CN102476798B - 固定二氧化碳的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种固定二氧化碳的方法和系统。在金属离子成分通过酸处理从例如天然矿物或钢渣中提取之后，将二氧化碳注入以通过碳酸盐化来固定二氧化碳。因为pH调节步骤是不必要的，该反应能够有效地进行并且是一个连续的过程。因此，本发明的固定二氧化碳的方法使得能够有效去除产自炼钢工业的二氧化碳，从而显著地减少温室气体排放并使废弃钢渣得到再生利用。

Description

固定二氧化碳的方法
技术领域
本发明涉及一种固定二氧化碳的方法和系统。更特别地，发明涉及一种利用天然矿物或者产自铁制品的钢渣来固定二氧化碳的方法，从而减少大气中二氧化碳的排放。
背景技术
二氧化碳排放由于增加的矿物燃料消耗而急剧上升，并且被认为是全球变暖的主要原因。因此，世界上许多国家已经在做出努力和加强措施来减少二氧化碳的排放。
二氧化碳排放的减少可以通过减少矿物燃料自身的使用，或者通过一种分离、收集和固定生成的二氧化碳的方法来实现。对于后者，过去已经研究了利用分离和收集的二氧化碳作为甲醇合成的原料，或者通过倾倒到海洋或者使用碳酸盐矿物来固定分离的和收集的二氧化碳。
例如，一种利用碳酸盐矿物来固定二氧化碳的方法。在该方法中，存在于矿物质中的碱性物质(CaO、MgO、K2O、Na2O，等)和二氧化碳反应生成碳酸盐(CaCO3、MgCO3、Na2CO3、K2CO3)来固定从植物中释放的二氧化碳。
在炼钢过程中产生的熔渣包括熔融铁预处理熔渣、转炉炉渣、不锈钢熔渣、电炉炉渣等。这些钢渣大部分被掩埋起来，除了作为道路或建筑用水泥或骨料的有限利用。已经提出了利用废弃钢渣的多种方法，因为已经很难找到钢渣填埋的方法了。
韩国专利申请公开第2002-0050429号，题为“使用二氧化碳的钢渣预处理方法”，提出了一种在钢渣表面固定二氧化碳的方法以用于港口建筑或者养鱼的人工鱼塘。在另一个利用钢渣处理二氧化碳的尝试中，韩国专利申请公开第2006-0023206号，题为“一种固定二氧化碳的方法”，提出了在含有一定量水分的钢渣表面通过其与二氧化碳的反应来固定二氧化碳。然而，因为二氧化碳和钢渣的反应速率非常低，以上两个专利中描述的方法需要太长的反应时间，因此在经济上不可行。
韩国专利第0891551号(申请号2008-0025573)，题为“利用钢铁工业产生的钢渣的矿物碳酸盐法能改善反应效率的二氧化碳固化方法”，提出一种凝固二氧化碳的方法，通过从钢渣中提取的碱性物质和气态二氧化碳经加压水热反应或常压水热反应进行碳酸盐化反应。然而，水热反应消耗大量能量，而且对于二氧化碳怎样随碱性成分的碳酸盐化而固定没有一个清晰的说明。
韩国专利第0801542号(申请号2006-0105753)，题为“通过移除水分子和羟基来转化滑石粉以用于矿物碳酸盐化的方法，和利用获得的滑石粉进行二氧化碳矿物碳酸盐化的方法”，提出一种利用天然矿物滑石粉来固定二氧化碳的方法。然而，因为它需要152μm或更小的粒子大小，额外的能量被消耗在矿物质的粉碎上。而且，在碱性成分用用于提取的弱酸性溶剂，例如醋酸，处理之后，当pH值升高以通过碳酸盐化来固定二氧化碳的时候，一些金属离子(例如，Ca2+)同氢氧根离子(OH-)反应形成乳状石灰(Ca(OH)2)，从而形成悬浮液。因此，需要附加的沉淀和过滤过程。鉴于沉淀的碳酸盐悬浮在溶液中，分离很困难，且不容易建立一个工业化的应用流程。
发明内容
本发明涉及一种能够克服传统方法中存在的问题的方法，有效地固定二氧化碳且适用于实际的处理，因而二氧化碳能通过液相反应被固定，此外，本发明还提供了改进的反应效率，因而，在常温常压下，减少了能量消耗。另外，在本发明中，用于二氧化碳固化的pH调节步骤是不必要的，因此防止了悬浮乳化石灰的形成并且允许连续处理。
