劉 昱¹ ，周子丹² ，伍 洋³ ，張蓬朝¹ ，田雨豐² ，李光強(qiáng)¹

（1. 武漢科技大學(xué) 鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；

2. 武漢科技大學(xué) 鋼鐵冶金新工藝湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；

3.湖北城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430200）

摘 要：綜述了轉(zhuǎn)爐鋼渣的兩種直接碳化方式及其影響因素和動(dòng)力學(xué)機(jī)制，鋼渣的高溫碳化主要限制性環(huán)節(jié)是 CO₂穿過產(chǎn)物層向鋼渣內(nèi)部未反應(yīng)區(qū)域的擴(kuò)散，通過提高溫度加快 CO₂ 的擴(kuò)散速率和降低鋼渣顆粒尺寸以減小抑制擴(kuò)散的產(chǎn)物層厚度等措施，可大幅提高鋼渣高溫碳化的固碳量和轉(zhuǎn)化率。濕法碳化的主要限制環(huán)節(jié)是鋼渣中鈣從內(nèi)部向鋼渣表面的擴(kuò)散，降低鋼渣顆粒尺寸和利用超聲波震蕩破壞產(chǎn)物層能有效加快鈣擴(kuò)散浸出。由于鋼渣從轉(zhuǎn)爐出來后具有較高的溫度，且單一的碳化方式都有其局限，可考慮將兩種固碳方式結(jié)合使用，首先在高溫鋼渣的冷卻過程中利用鋼渣余熱進(jìn)行高溫干法碳化，并降低鋼渣顆粒尺寸和增加 CO₂壓力來提高固碳量和鈣的轉(zhuǎn)化率；通過干法碳化固定一部分鈣，而后再進(jìn)行濕法碳化，這樣有利于縮短濕法碳化時(shí)間，待鋼渣高溫碳化結(jié)束經(jīng)冷卻球磨后再進(jìn)行濕法碳化，結(jié)合尺寸優(yōu)化和超聲波的利用，實(shí)現(xiàn)鋼渣最大程度的碳化；該過程充分利用了鋼渣自身?xiàng)l件，能更有效實(shí)現(xiàn)固碳過程的節(jié)能減排。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)爐鋼渣；高溫干法碳化；濕法碳化；動(dòng)力學(xué)；擴(kuò)散

大量化石燃料消耗所產(chǎn)生的 CO₂是造成溫室效應(yīng)和全球氣候變暖的主要原因，從工業(yè)革命開始，空氣中 CO₂的體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)從 280´10-6 增加到 415´10-6，并且還在增加^[1]。與此同時(shí)，自 1880 年以來全球氣溫已經(jīng)上升約 1.05 ℃，這是世界面臨的最嚴(yán)重的環(huán)境危害^[2]。為了避免全球變暖和氣候變化可能造成的破壞性后果，必須大大減少人為活動(dòng)造成的CO₂ 排放。然而，化石燃料的便捷性及相對實(shí)惠的市場價(jià)值使得其他的能量來源暫時(shí)很難將其替代。通過吸收產(chǎn)生的 CO₂減少其排放，即碳的捕捉與存儲(chǔ)技術(shù)，是十分有前景的解決途徑^[3-4]。最早的固碳方法是通過地質(zhì)封存，在 20 世紀(jì) 70 年代的采掘工業(yè)中得到了大規(guī)模應(yīng)用，以提高油氣采收率；雖然這種類型的儲(chǔ)存可能有足夠的容量，但存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)和儲(chǔ)存 CO₂的長期管理問題^[5]。也有報(bào)道提出將 CO₂注入海洋，與水反應(yīng)形成碳酸，達(dá)到海洋固碳的目的，然而，這種方案對環(huán)境的影響具有不確定性，特別是會(huì)導(dǎo)致海水 pH 值降低且缺乏持久性^[4]。

最具前景和可行性的碳捕捉與存儲(chǔ)的技術(shù)方案是由 Seifritz 在 1990 年首次提出的通過礦物碳化的方式吸收 CO₂ ^[6]，并由 Lackner 等人首先進(jìn)行了更為細(xì)致的研究^[7]。礦物碳化吸收 CO₂的基本原理是模擬自然風(fēng)化過程，通過利用含鈣或鎂的礦物吸收 CO₂形成碳酸鈣或碳酸鎂來固定 CO₂，如式（1）所示：

