CO_(2)原位矿化选址关键参数及其封存潜力评估研究进展

温室气体特别是二氧化碳的大量排放,是导致全球变暖的主要原因之一。根据国际能源署的报道,碳捕集利用和封存(CCUS)技术是缓解全球气候变化的重要措施之一,约占累计碳减排量的15%。原位矿化封存技术基于快速CO_(2)矿化机制,以镁铁质岩石和超镁铁质岩石(玄武岩、橄榄岩等)地层为碳封存位点,利用CO_(2)与富含Ca、Mg元素矿物的矿化反应,转变为稳定的碳酸盐,从而达到永久且高效封存CO_(2)的目的。冰岛和美国的中试项目已经证明了该技术的可行性,但中国尚未进行相关示范项目。本文介绍了原位矿化封存技术的机理、CO_(2)封存潜力的评估手段及其面临的风险与挑战,讨论了已开展的案例项目及其技术细节,梳理了实施该技术所必需的选址关键参数(包括源-汇距离、矿物类型、注入性、封闭性等),并基于目前研究对其前景进行展望,以期提高我国对原位矿化技术的认识和重视,为推动该领域进一步发展提供理论指导。

工业固废CO_(2)矿化协同减污降碳关键技术进展

针对工业过程CO_(2)和固废排放的问题,减污降碳刻不容缓。CO_(2)矿化技术在封存CO_(2)的同时固废得到资源化利用,受到广泛关注。论述了不同工业固废作为CO_(2)矿化原料的利用情况,对比分析了不同矿化工艺优缺点及CO_(2)矿化机理,总结了不同CO_(2)矿化工艺研究现状和工业化应用情况。研究发现,目前针对固废CO_(2)矿化缺乏机制性解释,无法有效控制金属离子的浸取过程和矿化过程中气液固传质的效率,同时矿化形成的碳酸盐产品存在粒径大、易团聚、功能单一等问题。未来需进一步研究浸渍过程中表面溶剂扩散等控制浸取速率和程度的机制;深入研究碳酸盐成核结晶动力学机制及碳酸盐晶体形貌、粒度调控方法;构建煤基固废浸取、矿化溶质气-液-固传输模型,进行工艺参数优化和过程强化并确定放大规律;进一步加强CO_(2)矿化利用技术全生命周期和经济评价;最后,需加大CO_(2)矿化利用技术的中试、示范技术集成和成套工艺建设,为规模化减污降碳技术的工业化发展奠定技术支撑。

CO_(2)矿化再生骨料物理性能影响因素与机理

对经CO_(2)矿化后的再生骨料(RA)吸水率和表观密度的影响因素进行分析.结果表明:CO_(2)矿化处理能有效改善再生骨料的物理性能,且随着固碳率的增加,RA的物理性能改善愈发显著;当RA含水率为1.3%时,在环境温度和相对湿度分别为50℃和98%,CO_(2)体积分数、压力、碳化时间分别为99%、0.15 MPa、24 h条件下,RA的碳化强化效果最佳,与未经碳化处理的RA相比,其固碳率为1.77%,吸水率降低33.47%,表观密度增加2.06%.经CO_(2)矿化处理后,RA中的Ca(OH)_(2)和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶与CO_(2)发生碳化反应,在孔隙中生成方解石晶型的CaCO_(3),使得界面过渡区变得致密,孔隙率由22.07%降至12.78%,实现了RA对CO_(2)的封存,改善了RA的物理性能.

