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关键词：工业固体废物；CO2 矿化；焚烧烟气；碳排放
全球碳中和背景下，城市生活垃圾焚烧（MSWI）烟气成为集中碳排放源，其含 10%-30% CO₂的同时，还伴随 HCl、SO₂等酸性杂质，给 CO₂捕获带来挑战。工业固废（钢渣、电石渣、粉煤灰）富含钙镁等碱性元素，是 CO₂矿化的理想原料，可制备冷粘结轻质骨料（CALAs）实现 “以废治废”。但实际烟气中酸性杂质与 CO₂竞争碱性反应位点，其对矿化过程的耦合影响尚不明确，浓度依赖效应与作用机制缺乏系统研究，制约了烟气固碳与固废资源化的协同落地。
研究出发点
针对 “焚烧烟气酸性杂质干扰 CO₂矿化、固废基骨料矿化效率受烟气成分制约、酸性气体作用机制不明确” 三大痛点，提出浓度依赖型烟气矿化策略：以钢渣、粉煤灰、电石渣为原料制备 CALAs，系统探究不同浓度 HCl（100-500 ppm）与 SO₂（100-1000 ppm）对 CO₂矿化的影响；揭示酸性气体 “协同促进 - 竞争抑制” 的转化阈值与分子机制，明确最优烟气成分条件，实现固废基骨料高效固碳与性能提升的双重目标。
技术路线
采用 “固废基骨料制备→模拟烟气矿化→多维度表征→机制解析→环境评估” 全链条路线：以钢渣、粉煤灰、电石渣为原料（质量比 6:2:2）制备 CALAs，预处理后置于密封高压釜中；通入含不同浓度 HCl/SO₂的模拟烟气（20% CO₂为基气），在 45℃、0.5 MPa 条件下矿化 4 h；通过宏观性能测试、微观表征、元素分析等手段，探究骨料理化性能、物相演变与矿化效率；结合生命周期评估（LCA）量化环境效益，最终阐明酸性杂质的耦合影响机制。
研究内容
实验材料
①核心原料：
工业固废：钢渣（河北敬业钢铁）、粉煤灰（河北宗润矿产）、电石渣（湖南桃源乙炔厂），主要化学成分为 CaO、SiO₂、Al₂O₃等（XRF 检测）；
模拟烟气：20% CO₂为基气，添加不同浓度 HCl（100/300/500 ppm）或 SO₂（100/500/1000 ppm），购自南京特种气体公司；
辅助试剂：盐酸、硝酸等（分析纯），用于重金属浸出与成分分析；
②实验分组：
1）空白对照组：仅 20% CO₂矿化；
2）HCl 梯度组：20% CO₂ + 100 ppm HCl（低浓度）、20% CO₂ + 300 ppm HCl（中浓度）、20% CO₂ + 500 ppm HCl（高浓度）；
3）SO₂梯度组：20% CO₂ + 100 ppm SO₂（低浓度）、20% CO₂ + 500 ppm SO₂（中浓度）、20% CO₂ + 1000 ppm SO₂（高浓度）；
4）混合气体组：20% CO₂ + 100 ppm HCl + 100 ppm SO₂（模拟实际烟气复杂成分）
实验方法
①物相与化学结构：XRD（鉴定矿物相）、FTIR（分析官能团）、XPS（表征元素化学态）；
②微观结构：SEM-EDS（观察形貌与元素分布）、XCT（分析孔隙结构与分布）；热行为：TGA-DTG（测定碳酸盐含量与热稳定性）；
③环境评估：Simpro 软件结合 Ecoinvent3.9 数据库，进行生命周期碳排放与环境影响分析；
骨料的物理性质
在不同气压下养化的原料骨料和 CALAs 的基本化学性质
在不同气氛下养化的原料骨料和 CALAs 的基本化学性质（20% CO2、100/500/1000 ppm SO2 + 20% CO2）
盐酸/硫二混入碳化气氛对碳化度的影响分析：（a）和（c）碱度（氢氧化物和碳酸盐组分）、碳酸盐含量及骨料的天然 pH 值，（b）和（d）骨料的 pH 变化曲线，以及（e）和（f）骨料的 TG/DTG 曲线
不同条件下 CALAs 的 SEM-EDS 分析
不同大气下的示意机制：（a）20% CO2，（b） 20%CO + HCl（100–500 ppm），（c） 20% CO+ SO2（100–1000 ppm）
关键重金属在不同模拟烟气组分下的浸出浓度及样品晶相组成，对应条件：（a）和（b）掺杂盐酸的 20%CO2 （b） 以及 （c） 20% 掺杂 SO2 的 CO2
碳酸化对结构性质的影响
核心结论
1、酸性杂质浓度决定矿化效果：低浓度 HCl（100 ppm）对 CALAs CO₂矿化起协同促进作用，高浓度 HCl（≥300 ppm）与 SO₂（任意浓度）则竞争抑制，SO₂的负面影响更显著。
2、双重作用机制清晰：低浓度 HCl 通过降低反应体系 pH、促进 Ca²⁺释放加速碳酸盐生成；高浓度酸性气体与 CO₂竞争碱性位点，生成氯化物 / 硫酸盐相，破坏骨料致密结构。
3、最优烟气条件明确：20% CO₂ + 100 ppm HCl 为最优矿化氛围，此时 CO₂吸附效率达 16.7%，骨料力学性能最优，重金属固化效果最佳，还能实现净负碳排放。
4、固废资源化与烟气固碳协同：以钢渣等工业固废制备 CALAs，在适宜烟气成分下可同步实现 CO₂捕获、固废消纳与重金属固化，为焚烧烟气处理与固废高值化提供新路径。
5、工程应用价值显著：明确了实际焚烧烟气中酸性杂质的控制阈值，为工业 -规模化矿化系统设计提供实验依据，助力建材行业低碳转型。
来源：天津日报，仅供分享交流，图文版权归原作者。侵删。
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