作为我国重要的国民经济支柱产业,钢铁行业的发展面临着迫切的钢渣综合利用需求和艰巨的CO₂减排任务。本论文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。从而在实现钢铁行业CO₂减排的同时,达到钢渣中钙、铁元素回收利用的目的,为钢渣的高值利用提供了新的研究思路。主要研究结果如下:针对目前研究对钢渣碳酸化理论和反应动力学特征认识不清的问题,采用X射线衍射耦合刚玉内标物相对响应强度分析法首次实验测定了钢渣的理论CO₂固定潜能,经测定,本研究所使用钢渣样品的理论CO₂固定潜能为159.4 kgCO₂ t-1。进而提出颗粒一级反应动力学复合金斯特林格扩散模型解析了钢渣高温气固碳酸化动力学特征和反应参数,从而发展了工业固废高温气固碳酸化CO₂固定理论。针对钢渣中可用于碳酸化固定CO₂的活性钙比例较低这一限制因素,开发出低醋酸/钢渣投加比酸浸取技术,实现了钢渣中Ca和Fe的高效分离,并分别以高纯生石灰和富铁矿物的形式回收,本研究可实现从每吨钢渣中回收约270千克CaO纯度达90%的生石灰,磁选回收富铁矿物的铁品位可高达70.6%。首次以钢渣为原料制备出钙基CO₂吸附材料,其CO₂吸附性能显著优于商品化Ca O,饱和CO₂吸附量可达0.62 g CO₂ g吸附材料-1,是商品化Ca O的1.5倍,材料在实际高温钙循环条件下的CO₂吸附量最大可达商品化Ca O的近2倍,CO₂吸附循环稳定性也比商品化Ca O显著提高,进一步通过物质流分析证明了其相比传统钙基CO₂吸附材料的经济成本优势,钢渣源钙基CO₂吸附材料可更高效的应用于高温钙循环CO₂捕集过程。提出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,并据此开发出钢渣源钙-铁双功能CO₂吸附材料,在合适的钙/铁摩尔比下,钢渣源钙-铁双功能CO₂吸附材料可以实现对CO₂循环捕集的自热式运行。解析了该过程的自热补偿机理,实验证明了其用于高效CO₂捕集的技术优越性,从而发展了高温固体循环CO₂捕集理论。