含钙镁煤基固废CO_(2)矿化封存及其产物性能研究进展

随着化石碳资源的过度消耗,导致CO_(2)等温室气体的大量排放,全球气候变化已经成为全人类面对的重大挑战之一,同时,煤炭资源开发利用过程中会产生大量的粉煤灰、脱硫石膏等含钙镁煤基固废。如何实现CO_(2)高效捕集与封存是当下面临的极具挑战性课题,粉煤灰、煤气化灰渣等大宗重污染工业固废的大规模综合利用仍亟待突破。在“双碳”目标下,利用煤基固废矿化封存CO_(2)是一项具有巨大潜力的高效应对全球变暖的策略,利用含钙镁煤基固废进行矿物碳酸化对于二氧化碳捕集与封存(CCS)以及固废的资源化处置都具有很大前景。然而,它的工业应用瓶颈依旧无法突破。综述了以典型煤基固废粉煤灰(FA)、脱硫石膏(FGDG)以及煤气化灰渣(CGS)为原料的CO_(2)矿化技术的发展现状,旨在探讨其技术局限性的原因。首先,简要阐述了煤基固废CO_(2)矿化的途径,揭示了煤基固废CO_(2)矿化反应过程和原理。其次,重点讨论了典型煤基固废的矿化潜力和工艺,明晰CO_(2)矿化过程中工艺参数对产物性能的调控机理。最后,总结了煤基固废CO_(2)矿化产物的性能并且利用全生命周期评估(Life Cycle Assessment,LCA)阐明矿化工艺的可行性及其对环境的影响。研究将对煤基固废CO_(2)矿化的工艺技术提供优化建议,以期推动煤炭工业的低碳转型战略目标。

煤矿区固废矿化固定封存CO_(2)与减污降碳协同处置利用的研究进展

“双碳”战略目标对煤炭行业转型升级和绿色低碳发展提出了新要求。以煤为主的能源结构和煤炭高强度开发带来矿区固废占用土地空间、破坏生态环境和排放温室气体,已成为制约煤炭行业绿色低碳发展的突出问题之一。基于“利废固碳、从哪里来到哪里去”的理念,探寻煤矿区固废无害化、减量化、资源化、低碳化的处置新路径,创新发展矿区固废处置、采空区地下空间充分利用、CO_(2)捕集利用与封存(CCUS)相融合的关键技术,是“双碳”目标下我国矿区绿色低碳发展的紧迫需求。研究工作表明:煤矸石、粉煤灰、炉底渣和煤气化渣等矿区固废在矿山地下空间充填开采与沉陷治理、煤矿防灭火、建筑用材及农业等领域的资源化利用路径与处置技术已取得重要进展,为矿区固废固定封存CO_(2)研究提供了基础和启示,但矿区固废固定封存CO_(2)的工程化技术研究亟待加强;矿区固废矿化固定与封存CO_(2)潜力大、具有工程可行性,正在形成矿区固废处置-煤基CCUS-采空区充填新的技术体系;矿区固废与CO_(2)基气-液-固三相介质矿化强化、高效吸收与矿化固碳调控技术、地下空间矿化固碳充填与CO_(2)密闭封存、采空区充填固定封存CO_(2)潜力评价与碳去除量核算、采空区充填固定封存CO_(2)环境与安全性评价等将构成固废处置-煤基CCUS-采空区充填技术体系的核心内涵;矿区固废处置–煤基CCUS–采空区充填技术是未来实现“煤炭生产加工-矿区固废处置-高效矿化固碳与CO_(2)封存-地下空间充填与利用-矿区地面沉陷防治与生态修复”的无废矿山循环经济模式的关键,矿区固废+CO_(2)基地下充填与封闭功能材料研发是重要突破口。矿区固废处置、煤基CCUS、采空区充填与地下空间利用、矿区生态修复保护等融合技术研发应用为绿色低碳型矿山建设提供了新的发展思路。

粉煤灰矿化CO_(2)研究进展

CO_(2)等温室气体大量排放引起了全球气候变暖等生态问题,已成为全人类生存面对的重大挑战,CO_(2)矿化是应对此挑战的关键技术之一。相对富煤、贫油、少气的能源资源禀赋格局导致中国主体能源仍以CO_(2)排放强度高的煤炭为主,其燃烧产生的工业固废粉煤灰也面临巨大的处理难题。相比传统矿化原料,粉煤灰因具有产量大、获取容易和运输成本低等特点受到广泛关注。粉煤灰自身可通过直接矿化和间接矿化实现CO_(2)矿化封存,在CO_(2)矿化封存的同时,可大幅降低与粉煤灰堆积或处理相关的环境风险。在碳达峰和碳中和目标下,利用粉煤灰矿化封存CO_(2)是一项应对全球变暖具有巨大潜力的高效策略。介绍了我国粉煤灰排放和利用现状,回顾了粉煤灰直接矿化和间接矿化的研究进展,对比分析了不同矿化工艺的优缺点,明晰了CO_(2)矿化过程中工艺参数对粉煤灰矿化效率的调控机理。针对粉煤灰矿化CO_(2)缺乏机制性的解释这一问题,通过介绍常用于描述CO_(2)矿化反应的缩核模型和表面覆盖模型,厘清矿化过程中气液扩散等控制矿化速率的机制。最后分析了粉煤灰矿化过程中现存的问题和未来研究方向,旨在为利用粉煤灰固废矿化CO_(2)提供借鉴。

