【Carbon Neutrality论文荐读】吴君军、朱恂、廖强团队：钢渣热质联用助力中国钢铁行业脱碳

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重庆大学吴君军、朱恂、廖强等研究人员在Carbon Neutrality 发表研究，通过高炉渣改性钢渣并耦合离心造粒技术，实现75%余热回收与近100%玻璃化材料再生，全国范围内推广可年减碳8200万吨。

文章亮点

1. 提出以低成本高炉渣（BFS）和石英改性钢渣的新策略，将钢渣黏度降低83%（至0.5 Pa-s），游离氧化钙降至2%以下。

2. 实现千瓦级余热回收，热回收效率高达75%，较传统方法提升50%以上。

3. 改性钢渣颗粒玻璃相含量近100%，可直接用作水泥行业，实现热质联用。

4. 该工艺全国推广可减排CO₂ 8200万吨（占钢铁行业9.4%），为中国钢铁行业脱碳提供新路径。

内容简介

钢铁行业是中国经济的支柱产业，也是碳排放的大户。在钢铁生产过程中，每年产生逾亿吨钢渣（Steel Slag, SS），但受限于其高黏度、高碱性和游离氧化钙含量高等难以处理的特性，中国钢渣的回收利用率约为30%。传统的钢渣处理方法如热泼、热焖和风淬等，无法回收高温钢渣中蕴含的巨大热能（约100 TWh），同时造成了大量资源浪费和环境负担。如何充分发掘和利用钢渣的热能和材料价值，成为钢铁行业脱碳的关键课题。

近日，重庆大学能源与动力工程学院吴君军、朱恂、廖强等人在Carbon Neutrality上发表了研究论文，提出了一种"高温改性+离心造粒+余热回收+材料再生"的协同处理新策略。该方法通过将低成本的高炉渣（BFS）等加入熔融钢渣中进行高温改性，显著改善了钢渣的物理化学性质，随后通过离心造粒能量回收技术（CGATER）将熔融钢渣制粒并回收余热。该研究为解决钢铁行业难以利用的钢渣提供了一条创新路径，在实现热能与材料价值全面利用的同时，可推动中国冶金行业的循环经济转型，为碳中和目标的实现做出重要贡献。

图1.高温钢渣处理方法示意图

(a)传统钢渣处理方法；(b)新型钢渣处理工艺：将钢渣改性与离心造粒热能回收（CGATER）级联。熔融钢渣首先与高炉渣混合改性，随后离心造粒形成细小颗粒，热颗粒经空气/水冷却后形成高玻璃化颗粒，可用于水泥生产。

图文导读

结论一

高温调质显著改善钢渣物理化学性质

研究团队首先评估了不同组分渣系混合物的热物理性质。结果表明，将高炉渣（BFS）和石英砂（SiO₂）加入钢渣后，混合物的液相线温度低于各自组分，黏度从约3.0 Pa-s大幅降低至0.5 Pa-s，降幅达83%。这一改性显著提高了钢渣的流动性，为后续的离心造粒创造了有利条件。最终确定的改性配方为：在钢渣中加入25wt%的BFS和5wt%的SiO₂。

图2. 改性钢渣的热物理性质

(a) BFS、钢渣及其混合物的五元化学组分与比例；(b) 不同比例混合物的液相线温度；(c) 不同比例混合物的黏度变化。

结论二

超高温液态改性钢渣成功实现离心粒化

改性后的熔融钢渣被输送至高速旋转粒化器，被离心破碎成细小均匀的熔渣液滴。上述液滴在飞行过程中通过水/风混合式冷却，形成了钢渣颗粒和少量渣棉。实验表明，颗粒粒径随旋转速度提高和钢渣流量降低而减小，平均粒径范围为3.0—5.0 mm。这是少有的关于钢渣与BFS混合熔体离心造粒的成功实验探索。

图3. 钢渣的离心造粒

(a) 高速摄像机和红外摄像机拍摄的离心造粒现象快照；(b) 钢渣珠；(c) 钢渣棉形成；(d) 典型粒径分布。

结论三

改性钢渣实现千瓦级余热回收功率且回收效率达75%

产生的液态钢渣颗粒在飞行中将热量传递给冷却水和环境空气。实验记录了钢渣颗粒、空气和水的温度变化历史，以计算所回收热能和回收效率。结果显示，在实验室规模下，最大热回收功率约22 kW，对应热回收效率约75%。这一效率比传统方法提升50%以上，且与已报道的高温钢渣热回收最高值相当。在工业规模下，回收的热能可用于产生蒸汽或者发电。

