使用CS作为CO₂吸附材料的可行性，以焚烧炉的废气作为CO₂来源。此外，还研究了吸附了CO₂的CS（CCS）作为生产建筑材料（即铺路块）骨料的潜在应用，以促进CCS的可持续回收，而不是在CO₂吸附后将其填埋。在代表不同焚烧炉条件的广泛废气温度范围内进行了CO₂吸收实验，以确定CO₂吸附能力。在吸附测试之前，分析了CS的元素组成和结构。随后，将CCS作为骨料用于制造铺路块，并将其机械强度与使用碎石骨料制造的传统铺路块进行了比较。还评估了含有CS和CCS的铺路块的经济可行性以及CO₂减排的效果。最后，通过与其他在低温下运行的CO₂吸附剂的适用性进行比较，讨论了CS作为高温范围内CO₂吸附材料的优势。本研究全面探讨了CS作为CO₂吸附材料和制造铺路块骨料的潜力，及其经济和环境效益，以及在实际应用中的优势。含有CCS的铺路块可以提供一种可持续、更环保的解决方案，减少CO₂排放，同时降低建筑金属生产中的砂石消耗。

材料

CS样本来自韩国的一家钢铁公司。该渣通过手动锤击破碎，然后通过2毫米筛网筛选出均匀大小的颗粒。选择这个尺寸是因为本研究中使用的碎石粒径也为2毫米。碎石来自韩国大邱的本地供应商。氧化钙（CaO，ReagentPlus，99.9%）从Sigma-Aldrich（美国）购买。

样品表征

在评估CS的CO₂捕获能力之前，使用多种分析技术（包括XRF、ICP-OES、UA和XRD）进行了全面表征。图3比较了XRF（a-1）和ICP-OES/UA（a-2）得到的成分结果。根据XRF结果（图3(a)），钙（Ca，27.1 wt%）和铁（Fe，16.7 wt%）是CS中的主要无机元素，同时还含有大量的硅（Si）、镁（Mg）、铝（Al）和锰（Mn）。

结论

本研究评估了转炉渣（CS）作为CO₂吸附材料的适用性，目标CO₂来源为高温焚烧炉。随后，将吸附了CO₂的CS（CCS）用作混凝土铺路块的可持续骨料。在CO₂吸收测试和铺路块制造之前，使用X射线荧光光谱仪、元素分析仪和电感耦合等离子体

CRediT作者贡献声明

朴博妍：资源获取、调查、数据分析。崔成元：资源获取、方法论、数据分析。南亨硕：资源获取、概念构思。洪健泰：撰写-审稿与编辑、资源获取、方法论、调查、概念构思。郑成烨：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、监督、方法论、资金获取、数据分析、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金会由韩国政府（MSIT）提供资金支持（项目编号：RS-2023-00219667）。