一種強化鋼渣礦化固定二氧化碳的方法

2023-09-12 21:08:45 4

專利名稱：一種強化鋼渣礦化固定二氧化碳的方法
技術領域：
本發明屬於廢棄物資源化利用、溫室氣體CO2減排與資源化利用技術領域，特別涉及一種利用鋼渣為原料通過強化礦物碳酸化反應過程固定CO2的方法。
背景技術：
CO2排放引起的全球氣候變化已經成為全世界共同關心的重大問題。國內外正在廣泛開展CO2大規模處置技術的研發與工業試驗。地質封存、海洋封存和礦化固定是CO2大規模處置的主要方式。CO2礦化固定不僅被看成是一種實現溫室氣體CO2得到穩定封存的有效方式，也是實現CO2大規模資源化利用的有效途徑。它是指模仿自然界中CO2的礦物吸收過程，利用鹼性或鹼土金屬氧化物，如氧化鈣或氧化鎂與CO2發生碳酸化反應，生成諸如碳酸鈣、碳酸鎂等穩定的碳酸鹽化合物。CO2礦化固定過程所產生的碳酸鹽化合物能夠長時間穩定存在，不需要監測，環境風險較小。地球上利用礦物碳酸化轉化過程減排CO2的潛力巨大，可以實現CO2的原位固定與轉化利用，被認為是最具有發展潛力的CO2處置方法之一。CO2礦化固定過程所用的原料包括富含鎂的天然礦物，如鎂橄欖石、蛇紋石、滑石等，以及富含鈣的大宗工業固體廢棄物，如鋼鐵渣、電石渣、廢棄建築水泥、工業石膏等。相比於天然鎂基礦物，利用含鈣的大宗工業固體廢棄物礦化固定CO2具有原料固碳能力強、反應活性高、不需要原料運輸等優點。如能利用我國過程工業產生的這些大量難處理富含氧化鈣的固體廢渣為原料礦化固定CO2,既實現多點源排放CO2就地固化，又同時實現以廢治廢。在實現大規模固碳的同時，帶來良好的經濟與環境效益，對我國發展循環經濟也具有重要意義。鋼鐵行業每年產生大量的固體廢渣沒有得到有效利用，其中最突出的就是煉鋼過程產生的鋼渣。目前，鋼渣的綜合利用主要是在鋼鐵企業內部利用作為燒結礦原料和煉鋼返回料，以及用於水泥、築路材料及農業生產等幾個方面。由於鋼渣體積不穩定、成分波動大、粒度大等多種制約因素存在，大量鋼渣無法有效利用而棄置堆積，不僅佔用大量土地，也造成嚴重的環境汙染。然而，鋼渣中氧化鈣含量高達40%-50%，利用鋼渣吸收CO2既能改變鋼渣性質，使之變成可利用的再生資源，又能有效地降低CO2的排放。因此，鋼渣礦化固定CO2是實現鋼渣資源化利用以及CO2礦化固定的有效途徑。採用鋼渣直接與煙氣中的CO2發生碳酸化反應，是目前鋼渣礦化固定CO2的主要技術途徑。專利CN10269998A提到將20 80目的鋼渣在350 800°C、0.1 3.6大氣壓、5 25%含量水蒸汽條件下，向裝有轉爐渣的沸騰床處理裝置中通入工業廢氣或煙氣，反應2 5小時，然後將碳酸化後的轉爐鋼渣以顆粒或磚塊形式投入海洋。專利CN1721043A報導了一種利用鋼渣沉放在水中、用於養殖海藻類和水生生物的塊狀材料製備方法，該塊狀材料由:a)準備鋼鐵生產過程中產生的粒狀爐渣組成的混合物；及10對該混合物進行碳酸化處理，生成碳酸鹽，用生成的碳酸鹽作為粘結劑來使上述混合物塊狀化。上述專利報導的鋼渣礦化固定CO2方法使用的鋼渣粒徑較大，需要給予足夠的時間和溫度條件下才能最大限度的吸收C02，同時鋼渣顆粒內部的大部分游離氧化鈣無法與CO2接觸而起不到吸收CO2的作用，由此導致鋼渣碳酸化反應時間長、鋼渣中氧化鈣組分轉化率低、並且固碳鋼渣利用附加值低。