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| 編輯推薦： |
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《钢渣制备高效钙基CO2吸附材料用于钢铁行业碳捕集》系统研究了钢渣高温气固碳酸化直接固定CO2的效果、影响因素及其反应动力学特征，提出了基于化学链燃烧技术耦合高温钙循环技术的新型自热式CO2捕集过程，为钢渣的高值利用提供了新的研究思路。
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| 內容簡介： |
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《钢渣制备高效钙基CO2吸附材料用于钢铁行业碳捕集》以钢渣的高品位资源化利用为目标，系统研究了钢渣高温气固碳酸化直接固定CO2的效果、影响因素及其反应动力学特征，详细探究了实现钢渣中钙、铁元素分离和回收的酸浸取方法，首次以钢渣为原料制备出高效钙基CO2吸附材料，并提出了基于化学链燃烧技术耦合高温钙循环技术的新型自热式CO2捕集过程以实现工业源CO2的高效捕集。在实现钢铁行业CO2减排的同时，为钢渣的高值利用提供了新的研究思路。
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| 關於作者： |
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田思聪，获清华大学工学博士学位，致力于工业源CO2捕集与利用和工业固废高值利用等领域研究，发表学术论文近40篇，曾获博士研究生国家奖学金、上海同济高廷耀环保发展基金会青年博士生人才奖学金、清华大学蒋南翔奖学金；被评为北京市优秀毕业生和清华大学优秀博士毕业生。
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| 目錄：
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第1章概述
1.1钢渣的产生与处理现状
1.1.1钢渣的产生与性质
1.1.2钢渣的处理与资源化现状
1.2钢渣资源化利用技术发展现状
1.2.1钢渣的传统资源化利用技术
1.2.2钢渣的新兴资源化利用技术
1.2.3钢渣资源化利用技术发展存在的问题与技术瓶颈
1.3工业源CO2减排技术发展现状
1.3.1温室气体CO2减排的整体技术构架
1.3.2燃烧后CO2捕集技术的发展现状
1.3.3钢铁行业CO2减排技术的发展现状
1.3.4工业源CO2减排技术发展存在的问题
1.4高温钙循环CO2捕集技术发展现状
1.4.1高温钙循环CO2捕集技术原理与工艺
1.4.2高温钙基CO2吸附材料开发与应用
1.4.3高温钙循环技术应用于工业源CO2捕集的技术展望
1.5研究目的、内容和技术路线
1.5.1研究目的与意义
1.5.2研究内容
1.5.3技术路线
第2章实验材料与方法
2.1实验材料
2.1.1实验试剂与药品
2.1.2钢渣样品的采集与预处理
2.2钢渣的元素浸取与回收实验
2.2.1钢渣中元素的酸浸取实验
2.2.2钢渣中铁元素回收的磁选实验
2.2.3钢渣中元素浸取效果与铁元素回收效果测试
2.3钢渣源钙基CO2吸附材料的制备
2.3.1协同沉淀法合成钢渣源钙基CO2吸附材料
2.3.2协同沉淀法合成钢渣源钙-铁双功能CO2吸附材料
2.3.3溶胶凝胶法合成钢渣源钙-铁双功能CO2吸附材料
2.4钢渣与钢渣源钙基CO2吸附材料的表征
2.4.1表征材料元素组成的X射线荧光分析
2.4.2表征材料矿物组成的X射线衍射分析
2.4.3表征材料比表面与孔隙特征的液氮恒温吸脱附分析
2.4.4表征材料表面微观形貌的扫描电子显微成像分析
2.5钢渣与钢渣源钙基CO2吸附材料的性能测试