(Ca,Mg)SiO₃(s)+CO₂(g)→(Ca,Mg)CO₃(s)+SiO₂(s)                    （1）

相比上述兩種 CO₂封存方式，礦物碳化吸收 CO₂具有以下潛在優(yōu)勢：其一是礦物碳化是一種化學(xué)固碳方式，產(chǎn)物具有熱力學(xué)穩(wěn)定性，CO₂ 存儲(chǔ)是永久性的且本質(zhì)上安全可靠；此外，由于碳化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，固碳過程能源消耗有限。劣勢是需要消耗大量的鈣/鎂礦石，但是大量的含鈣/鎂的工業(yè)固廢可以替代礦石用于 CO₂的固定，如鋼渣、飛灰等。這些工藝副產(chǎn)品一般是堿性的且富含鈣，與礦石固碳相比具有更低的成本，將其用于固碳也能起到固廢處理及其二次利用的作用。

目前國內(nèi)多采用氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼工藝，每噸鋼產(chǎn)生100～130 kg的鋼渣。由于需要滿足鋼水脫磷的要求，轉(zhuǎn)爐鋼渣含有較高的 CaO含量，使得鋼渣中含有自由氧化鈣，在水化時(shí)會(huì)導(dǎo)致體積膨脹，這給轉(zhuǎn)爐鋼渣的再利用帶來困難，大量鋼渣的堆放占用空間，造成土地資源的浪費(fèi)，產(chǎn)生的粉塵也會(huì)加大工程環(huán)保壓力、危害人員健康。現(xiàn)有轉(zhuǎn)爐鋼渣處理工藝由于處理成本高、性能多變而導(dǎo)致鋼渣應(yīng)用程度有限。相比之下，通過對轉(zhuǎn)爐鋼渣進(jìn)行碳化處理，使鋼渣中的堿性氧化物與 CO₂反應(yīng)形成碳酸鹽，不僅可以消除鋼渣中的自由氧化鈣，而且鋼鐵工業(yè)也是 CO₂排放大戶，鋼渣固碳可以就近利用 CO₂，減少碳排放，碳化處理后的鋼渣可用于混凝土等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)材料^[7-9]。

自然風(fēng)化過程太慢，因此，以礦物碳化方式實(shí)現(xiàn) CO₂封存的研究目的是加速反應(yīng)，以獲得可行的工業(yè)過程。目前關(guān)于礦物的碳化主要有兩種方式：直接碳化和間接碳化。如圖1 所示^[10]，直接碳化是最簡單的礦物固碳方式，其原理是利用干燥、潮濕或含水的環(huán)境，在單一反應(yīng)步驟中實(shí)現(xiàn)碳酸化；而間接碳化分幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)，包括堿性元素的浸出提取和碳酸化。

關(guān)于利用 CH₃COOH 或銨鹽對鋼渣進(jìn)行間接碳化的研究有很多^[11-13]，從這些研究工作中可以看出一個(gè)普遍趨勢是，雖然通過這些方法可以利用廢棄物生產(chǎn)出有價(jià)值的產(chǎn)品（較高純度的碳酸鈣），但也會(huì)帶來其他問題，包括含有不穩(wěn)定重金屬的殘余固廢，以及含鹽和重金屬的廢水，廢物處理的目標(biāo)并沒有完全實(shí)現(xiàn)。

相比之下，直接碳化不需要使用浸出溶劑，具備成本優(yōu)勢^[14]。轉(zhuǎn)爐鋼渣的處理主要采用直接碳化的方式進(jìn)行，可分為干法碳化和濕法碳化兩類^[15]。本文將結(jié)合文獻(xiàn)從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度總結(jié)歸納鋼渣碳化的影響因素及相關(guān)作用機(jī)制，為加快鋼渣碳化、實(shí)現(xiàn)鋼渣再利用及減少碳排放提供理論指導(dǎo)。

1 轉(zhuǎn)爐鋼渣碳化的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)

