CO2濃度對(duì)鋼渣碳酸化效果的影響

摘要：試驗(yàn)將鋼渣與不同CO2濃度（20%、30%、40%和99.9%）的氣體進(jìn)行碳酸化反應(yīng)，檢測(cè)碳酸化反應(yīng)后鋼渣的增重率、游離氧化鈣（f-CaO）含量，同時(shí)對(duì)碳酸化反應(yīng)后的鋼渣進(jìn)行熱重分析和微觀結(jié)構(gòu)分析。研究表明，CO2濃度小于30%時(shí)，CO2濃度變化對(duì)鋼渣碳酸化效果的影響不明顯。CO2濃度大于30%時(shí)，CO2濃度變化對(duì)鋼渣碳酸化效果的影響明顯，隨著CO2濃度提高，鋼渣碳酸化效果提高。

關(guān)鍵詞：CO2濃度；鋼渣；碳酸化

中圖分類號(hào)：X757；TQ132.32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2025）02-00-06

influence of CO2 concentration on the carbonation effect of steel slag

HOU Yue1， YI Guilan1， LI Haokun1， Zhang Mei2

（1. Shanxi Taigang Stainless Steel Co.， Ltd.， Taiyuan 030003， China;

2. State Key Laboratory of New Technology for Iron and Steel Metallurgy， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083， China）

Abstract： The experiment involves carbonizing steel slag with gases of different CO2 concentrations （20%， 30%， 40% and 99.9%） to detect the weight gain rate and free calcium oxide （f-CaO） content of the steel slag after the carbonation reaction， at the same time， thermal gravimetric analysis and microstructure analysis are performed on the steel slag after the carbonation reaction. Research has shown that when the CO2 concentration is less than 30%， the effect of CO2 concentration changes on the carbonation efficiency of steel slag is not significant. When the CO2 concentration is greater than 30%， the change in CO2 concentration has a significant impact on the carbonation effect of steel slag， as the CO2 concentration increases， the carbonation effect of steel slag improves.

Keywords： CO2 concentration; steel slag; carbonation

工業(yè)生產(chǎn)中，大量CO2排放引起的溫室效應(yīng)已成為世界關(guān)注的問(wèn)題，碳減排是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，礦物碳酸化已經(jīng)成為碳減排技術(shù)的重要組成部分。鋼渣是煉鋼過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物，鋼渣產(chǎn)生量大（占粗鋼產(chǎn)量的15%～20%）[1]，利用率僅為10%～20%[2]，目前，中國(guó)鋼渣累計(jì)存量超過(guò)1.8億t[3]。鋼渣中游離氧化鈣（f-CaO）含量高，導(dǎo)致其體積安定性差等問(wèn)題，這是影響鋼渣資源化利用率的主要問(wèn)題之一，也是鋼鐵行業(yè)面臨的一項(xiàng)長(zhǎng)期性難題[4-7]。利用鋼渣碳酸化，即利用鋼廠副產(chǎn)品鋼渣固定副產(chǎn)廢氣CO2，可以實(shí)現(xiàn)鋼廠內(nèi)部煙氣（含CO2）與鋼渣的協(xié)同處置，在節(jié)約碳減排成本、提高碳減排效率方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。通過(guò)開(kāi)展試驗(yàn)，研究CO2濃度對(duì)鋼渣碳酸化效果的影響。研究表明，CO2濃度小于30%時(shí)，CO2濃度變化對(duì)鋼渣碳酸化效果影響不明顯；CO2濃度大于30%時(shí)，CO2濃度變化對(duì)鋼渣碳酸化效果影響明顯，隨著CO2濃度提高，鋼渣碳酸化效果提高。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

試驗(yàn)所用鋼渣來(lái)源于太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司，粒度為0～10 mm，化學(xué)成分如表1所示。數(shù)據(jù)顯示，鋼渣中，總鐵（TFe）含量為16.32%，CaO含量為48.86%。

另外，還有CO2濃度分別為20%、30%、40%以及99.9%的氣體。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)計(jì)20個(gè)試驗(yàn)方案，如表2所示。每個(gè)方案稱取粒度0～10 mm的1 000 g鋼渣，放入反應(yīng)釜中，在鋼渣中加水150 g，關(guān)閉反應(yīng)釜，通入指定濃度的CO2氣體，壓力達(dá)到0.2 MPa，關(guān)閉CO2閥門。同時(shí)，加熱至180 ℃。在溫度180 ℃、壓力0.2 MPa的條件下，碳酸化反應(yīng)時(shí)間分別設(shè)定為1、2、3 h和4 h，然后冷卻至常溫，對(duì)鋼渣進(jìn)行烘干稱重，并分析鋼渣f-CaO含量。

1.3 測(cè)試方法和儀器

利用電子天平（型號(hào)JJ1000）稱量碳酸化反應(yīng)后鋼渣的質(zhì)量，根據(jù)《鋼渣中游離氧化鈣含量測(cè)定方法》（YB/T 4328—2012）檢測(cè)上述碳酸化反應(yīng)試樣中的游離氧化鈣含量。鋼渣的微觀結(jié)構(gòu)通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（型號(hào)SU8010）檢測(cè)得出。使用熱重及同步熱分析儀（型號(hào)TGA/DSC1）測(cè)試碳酸化鋼渣在不同溫度條件下的失重情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 增重率