扩散作用控制下CO_(2)矿化封存实验及模拟研究

玄武岩地层由于富含钙、镁、铁等二价金属元素,能够通过高效的矿化反应将注入的CO_(2)转化为碳酸盐岩,实现CO_(2)安全有效的永久封存。但围绕CO_(2)矿化封存机制的研究尚不完善,多数研究忽略了扩散作用对CO_(2)矿化机制的影响。通过试管填充及烧杯平铺实验,开展了不同矿物、不同粒径及不同反应时间下的CO_(2)-水-岩反应,并对反应后岩样开展多维度分析,包括拉曼光谱、无机碳含量以及SEM-EDS等,从而阐明了扩散作用在CO_(2)矿化封存中的重要性以及扩散作用控制下CO_(2)矿化产物的时空演变规律。同时,通过TOUGHREACT建立了扩散作用控制的试管填充实验的数值模拟模型,并通过与物理实验结果拟合,确保数值模拟模型的准确性。在此基础上,开展了更多影响因素的作用规律研究,并为物理实验现象提供机理解释。结合物理实验及数值模拟结果表明:①在不存在扩散作用的烧杯平铺实验中,反应14 d后无矿化产物,28 d后仅有微量菱镁矿生成。②相反,在扩散作用控制下的试管填充实验中,橄榄石填充管中的主要的沉淀物是菱镁矿,天然玄武岩填充管中的沉淀物以方解石、菱铁矿为主,菱镁矿为辅。在相同矿物粒径、相同反应时间下,天然玄武岩中CO_(2)矿化速率远小于橄榄石,这是由于橄榄石与玄武岩其他组成矿物相比溶解速度最快。③在橄榄石或玄武岩填充管中,碳酸盐沉淀物沿填充管均呈非均匀分布。通过数值模拟解释了造成这一现象的根本原因,即在扩散作用控制下,填充床中H+、DIC(Dissolved Inorganic Carbon)以及二价金属阳离子存在浓度梯度,且浓度梯度方向不同。④矿物比表面积对CO_(2)-水-岩反应有显著影响,不仅影响矿化效率而且影响矿化产物空间分布,并最终影响反应后多孔介质孔隙度分布。⑤与压力相比,温度对CO_(2)矿化的影响更大;当温度从65℃升高到85℃时,方解石、菱铁矿及碳酸盐沉淀总量明显增加,但从85℃升高100℃,仅菱镁矿沉淀量增加明显。压力对方解石沉淀的形成影响较小,而对菱镁矿及菱铁矿的形成几乎没有影响。

CO_(2)矿化改性高钙粉煤灰对水泥砂浆力学性能和微结构的影响

为改善高钙粉煤灰在混凝土中的体积安定性和水化活性,本文对高钙粉煤灰进行了CO_(2)矿化改性,研究了不同CO_(2)矿化反应时长下高钙粉煤灰的固碳量和游离氧化钙含量,及CO_(2)矿化改性高钙粉煤灰对水泥砂浆水化热、力学性能和孔隙结构的影响。结果表明,经12 h CO_(2)矿化改性处理,高钙粉煤灰固碳量可超过10%(质量分数),高钙粉煤灰中的游离氧化钙含量明显降低。随着矿化反应时间的延长,掺高钙粉煤灰的水泥浆体水化诱导期缩短,早期水化放热量明显降低。CO_(2)矿化改性处理还能减轻高钙粉煤灰对水泥砂浆强度的负面影响,改善水泥砂浆孔隙结构,降低孔隙率和大孔含量,促进水泥的早期水化和水化硅酸钙的成核结晶。