轉(zhuǎn)爐鋼渣中含鈣礦物如 f-CaO、C3S、β-C₂S 及水化活性低的 γ-C₂S 和硅酸鹽（CaSiO₃（CS））等均能發(fā)生碳化反應(yīng)，這為鋼渣碳化提供了良好的物質(zhì)條件^[16]。雖然鋼渣的水化反應(yīng)活性較低，但在富 CO₂的環(huán)境下，鋼渣中各種含鈣礦物組分表現(xiàn)出較高的碳化反應(yīng)活性。而在自然條件下，鋼渣碳化緩慢，且過程比較復(fù)雜。轉(zhuǎn)爐鋼渣碳化主要采用直接碳化，該方法可分為兩類：干法碳化和濕法碳化。

干法碳化是一個(gè)氣-固反應(yīng)過程，氣態(tài) CO²直接與渣中堿金屬氧化物反應(yīng)形成碳酸鹽，如式（2）所示^[10]：

CaO+CO₂→CaCO₃                                             （2）

該反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，從鋼渣成分來看，其在氣-固反應(yīng)固碳方面有著顯著的優(yōu)勢。但氣-固反應(yīng)固碳的反應(yīng)速率卻相對較慢，導(dǎo)致較低的固碳量^[17-19]。其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程符合未反應(yīng)核模型^[20]，在反應(yīng)初期，其反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程主要為：1）CO₂向氣相/固相反應(yīng)界面擴(kuò)散；2）氣相/固相界面處 CO₂氣體與鋼渣中堿金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)。此時(shí)，一般氣體外擴(kuò)散不是限制性環(huán)節(jié)，碳化反應(yīng)速率主要由界面化學(xué)反應(yīng)速率控制。而隨著界面化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，新相碳酸鈣產(chǎn)物層的形成，反應(yīng)過程包括以下環(huán)節(jié)：1）氣體在鋼渣顆粒外的外擴(kuò)散；2）氣體穿過固相產(chǎn)物層的內(nèi)擴(kuò)散；3）氣體與固體物的界面化學(xué)反應(yīng)。Revathy 等人^[21]對室溫下鋼渣的干法碳化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)碳化過程可以在室溫下自發(fā)進(jìn)行，在 1 h 的碳化后鋼渣的固碳速率減慢，3 h 后 CO₂吸收量幾乎不再增加，這主要是由于鋼渣顆粒表面在碳化過程中形成的碳酸鹽層以及反應(yīng)后殘余的貧鈣硅酸鹽區(qū)域阻礙了 CO₂氣體向鋼渣顆粒中心未反應(yīng)區(qū)的擴(kuò)散。在氣-固反應(yīng)固碳過程中反應(yīng)初始固碳速率快，受到化學(xué)反應(yīng)速率控制；而后隨著新相產(chǎn)物層的形成、長大，產(chǎn)物層逐漸包裹中心未反應(yīng)區(qū)，反應(yīng)開始受到擴(kuò)散傳質(zhì)控制，固碳速率開始變得緩慢，這也導(dǎo)致干法固碳的固碳量有限^[17,20]。由于溫度對于加快反應(yīng)速率有著重要作用，通過提高碳化溫度可以起到加快初期碳化速率的效果，因此在高溫下鋼渣干法固碳更為有利^[10,22]。

而濕法碳化過程以水為介質(zhì)，碳化過程包含氣-液-固三相，相比干法碳化的反應(yīng)過程更加復(fù)雜。水的存在為 CO₂氣體的溶解和從鋼渣中浸出鈣離子提供了良好的條件，有助于提高碳化反應(yīng)速率。此外，不需要像干法碳化一樣的高溫，有利于較長時(shí)間進(jìn)行碳化反應(yīng)^[23-24]。濕法碳化反應(yīng)過程如式（3）～式（5）所示^[25]：