對(duì)反應(yīng)后烘干的鋼渣試樣進(jìn)行稱重，然后根據(jù)式（1）計(jì)算增重率，如圖1所示。由圖1可知，CO2濃度為0時(shí)（未通CO2），反應(yīng)1～4 h，鋼渣增重率介于0.52%～0.82%，原因可能是溫度為180 ℃時(shí)，鋼渣中f-CaO與水反應(yīng)，生成Ca（OH）2。CO2濃度分別為20%、30%時(shí)，反應(yīng)1～4 h，鋼渣增重率分別為0.61%～1.05%和0.63%～1.12%，鋼渣增重率相近，無(wú)明顯差別。

（1）

式中：φ為鋼渣固碳后增重率，%；m0為鋼渣自然冷卻后的質(zhì)量，g；m為鋼渣打水通CO2反應(yīng)后的質(zhì)量，g。

CO2濃度為40%時(shí)，反應(yīng)1～4 h，鋼渣增重率為1.19%～1.63%，相比CO2濃度分別為20%、30%時(shí)的鋼渣增重率，有明顯提高。試驗(yàn)表明，CO2濃度達(dá)到40%時(shí)，鋼渣增重率明顯提高，因此鋼渣碳酸化效果也得到提高。CO2濃度為99.9%，反應(yīng)1～4 h，增重率為1.25%～2.04%，相比CO2濃度為40%的鋼渣增重率，有明顯提高。試驗(yàn)表明，CO2濃度大于30%時(shí)，隨著CO2濃度提高，鋼渣增重率會(huì)明顯提高。隨著反應(yīng)時(shí)間增加，鋼渣增重率提高，增加反應(yīng)時(shí)間有利于提高鋼渣碳酸化效果。

2.2 f-CaO含量

根據(jù)《鋼渣中游離氧化鈣含量測(cè)定方法》（YB/T"4328—2012），檢測(cè)上述碳酸化反應(yīng)試樣的f-CaO含量，結(jié)果如圖2所示。原渣f-CaO含量為2.87%，在溫度180 ℃的條件下，方案1、方案2、方案3和方案4均未通CO2，只打水，反應(yīng)1～4 h后，鋼渣中f-CaO含量降低，為1.74%～1.86%。對(duì)于方案5至方案20，鋼渣中通CO2濃度20%、30%、40%和99.9%的氣體，在溫度180 ℃的條件下，反應(yīng)1～4 h，鋼渣中f-CaO含量顯著降低，為0.00～1.07%，而且大多數(shù)試樣中f-CaO含量為零，這表明在溫度180 ℃和打水的條件下，鋼渣中通不同濃度的CO2氣體，與未通CO2氣體相比，可顯著降低鋼渣f-CaO含量。

2.3 熱重分析

選取試樣進(jìn)行熱重分析，如圖3所示。對(duì)于未通CO2的鋼渣試樣，加熱過(guò)程中，400～550 ℃溫度下有Ca（OH）2分解造成的失重峰，600～800 ℃溫度下CaCO3分解造成的失重峰不明顯，這表明未通CO2的鋼渣試樣含有Ca（OH）2物相，無(wú)CaCO3物相或有少量的CaCO3物相。鋼渣試樣與CO2濃度分別為20%、30%、40%和99.9%的氣體反應(yīng)后，在加熱過(guò)程中，溫度分別為400～550 ℃、600～800 ℃時(shí)均有Ca（OH）2和CaCO3分解造成的失重峰，這表明反應(yīng)后的鋼渣試樣由Ca（OH）2和CaCO3物相組成。即低濃度的CO2氣體可與鋼渣反應(yīng)。由圖3可知，隨著CO2濃度提高，鋼渣在加熱過(guò)程中的失重率高，這表明CO2濃度增加，有利于鋼渣碳酸化反應(yīng)，這與前面的研究結(jié)果是一致的。

2.4 微觀結(jié)構(gòu)