2.5.1材料的氮气-程序升温分解实验
2.5.2材料的氢气-程序升温还原实验
2.5.3材料的程序升温碳酸化实验
2.5.4材料的恒温碳酸化CO2固定（吸附）实验
2.5.5材料的高温钙循环CO2吸附性能实验
2.5.6材料在高温钙循环（CaL）耦合化学链燃烧循环（CLC）过程（CaL耦合CLC过程）中的CO2吸附性能和O2携带性能实验
第3章钢渣高温气固碳酸化直接固定CO2的实验研究
3.1引言
3.2钢渣基本理化特性及其理论CO2固定潜能
3.2.1钢渣表面形貌与孔隙度
3.2.2钢渣元素与矿物组成
3.2.3钢渣固碳机理及其理论固碳潜能
3.3钢渣高温气固碳酸化固定CO2效果及其影响因素
3.3.1反应温度对钢渣高温气固碳酸化固定CO2效果的影响
3.3.2CO2浓度对钢渣高温气固碳酸化固定CO2效果的影响
3.3.3SO2存在对钢渣高温气固碳酸化固定CO2效果的影响
3.4钢渣固定CO2的高温气固碳酸化反应动力学特征
3.4.1钢渣高温气固碳酸化反应动力学模型
3.4.2钢渣高温气固碳酸化反应动力学参数
3.5钢渣直接高温钙循环CO2捕集性能研究
3.5.1温度和CO2浓度对钢渣吸附-解吸CO2效果的影响
3.5.2钢渣在碳酸化-煅烧循环过程中的CO2捕集性能
3.5.3钢渣材料在高温钙循环过程中CO2捕集性能衰减机理
3.6小结
第4章钢渣的元素浸出特征及钙、铁元素回收
4.1引言
4.2钢渣各主要元素在酸性浸出体系下的提取效果及其影响因素
4.2.1操作条件对钢渣各主要元素浸出效果的影响
4.2.2影响钢渣各主要元素浸取效果的关键因素识别
4.2.3钢渣各主要元素在弱酸环境中的浸出效果
4.3酸浸取回收钢渣中钙元素实验研究
4.3.1钢渣酸浸出回收钙元素操作参数优化
4.3.2酸的类型对钢渣中钙元素回收的影响
4.3.3低浓度酸多级浸取回收钢渣钙元素探究
4.4酸活化耦合磁选回收钢渣中铁元素实验研究
4.4.1酸浸出过程对钢渣磁选铁元素回收率的影响
4.4.2酸浸出过程对钢渣磁选回收物中铁品位的影响
4.4.3酸浸出过程对钢渣磁选回收铁元素的强化机理
4.5小结
第5章钢渣制备钙基CO2吸附材料及其CO2吸附性能研究
5.1引言
5.2钢渣源钙基CO2吸附材料合成及其性能表征
5.2.1金属醋酸盐协同沉淀技术合成钙基CO2吸附材料
5.2.2钢渣源钙基CO2吸附材料物化性能表征
5.2.3钢渣源钙基材料CO2吸附性能研究
5.3钢渣源CO2吸附材料高温钙循环捕集CO2的影响因素研究
5.3.1钢渣源CO2吸附材料中杂质元素对其CO2吸附性能的影响
5.3.2高温钙循环操作条件对材料CO2吸附性能的影响
5.3.3燃烧烟气中微量酸性气体对材料CO2吸附性能的影响
5.4钢渣源钙基CO2吸附材料高温钙循环捕集CO2的稳定化机理
5.4.1MgO对钢渣源钙基CO2吸附材料循环吸附CO2的稳定化机理
5.4.2醋酸盐对钢渣源钙基CO2吸附材料孔隙结构的模板效应
5.5钢渣源CO2吸附材料应用于钢铁行业碳捕集的技术经济分析
5.5.1基于钢渣中钙、铁元素回收利用的高效CO2捕集过程构建
5.5.2钢渣源CO2吸附材料在实际高温钙循环条件下的CO2捕集效果
5.5.3钢渣源钙基CO2吸附材料相对天然石灰石的经济成本分析
5.6小结
第6章基于钢渣源钙-铁双功能材料的新型自热式CO2捕集过程
6.1基于钢铁行业物质回用与能量回收的新型CO2捕集方法构建
6.2钢渣源钙-铁双功能CO2吸附材料开发及其工作原理解析
6.2.1协同沉淀法合成钢渣源钙-铁双功能CO2吸附材料的表征
6.2.2钢渣源钙-铁双功能材料自热式捕集CO2的工作原理
6.2.3钢渣源钙-铁双功能材料的CO2吸附与O2携带性能
6.3钙-铁双功能CO2吸附材料中铁基化学链燃烧循环（CLC）与高温钙循环（CaL）的相互作用及其自热补偿效应
6.3.1CaL耦合CLC过程对材料CO2吸附与O2携带性能的影响
