温室气体排放造成的环境问题引起了工业、政府部门和学术界的广泛关注.提高能源利用效率、实施碳捕获与封存、推广可再生能源推广和物质循环是减少CO₂排放的有效方式(IEA & UNIDO，2011).碳捕获与封存(Carbon capture and sequestration，CCS)是近来新兴的一种有效减少碳排放的技术，是指将CO₂从工业或相关能源的排放源中分离，输送到封存地点，与大气隔离的过程(刘兰翠等，2010).预计到2050年，CCS在工业部门可降低9%~50%的当前CO₂排放量，到2100年，可减少15%~55%的累积温室气体效应(IEA & UNIDO，2011；Metz et al., 2005; Jenkins et al., 2012).2011年底，德班气候变化大会将CCS列为清洁发展机制(Clean development mechanism，CDM)项目，为包括中国在内的发展中国家的CCS应用开辟了国际平台.但是，地质封存CO₂的CCS项目仍然存在诸多风险和不确定性，如CO₂泄漏、环境影响和公众接受度等(Duan，2010; Zoback et al., 2012; Terwel et al., 2012).由于封存环节的技术、安全等问题在短期内无法解决，CO₂的资源化利用很可能在较长时间内成为CO₂捕获之后的主要处置方式，因此，碳捕获与利用(Carbon capture and utilization，CCUS)日益引起各方关注(吴昌华等，2011).

CO₂的矿化封存是通过加速自然界中硅酸盐矿化物的风化速度，使之与CO₂发生反应生成稳定物质，进而再利用的过程(Lackner，2003)，是CCUS的重要组成部分.许多工业碱渣，如钢铁碱渣、水泥灰、飞灰、纸浆厂废弃物等都可成为矿化封存的原料，近年来得到各国科学家的广泛关注(Chang et al., 2011a;2011b；Baciocchi et al., 2009; Eloneva et al., 2008;2009;2012; Bobicki，2012; Huntzinger et al., 2009; Pérez-López et al., 2008; Pan et al., 2012).直接法碱渣固碳技术以其廉价的原料、一步式的反应过程和接近CO₂排放源等优势得到产业界和学术界的关注，成为一种快速发展中的实用减排技术.钢铁工业是CO₂产生的大户，占全球CO₂产量的6%~7%，与此同时，生产过程中有大量含钙的碱渣产生，因此，可利用钢铁碱渣进行CO₂矿化封存，减少钢渣堆放的二次污染和运输成本.

直接法碳酸化过程是指气固相反应直接在水溶液中一步完成，其反应方程如下所示：

但是，这一过程在自然条件下发生缓慢，反应之前需对碱渣进行研磨预处理，反应过程中需通过加热加快反应速率，因而造成额外的能源损耗，将进一步产生CO₂，因此，需要从全生命周期角度对其CO₂的固碳效应进行评价.生命周期评价(Life cycle assessment，LCA)最早是一个可以计算污染排放清单和评估这些排放在复杂系统下产生的环境影响的框架(Michalek et al.，2011).该方法最早应用于1970年代的能源分析中，在数十年间，该方法已经从单一的能源分析发展到可持续性分析(Life cycle sustainability analysis)，在应用的宽度和广度上得到了很大扩展(Guinee et al., 2011).生命周期方法应用广泛，涵盖了产品与服务的整个生命周期，在产品绿色设计、碳足迹、技术评价和政策方面均有广泛应用.为了满足可持续评估的需求，国际标准化组织制定了ISO14000(14040-14049)系列规定，以达到节省资源、减少环境污染、改善环境质量、促进经济持续、健康发展的目的.生命周期方法避免了传统的技术评估中，只考虑单一处理程序及单一污染物所产生的副作用，该方法涵盖了技术的各个不同阶段的环境和健康影响及资源的使用，评价结果可为不同利益群体所参考采纳(苏俊宾，2009；施秀静，2011).

目前，针对CCS的生命周期评价研究主要以电力部门为主(Zappa et al., 2012，Viebahn et al., 2007; Viebahn et al., 2012，Naser et al., 2008; Pehnt et al., 2009)，但在其他领域的研究鲜有出现.本文在广泛查阅直接法钢铁碱渣固碳研究文献的基础上，选取碱渣组分相近、CO₂纯度为100%的3种矿化封存技术，对钢渣进行碳酸化处理，以快速永久地将CO₂永久固化储存在钢渣中.气固相反应可分别在高压釜，泥浆反应器和超重力旋转床的水溶液中一步完成，并将其分别定义为T1、T2、T3，同时，本研究对3种技术的环境影响进行生命周期评价，重点对其温室气体减排效应进行分析，在此基础上，提出矿化封存技术的发展潜力和优化途径.以期推动生命周期评价在我国技术评价领域的应用，尤其是指导工业产业部门采用适合的CCUS技术，进行有效的碳减排实践.