利用掃描電子顯微鏡檢測(cè)未碳酸化及碳酸化鋼渣試樣的微觀結(jié)構(gòu)，如圖4所示，方案4（未通CO2，溫度180 ℃，打水，反應(yīng)時(shí)間4 h）的鋼渣試樣呈現(xiàn)出明顯的板條狀分布，表明打水以后有Ca（OH）2的形成；相比原鋼渣，裂紋和孔隙大大減少，這表明生成的Ca（OH）2填補(bǔ)原有的裂紋和孔隙空間。如圖5所示，方案12（通濃度30%的CO2，溫度180 ℃，打水，反應(yīng)時(shí)間4 h）的鋼渣試樣呈現(xiàn)出板狀和球形狀并存形式的分布。打水且通CO2以后，Ca（OH）2和CaCO3同時(shí)形成，但CO2量較少，打水后形成的Ca（OH）2尚未完全轉(zhuǎn)化為CaCO3，因此呈現(xiàn)出板狀Ca（OH）2和球形狀CaCO3并存的形式。如圖6所示，方案16（通濃度40%的CO2，溫度180 ℃，打水，反應(yīng)時(shí)間4 h）的鋼渣試樣板狀Ca（OH）2基本消失，基本只剩下球形或圓形狀CaCO3。當(dāng)通入CO2量較大時(shí)，打水后形成的中間產(chǎn)物Ca（OH）2幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)镃aCO3。如圖7所示，方案20（通濃度99.9%的CO2，溫度180 ℃，打水，反應(yīng)時(shí)間4 h）的鋼渣試樣呈現(xiàn)出很明顯的、致密的球形狀分布，顆粒尺寸較大，表明通入CO2過(guò)量時(shí)，鋼渣中的CaO將更多地參與反應(yīng)，進(jìn)而形成更多以及更廣的球形CaCO3分布。

3 結(jié)論

在溫度180 ℃的條件下，CO2濃度為0時(shí)（未通CO2），只打水，反應(yīng)1～4 h，鋼渣增重率為0.52%～0.82%，原因可能是鋼渣中f-CaO與水反應(yīng)生成Ca（OH）2。

在溫度180 ℃的條件下，分別通CO2濃度為20%、30%的氣體，反應(yīng)1～4 h，鋼渣增重率分別為0.61%～1.05%和0.63%～1.12%，鋼渣增重率相近，無(wú)明顯差別。這表明鋼渣中通CO2濃度小于30%的氣體，CO2濃度變化對(duì)鋼渣碳酸化效果影響不明顯。分別通CO2濃度為40%、99.9%的氣體，反應(yīng)1～4 h，鋼渣增重率分別為1.19%～1.63%和1.25%～2.04%，相比通CO2濃度20%、30%的氣體，鋼渣增重率明顯提高，這表明CO2濃度大于30%時(shí)，CO2濃度變化對(duì)鋼渣碳酸化效果影響明顯。隨著CO2濃度提高，鋼渣碳酸化效果提高。

在溫度180 ℃、反應(yīng)時(shí)間小于4 h的條件下，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，鋼渣增重率提高，增加反應(yīng)時(shí)間有利于提高鋼渣碳酸化效果。原渣f-CaO含量為2.87%，在溫度180 ℃和打水的條件下，鋼渣中通低濃度的CO2氣體，反應(yīng)1～4 h，鋼渣中f-CaO含量為0.00%～1.45%；不通低濃度的CO2氣體，反應(yīng)1～4 h，鋼渣中f-CaO含量為1.74%～1.86%，通與不通低濃度的CO2氣體，都可降低鋼渣中f-CaO含量，但通低濃度的CO2氣體，降低鋼渣中f-CaO含量的效果更顯著。通CO2濃度30%的氣體，反應(yīng)時(shí)間為1 h，溫度由80 ℃提高至200 ℃時(shí)，鋼渣增重率由0.10%提高至1.04%；反應(yīng)時(shí)間為2 h，溫度由80 ℃提高至200 ℃時(shí)，鋼渣增重率由0.46%提高至1.28%。這表明溫度低于200 ℃時(shí)，反應(yīng)溫度越高，越有利于鋼渣碳酸化反應(yīng)，反應(yīng)溫度為180～200 ℃時(shí)，鋼渣碳酸化效果較好。

參考文獻(xiàn)

1 張長(zhǎng)森，李 楊，胡志超，等.鈉鹽激發(fā)鋼渣水泥的早期水化特性及動(dòng)力學(xué)[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2021（4）：710-715.

2 王愛(ài)國(guó)，何懋燦，莫立武，等.碳化養(yǎng)護(hù)鋼渣制備建筑材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2019（17）：2939-2948.

3 WANG X B，LI X Y，YAN X，et al.Environmental risks for application of iron and steel slags in soils in China：a review[J].Pedosphere，2021（1）：28-42．

4 LE D H，SHEEN Y N，BUI Q B.An assessment on volume stabilization of mortar with stainless steel slag sand[J].Construction and Building Materials，2017（11）：200-208．

5 WANG G，WANG Y H，GAO Z L.Use of steel slag as a granular material：volume expansion prediction and usability criteria[J].Journal of Hazardous Materials，2010（1）：555-560．

6 FANG Y F，SU W，ZHANG Y Z，et al.Effect of accelerated precarbonation on hydration activity and volume stability of steel slag as a supplementary cementitious material[J].Journal of Thermal Analysis and Calorimetry，2022（11）：6181-6191．

7 JIANG Y，LING T C，SHI C J，et al.Characteristics of steel slags and their use in cement and concrete：a review[J].Resources，Conservation and Recycling，2018，136：187-197．

收稿日期：2024-12-15

作者簡(jiǎn)介：侯悅（1988—），女，山西太原人，碩士。研究方向：鋼鐵企業(yè)固廢資源綜合利用。