CO₂+H₂O→2H⁺ +CO₃ ^2-                 （3）

CaSiO₃+2H⁺ →Ca²⁺+SiO₂+H₂O            （4）

Ca²⁺+CO₃ ^2-→CaCO₃                     （5）

濕法碳化的第一步是 CO₂溶入水溶液中，然后 CO₂和水反應(yīng)形成碳酸根和氫離子。氫離子從礦物中浸出金屬鈣離子，最后鈣離子和碳酸根離子結(jié)合形成碳酸鈣，完成鋼渣的碳化過程，反應(yīng)過程如圖 2 所示。從圖 2 可以看出，碳化反應(yīng)發(fā)生后 CaCO₃和 SiO₂作為產(chǎn)物層在鋼渣顆粒表面形成，反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)符合未反應(yīng)核模型^[14,18]。產(chǎn)物層形成后，隨后的碳化反應(yīng)過程如下：1）氣體向液相中的溶解；2）離子穿過產(chǎn)物層的擴(kuò)散；3）界面反應(yīng)形成碳酸鈣。這是濕法直接碳化反應(yīng)的關(guān)鍵特征，也正是產(chǎn)物層的存在減緩了進(jìn)一步的碳化反應(yīng)速率^[26]。

室溫下干法碳化固碳量低且速率慢，不具備固碳優(yōu)勢，而高溫下的干法碳化有利于提高 CO₂的擴(kuò)散速率，因此下文主要針對高溫干法碳化和常規(guī)濕法碳化的影響因素展開論述。

2 轉(zhuǎn)爐鋼渣高溫干法碳化的影響因素

高溫下有利于加快擴(kuò)散傳質(zhì)，因而也常用于二氧化碳的捕獲和分離系統(tǒng)中，該系統(tǒng)利用石灰基吸收劑進(jìn)行循環(huán)碳化/煅燒循環(huán)，通常在 600～700 ℃進(jìn)行^[27-29]。鋼渣從轉(zhuǎn)爐出來本身就自帶高溫（＞500 ℃），這就為鋼渣的高溫干法碳化提供了很好的條件，其碳化處理過程示意圖如圖 3 所示^[4]。

2.1 溫度對干法固碳的影響

Santos 等人^[30]針對轉(zhuǎn)爐鋼渣的高溫碳化做了深入的探究，選取了 2 組轉(zhuǎn)爐渣 BOFI（自由氧化鈣含量低）、BOFII（自由氧化鈣含量高）和純 CaO，首先在 pCO₂=101.325 kPa 的條件下通過 TGA 試驗(yàn)探索了碳化溫度的臨界值在 900 ℃左右，900 ℃以上碳化形成的碳酸鈣會(huì)發(fā)生分解；分析了不同自由氧化鈣含量和不同溫度對轉(zhuǎn)爐鋼渣碳化增重的影響（如圖4），發(fā)現(xiàn)更高自由氧化鈣含量的鋼渣固碳量更大且固碳速率也更快；在 500～800 ℃，提高溫度，固碳量和固碳速率也會(huì)增加。純 CaO 在碳化初期增重曲線呈線性增加，不同溫度下曲線斜率相差不大，表明初期碳化速率隨溫度變化不大；隨后反應(yīng)性減弱，但溫度越高碳化速率越快（圖 4c）。相比之下，轉(zhuǎn)爐渣由于表面和外孔的快速碳化，碳化剛開始時(shí)有著非常短暫的急劇增重（1 min 內(nèi)），之后呈現(xiàn)出速率衰減型趨勢，CO₂ 緩慢深入滲透到顆粒中進(jìn)行反應(yīng)，從而持續(xù)增重（圖 4a，圖 4b）。可以看出，溫度對轉(zhuǎn)爐渣碳化的影響比對純CaO 的影響更大，由于純 CaO 樣品的表面有足夠的 CaO 可用于碳化反應(yīng)，初期碳化反應(yīng)的進(jìn)行不涉及到 CO₂的擴(kuò)散，而不同溫度下純 CaO 樣品初期碳化的增重差異不大，說明碳化過程中溫度對化學(xué)反應(yīng)的影響不大，此時(shí)想要提高反應(yīng)速率應(yīng)該是加大 CO₂ 濃度或壓力。結(jié)合轉(zhuǎn)爐渣的增重曲線可知，從促進(jìn)初期碳化反應(yīng)速率來看，溫度的提升可以很好加快前期碳化速率；從固碳量的角度來看，溫度對控制 CO₂ 擴(kuò)散比控制碳化反應(yīng)對鋼渣碳化過程的作用更大，對于鋼渣而言，表面 CaO 少，碳化增重曲線短暫大幅上升后，表面 CaO消耗完，進(jìn)一步碳化需要 CO2擴(kuò)散至樣品未反應(yīng)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。純 CaO 樣品在碳化一段時(shí)間后，由于碳酸鈣層的形成，CO2 的擴(kuò)散也成為了限制性環(huán)節(jié)，反應(yīng)速率逐漸降低。更高溫度下，CO₂ 的擴(kuò)散速率更快，因而碳化增重量也越大。此外，在加壓加熱的試驗(yàn)條件下，發(fā)現(xiàn)最佳碳化溫度緊緊處于穩(wěn)定碳化和碳酸鹽分解之間的轉(zhuǎn)變溫度之下：在 pCO₂=101.325kPa 時(shí)，最佳碳化溫度在 830～850 ℃；在 pCO₂=20.265 kPa 時(shí)，最佳碳化溫度在 750～770 ℃，這是因?yàn)楦叩?CO2 壓力下，碳酸鹽的穩(wěn)定性增加。加壓和通過蒸汽加濕 CO2 可以促進(jìn)碳化，但是作用不大，因?yàn)閿U(kuò)散限制了樣品中心未反應(yīng)區(qū)自由氧化鈣的轉(zhuǎn)化。通過提高溫度加快 CO₂ 的擴(kuò)散速率是行之有效的措施，且鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)煙氣中自帶高溫 CO₂（pCO₂=20.265 kPa），不需要額外的加熱分離或濃縮處理。