工业固废矿化封存CO_(2)的研究进展及固碳潜力评估

目前,CO_(2)捕集与封存技术是最有效的碳减排方法。相较于与天然矿石,工业固废具有较高的钙、镁基等碳化活性组分,是理想的矿化原料。本文初步介绍了工业固废中碳化活性组分,重点阐述钢渣、电石渣、粉煤灰及磷石膏矿化封存CO_(2)研究现状及制备建筑材料,从直接固碳量和间接固碳量两方面评估工业固废矿化CO_(2)碳减排潜力。结果表明:工业固废间接固碳量远高于直接固碳量。

CO_(2)矿化养护建筑垃圾再生砖的性能研究

以建筑垃圾为主要原材料制备了建筑垃圾再生砖,研究了CO_(2)矿化养护时间(2、6、12、24 h)和CO_(2)浓度(20%、30%、50%)对建筑垃圾再生砖抗压强度和固碳率的影响。结果表明:随着CO_(2)矿化养护时间的增加,试件的抗压强度和固碳率增大;随着CO_(2)浓度的增加,试件的抗压强度在CO_(2)矿化养护6 h内呈增大趋势,在CO_(2)矿化养护12 h后呈先增大后减小的趋势;试件的固碳率随着CO_(2)浓度的增加而增大;综合考虑成本、抗压强度和固碳率,推荐CO_(2)矿化养护时间为12 h,CO_(2)浓度为20%。

利用化学助剂强化CO_(2)埋存实验设计

结合储层CO_(2)埋存技术,自主搭建了地层温度压力条件下CO_(2)埋存实验装置,开展了多介质辅助CO_(2)埋存实验研究。研究结果表明,乙醇-KOH体系能够有效进行CO_(2)矿化埋存,其中96%乙醇+3 g KOH 500 mL溶液捕集CO_(2)能力最强,是最佳的CO_(2)矿化埋存溶液配比。经CO_(2)矿化埋存后,低渗透岩心孔隙度平均降低7.07%,孔隙度变化率与孔隙度呈正相关关系,渗透率平均降低16.01%。因此,96%乙醇+3 g KOH能够加速CO_(2)在储层中的CO_(2)沉淀过程,缩短CO_(2)在储层中的矿化埋存时间。该研究可重复性、准确性和可扩展性较强,能够激发学生自主设计实验的积极性及创新意识,培养学生的独立思考能力,有利于学生将理论知识与实际工程问题相结合,实现科研能力与创新能力的相互促进。

电石渣矿化CO_(2)-可控制备碳酸钙的实验研究

本文提供了一种以电石渣为原料,循环利用氯化铵制备高纯碳酸钙的方法;通过实验系统讨论了碳酸钙制备的工艺条件以及不同工艺条件对所得碳酸钙晶型与形貌的影响.结果表明:碳酸钙制备的优化工艺条件为CO_(2)流速80 mL/min,反应温度30℃,反应时间60 min;所得产物为纳米的球形球霰石,产物中CaCO_(3)的含量为99.95%,白度为99.3%,产物具体良好的自流动性和自粉化性;整个制备工艺中碳酸化反应滤液可循环利用8次,此时的反应效能大于50%;通过工艺条件的调控成功制备出高纯纳米碳酸钙、球霰石型碳酸钙、文石型碳酸钙以及方解石型碳酸钙.论文提出的研究方案有望应用于电石渣的资源化利用与碳酸钙的可控制备.

CH_(3)COONa-NH_(4)OH-H_(2)O体系下磷石膏矿化CO_(2)-联产高纯CaCO_(3)

基于我国面临CO_(2)减排与磷石膏资源化利用的巨大压力,本文提出助剂循环使用的CO_(2)矿化与磷石膏资源化利用过程耦合的学术思想,立题以磷石膏为原料,研究醋酸钠体系下氨水强化磷石膏浸出液矿化CO_(2)联产高纯CaCO_(3)的反应过程。实验过程中系统讨论了不同工艺条件对磷石膏中Ca^(2+)的浸出及浸出液矿化CO_(2)反应效能的影响,并系统表征了反应条件对矿化产物晶粒尺寸、结构与形貌的影响。结果表明:低温常压条件下1t磷石膏可以矿化吸收208kg的CO_(2),同时联产472kg纯度为99.63%的球形球霰石。通过调节矿化反应条件可有效调控矿化产物的晶粒尺寸;提高反应温度和延长反应时间有利于亚稳态的球霰石向热力学更稳定的文石和方解石转化。实验过程中实现了醋酸钠的循环利用与回收。本文为磷石膏的资源化利用与高纯CaCO_(3)的制备提供了新的思路。

