二氧化碳矿化技术研究及应用进展

二氧化碳矿化技术研究及应用进展

CO? 矿化技术是一种有效的碳减排方式，通过利用CO?与矿物质发生化学反应，将其永久嵌入矿物结构中，从而降低大气中的CO?浓度。CO?矿化即矿物碳化，是一种极具应用价值且易于实现的 CO?封存和利用技术。本文梳理CO?矿化技术的原理、分类、关键技术及应用实践，揭示其对工业固废处理与碳减排格局的重要作用。

 

1. 技术原理和分类    

二氧化碳矿化技术的核心机制是利用工业固废中富含的钙、镁等碱性金属氧化物与CO?发生自发碳酸化反应，生成热力学稳定的碳酸盐矿物。从反应热力学来看，该过程的标准吉布斯自由能变化为 - 0~-180kJ/mol，属于高能态向低能态的自发转化，产物稳定性极强，可实现 CO?的永久封存。华东交通大学刘长生团队开发的钢渣碳酸化技术实现 175.85g CO?/kg 钢渣的固碳容量；干法矿化依托气固反应，同萃环保的全固废技术实现固废掺量100%，CO?利用率达 95% 以上；生物矿化借助微生物催化，河海大学窦智团队发现巴氏芽孢杆菌可在大孔隙中定向沉淀碳酸钙，矿化效率实验室阶段达70%，工业应用达58%。

按矿化机理可分为直接碳酸化和间接碳酸化两大技术路线。直接碳酸化是将 CO?气体直接与固废颗粒接触反应，典型代表如京韵泰博的固碳石生产技术，在常温低压条件下使钢渣与浓度≥10% 的工业尾气 CO?直接反应，每吨产品可吸收 0.3-0.5吨 CO?。间接碳酸化则通过化学浸出先从固废中提取金属离子，再与 CO?反应生成高纯度碳酸盐，如国家能源集团大同项目采用的化学链矿化技术，通过氯化铵循环介质实现电石渣中钙元素的高效溶出，脱碳率稳定在90%以上。

按反应条件划分，湿法、干法和熔融法各有适用场景。直接湿法矿化因能耗较干法降低 40% 成为当前主流工艺，在建材生产领域应用占比达 63%；间接干法矿化则在低含水率固废处理中更具优势。中国煤炭科工开发的原位矿化技术则利用煤矿采空区作为反应场所，将粉煤灰浆液与烟气 CO?注入井下完成矿化反应，同时实现防灭火功能，开辟了矿化技术应用的新场景。

2. 关键研究与技术创新和分类       

原料预处理及碳矿化技术的革新提升了矿化反应效率。纳米粉碎技术经中科院过程所张锁江院士团队优化，钢渣比表面积从300m?/kg 增至 850m?/kg，钙元素溶出速率提升2.3倍；同济大学蒋正武教授团队开发的多元固废协同活化技术，通过优化钢渣与粉煤灰的配比，使混合原料的固碳率从单一固废的 8%-12% 提升至 15% 以上。浙江大学王涛教授团队开发的微晶化矿化混凝土技术，通过复合相 CO?矿化在混凝土内部形成活性微晶，不仅减少 10% 以上胶凝材料用量，还使产品强度提升 15%。生物强化技术方向，清华大学李兵团队构建的希瓦氏菌-光敏材料杂化系统，在光照条件下固碳速率达 608.3mg/(L?d)，较传统工艺提升1.9倍。

 

反应系统优化推动技术经济性提升。四川大学梁斌团队研发的万吨级脱硫渣矿化装置，采用高重力旋转填充床强化传质，使 CO?吸收转化率达 90%，碳净封存率达 75%，较传统搅拌反应装置效率提升 40%。原初科技开发的YMR高效矿化反应器实现突破性进展，将矿化反应时间缩短至 2 分钟，且无需对电厂烟气进行提纯提浓，直接处理含 CO?浓度 10%-30% 的工业尾气，大幅降低预处理成本。

低碳系统助力能耗下降。河南强耐新材开发的太阳能-工业余热梯级利用系统，将单位产品综合能耗降至 42.2 吨标煤/万吨，较行业平均水平降低 20% 以上。武汉理工大学开发的常温低压反应体系，彻底摒弃传统工艺的高温高压需求，实现 "零能耗" 矿化反应。

 

 

图：河南强耐新材股份有限公司示范线

 

 

3. 应用实践分析    

混凝土领域：2024 年落地的嘉兴百万吨商品混凝土 CO?矿化项目，作为浙江省科技创新 "尖兵" 项目成果，采用微晶化矿化技术每年可封存 CO?超 2000 万吨，其生产的低碳混凝土已实现商业应用。全球首座万吨级 CO?直接利用示范工厂——京韵泰博固碳石项目，年处置钢渣等固废 16 万吨，减排 CO? 6万吨，生产的固碳石耐高温、抗紫外线，实现每吨产品吸碳 0.3-0.5 吨的生态效益。

工业固废协同处置领域：中盐安徽红四方公司的煤化工固废矿化项目，利用气化渣、电石渣等多种固废与工业尾气 CO?反应，在不使用水泥和外部热源的条件下生产负碳建材，平均固碳率达 15% 以上，解决了煤化工行业 "固废堆存" 与 "碳减排" 双重难题。中国石化与四川大学合作的万吨级脱硫渣矿化装置，利用钢铁厂脱硫渣矿化干熄焦烟气CO?，固碳量达15300 吨/年，72 小时连续运行测试显示其碳净封存率达 75%。中国煤炭科工在三道沟煤矿实施的粉煤灰固碳技术，每年可处理 50 万吨粉煤灰并固碳3万吨，不仅节约防灭火成本560 元，还可通过碳交易创造 312 万元直接收益，可助力蒙陕地区粉煤灰利用率提升至60%。

电力行业：国家能源集团泰州电50万吨/年CCUS项目采用化学吸收法，捕集率超 90%，再生热耗低于 2.35GJ / 吨 CO?，为火电低碳转型提供支撑。更具创新性的大同化学链矿化项目，通过循环介质溶液直接处理电厂烟气，建成年处理1122吨CO?的中试装置，年产碳酸钙 2295 吨，产品符合 HG/T2226-2019 标准，实现 "捕集-矿化-利用" 一体化。

经济性分析：碱性工业固废矿化路线成本已降至约23美元/吨 CO?，显著低于直接空气捕集技术（50-60 美元/吨）。商业模式创新加速技术推广，EPC + 碳权捆绑合同占比超 60%，碳资产收益占项目总收益比重达 35%。燃煤电厂配套矿化设施内部收益率突破 8%，三道沟煤矿等项目投资回收期已缩短至5年以内，技术经济性进入良性循环。

二氧化碳矿化技术作为工业固废处理与碳减排协同推进的有效路径，已在理论研究、技术创新和工程应用方面取得显著进展。