功能单位选定为封存1kg CO₂，根据3种固碳技术的特点，设定系统边界，具体如图 1所示.图 1分别显示了3种技术的反应过程和物质能量投入环节.ISO14040系列确立了LCA的程序和方法，使LCA得到不同利益相关者的认同和接受(Finkbeiner et al., 2006).依据ISO14040系列对LCA原则、方法和框架的界定，本研究考虑了原料在上游生产过程(煤的开采燃烧发电、去离子水的生产过程)到废弃物的处置过程.由于钢铁厂碱渣靠近CO₂产生源，因此，运输过程不纳入本研究的系统边界.T1包括碱渣研磨预处理、加热、加压和在高压釜的化学反应过程，T2包括碱渣研磨预处理、加热和在泥浆反应器中化学反应过程，T3包括碱渣研磨预处理、加热、搅拌、泵提升CO₂、旋转和在超重力旋转床中的化学反应过程.评价通过软件Umberto实现.

图 1(Fig. 1)

图 1 CO2矿化封存技术流程与LCA系统边界 Fig. 1 Technology process and LCA system boundary for mineral sequestration

目前，国内已经初步建立了中国生命周期参考数据库(Chinese reference life cycle database，CLCD)(刘夏璐等，2010).由于本研究的碱渣固碳技术基于国际文献综述的结果，上游生产过程(如能源去离子水制备)和废弃物填埋过程采用的是ecoinvent的数据，以保证数据的一致性(陈波等，2010; 张雷等，2013).实验过程中的物质能源消耗量来源于实验数据和参考文献(Eloneva et al., 2012).随着国内LCA数据库的完善和碱渣固碳技术的成熟，将在后续的跟踪评价中采用国内数据进行进一步研究.

敏感性分析法是指从众多不确定性因素中找出对环境影响有重要影响的敏感性因素，并分析、测算其对环境的影响程度和敏感性程度(孙艳伟等，2011).本研究应用单因素敏感性分析法，引入敏感度系数(E)表征技术评价指标对不确定因素的敏感程度(张雷等，2013)，计算公式如下:

式中，ΔF为不确定因素F的变化率，ΔA为不确定因素F发生变化时，评价指标中A的相应变化.E的绝对值越大，说明评价指标A对于不确定因素F越敏感.

本研究选取的3种技术反应原理基本相同，由于液固比、温度、压强、碱渣组分会使其具有不同的反应动力机制并对实验结果产生影响，因此，本研究选取3种技术转化效率最高时的反应条件进行评价，主要技术参数如表 1所示.T1所需的温度和压力最高，T2和T3在常压下即可进行反应，温度条件相近.由于转换率不同，因此，碱渣消耗量也不同.经计算，T1、T2和T3三种技术封存1 kg CO₂所消耗的碱渣分别为4.03 kg、4.41 kg和3.12 kg.T3的技术效率最高，其次为T1和T2.实验过程的物质和能量消耗见表 2.

表 1(Table 1)

表 1 三种碱渣固碳技术的主要技术参数 Table 1 Main parameters for three technologies

表 1 三种碱渣固碳技术的主要技术参数 Table 1 Main parameters for three technologies 技术 反应器 压力/kPa 温度/℃ 转化率 碱渣种类 CaO含量 SiO2含量 CO2 反应时间/min 注：转化率为反应中固定的CaCO3中的Ca质量与原料中Ca质量的比值，反映技术效率的高低. T1 高压釜 4826 160 60.00% 水泥炉石 52.82% 27.30% 120 T2 浆态反应器 1010 70 56.60% 转炉炉渣 51.11% 11.15% 100% 120 T3 超重力旋转床 1010 65 93.50% 转炉炉渣 42.43% 12.00% 30

表 2(Table 2)

