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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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.

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。

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。

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。

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。

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。

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。

磷石膏矿化CO_(2)制备球霰石型碳酸钙试验研究

以磷石膏为原料,采用氯化铵盐浸预处理方法获得磷石膏盐浸液,以该溶液为钙源矿化CO_(2)制备球形球霰石型碳酸钙。首先采用4因素3水平正交试验确定最佳试验条件,再通过XRD、SEM分析探究不同温度下产物的物相与形貌的变化规律,结果表明:不添加任何晶型控制剂,在碳化温度为22℃、氨水加入量为10.00%、搅拌速度为650 r/min、CO_(2)流速为0.3 L/min的条件下,可以得到球形球霰石型碳酸钙。在同一温度下,随着氨水加入量的增加,碳酸钙中球霰石含量升高。

粉煤灰矿化封存CO_(2)技术的应用研究

CO_(2)矿化封存技术可以一步实现CO_(2)的利用和永久封存,不受地质环境限制,安全性高,在燃煤电厂利用粉煤灰矿化封存CO_(2)可以实现以废治废。将矿化封存CO_(2)技术与其他利用封存技术进行分析比较,总结了粉煤灰矿化封存CO_(2)的技术路线,分析试验条件、添加剂、浸出剂等关键技术对矿化效率和反应速率的影响,对粉煤灰矿化封存CO_(2)的工业应用情况进行了详细介绍。

磷石膏矿化封存CO_(2)技术进展及固碳潜力评估——以湖北省宜昌市为例

湖北省宜昌市磷石膏堆存量巨大,极具矿化封存CO_(2)的物质基础,而磷石膏固碳方法侧重点各有差异,需综合评价磷石膏矿化封存CO_(2)技术,确定宜昌市磷石膏固碳方法,评价其固碳潜力。全面收集磷石膏固碳相关文献,采用对比、借鉴、总结工作手段,总结了磷石膏矿化封存CO_(2)技术方法,根据磷石膏中Ca参与矿化封存CO_(2)的形式,将该技术分为磷石膏氨水法和磷石膏热分解制备钙基法;前者适合工业化集约式矿化CO_(2),但需合适的原料生产线,而后者适合便携式自发捕集,但需还原剂参与反应且耗能较高并有毒尾气需细致处理。综合宜昌磷石膏堆场条件,认为宜昌宜采用磷石膏氨水法。常压磷石膏氨水法矿化试验的最优条件,即氮硫比为2、反应温度为40℃、反应时间为60 min、固液比为100 g/L、氨水浓度为1.5 mol/L。该条件下磷石膏矿化CO_(2)的转化率可达95.9%,测算宜昌市磷石膏的固碳潜力可达2938.8万t。

磷石膏资源化利用及CO_(2)矿化捕集研究进展

磷石膏是一种工业固体废弃物,组成复杂,危害较大,它一般产生于湿法磷酸生产工艺。磷石膏堆存会占用土地资源,其渗滤液会破坏区域水环境。本文综述磷石膏资源化利用技术,分析磷石膏捕集CO_(2)制备CaCO_(3)的技术路线。目前,磷石膏已经在建筑、农业、化工等领域实现资源化利用。研究表明,利用磷石膏吸收CO_(2)进行碳捕集,联产CaCO_(3)产品,可以实现以废治废。