2.2 CO₂濃度對干法固碳的影響

Tian 等人研究了在 600 ℃干法固碳過程中氣氛 CO2濃度對固碳量的影響，固碳過程的動(dòng)力學(xué)曲線如圖 5 所示^[17]。可以看出，在 1 h 內(nèi)的碳化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)曲線的變化趨勢幾乎是相似的。固碳量隨著 CO₂濃度的增加逐漸增加，但是增加的幅度不大。僅僅 CO₂體積分?jǐn)?shù)在 100%時(shí)固碳量與另外其他 3 組低濃度的試驗(yàn)有一定差距。當(dāng) CO₂體積分?jǐn)?shù)在 5%～100%時(shí)，最終的碳化轉(zhuǎn)化率在 45.9%～52.5%內(nèi)波動(dòng)。這為鋼渣干法封存煉鋼廠高溫?zé)煔猓–O₂ 體積分?jǐn)?shù)在 5%～15%）中的 CO₂提供了可能。相比溫度對鋼渣干法碳化的影響，CO₂濃度的影響更小。

2.3 鋼渣顆粒尺寸對干法固碳的影響

減小鋼渣顆粒尺寸有助于提高鋼渣顆粒比表面、縮短鋼渣碳化過程的擴(kuò)散距離，從而加快鋼渣碳化。在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)對鋼渣的高溫干法碳化前仍然需要進(jìn)一步的優(yōu)化，盡管高溫下有著良好的碳化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和更快的 CO₂擴(kuò)散速率，但是自由氧化鈣的完全轉(zhuǎn)化仍然受到 CO₂向鋼渣顆粒內(nèi)部擴(kuò)散的影響，即使在鋼渣顆粒尺寸為 0.08～0.5 mm 的試驗(yàn)中^[30]，尺寸仍然還需要進(jìn)一步降低來縮短 CO₂的擴(kuò)散距離。其試驗(yàn)使用的鋼渣尺寸已經(jīng)是目前滾動(dòng)造粒設(shè)備的最小尺寸，因此想要獲得更低尺寸的鋼渣顆粒以促進(jìn)自由氧化鈣轉(zhuǎn)化，還有賴于造粒和熱態(tài)球磨技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。盡管在工藝優(yōu)化的條件下，鋼渣在冷卻過程中在高溫段經(jīng)歷的時(shí)間畢竟有限，額外的提高鋼渣的能源供應(yīng)也會(huì)加大固碳成本且起不到節(jié)能減排目的，因而結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際的高溫干法碳化只是可以充分利用鋼渣余熱和高溫的 CO₂ 煙氣，并不能最大程度實(shí)現(xiàn)鋼渣的固碳轉(zhuǎn)化。

