《碳中性》（Carbon Neutrality）期刊發(fā)表一項實驗室研究，提出將熔融鋼渣與同廠高爐渣摻混后離心造粒，可回收高達75%的余熱，同時將冷卻物料轉(zhuǎn)化為適用于水泥生產(chǎn)的玻璃態(tài)粉末。

全球鋼鐵行業(yè)規(guī)模龐大。2023年全球粗鋼產(chǎn)量約19億噸，排放約36億噸二氧化碳，能耗約4×10^10吉焦。鋼渣作為高溫（超1800開爾文）排出的副產(chǎn)品，全球年產(chǎn)量約2億噸，其中逾一半在中國。中國2023年產(chǎn)生鋼渣約1.5億噸，累計堆存超10億噸。這些熱渣攜帶約100太瓦時熱能，但現(xiàn)行熱潑、熱悶和空氣噴吹冷卻工藝主要聚焦物料穩(wěn)定化，基本忽略熱量回收。

該工藝的核心難點在于鋼渣的物理特性。熔融鋼渣黏度高、導(dǎo)熱差且呈強堿性，含有游離氧化鈣，遇水會不可控膨脹，限制了其在建筑中的應(yīng)用。高黏度也阻礙了熔體破碎成高效冷卻所需的細液滴。研究團隊選擇改性而非對抗，將鋼渣與約25%（質(zhì)量分數(shù)）的同廠高爐渣（排出溫度約1500攝氏度）及5%硅砂混合。該配比使黏度從約3帕·秒降至約0.5帕·秒（降幅達83%），并將游離氧化鈣含量降至2%以下，接近高爐渣水平。

在性能改善的基礎(chǔ)上，研究團隊開發(fā)了離心造粒輔助熱能回收（CGATER）工藝。實驗室實驗中，約20千克改性渣料在石墨坩堝中加熱至1450至1550攝氏度，隨后重力流入高速旋轉(zhuǎn)霧化器。霧化器將液體甩成細液滴，穿過余熱回收室，在空氣和水冷壁面間冷卻。大部分顆粒直徑小于5毫米，集中在0.5至2.0毫米區(qū)間，因細絲快速冷卻極少形成礦渣棉。顆粒尺寸隨渣流量降低和轉(zhuǎn)速提高而減小，初始熔體溫度影響相對較小。

熱能回收是該項研究的核心性能指標(biāo)。在1800轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下，實驗裝置達到約22千瓦的Zui大熱回收功率，效率約75%，作者指出這比傳統(tǒng)方法高出約50%，與已報道的高溫鋼渣值相當(dāng)。根據(jù)工況不同，出料顆粒溫度在300至700攝氏度之間，2400轉(zhuǎn)/分時可達約300攝氏度。團隊坦誠說明局限：在小規(guī)模實驗室裝置中，回收的熱空氣和熱水溫度相對較低，導(dǎo)致回收熱能品質(zhì)有限，這歸因于處理量小和相對熱損失大，預(yù)計工業(yè)級連續(xù)運行可改善此問題。

物料表征測試同樣表現(xiàn)良好。X射線衍射顯示冷卻顆粒幾乎完全為非晶態(tài)，玻璃相含量超過99%，與團隊早期工作的高爐渣顆粒相當(dāng)。高玻璃含量意味著良好的水化活性，使其成為可部分替代水泥熟料的候選輔助膠凝材料。計算機斷層掃描揭示顆粒具有多孔結(jié)構(gòu)，孔隙率約7%至8%，孔徑2至400微米，單個顆粒含超150萬個孔洞，這些特征也可能適用于廢水處理或氣體儲存應(yīng)用。加熱坩堝中發(fā)現(xiàn)的鐵碳殘留物暗示，結(jié)合碳熱還原工藝或許能實現(xiàn)鐵回收，但作者指出附加的二氧化碳排放和經(jīng)濟可行性仍是待解問題。

將數(shù)據(jù)放大至中國整個鋼鐵行業(yè)，評估顯示潛力巨大。假設(shè)熱渣從1400攝氏度冷卻至200攝氏度，以75%的熱回收效率計算，每噸可回收約1.2吉焦，該工藝每年有望節(jié)約約2.0×10^8吉焦能源。結(jié)合熟料替代，估算的年二氧化碳減排潛力約8200萬噸，相當(dāng)于鋼鐵行業(yè)總排放量的9.4%，作者稱這一貢獻可與碳捕集與封存技術(shù)相媲美。在國際能源署可持續(xù)發(fā)展情景下，預(yù)計2050年鋼渣產(chǎn)量約1.1億噸，碳減排潛力在4800萬至5800萬噸之間，到本世紀中葉累計減排約17.65億噸。摘要還引用了全部署于中國鋼廠后潛在年收入達87億美元的數(shù)據(jù)。

單套處理單元的經(jīng)濟性在團隊平準成本模型中表現(xiàn)樂觀。針對每小時處理約30噸渣料的CGATER系統(tǒng)，分析預(yù)測在全負荷運行的第一年，每噸渣料年收入約1.5美元，即使僅計算熱能回收，投資回收期也在兩年內(nèi)。碳稅假設(shè)對收入影響相對較小，常規(guī)運營場景在該系統(tǒng)假設(shè)的25年壽命期內(nèi)仍承諾可觀回報，但作者警告結(jié)果高度依賴煤炭和渣料廢料價格。模型包含預(yù)設(shè)邊界內(nèi)的資本、運營、維護和退役成本，作者呼吁未來評估納入中試數(shù)據(jù)和特定工廠條件。

重要局限性抑制了過度樂觀，作者在專節(jié)進行了說明。整個演示——改性、造粒和熱回收——均在實驗室規(guī)模進行，處理量有限且運行時間短，工業(yè)部署需解決1至3公里的渣料輸送、熱管理、混合均勻性及長期運行穩(wěn)定性問題?！翱芍苯佑糜谒唷钡闹鲝垉H基于物料表征：未實驗測試研磨性能、水化行為及實際水泥應(yīng)用。僅驗證了一種代表性鋼渣成分，且渣料性質(zhì)隨煉鋼路線和工況變化。團隊還指出，實驗室試驗中原料在室溫下混合并加熱至1550攝氏度，而工業(yè)部署需要高溫攪拌設(shè)施來均質(zhì)化熔融流，且熔化硅砂添加劑會帶來能量懲罰，該過程通過用排出的渣料顆粒預(yù)處理硅砂來抵消此懲罰。

盡管存在上述限制，該研究為解決長期困擾行業(yè)的難題提供了具體模板。利用一種熱廢流馴服另一種熱廢流，該方法避免了傳統(tǒng)渣料處理工藝的能量懲罰和耗水量，同時將負擔(dān)轉(zhuǎn)化為燃料節(jié)省和水泥原料。作者表示，后續(xù)工作將轉(zhuǎn)向中試規(guī)模演示，優(yōu)化能源與物料權(quán)衡，并探索跨部門協(xié)同效應(yīng)，如利用回收余熱進行區(qū)域供暖或碳捕集。若這些試驗?zāi)茏C實實驗室數(shù)據(jù)，鋼渣——這位全球Zui大的鋼鐵生產(chǎn)國長期堆存的負擔(dān)——可能成為行業(yè)邁向凈零排放的重要杠桿。

資料來源：bioengineer.org；原文發(fā)布日期：2026-10-28。本文為資料編譯。