图4.余热回收的参数分析

(a)初始渣温、渣流量和转速对热回收率的影响；(b) BFS与钢渣的热回收效率与热回收功率的关系；(c)不同渣温下的热回收效率对比。

结论四

改性钢渣颗粒近100%玻璃化，适合水泥生产

余热回收后的钢渣颗粒具有优异的材料特性。测量结果显示，改性钢渣颗粒中的游离氧化钙（f-CaO）含量低于2%，远低于传统处理方法的3.5%—15.7%。XRD分析表明，颗粒主要为非晶态，玻璃相含量超过99%，与高炉渣颗粒相当。这意味着改性钢渣具有改善的水化活性，可用于水泥行业。此外，CT扫描发现颗粒内部含有丰富的微孔，孔隙率约7%—8%，还可用于废水处理等领域。

图5. 改性钢渣的表征分析

(a) 不同钢渣颗粒的游离氧化钙含量；(b) 改性钢渣与原始钢渣的XRD图谱；(c) 不同粒径改性钢渣颗粒的三维孔隙分布；(d) 石墨坩埚中的铁含量残渣；(e-f) 铁含量残渣的SEM-EDS分析。

结论五

全国推广可减碳8200万吨CO₂

研究团队对中国钢渣热能与材料利用潜力进行了评估。中国2023年产生约1.5亿吨钢渣，在75%热回收效率下，该技术可节能约~2.0×10⁸ GJ。通过余热利用和替代水泥熟料，可减排约8200万吨CO₂，占钢铁行业总排放的9.4%。在IEA可持续发展情景下，到2050年可减排8600万吨CO₂。在国内钢铁企业全口径推广该技术可年产生约87亿美元（约610亿人民币）的收入，实现热能和材料价值的全面利用。

图6. 中国钢渣高温热回收与材料再生的潜力评估

(a) 2023年各省份钢渣的节能潜力；(b) 2023年各省份钢渣的减碳潜力；(c) 中国钢渣产量及其减碳潜力的情景预测；(d) 净零排放情景下不同减碳方案的贡献。

总结展望

该研究实现了钢渣从单一用途到热质的转变，为解决钢铁行业难以利用的钢渣提供了一条创新路径。通过低成本的高炉渣改性和离心造粒技术，同时实现了高效余热回收和高品质材料再生，克服了钢渣回收中的两大关键挑战。该工艺的模块化设计可集成到现有钢厂中，无需大规模改造。

从碳中和的角度看，该研究具有重要的战略意义。首先，它直接契合联合国可持续发展目标，通过十亿吨级别钢渣资源化和包装利用及水泥熟料替代，推动了工业脱碳。其次，该技术为亚洲等其他面临钢渣堆积问题的新兴经济体提供了可借鉴的框架。未来，随着中试数据的积累和工艺优化的推进，该技术有望从实验室走向工业化部署，为中国钢铁行业的绿色低碳转型和循环经济建设做出更大的贡献。

原文信息

Harnessing the heat and material potential in steel slag to decarbonize China’s steel industry

作者：

Yiwen Lv, Junjun Wu*, Zhen Han, Yuhao Xiang, Zhenyu Sun, Xiaohuan Liu, Hong Wang, Wei Ren, Xun Zhu* and Qiang Liao*,

https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-026-00179-6

DOI:

https://doi.org/10.1007/s43979-026-00179-6

Cite this article：

Lv, Y., Wu, J., Han, Z. et al. Harnessing the heat and material potential in steel slag to decarbonize China’s steel industry. Carb Neutrality 5, 25 (2026). https://doi.org/10.1007/s43979-026-00179-6

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通讯作者信息

吴君军，重庆大学能源与动力工程学院，副教授

研究领域

资源循环利用、激光诊断

个人简介

吴君军，博士，重庆大学能源与动力工程学院副教授，主要从事高温熔渣、废塑料等废弃资源循环利用与激光诊断研究。以第一作者/通讯作者在Angewandte Chemie International Edition，Chemical Science，Renewable and Sustainable Energy Reviews, Analytical Chemistry，Combustion and Flame等期刊发表论文40余篇，包括德国化学会Angewandte Chemie International Edition 重点论文1篇 (Very Important Paper)，英国皇家化学会2018年度 PCCP 热点论文1篇、美国化学会Analytical Chemistry 封面论文1篇，美国光学会Applied Physics B封面论文1篇。主持国家自然科学基金面上项目、青年C类、国家重点研发计划子课题等二十余项。现为中国计量测试协会热物性专业委员会委员、The Innovation Energy筹委会委员、《计量学报》青年编委。曾获香港特别行政区政府Reaching Out Award、中国冶金固废及尾矿综合利用先进个人、重庆大学最受欢迎的老师等荣誉。