在本发明的一个实施方案中，一种固定二氧化碳的方法，包括(a)用酸处理天然矿物或钢渣以提取金属离子成分；(b)在由步骤(a)获得的包含金属离子成分的提取液中注入二氧化碳以碳酸盐化二氧化碳；(c)将溶解有从步骤(b)得到的碳酸盐的溶液转移到溶解碳酸盐储存罐中并储存；(d)将储存的溶解碳酸盐转移到碳酸盐分离/纯化罐中，并调节pH到大约7或以上，以分离该碳酸盐。
附图说明
本发明的上述及其他目的、特征和优点将参考在附图中加以图解的一些典型实施方案进行详细描述，附图仅以图示的方式在后面给出，因此不限制本发明，其中：
图1示出现有的利用熔渣固定二氧化碳的方法；及
图2示出根据本发明典型实施方案利用天然矿物或钢渣固定二氧化碳的方法。
应该理解的是，附图没有必要成比例，而是呈现说明本发明基本原理的多种优选特征的略微简化的表现。在此公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、取向、位置和形状，将部分地由特定意向的应用和使用环境来确定。
具体实施方式
在下文中，将会详细做出对本发明多种实施方案的参考，其中的例子在附图中图解并在下面说明。尽管本发明将结合典型实施方案一起描述，但应该理解，本说明书不意在将本发明局限于那些典型实施方案。相反，本发明旨在不仅包括典型实施方案，而且还包括多种替换、修改、同等物以及其他的实施方案，这些可以包括在所附加权利要求限制的本发明的精神和范围内。
本发明提供了一种固定二氧化碳的方法，包括：(a)用酸处理天然矿物或钢渣以提取金属离子成分；(b)在由步骤(a)获得的包含金属离子成分的提取液中注入二氧化碳以碳酸盐化；(c)将溶解有由步骤(b)得到的碳酸盐的溶液转移到溶解碳酸盐储存罐中并储存；(d)将储存的溶解碳酸盐转移到碳酸盐分离/纯化罐中，并调节pH到7左右或以上以分离该碳酸盐。
在步骤(a)中，天然矿物没有被特别限定。例如，包含大量氧化钙和氧化镁的橄榄岩、玄武岩、滑石粉、蛇纹岩、硅灰石等可以使用。以蛇纹岩和硅灰石中氧化钙和氧化镁的含量作为例子在表1中示出。
并且，在步骤(a)中，钢渣可以是产自，例如在鼓风炉、转炉或吹氧法过程中的铁制品的熔渣、电炉炉渣或转炉炉渣。钢渣大多用作道路或建筑用水泥或骨料。各种钢渣的化学成分也表示在表1中。
表1
因为天然矿物和钢渣包含大量的金属氧化物，包括氧化钙和氧化镁，它们表现出强碱性，在酸处理中，金属氧化物的金属成分释放到溶液中，从而表现出碱性特征。该金属离子成分大多是Ca2+和Mg2+，其余的是K+、Na+等。
具体地，酸处理可以在pH 3-5时处理。对此，酸性物质，例如醋酸、醋酸钠、盐酸等，可以以适当的浓度使用。因此，在酸处理时，包含例如Ca2+钙离子、Mg2+镁离子等金属离子的溶液具有酸性pH。
根据现有的方法，提取液的pH被调节到约12，然后注入二氧化碳形成碳酸盐沉淀物，以通过碳酸盐化固定二氧化碳。在这个过程中，一些溶解的金属离子(例如，Ca2+、Mg2+等)和氢氧根离子(OH-)反应形成乳状石灰，从而形成悬浊液。除非悬浮的固体被有效分离，不然很难通过连续过程来固定二氧化碳。结果，大规模的二氧化碳处理是不可能的。
为解决现有方法的局限性，本发明省略了调节pH到约12的步骤。通过省略pH调节步骤，可以防止乳状石灰的形成和接下来悬浮固体的形成。因此，连续处理变得可行，并且对二氧化碳的大规模处理也成为可能。根据本发明，将pH调节到预定的碱性范围(例如，pH 7或更高)以分离碳酸盐的步骤被放在了二氧化碳与金属离子成分反应完成之后。因为金属离子已经参与到反应中来形成碳酸盐，通过与氢氧根离子反应形成悬浮固体的可能就非常小。将溶有由二氧化碳固定(步骤(b))而得到的碳酸盐的溶液转移到溶解碳酸盐储存罐中并储存。然后，当储存的溶解碳酸盐被转移到碳酸盐分离/纯化罐后，将pH调节到7或更高来分离碳酸盐。从而，能连续地进行碳酸盐化和碳酸盐分离的步骤。