專利CN101851071A中公開了一種CO2固定與鋼渣微粉中游離氧化鈣消解的方法，其特徵在於:先將轉爐鋼渣浸泡水中，然後將水浸泡後鋼渣加入磨粉機中，同時將含有CO2的廢熱煙氣通入裝有鋼渣的磨粉機中發生穩定化反應，對鋼渣磨細粉進行乾燥；廢熱煙氣將粉磨乾燥後的鋼渣微粉從磨粉機尾段帶出，並進入收粉器中，鋼渣微粉從收粉器底部排出；含有CO2廢熱煙氣與鋼渣在磨粉機內的流動方向相反，廢熱煙氣的溫度為150 180°C。在鋼渣礦化固定CO2過程中，鋼渣中氧化鈣組分與CO2反應生成的碳酸鈣容易包裹在未反應的氧化鈣表面，從而阻礙鋼渣中氧化鈣組分的進一步轉化。上述專利提到的方法採用鋼渣球磨和碳酸化反應過程耦合，即採用機械物理作用方式將碳酸鈣從未反應的氧化鈣表面剝離，由此需要消耗較大的機械能和較長的反應時間。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是:提供一種強化鋼鐵渣礦化固定CO2的方法，並有效解決鋼鐵渣中含鈣組分碳酸化過程反應時間長、能耗高、轉化率低以及鋼鐵渣固碳產物難以有效利用等問題。採用本發明方法，可以顯著縮短鋼渣礦化固定CO2的時間，降低鋼渣礦化固定CO2的能耗，提高鋼渣礦化固定CO2的效率，並且鋼鐵渣固碳後可以用於生產礦渣微粉產品，由此進一步提高鋼鐵渣的使用價值。本發明的技術方案如下:本發明提供的強化鋼鐵渣礦化固定CO2的方法，包括以下步驟:(I)將鋼渣進行機械粉碎，得到鋼渣固體顆粒；(2)將含鹼金屬的鹽與水按照一定質量比混合，得到強化鋼渣礦化固定CO2所需的催化劑；(3)將含CO2的煙氣預熱到一定溫度用於鋼渣固碳產物乾燥和分級；(4)向步驟(I)得到的鋼渣固體顆粒中加入由步驟(2)得到的催化劑，攪拌均勻，在30 100°C下通入由步驟(6)得到的含CO2尾氣，進行碳酸化反應；(5)將步驟(4)碳酸化反應後的產物進行溼法球磨，球磨時間為5 30分鐘；(6)將步驟(5)球磨後的產物進行固液分離，得到鋼渣固碳產物和殘留液體；(7)將步驟(6)得到的鋼渣固碳產物在由步驟(3)得到的含CO2煙氣流中乾燥並分級，得到鋼渣固碳粗顆粒與細顆粒，以及含CO2尾氣；(8)將步驟(7)得到的鋼渣固碳細顆粒直接包裝，作為鋼渣微粉產品；(9)將步驟(8)得到的鋼渣固碳粗顆粒直接返回於步驟(4)碳酸化反應過程；(10)將步驟(6)得到的殘留液體與步驟(2)得到的催化劑按照一定質量比混合，作為步驟(4)的鋼渣強化碳酸化過程所需的催化劑。優選地，所述的含鹼金屬鹽選自氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、氫氧化鉀、碳酸鉀、碳酸氫鉀中的一種或幾種。優選地，所述的步驟(I)中鋼渣機械粉碎後的粒徑為10 200目。優選地，所述的步驟(2)中含鹼金屬的鹽與水的質量比為I 10:100。優選地，所述的步驟(3)中含CO2煙氣預熱到50 150°C。