6.3.2材料的钙铁比对其CO2捕集自热过程的影响
6.3.3材料在CaL耦合CLC过程捕集CO2中的自热补偿效应
6.4钢渣源钙-铁双功能CO2吸附材料性能优化及其对高炉尾气中CO2的捕集效果
6.4.1溶胶-凝胶法合成钢渣源钙-铁双功能CO2吸附材料的表征
6.4.2溶胶-凝胶法合成钢渣源钙-铁双功能材料的O2携带与CO2吸附性能
6.4.3材料在实际高温钙循环条件下对高炉尾气中CO2的捕集效果
6.5小结
第7章结论与建议
7.1结论
7.2建议
参考文献
在学期间发表的学术论文与研究成果
致谢
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在21世纪努力实现全球碳中和已经成为国际社会的普遍共识。自从联合国气候变化框架公约提出2050年达成碳中和目标后，越来越多的国家已经向联合国递交或正在积极制定国家自主碳减排承诺。中国政府高度重视应对气候变化，于2021年先后发布《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》与《中国应对气候变化的政策与行动》白皮书，郑重宣示将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，并正在为实现这一目标而付诸坚实行动。
碳捕集、利用与封存是一种将二氧化碳从空气或其固定排放源中分离，进而将其转化利用或长期地质封存的碳减排技术。它既是国际能源署在全球碳中和技术方案中所推荐的核心技术手段之一，也是中国政府制定的《本世纪中叶长期温室气体低排放发展战略》中“推动革命性减排技术创新发展”的战略重点。特别地，它是一种可以使钢铁、水泥和传统电力等由于自身生产工艺特性而难以避免使用大量化石燃料的重工业在中长期实现深度碳减排的最佳可行技术。钢铁行业是全球最大的二氧化碳工业排放源之一，但有关其碳减排的国内外研究工作却起步较晚，适合大规模应用于钢铁行业的廉价、高效二氧化碳捕集技术亟待开发。
田思聪的博士学位论文针对我国钢铁行业所面临的二氧化碳减排和钢渣高值利用这两大迫切需求，以实现钢铁行业深度脱碳结合钢渣的高品位资源化利用为目标，开展以钢渣为原料制备高效钙基二氧化碳吸附材料，并将其应用于钢铁行业二氧化碳原位捕集的研究，从而在实现钢铁行业二氧化碳减排的同时，实现钢渣中钙、铁元素的回收利用，推进钢铁行业的清洁生产与节能减排。论文系统研究了钢渣高温气固碳酸化直接固定二氧化碳的效果、影响因素及其反应动力学特征； 详细探究了钢渣在酸性浸出体系中的元素浸出特征及其影响因素，开发出低醋酸/钢渣投加比酸浸取技术，实现了钢渣中钙、铁元素的高效分离； 首次以钢渣为原料制备出钙基二氧化碳吸附材料，深入研究了其二氧化碳吸附性能及影响因素，阐明了其抗烧结稳定化机理，并分析了其应用于高温钙循环二氧化碳捕集的技术经济性； 创新性地提出了基于化学链燃烧技术耦合高温钙循环技术的新型自热式二氧化碳捕集过程，并据此开发出钢渣源钙-铁双功能二氧化碳吸附材料，解析了该过程的自热补偿机理。
该研究工作是有关钢渣应用于二氧化碳捕集与矿物固定的最早期、最有影响力的研究成果之一，发展了工业固废高温气固碳酸化固碳理论和高温固体循环二氧化碳捕集理论； 作为工业碳减排技术探索的典型案例，首次证明了通过优化行业内部物质流与能量流，设法将碳捕集过程深度整合到工业产品的生产工艺中，便有望将普遍认为高昂的工业碳减排成本降低至可接受水平，这为工业碳减排技术的研发与应用提供了新策略。从钢渣资源化利用角度看，本论文提出了通过提升大宗钙硅基工业固废资源化产品的应用价值来推动其有效消纳的新理念，并从有价元素提取与转化的视角提供了成套技术方案，为该类废物从整体消纳向高附加值转化的利用途径转型提供了新思路。
清华大学环境学院蒋建国
2024年5月
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