表 2 三种技术输入输出清单 Table 2 Material input and output list for three technologies

表 2 三种技术输入输出清单 Table 2 Material input and output list for three technologies 技术 输入物质 主要输出物质/kg 电力/kWh 碱渣/kg 去离子水/kg CaCO3 废水排放 研磨 加热 加压 搅拌 泵 旋转 T1 0.17 104.78 2.7 - - - 4.13 40.3 2.3 44 T2 0.19 13.08 - - - - 4.41 44.1 2.3 47 T3 0.06 10.98 - 3.74 2.57 5.94 3.12 64.2 2.3 70

碱渣固碳技术基于水相碳酸化反应(Aqueous carbonation)，水资源是3种技术的重要投入，加水量对钢渣碳酸化程度有重要影响.在一定范围内，随着加水量的增大，钢渣的碳酸化质量增加率一直升高达到最大值后，结团的钢渣试样外表部分生成的CaCO₃颗粒阻碍了钢渣的进一步被碳化，碳酸化质量增加率反而下降(梁晓杰等，2012).因此，液固比是重要技术参数，T3的液固比最大(20 mL · g^-1)，因此，封存等量的CO₂该技术水资源消耗最大.3种技术所消耗的水资源比例为1 ∶ 1.1 ∶ 1.6(表 2).

在电力消耗方面，3种技术分别为107.6、13.3、23.3 kWh(表 2).由于T1所需的高温和高压均通过电力获得，因此，电力消耗显著增加.T2的反应容器较为简单，电力消耗最少.T3所使用的超重力旋转床需持续旋转，使固相和气相达到较好的混合，虽然反应速率加快，但能源消耗高于T2.

矿化封存技术开发的主要目的是减少CO₂排放引起的全球增温影响，因此，本研究只考虑与增温全球潜势直接相关的温室气体排放量(Greenhouse gas，GHG)，用CO₂当量表示.虽然T3的反应最快，转化率最高，但其温室气体排放量却是转化效率最低的T2的1.75倍(图 2).额外的能量投入将导致大量CO₂产生，并不能抵消其所捕获的CO₂，尤其是T1，其排放的CO₂当量是捕获CO₂的76倍.由于本技术还处于实验室开发阶段，仍需进一步寻找反应条件，寻找优化方案，降低CO₂的排放.

图 2(Fig. 2)

图 2 三种技术的温室气体排放 Fig. 2 Greenhouse gas emissions in three technologies

图 3表明了3种技术的不同过程对温室气体排放的贡献率.由图可知，加热是T1和T2的主要温室气体排放过程.3种技术中，碱渣的研磨和去离子水的制备对温室气体排放贡献率均小于2%，废弃物的处理过程产生的环境影响可忽略不计.T3的加热过程对温室气体排放贡献率为46%，其次为反应器的旋转(25%)和搅拌(16%)过程所消耗的电力.

图 3(Fig. 3)

图 3 三种技术不同过程对温室气体排放量的贡献率 Fig. 3 Contribution of greenhouse gas emission in different processes in three technologies

由于火力发电造成的二次污染，生态环境和人群健康影响的趋势相同，T1的破坏最大，其次为T3，T2的影响最小.通过标准化和加权分析，将不同环境影响转化为同一量纲后，3种技术引起的气候变化主要是对生态环境的破坏，占生态破坏的90%以上.气候变化对人群健康的影响的贡献率均小于10%.

技术评价的目标是面向未来，然而新兴技术的 不确定性使可持续性成为技术评估的热点 (Bechmann et al., 2007).全生命周期的思想在技术评估领域得到广泛应用(Wang et al., 2011)，技术评价综合选取技术效率、资源消耗、环境影响作为该技术的关键绩效指标.由于LCA的中端评价和末端评价结果具有一致的趋势，为了避免评价指标间的高度相关产生的冗余，本研究选取转换率、水资源消耗和温室气体排放3个具体指标对碱渣固碳技术进行综合评价.技术指标为正向指标，资源和环境影响均为负向指标.由于每个指标的计量单位不同，采用极值标准化方法对上述指标进行无量纲标准化处理，绘制技术评价雷达图(图 4).指标标准化后数值越高，表明具有较好的优势.T1技术仅在水资源方面具有优势.T2虽然技术效率较低，但有较好的资源环境优势.T3在技术效率上具有绝对优势，在环境方面的优势度接近90%，具有较好的综合效益.