優選地，所述的步驟(4)中鋼渣固體顆粒與催化劑的質量比為1:1 10。優選地，所述的步驟(4)中鋼渣強化碳酸化過程反應時間為10 60分鐘。優選地，所述的步驟(4)中含CO2尾氣壓力為I 20bar。優選地，所述的步驟(4)中含CO2尾氣體積濃度為10 100%。優選地，所述的步驟(7)中得到鋼渣固碳細顆粒的粒徑為小於300目。優選地，所述的步驟(10)中由步驟(6)得到的殘留液體與步驟(2)得到的催化劑質量比為5 20:1。本發明所用對象為鋼鐵行業生產過程產生的大量難處理固體廢渣，主要含有鈣、鎂、鐵、鋁、矽等有價元素，其中鋼渣中還含有大量游離的氧化鈣，從而使得鋼渣不穩定，容易吸收空氣中的水和CO2使自身體積發生膨脹。鋼鐵渣中高含量氧化鈣正好可以作為礦物碳酸化固定溫室氣體CO2的最佳原料。然而，鋼渣中含有的氧化鈣組分與其他惰性礦物相互夾雜包裹，其與CO2發生碳酸化反應過程中形成的碳酸鈣包裹在未反應氧化鈣組分表面，從而使得鋼渣中氧化鈣組分轉化率低，鋼渣固碳效率也低。因此，本發明提出在鋼鐵渣中加入含鹼金屬鹽的催化劑，一方面含鹼金屬鹽的催化劑可以強化煙氣中CO2的吸收並轉化為碳酸根離子，另一方面鋼鐵渣中氧化鈣組分以鈣離子形式進入液相，從而使得碳酸根離子與鈣離子形成的碳酸鈣不會在未反應氧化鈣組分表面包裹，由此提高鋼鐵渣中氧化鈣組分的轉化率以及鋼鐵渣的固碳效率。此外，鋼鐵渣固碳後經進一步球磨、乾燥、分級，可作為鋼渣微粉用於混凝土摻和料。本發明的有益效果是利用鋼鐵行業生產過程產生的大量難處理鋼鐵渣為原料，通過添加含鹼金屬鹽的催化劑，強化鋼鐵渣中氧化鈣組分與CO2反應，從而提高鋼鐵渣中氧化鈣組分的轉化率以及鋼鐵渣的固碳效率。此外，固碳鋼鐵渣可作為鋼渣微粉用於混凝土摻和料，實現鋼鐵渣全組分資 源化利用，提高鋼鐵渣的附加值。與現有鋼渣固定CO2的專利報導(CN10269998A、CN1721043A和CN101851071A)相比，本發明採用的強化鋼鐵渣礦化固定CO2方法，具有反應時間短、鋼渣中氧化鈣組分轉化率高、單位質量鋼渣固定CO2量大、固碳鋼渣附加值高等優點，經濟效益顯著和工業應用前景廣闊。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明專利進一步說明。實施例1.
本實施例中選用的鋼渣中主要成分為: 45% CaO、 10% MgO、 20%Si02、 20%FeO,以及 5%其他雜質，具體工藝過程如下:I)將鋼渣通過機械粉碎並篩分到10目粒徑，得到鋼渣顆粒；2)將100克氫氧化鈉溶於900克水中，作為強化鋼渣礦化固定CO2的催化劑；3)取步驟I)得到的鋼渣顆粒40克，以及步驟2)得到的催化劑40克，一併放入高壓攪拌釜中攪拌混合均勻，並加熱使之溫度達到150°C，通入濃度為100%的CO2氣體，並且保持氣體煙氣為Ibar,開始碳酸化反應,反應維持60分鐘,停止加熱及攪拌,碳酸化反應停止;4)排出所述高壓釜內反應後的所有混合物，得到的鋼渣碳酸化反應物；5)將步驟(4)得到的碳酸化反應物轉移至球磨機中，球磨30分鐘
6)排出所述球磨機內的所有混合物進行固液分離，得到含氫氧化鈉的催化劑和鋼渣固碳產物；7)將步驟(6)得到的鋼渣固碳產物在150°C烘箱中乾燥2小時，冷卻篩分得到粒徑小於300目的固碳鋼渣以及大於300目的固碳鋼渣；8)將步驟(6)得到的催化劑與步驟(2)配置的催化劑按照質量比為5:1混合後，可用於步驟(3)強化鋼渣礦化固定CO2過程所需的催化劑；9)將步驟(7)得到的大於300目的固碳鋼渣直接返回步驟(3)進行強化碳酸化反應；10)由步驟(7)得到的小於300目的固碳鋼渣經分析檢測，鋼渣中氧化鈣轉化率達到30%，噸鋼渣固定C0290公斤，固碳鋼渣可作為鋼渣微粉產品出售。實施例2.