3 轉(zhuǎn)爐鋼渣濕法碳化的影響因素

溫度、液固比、CO₂壓力、鋼渣的粒徑及超聲波等對鋼渣濕法碳化過程的固碳速率都有很重要的影響^{[25, 31-35]}。

3.1 溫度對濕法碳化的影響

Chang 等人[8]在 30～80 ℃內(nèi)研究了轉(zhuǎn)爐鋼渣在 1 h 內(nèi)固碳轉(zhuǎn)化率的變化，發(fā)現(xiàn)固碳轉(zhuǎn)化率在 60 ℃時(shí)最大，轉(zhuǎn)化率為 72.2%（如圖 6 所示）。溫度對固碳過程有著重要的影響，能同時(shí)影響化學(xué)反應(yīng)速率和平衡常數(shù)、CO₂ 在水溶液中的溶解和鈣離子的浸出過程。根據(jù)Arrhenius 公式，隨著溫度的增加，反應(yīng)速率常數(shù)呈指數(shù)級增加，碳化反應(yīng)速率被顯著提高。溫度的增加也可以加快鋼渣顆粒中鈣離子的浸出，但同時(shí)也會(huì)造成 CO₂ 在溶液中的溶解量降低。因此，溫度對于固碳轉(zhuǎn)化率的影響有著兩面性。在 60 ℃以下，隨著溫度的增加，由于更高的鈣離子浸出率，固碳轉(zhuǎn)化率提高。而在 60 ℃以上時(shí)，隨著溫度的進(jìn)一步增加，由于 CO₂在溶液中的溶解量降低，導(dǎo)致固碳轉(zhuǎn)化率下降；在 60～80 ℃，CO₂在溶液中的溶解被認(rèn)為是影響碳化過程的關(guān)鍵因素。

3.2 液固比對濕法碳化的影響

液固比是鋼渣濕法碳化的關(guān)鍵參數(shù)之一，是指單位質(zhì)量的鋼渣所使用液體的體積（L/kg）。水的存在對濕法碳化過程中 CO₂的溶解和其在水中的擴(kuò)散以及鋼渣中金屬離子的浸出有著至關(guān)重要的影響^[14]。Kurusta 等人^[36]研究了水在鋼渣碳化反應(yīng)中的作用，發(fā)現(xiàn)相比干法碳化，濕法碳化的固碳量是干法的 3 倍。Revathy 等人^[21]研究了液固比在 0～30 內(nèi)對鋼渣濕法碳化 1 h 后固碳量的影響，如圖 7 所示。隨著液-固比的增加，固碳量先增加，而后減小。低固液比條件下 CO₂的溶解量有限，同時(shí)也不利于鈣的浸出，但水含量過高會(huì)導(dǎo)致液體中溶解的 CO₂的濃度和浸出的金屬離子的濃度降低，同時(shí)也會(huì)阻礙氣體分子在渣漿中的擴(kuò)散，導(dǎo)致碳化速率和固碳量降低^[23]。

3.3 CO₂壓力對濕法碳化的影響

CO₂ 壓力對于其在溶液中的溶解度有很大影響，增加壓力有助于提高溶液中 CO₂ 的溶解量。當(dāng) CO₂ 壓力低于臨界值時(shí)，鈣的浸出和固碳量明顯降低，主要是因?yàn)槿芤褐腥芙獾腃O₂ 量不夠。此時(shí)，CO₂ 的溶解是碳化反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)時(shí)，增加 CO₂ 壓力可以起到促進(jìn)鋼渣碳化的作用，已有研究表明增加 CO₂ 分壓可以顯著提高鋼渣的碳化程度和固碳量。但當(dāng) CO₂ 壓力超過臨界值時(shí)，CO₂ 壓力對碳化過程的影響不大，說明 CO₂ 的傳質(zhì)不是碳化反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)。此時(shí)，鈣離子的浸出成為碳化過程的限制性環(huán)節(jié)，CO₂ 壓力的影響減弱^[25,37-38]。過高的 CO₂壓力也會(huì)導(dǎo)致碳化礦相的快速析出長大，在鋼渣表面形成碳化產(chǎn)物層，阻礙鋼渣內(nèi)部未反應(yīng)區(qū)的進(jìn)一步碳化^[37]。吳昊澤等人^[35]發(fā)現(xiàn) CO₂壓力遞增比在單一CO₂壓力下的碳化效果更好，因此在濕法碳化過程中可以采用遞進(jìn)式增加 CO₂壓力。