联系方式

E-mail: jjwu@cqu.edu.cn

通讯作者信息

朱恂，重庆大学能源与动力工程学院，教授

研究领域

高温熔渣余热回收、多相流体热传递

个人简介

朱恂，博士、二级教授、博士生导师; 国家杰出青年科学基金项目获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、全国三八红旗手、全国五一巾帼标兵、国家重点研发计划项目首席科学家、科技部创新人才推进计划重点领域创新团队负责人、国务院政府特殊津贴专家；中国工程热物理学会理事会理事，中国工程热物理学会传热传质分会副主任委员，Case Studies in Thermal Engineering主编、Carbon Neutrality副主编。长期从事强化传热与余热回收、燃料电池技术、微纳能源器件、微生物固碳转化等领域研究工作。主持国家杰出青年科学基金项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金国际合作重点研究项目、973课题、国家自然科学基金重点项目等国家级和省部级科研项目20余项，研究成果发表国际学术期刊论文300余篇，授权发明专利80余项。参著学术专著5部，获日内瓦国际发明展金奖、教育部自然科学一等奖、重庆市自然科学二等奖等5项。

联系方式

E-mail: zhuxun@cqu.edu.cn

通讯作者信息

廖强，重庆大学能源与动力工程学院，教授

研究领域

低品位能源利用技术、传热强化、可再生能源技术

个人简介

廖强，博士、二级教授、博士生导师；重庆大学国家储能技术产教融合创新平台主任，重庆大学工程热物理研究所所长。为国家杰出青年科学基金获得者、教育部长江学者特聘教授、“新世纪百千万人才工程” 国家级人选、国务院政府特殊津贴专家、国家自然科学基金创新研究群体负责人、全国首批黄大年式教师团队负责人；重庆英才优秀科学家、重庆市高校创新团队负责人、重庆市首席专家工作室领衔专家、首届重庆市创新争先奖获得者、重庆市先进工作者；中国工程热物理学会理事、中国高等教育学会理事、高校工程热物理研究会副理事长、中国工程热物理学会传热传质学分会副主任委员、热科学与工程亚洲联盟科学委员会委员；Energy副主编和主题编辑、Decarbon主编。长期从事传热传质、多相流、微尺度传输、新能源及可再生能源利用、微生物能源转化、节能减排等领域研究工作。主持国家自然科学基金创新研究群体项目、国家重点研发计划项目、国家杰出青年科学基金项目、国家自然科学基金重点项目和重大国际合作项目等国家级和省部级项目30余项。发表国际学术期刊论文400余篇，主（参）著国际学术专著4部，授权美国和中国发明专利80余项，获教育部自然科学一等奖、重庆市自然科学一等奖、重庆市技术发明一等奖、日内瓦国际发明展金奖等7项。

联系方式

E-mail: lqzx@cqu.edu.cn

图文来源：原文作者

编辑：Carbon Neutrality编辑部

期刊介绍

Carbon Neutrality 是由上海交通大学与Springer Nature合作出版的低碳科学与技术及碳管理领域的国际跨学科综合期刊。本刊旨在打造碳中和领域旗舰期刊和国际一流期刊，主要刊载低碳相关领域具有高度原创性、能够反映学科水平的高质量研究论文和评论性综述文章，为国内外从事低碳研究的专家学者提供一个专业的国际学术交流平台。

期刊创刊主编由上海交通大学讲席教授赵长颖担任，荣誉主编由中国科学院工程热物理研究所金红光院士、上海交通大学黄震院士担任。12名中国两院院士担任顾问编委，国际编委26名（占比50%）。

目前已被ESCI、EI、Scopus、CAS、DOAJ、CSCD数据库收录，成功入选2023中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。创刊三年即获首个影响因子 12.5，位列 JCRQ1区。期刊成功入选“2025中国国际影响力优秀学术期刊”，在150种国际影响力优秀学术期刊（自然科学与工程技术 英文）中位列第5位。

Carbon Neutrality文章处理费（Article Processing Charge）全免，竭诚欢迎国内外低碳领域专家、学者积极投稿，携手共建碳中和领域全球科学社群！

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