本實施例中選用的鋼渣中主要成分為: 45% CaO、 10% MgO、 20%Si02、 20%FeO,以及 5%其他雜質，具體工藝過程如下:1)將鋼渣通過機械·粉碎並篩分到200目粒徑，得到鋼渣顆粒；2)將10克氫氧化鈉溶於990克水中，作為強化鋼渣礦化固定CO2的催化劑；3)取步驟I)得到的鋼渣顆粒40克，以及步驟2)得到的催化劑400克，一併放入高壓攪拌釜中攪拌混合均勻，並加熱使之溫度達到50°C，通入濃度為10%的CO2氣體，並且保持氣體煙氣為20bar,開始碳酸化反應,反應維持30分鐘,停止加熱及攪拌,碳酸化反應停止;4)排出所述高壓釜內反應後的所有混合物，得到的鋼渣碳酸化反應物；5)將步驟(4)得到的碳酸化反應物轉移至球磨機中，球磨5分鐘6)排出所述球磨機內的所有混合物進行固液分離，得到含氫氧化鈉的催化劑和鋼渣固碳產物；7)將步驟(6)得到的鋼渣固碳產物在150°C烘箱中乾燥2小時，冷卻篩分得到粒徑小於300目的固碳鋼渣以及大於300目的固碳鋼渣；8)將步驟(6)得到的催化劑與步驟(2)配置的催化劑按照質量比為15:1混合後，可用於步驟(3)強化鋼渣礦化固定CO2過程所需的催化劑；9)將步驟(7)得到的大於300目的固碳鋼渣直接返回步驟(3)進行強化碳酸化反應；10)由步驟(7)得到的小於300目的固碳鋼渣經分析檢測，鋼渣中氧化鈣轉化率達到40%，噸鋼渣固定CO2 120公斤，固碳鋼渣可作為鋼渣微粉產品出售。實施例3.
本實施例中選用的鋼渣中主要成分為: 45%Ca0、 10%Mg0、 20%Si02、 20%FeO,以及 5%其他雜質，具體工藝過程如下:1)將鋼渣通過機械粉碎並篩分到100目粒徑，得到鋼渣顆粒；2)將50克氫氧化鈉溶於950克水中，作為強化鋼渣礦化固定CO2的催化劑；3)取步驟I)得到的鋼渣顆粒100克，以及步驟2)得到的催化劑400克，一併放入高壓攪拌釜中攪拌混合均勻，並加熱使之溫度達到100°c，通入濃度為10%的CO2氣體，並且保持氣體煙氣為IObar,開始碳酸化反應,反應維持10分鐘,停止加熱及攪拌,碳酸化反應停止;4)排出所述高壓釜內反應後的所有混合物，得到的鋼渣碳酸化反應物；5)將步驟(4)得到的碳酸化反應物轉移至球磨機中，球磨15分鐘6)排出所述球磨機內的所有混合物進行固液分離，得到含氫氧化鈉的催化劑和鋼渣固碳產物；7)將步驟(6)得到的鋼渣固碳產物在150°C烘箱中乾燥2小時，冷卻篩分得到粒徑小於300目的固碳鋼渣以及大於300目的固碳鋼渣；8)將步驟(6)得到 的催化劑與步驟(2)配置的催化劑按照質量比為10:1混合後，可用於步驟(3)強化鋼渣礦化固定CO2過程所需的催化劑；9)將步驟(7)得到的大於300目的固碳鋼渣直接返回步驟(3)進行強化碳酸化反應；10)由步驟(7)得到的小於300目的固碳鋼渣經分析檢測，鋼渣中氧化鈣轉化率達到50%，噸鋼渣固定CO2 150公斤，固碳鋼渣可作為鋼渣微粉產品出售。實施例4.