图 4(Fig. 4)

图 4 综合技术评价雷达图 Fig. 4 The radar diagram of integrated technology assessment

由于反应的动力学机制不同，在不同反应时间下，3种技术获得不同的转换率，转换率与反应时间的关系如图 5所示.在T1和T2中，大部分的矿化过程在2 h内完成，而T3在30 min内转换率达到93.5%.反应转换率与温室气体排放量的关系中，3种技术呈现出不同的趋势.在T1中，随着反应时间的增加，温室气体排放量持续增加.当在T2中，当转换率为53.4%时，T2的温室气体排放量最小(7.7 kg，以CO₂计)，之后持续增加，呈现出倒U型的趋势.在T3中，温室气体排放量呈现递减的趋势，当转换率达到最高时，温室气体排放量最小.由此可见，技术效率与温室气体排放量的关系呈非线性的变化趋势.

图 5(Fig. 5)

图 5 转换率与温室气体排放量关系图 Fig. 5 The relationship between carbonation conversion and GHG emission

敏感性分析可对影响技术的关键因子对LCA结果的影响程度进行评估，以此确定技术优化的途径.由于末端环境影响与温室气体排放量呈现一致的趋势，加热过程是产生温室气体排放量的主要过程，因此，本文选择加热效率为敏感性因子，分析加热效率对温室气体排放量的影响.由图 3可知，加热过程对温室气体排放量有显著影响.随着加热效率的提高，温室气体排放量逐步下降.T1、T2和T3的敏感性系数分别为0.97、0.97和0.47.T1的下降速率最快，当加热效率提高到90%时，T1的温室气体排放量比原加热条件下下降了87.4%，T3比原加热条件下降了42%(图 6).

图 6(Fig. 6)

图 6 加热效率与温室气体排放量 Fig. 6 The relationship between heating efficiency and GHG emission

改变反应容器的导热率，提高其密闭性，将有利于降低整体环境影响，实现技术优化.加热所产生的能源消耗是该技术的主要环境影响来源，因此，有效利用钢铁生产中的废热，对反应器进行加热，将大幅度地减少环境影响.若全部采用余热加热，每封存1 kg CO₂，T1、T2和T3的温室气体排放量分别为2.18、0.27和8.96 kg(以CO₂当量计).T2可实现正的固碳效益.使用热电联产进行生产的钢铁企业，由于其气源以天然气居多，其含碳率为火力发电的59%，CO₂排放可进一步降低.由此可见，低碳可再生能源的使用可降低该技术的全球增温效应.

从上述分析可知，提高加热效率、合理利用热源及选择合适的转换率，有利于技术优化，有效减少技术的环境影响，提高固碳效率，在实践中获得最佳适用技术.

虽然目前碱渣固碳技术额外的能量投入引起的温室气体排放无法抵消其对CO₂的吸收，这也是新技术开发过程中的不确定性和面临的挑战；但借助敏感性分析等方法得出技术优化途径，为今后技术的进一步发展提供了方向.此外，碳酸化产品的开发也是碱渣固碳技术的重要组成部分.目前，间接固碳技术已经培育出可以沉淀的CaCO₃产品(Precipitated calcium carbonate，PCC)(Eloneva et al., 2008; Eloneva et al., 2009；朱蓓蓉等，2011).与传统生产过程相比，利用钢渣固碳生产的PCC产品，其实际环境影响还应减去替代技术生产同样数量PCC的影响.因此，将PCC生产和使用的全生命周期纳入考量，采用环境负荷替代法计算其环境影响，碱渣固碳技术的固碳效率可大幅提高.本研究的评估方法比单纯考虑技术参数的评价更加全面，提供了从资源环境的视角优化技术开发的途径，为同类多项技术的筛选和评估提供借鉴.

1)封存等量的CO₂，3种技术的水资源消耗比例为1 ∶ 1.1 ∶ 1.6.为了维持一定的温度和压力，电力消耗以T1最高，T3次之，T2最低.由于在反应过程中的能量投入转移到了发电过程，在火力发电过程产生的温室气体排放导致所评估的3种技术尚未能够达到较好的固碳效应.选取技术效率、水资源消耗、增温潜势作为关键绩效指标，技术评价结果表明，T3具有较好的综合效益.

2)提高加热效率、余热利用，以及低碳能源的使用和选择适当的转换率(而非最高)，将有效降低技术的环境影响，获得正的固碳效益，使该技术具有较高的技术优化潜力.

3)生命周期评估方法比单纯考虑技术参数的评价更加全面，提供了从资源环境的视角优化技术开发的途径，为同类多项技术的筛选和评估提供借鉴.