粉煤灰的CO_(2)矿化降碱反应特性研究

发展适用于燃煤电厂的CO_(2)捕集、利用与封存技术对实现我国碳达峰、碳中和的目标具有重要意义。固体废弃物减量化、资源化和无害化利用是当前我国污染环境防治的战略举措。文章以电厂粉煤灰为研究对象,探究该粉煤灰的CO_(2)矿化特性、降碱及返碱特性、反应前后的理化特性,探讨了反应后粉煤灰的利用途径。研究表明,增大烟气流速能够有效增加CO_(2)矿化和粉煤灰降碱特性,但烟气流速超过一定值后,CO_(2)溶解成为限速步骤,钙的转化率达到饱和;粉煤灰-水体系中引入有机胺可显著提升CO_(2)利用率和粉煤灰的CO_(2)固定量,这是由于有机胺不仅可以提高溶液中CO_(2)溶解度,还能强化粉煤灰颗粒中钙基物相的溶解。CO_(2)矿化不仅可以显著降低粉煤灰碱性,还可降低粉煤灰中某些重金属的浸出量,从而促进粉煤灰的消纳与资源化利用。

硫酸铵强化石膏溶解矿化制备高纯CaCO_(3)

近年来,利用固废石膏矿化CO_(2)联产CaCO_(3)及硫酸铵工艺技术受到广泛关注,然而由于固废石膏成分复杂,分离纯化困难,成本与矿化产品品质难以兼顾导致其无法大规模工业化利用。为此,以硫酸钙及磷石膏为原料,提出以石膏矿化液相产物硫酸铵溶液强化硫酸钙溶解浸出,液固分离后再进行矿化的间接矿化工艺。试验研究了溶解强化过程中硫酸铵浓度及溶解浸出时间对硫酸钙溶解特性的影响,以及矿化过程中氨水浓度、温度、矿化反应时间等因素对矿化过程和矿化产物的影响。确定了优化的溶解与矿化工艺条件,基于此,进一步研究磷石膏的间接矿化过程,结果表明,与直接矿化相比,间接矿化可使CaCO_(3)产品纯度由82.2%提高至98.6%,且产品粒度D_(50)由22.00μm降至10.98μm。间接矿化工艺可有效强化石膏溶解浸出过程,避免引入外加介质,并制备高纯度轻质CaCO_(3),相关研究可为固废石膏矿化CO_(2)技术的经济应用提供基础支持。

矿化养护碱激发固废胶凝材料性能与环境影响的综合评价

CO_(2)矿化养护固废胶凝材料可实现固废的多样化、减量化消纳,同时固定封存CO_(2),具有双重减碳效益。为综合考虑材料的力学性能、固碳效果与环境影响,选取抗压强度、固碳率、固碳程度、碳化效率、碳排放和能源消耗为评价指标,设计11组配合比试件进行综合性能的量化分析和评分。结果表明,与标准养护相比,矿化养护碱激发固废胶凝材料的抗压强度和整体固碳效果有显著提升。固废具有优异的减排和降耗优势,但碱激发剂的使用对环境影响较大。当粉煤灰、赤泥和钢渣质量比为7∶2∶1,水固比、碱胶比和水玻璃模数分别为0.28、0.26、1.2时,矿化养护碱激发固废胶凝材料的综合性能最优。CO_(2)矿化养护技术与固废资源化利用相结合可释放巨大的固碳潜能,是推动减污、降碳协同增效的重要举措。