本實施例中選用的鋼渣中主要成分為: 45% CaO、 10% MgO、 20%Si02、 20%FeO,以及 5%其他雜質，具體工藝過程如下:I)將鋼渣通過機械粉碎並篩分到100目粒徑，得到鋼渣顆粒；2)將50克氫氧化鈉溶於950克水中，作為強化鋼渣礦化固定CO2的催化劑；3)取步驟I)得到的鋼渣顆粒200克，以及步驟2)得到的催化劑400克，一併放入高壓攪拌釜中攪拌混合均勻，並加熱使之溫度達到100°c，通入濃度為100%的CO2氣體，並且保持氣體壓力為5bar,開始碳酸化反應,反應維持15分鐘,停止加熱及攪拌,碳酸化反應停止;4)排出所述高壓釜內反應後的所有混合物，得到的鋼渣碳酸化反應物；5)將步驟(4)得到的碳酸化反應物轉移至球磨機中,球磨5分鐘6)排出所述球磨機內的所有混合物進行固液分離，得到含氫氧化鈉的催化劑和鋼渣固碳產物；7)將步驟(6)得到的鋼渣固碳產物在150°C烘箱中乾燥2小時，冷卻篩分得到粒徑小於300目的固碳鋼渣以及大於300目的固碳鋼渣；8)將步驟(6)得到的催化劑與步驟(2)配置的催化劑按照質量比為20:1混合後，可用於步驟(3)強化鋼渣礦化固定CO2過程所需的催化劑；9)將步驟(7)得到的大於300目的固碳鋼渣直接返回步驟(3)進行強化碳酸化反應；10)由步驟(7)得到的小於300目的固碳鋼渣經分析檢測，鋼渣中氧化鈣轉化率達到45%，噸鋼渣固定CO2 135公斤，固碳鋼渣可作為鋼渣微粉產品出售。
權利要求
1.一種強化鋼渣礦化固定CO2的方法，包括以下步驟: (1)將鋼渣進行機械粉碎，得到鋼渣固體顆粒； (2)將含鹼金屬的鹽與水按照一定質量比混合，得到強化鋼渣礦化固定CO2所需的催化劑； (3)將含CO2的煙氣預熱到一定溫度用於鋼渣固碳產物乾燥和分級； (4)向步驟(I)得到的鋼渣固體顆粒中加入由步驟(2)得到的催化劑，攪拌均勻，在30 100°C下通入由步驟(6)得到的含CO2尾氣，進行碳酸化反應； (5)將步驟(4)碳酸化反應後的產物進行溼法球磨，球磨時間為5 30分鐘； (6)將步驟(5)球磨後的產物進行固液分離，得到鋼渣固碳產物和殘留液體； (7)將步驟(6)得到的鋼渣固碳產物在由步驟(3)得到的含CO2煙氣流中乾燥並分級，得到鋼渣固碳粗顆粒與細顆粒，以及含CO2尾氣； (8)將步驟(7)得到的鋼渣固碳細顆粒直接包裝，作為鋼渣微粉產品； (9)將步驟(8)得到的鋼渣固碳粗顆粒直接返回於步驟(4)碳酸化反應過程； (10)將步驟(6)得到的殘留液體與步驟(2)得到的催化劑按照一定質量比混合，作為步驟(4)的鋼渣強化碳酸化過程所需的催化劑。
2.按權利要求1所述的強化鋼渣礦化固定CO2的方法，其中所述的含鹼金屬的選自氫氧化鈉、碳酸鈉、碳酸氫鈉、氫氧化鉀、碳酸鉀、碳酸氫鉀中的一種或幾種。
3.按權利要求1和2所述的強化鋼渣礦化固定CO2的方法，其中所述的含鹼金屬的鹽與水的質量比為I 10:100，鋼渣固體顆粒與催化劑的質量比為1:1 10。
4.按權利要求1-3所述的強化鋼渣礦化固定CO2的方法，其中所述的鋼渣強化碳酸化過程反應時間為10 60分鐘，反應溫度為50 150°C，C02尾氣體積濃度為10 100%，含CO2尾氣壓力為I 20bar。
5.按權利要求1-4所述的強化鋼渣礦化固定CO2的方法，其中所述的初始鋼渣粒徑為10 200目，碳酸化後得到固碳鋼渣用於鋼渣微粉的粒徑為小於300目。
全文摘要
一種強化鋼渣礦化固定CO2的方法利用鋼鐵行業生產過程產生的大量難處理鋼渣為原料，通過添加含鹼金屬鹽的催化劑，強化鋼鐵渣中氧化鈣組分與CO2反應，從而提高鋼鐵渣中氧化鈣組分的轉化率以及鋼鐵渣的固碳效率。此外，固碳鋼鐵渣可作為鋼渣微粉用於混凝土摻和料，實現鋼鐵渣全組分資源化利用，提高鋼鐵渣的附加值。採用本發明方法，可以顯著縮短鋼渣礦化固定CO2的時間，降低鋼渣礦化固定CO2的能耗，提高鋼渣礦化固定CO2的效率，並且鋼渣固碳後可以用於生產鋼渣微粉產品，由此進一步提高鋼渣的使用價值，具有良好的經濟效益和廣闊的工業應用前景。
文檔編號C01F11/18GK103111186SQ201310057118
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月22日 優先權日2013年2月22日
發明者包煒軍, 李會泉, 潘凱, 王晨曄 申請人:中國科學院過程工程研究所