一种循环捕集矿化CO2制备碳酸盐及回收能量的方法 |
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| 申请号 | CN201610172089.9 | 申请日 | 2016-03-24 | 公开(公告)号 | CN105836778A | 公开(公告)日 | 2016-08-10 |
| 申请人 | 东北大学; | 发明人 | 张廷安; 刘燕; 豆志河; 吕国志; 赵秋月; 张伟光; 牛丽萍; 傅大学; | ||||
| 摘要 | 一种循环捕集矿化CO2制备 碳 酸盐及回收 能量 的方法，按以下步骤进行：（1）将含 钙 废渣或含钠废渣加 水 制成含钙 碱 性水溶液或含钠碱性水溶液；或者将 钢 铁 工业含钙碱性 废水 作为含钙碱性水溶液；（2）通过 增压 泵 送入多级射流式全混反应器中，同时将CO2烟气送入多级射流式全混反应器中逆向流动，进行气液两相矿化吸收反应，实现CO2的捕集矿化；（3）生成的矿浆或溶液经换热、过滤，滤液循环使用。本 发明 的方法利用碱性废渣/废水高效捕集矿化低浓度CO2废气，同时矿化转化得到含有碳酸盐高附加值副产品；同时将捕集矿化CO2反应过程中产生的反应热，通过换热器进行综合 回收利用 ，实现了整个过程的低碳环保处理。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种循环捕集矿化CO2制备碳酸盐及回收能量的方法，其特征在于按以下步骤进行： |
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| 说明书全文 | 一种循环捕集矿化CO2制备碳酸盐及回收能量的方法技术领域背景技术[0002] 据国际能源署的预测，2030年中国与能源相关的CO2排放量（碳当量）将上升到116.15亿吨，比2007年增长91.3%，占2007～2030年这段时期全球碳排放新增量（114亿吨碳当量）的48.6%。冶金工业是我国主要温室气体排放的工业领域之一，仅有色金属工业温室气体年排放可能超过6亿吨（折合CO2）。以电解铝行业为例，作为能耗大户，每生产1t电解铝直接排放的CO2超过1.5吨，间接排放17吨，总量超过18吨，电解铝的每年的CO2排放量超6000万吨，占全国碳总排放量的4%，无疑成为“巨大碳源”。但是该类CO2尾气浓度低（<5%），废气量大，很难利用。国内外对铝电解净烟气直接处理而实现节能减排的研究未见报道。 [0003] 另外，我国工业每年还产生大量的含碱废渣，如电石废渣、石灰渣、赤泥、白泥、盐泥、硼泥、镁渣、钢渣、化工废料等。这些碱性矿渣中含有约40~50%的矿物资源，被当作废弃物堆积，不但资源浪费严重，而且造成巨大的环境污染。如，PVC行业的电石废渣主要成分是Ca(OH)2，pH值高达14，含水量大、碱性高，且流量大。我国每年堆放的电石渣就有数千万吨，目前主要以堆放填埋处理。还有如氧化铝工业的拜尔法赤泥，也是强碱性废渣，我国年排放量5000万吨以上，目前也采取堆存处理；这样不仅造成巨大资源浪费，还造成严重的环境污染。除此之外，在钢铁工业中每年还有近百亿吨的碱性含钙废水，由于水质钙硬度高、水质不稳定，同时带来严重的管路结垢，严重影响到正常生产。 [0004] 目前国内外对低浓度CO2烟气直接处理而实现节能减排的研究鲜有报道。同时工业上还存在大量电石废渣、赤泥、硼泥、镁渣等废渣以及高碱含钙废水都无法清洁利用。CO2的捕集与矿化利用技术一直是工业界和学术界的研究热点和难点，而利用碱性废渣/废水捕集矿化低浓度CO2尾气越来越受到工业界和学术界的高度关注；而利用碱性废渣捕集矿化CO2过程具有显著的放热效应。因此，如何实现反应热的高效利用，亦是实现CO2高值化绿色矿化捕集利用的关键。 发明内容[0005] 针对一方面我国冶金工业排放大量含钙碱性废弃物，另一方面我国冶金工业又排放大量温室气体CO2缺乏高效捕集方法，本发明提出一种基于水循环的循环捕集矿化CO2制备碳酸盐及回收能量的方法，利用碱性废渣/废水高效捕集矿化低浓度CO2废气，同时矿化转化得到含有碳酸盐粉体高附加值副产品；同时将捕集矿化CO2反应过程中产生的热量综合回收利用。 [0006] 本发明技术方案按照以下步骤进行：1、准备碱性水溶液：将含钙废渣或含钠废渣置于矿浆槽中，加水搅拌至其中的可溶性物质全部溶解，同时控制温度在30~50℃，获得含钙碱性水溶液或含钠碱性水溶液；或者直接将钢铁工业含钙碱性废水作为含钙碱性水溶液；其中含钙碱性水溶液pH值>12，含钠碱性水溶液pH值>14； 2、捕集矿化：将含钙碱性水溶液或含钠碱性水溶液通过增压泵送入多级射流式全混反应器中，含钙碱性水溶液或含钠碱性水溶液的喷射压力为0.5~2MPa；同时将CO2烟气送入多级射流式全混反应器中，CO2烟气的喷射压力为0.2~1.0MPa；含钙碱性水溶液或含钠碱性水溶液与CO2烟气在多级射流式全混反应器中逆向流动，进行气液两相矿化吸收反应，实现CO2的捕集矿化； 含钙碱性水溶液与CO2烟气的通入量所依据的反应式为： CO2+ Ca2++H2O=CaCO3↓+ 2H+； 含钠碱性水溶液与CO2烟气的通入量所依据的反应式为： CO2+ 2Na++H2O=Na2CO3+ 2H+； 3、回收能量：气液两相矿化吸收反应完成后，生成含有碳酸钙矿粉体的矿浆或Na2CO3溶液；当采用含钙废渣作为原料时，生成的含有碳酸钙矿粉体的矿浆经过滤后获得碳酸钙产品和温度≥70℃的滤液，滤液经换热器换热后降温至30~50℃，返回步骤1循环使用；当采用含钠废渣作为原料时，生成的Na2CO3溶液经换热器换热后降温至≤30℃，Na2CO3结晶析出形成含有Na2CO3晶体的矿浆，经过滤后获得的滤液返回步骤1循环使用。 [0007] 上述的含钙废渣为碱性工业含钙废渣，选用PVC行业的废电石渣。 [0008] 上述的含钠废渣为碱性工业含钠废渣，选用氧化铝工业的赤泥。 [0009] 上述的CO2烟气为工业生成过程中排放的CO2体积分数≥0.05%的尾气。 [0010] 上述方法中，气液两相矿化吸收反应完成后，生成的Na2CO3溶液的温度≥90℃。 [0011] 上述方法中，CO2捕集矿化率≥99%。 [0012] 与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：（1）利用碱性废渣/废水高效捕集矿化低浓度CO2废气，同时矿化转化得到含有碳酸盐高附加值副产品；同时将捕集矿化CO2反应过程中产生的反应热，通过换热器进行综合回收利用，实现了整个过程的低碳环保处理；该方法能够适用于CO2体积分数很低的尾气，对于CO2体积分数高的尾气更可以直接处理，CO2含量越高处理效果越显著； （2）利用碱性废渣/废液直接捕集矿化CO2废气，同时矿化转化得到含有碳酸盐高附加值副产品，实现了“以废制废、变废为宝”的清洁化处理； （3）针对捕集矿化CO2的反应为典型的放热反应，提出了通过热交换器回收捕集矿化过程中的热能；例如含钙碱性水溶液捕集矿化1吨CO2反应体系能产生约50kg标煤的热量；以我国铝电解为例，每吨原铝的生产过程中会有约1.5万吨的CO2排出，即直接排放6000万吨的CO2排出；在捕集矿化CO2废气，可得到1.3亿吨以上碳酸钙粉体副产品；捕集矿化反应中回收的热量相当于300万吨标煤，相当于一个大型煤矿的产煤量； （4）反应系统中的水是全部闭路循环利用，实现了“无废”排放的清洁化处理； （5）如采用钢铁工业的碱性废水作捕集矿化剂，不但实现 “以废制废、变废为宝”的绿色高值化处理，还能彻底解决高硬度水质的软化和水质稳定处理，以及管路防结疤和防腐蚀的技术难题； （6）利用PVC行业的含钙电石废渣、钢铁工业的含钙高碱废水、氧化铝工业的赤泥等高钠碱废渣捕集矿化CO2废气，还可以利用含钙、镁等碱性矿物捕集矿化CO2废气，同时得到高附加值碳酸盐副产品，同时回收更大的热量。 附图说明 [0013] 图1为本发明实施例2中的循环捕集矿化CO2制备碳酸盐及回收能量的方法流程示意图；图2为为本发明实施例1中的循环捕集矿化CO2制备碳酸盐及回收能量的方法流程示意图。 具体实施方式[0015] 实施例1将含钙废渣置于矿浆槽中，加水搅拌至其中的可溶性物质全部溶解，同时控制温度在 30℃，获得含钙碱性水溶液，pH值>12；含钙废渣为PVC行业的废电石渣； 将含钙碱性水溶液通过增压泵送入多级射流式全混反应器中，喷射压力为0.5MPa；同时将CO2烟气送入多级射流式全混反应器中，CO2烟气的喷射压力为0.2MPa；含钙碱性水溶液与CO2烟气在多级射流式全混反应器中逆向流动，进行气液两相矿化吸收反应，实现CO2的捕集矿化； 含钙碱性水溶液与CO2烟气的通入量所依据的反应式为： CO2+ Ca2++H2O=CaCO3↓+ 2H+； CO2烟气为工业生成过程中排放的CO2体积分数0.05%的尾气； 气液两相矿化吸收反应完成后，生成含有碳酸钙矿粉体的矿浆，经过滤后获得碳酸钙产品和温度≥70℃的滤液，滤液经换热器换热后降温至30℃，返回步骤1循环使用； CO2捕集矿化率99.1%；碳酸钙产品的纯度≥98.0%，白度≥85.0%。 [0016] 实施例2将含钠废渣置于矿浆槽中，加水搅拌至其中的可溶性物质全部溶解，同时控制温度在 30℃，获得含钠碱性水溶液，pH值>14；含钠废渣为氧化铝工业的赤泥； 将含钠碱性水溶液通过增压泵送入多级射流式全混反应器中，含钠碱性水溶液的喷射压力为0.5MPa；同时将CO2烟气送入多级射流式全混反应器中，CO2烟气的喷射压力为 0.2MPa；含钙碱性水溶液或含钠碱性水溶液与CO2烟气在多级射流式全混反应器中逆向流动，进行气液两相矿化吸收反应，实现CO2的捕集矿化； 含钠碱性水溶液与CO2烟气的通入量所依据的反应式为： + + CO2+ 2Na+H2O=Na2CO3+ 2H ； CO2烟气为工业生成过程中排放的CO2体积分数0.05%的尾气；； 气液两相矿化吸收反应完成后，生成Na2CO3溶液，温度≥90℃；生成的Na2CO3溶液经换热器换热后降温至20℃，Na2CO3结晶析出形成含有Na2CO3晶体的矿浆，经过滤后获得的滤液返回步骤1循环使用； CO2捕集矿化率99.2%。 [0017] 实施例3将钢铁工业含钙碱性废水作为含钙碱性水溶液，pH值>12； 将含钙碱性水溶液通过增压泵送入多级射流式全混反应器中，含钙碱性水溶液的喷射压力为0.5MPa；同时将CO2烟气送入多级射流式全混反应器中，CO2烟气的喷射压力为 0.2MPa；含钙碱性水溶液与CO2烟气在多级射流式全混反应器中逆向流动，进行气液两相矿化吸收反应，实现CO2的捕集矿化； 含钙碱性水溶液与CO2烟气的通入量所依据的反应式为： CO2+ Ca2++H2O=CaCO3↓+ 2H+； CO2烟气为工业生成过程中排放的CO2体积分数0.05%的尾气；； 气液两相矿化吸收反应完成后，生成含有碳酸钙矿粉体的矿浆；经过滤后获得碳酸钙产品和温度≥70℃的滤液，滤液经换热器换热后降温至30℃，返回步骤1循环使用； CO2捕集矿化率99.4%；碳酸钙产品的纯度≥98.0%，白度≥85.0%。 [0018] 实施例4方法同实施例1，不同点在于： （1）控制温度在40℃； （2）含钠碱性水溶液的喷射压力为1MPa；CO2烟气的喷射压力为0.5MPa； （3）CO2烟气为工业生成过程中排放的CO2体积分数2%的尾气； （4）滤液经换热器换热后降温至40℃，返回步骤1循环使用； （5）CO2捕集矿化率99.5%。 [0019] 实施例5方法同实施例1，不同点在于： （1）控制温度在50℃； （2）含钠碱性水溶液的喷射压力为2MPa；CO2烟气的喷射压力为1.0MPa； （3）CO2烟气为工业生成过程中排放的CO2体积分数5%的尾气； （4）滤液经换热器换热后降温至50℃，返回步骤1循环使用； （5）CO2捕集矿化率99.4%。 [0020] 实施例6方法同实施例2，不同点在于： （1）控制温度在40℃； （2）含钠碱性水溶液的喷射压力为1MPa；CO2烟气的喷射压力为0.5MPa； （3）CO2烟气为工业生成过程中排放的CO2体积分数3%的尾气； （4）Na2CO3溶液经换热器换热后降温至25℃； （5）CO2捕集矿化率99.6%。 [0021] 实施例7方法同实施例2，不同点在于： （1）控制温度在50℃； （2）含钠碱性水溶液的喷射压力为2MPa；CO2烟气的喷射压力为1.0MPa； （3）CO2烟气为工业生成过程中排放的CO2体积分数8%的尾气； （4）Na2CO3溶液经换热器换热后降温至30℃； （5）CO2捕集矿化率99.7%。 [0022] 实施例8方法同实施例3，不同点在于： （1）含钠碱性水溶液的喷射压力为1MPa；CO2烟气的喷射压力为0.5MPa； （2）CO2烟气为工业生成过程中排放的CO2体积分数10%的尾气； （3）滤液经换热器换热后降温至25℃； （4）CO2捕集矿化率99.8%。 [0023] 实施例9方法同实施例3，不同点在于： （1）含钠碱性水溶液的喷射压力为2MPa；CO2烟气的喷射压力为1.0MPa； （2）CO2烟气为工业生成过程中排放的CO2体积分数15%的尾气； （3）滤液经换热器换热后降温至22℃； （4）CO2捕集矿化率99.8%。 |
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