半干法脱硫渣矿化CO_(2)与解吸AMP溶剂反应研究

采用半干法脱硫工艺产生的脱硫渣对吸收了CO_(2)的有机胺溶剂进行化学解吸并矿化CO_(2),解吸后的溶剂具有良好的循环稳定性。对比了工业常用的4种有机胺MEA、DEA、MDEA和AMP的吸收-矿化性能,优选出AMP作为吸收矿化工艺的吸收剂。考察了脱硫渣颗粒粒径、搅拌转速、有机胺浓度和反应温度对矿化反应转化率的影响,并利用表面覆盖模型对实验数据进行了动力学拟合。物料和能量衡算结果表明脱硫渣矿化再生工艺在能耗成本方面相较传统热再生工艺具有优势。

煤矿CO_(2)矿化充填技术研究进展

煤矿采空区充填涉及煤矿安全生产以及岩层和含水层的保护,CO_(2)和工业固废的不当处理也造成了生态环境的破坏,针对这些问题,科研人员提出煤矿CO_(2)矿化充填技术。将工业固废粉碎搅拌制成反应浆料,与捕获到的CO_(2)一并充入采空区进行充分混合,并施加适当条件形成固体碳酸盐,生成的碳酸盐产物具有较好的强度和稳定性;此外,浆料中大量存在的SiO_(2)可通过反应生成硅胶,为充填体增加强度。总结CO_(2)矿化充填技术路线,对可用于制备CO_(2)矿化充填材料的工业固废进行分析,探究CO_(2)矿化充填影响因素,并对几种新兴CO_(2)矿化充填实验案例进行了介绍。

玄武岩CO_(2)矿化封存潜力评估方法研究现状及展望

二氧化碳地质封存是实现减排增汇的重要技术选择,能够将CO_(2)长期、安全地封存在地下岩层中。常规的CO_(2)封存地质体包括地下深部咸水层和枯竭油气藏,玄武岩是近年来逐渐受关注的新一类CO_(2)封存地质体,进一步丰富和拓展了CO_(2)地质封存的技术手段和碳汇潜力。封存潜力评估是CO_(2)地质封存技术发展的重要基础工作之一,文章系统梳理国内外玄武岩矿化封存潜力的评价方法,对比分析各类方法的原理机制和应用情景,并以冰岛活动裂谷带玄武岩为例应用、对比各类方法。研究认为目前玄武岩矿化封存潜力评估方法一般包括三类:(1)单位矿化法:基于玄武岩单位体积或单位反应面积的固碳量开展潜力评估;(2)矿物置换法:基于玄武岩中可固碳矿物的总量开展封存潜力评估;(3)孔隙充填法:基于CO_(2)矿化后产生次生矿物所占岩石孔隙体积比例的上限值开展封存潜力评估。单位矿化法的评估数据需进行系统的实验分析,增加了潜力评估的难度。当玄武岩储层孔隙度较大、可固碳矿物含量相对较小时,矿物置换法较为合适;反之,孔隙充填法更合适。

混合醇胺溶液耦合电石炉净化灰吸收-矿化CO_(2)性能

针对醇胺吸收法中富CO_(2)吸收液的解吸封存问题,详细探究了乙醇胺(MEA)与N,N-二甲基乙醇胺(DMEA)混合溶液耦合电石炉净化灰吸收-矿化CO_(2)的潜力,并同等添加比例(n(CO_(2)):n(Ca)=1.0:1.0)下CaO、Ca(OH)_(2)的CO_(2)矿化性能进行了对比。实验结果表明,配比为1.5 mol/LMEA+1.5 mol/LDMEA的混合醇胺溶液的CO_(2)吸收负荷和解吸率最大,分别为1.807mol/L和82.78%;经过4次吸收-解吸循环后其CO_(2)吸收性能有所下降,但4次循环后CO_(2)吸收负荷仍有0.950 mol/L,利用电石炉净化灰可有效解吸封存MEA/DMEA混合醇胺溶液吸收的CO_(2)。电石炉净化灰的解吸性能接近CaO但优于Ca(OH)_(2),所得矿化产物包括文石、球霰石和方解石型碳酸钙。这主要由于活性含钙物质可以向富CO_(2)溶液中释放Ca^(2+)和OH^(-),继而同溶液中CO_(3)^(2-)和HCO_(3)^(-)反应生成CaCO_(3)沉淀,并中和质子化胺MEAH+/DMEAH+,同时实现CO_(2)矿化和混合醇胺溶液的再生。