3.4 鋼渣的粒徑和超聲處理對濕法碳化的影響

Huijgen 等人^[25]研究發(fā)現(xiàn)在加水量（液固比）、溫度、CO₂壓力等條件處于最優(yōu)條件時(shí)，鈣從鋼渣顆粒中的浸出是碳化反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)，即鈣從鋼渣內(nèi)部向表面的擴(kuò)散是限制性環(huán)節(jié)。對反應(yīng)產(chǎn)物層形貌和顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在硅酸鈣碳化反應(yīng)后形成貧鈣的二氧化硅區(qū)和析出的碳酸鈣顆粒包覆在未反應(yīng)的硅酸鈣表面（如圖 8 所示），這嚴(yán)重阻礙了鈣從未反應(yīng)的硅酸鈣相向鋼渣顆粒表面的擴(kuò)散傳遞。減小反應(yīng)產(chǎn)物層厚度是最為行之有效的措施，有兩條路徑，其一是減小鋼渣顆粒尺寸以達(dá)到縮短鈣浸出過程的擴(kuò)散距離，研究表明減少鋼渣顆粒尺寸可以極大程度提高碳化速率和固碳量，當(dāng)鋼渣尺寸從小于 2 000 μm減小到小于 38 μm 時(shí)，鋼渣中鈣的碳化率從約 26%增加到 74%^[25]。第二條路徑則是破壞或去除產(chǎn)物層，利用超聲波可以加快濕法碳化過程的速率并提高固碳量^[39]，其機(jī)理就是通過超聲波去除阻礙傳質(zhì)的鈍化層（析出的碳酸鈣顆粒和殘余二氧化硅）來實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)碳化的目的，并且已經(jīng)通過鋼渣尺寸的變化得到證明，其原理路線如圖 9 所示。在只有攪拌的碳化過程中，碳化顆粒的尺寸是增加的；而在使用超聲波的條件下，碳化顆粒產(chǎn)物層被打碎，碳化顆粒尺寸減小，從而增強(qiáng)了鋼渣的碳化，但是該過程需要對超聲波參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，避免大的能量消耗。

4 結(jié) 語

1）鋼渣的高溫碳化過程主要的限制性環(huán)節(jié)是 CO₂穿過產(chǎn)物層向鋼渣內(nèi)部未反應(yīng)區(qū)域的擴(kuò)散，提高溫度可以增加 CO₂ 的擴(kuò)散速率，最佳碳化溫度僅僅低于穩(wěn)定碳化和碳酸鹽分解之間的轉(zhuǎn)變溫度，減小鋼渣尺寸可以縮短 CO₂ 擴(kuò)散路徑，因此對高溫干法碳化十分有利。

2）濕法碳化的主要限制環(huán)節(jié)是鋼渣中鈣從內(nèi)部向鋼渣表面的擴(kuò)散，在對加水量（液固比）、溫度、CO₂ 壓力和攪拌速率等條件優(yōu)化后，減小鋼渣尺寸和利用超聲波震蕩能有效加快擴(kuò)散。

3）由于鋼渣從轉(zhuǎn)爐出來后具有較高的溫度，且單一的碳化方式都有其局限，可考慮將兩種固碳方式結(jié)合使用，首先在高溫鋼渣冷卻過程中利用鋼渣余熱進(jìn)行高溫干法碳化，并降低鋼渣顆粒尺寸從而提高固碳量和鈣的轉(zhuǎn)化率；通過干法碳化固定一部分鈣，減輕濕法碳化任務(wù)，有利于縮短濕法碳化時(shí)間，待鋼渣高溫碳化結(jié)束經(jīng)球磨后再進(jìn)行濕法碳化，結(jié)合尺寸優(yōu)化和超聲波的利用，實(shí)現(xiàn)鋼渣最大程度的碳化；該過程充分利用了鋼渣自身?xiàng)l件，能更有效發(fā)揮出鋼渣固碳的優(yōu)勢，有利于固廢資源和能量的高效分級利用。

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