在本发明中，步骤(b)的碳酸盐化可以在常温常压下进行。这里，常温常压是指无需施加附加的热和压力。例如，温度可以在大约0-40℃(32-104°F)之间，优选地在约10-25℃(50-77°F)之间，压力可以在约0.1-5atm之间，优选地在约0.5-2atm之间。根据本发明，碳酸盐化能在大约5分钟内完成，甚至不需要耗能的水热反应。也就是说，当二氧化碳的注入速率是，例如2L/min时，步骤(b)的碳酸盐化反应能在大约5分钟内完成。因为步骤(a)中金属离子成分的释放能在大约2小时内完成，整个过程大约需要2小时完成，从而是一个很经济的方法。因此，二氧化碳能通过使用天然矿物或钢渣，例如产自由鼓风炉、转炉或吹氧法中的铁制品的熔渣、电炉炉渣、或者转炉炉渣等，被有效固定，从而显著地减少温室气体的排放并允许使对先前废弃钢渣的利用。
由根据本发明方法处理的二氧化碳气体可以是任何二氧化碳气体，包括作为工业熔炉(例如鼓风炉、石灰煅烧炉、焦炉等)、烧结或热轧过程、发电、废热锅炉等的副产物产出的那些气体。因此，如果把能够固定在炼钢过程中产生的二氧化碳的设备安装在炼钢厂，则可以利用在生产过程中产生的钢渣以就地固定造成全球升温的气体。通过此，能够满足环境管理，并且例如金属氧化物的副产物可以被利用作为国家税收的新来源，而非废弃物。
实施例
下面说明实施例和实验。下面的实施例和实验仅用作说明，而不限制本发明的范围。
[实施例]
使用pH3-5、10％体积比的醋酸，从1-5mm粒子尺寸的钢渣中提取金属离子成分。提取溶剂对钢渣的重量比是10∶1，搅拌速度是150rpm。钙离子浓度随提取时间的变化表示在表2中。
表2
  提取时间(小时)   1   2   3
  钙离子浓度(mg/L)   26000   38000   38000
如表2中所见，用酸处理的金属离子的提取在2小时左右完成。
通过向得到的提取溶液中注入二氧化碳进行碳酸盐化(二氧化碳固定)。碳酸盐化在25℃(77°F)、1atm下进行，二氧化碳流速保持在2L/min。钙离子浓度和pH随碳酸盐化时间的变化显示在表3中。
表3
如表3所见，碳酸盐化在二氧化碳注入后大约4.5分钟内完成。
钙离子的转化率和沉淀碳酸钙的纯化总结在表4中。
表4
如表4所见，沉淀碳酸钙的纯化和收集都被改进了。因此，本发明提出的方法，二氧化碳经碳酸盐化被固定而无需调节pH，使得能够在大约2小时内制备高纯度碳酸盐。而且，因为能够实现连续的过程，因而能够大规模处理二氧化碳。
有利地，根据本发明的固定二氧化碳的方法，金属离子通过天然矿物或钢渣的酸处理来提取，比已有的固体-气体反应要有效得多。因为反应在常温常压下进行，不需要消耗大量能源的步骤，例如水热合成，因此，能够减少能量消耗。而且，因为用于固定二氧化碳的pH调节被省略了，因此，能够防止悬浮乳状石灰的形成，并且使连续的处理成为了可能。
更进一步，根据本发明的固定二氧化碳的方法允许通过使用钢渣减少二氧化碳排放，而钢渣目前仅被用于一些价值不大的应用，这可能是一个有效的措施来应对强制于炼钢公司的温室气体减排要求，而同时允许废弃钢渣作为碳酸盐的循环利用。
本发明的例证性实施方案也可以作为二氧化碳固定系统来实施。在该系统中，第一装置可被配置成用酸处理钢渣来提取金属离子成分。含有提取的金属离子成分的提取液可以通过第二装置被注入二氧化碳，例如，注射器，以碳酸盐化提取液。溶有从二氧化碳注入得到的碳酸盐的溶液可随后被转移并由第一罐接收，第一罐被配置为储存得到碳酸盐。该储存的溶解碳酸盐随后被转移且被第二罐接收，该第二罐被配置成调节碳酸盐的pH到预定的范围(例如，7或以上)以分离碳酸盐。
已经参照具体实施方案详细地描述了本发明。然而，本领域的技术人员应该意识到在这些实施方式中进行各种变化和修改而不会脱离本发明的原则和精神，本发明的范围由所附权利要求及其等效物限定。

Claims (12)

1.一种固定二氧化碳的方法，包括：
(a)用酸处理天然矿物或钢渣以提取金属离子成分；
(b)将二氧化碳注入到包含步骤(a)中提取的金属离子成分的提取液中以碳酸盐化；
(c)将溶解有在步骤(b)中得到的碳酸盐的溶液转移到溶解碳酸盐储存罐中并储存；以及
(d)将储存的溶解碳酸盐转移到碳酸盐分离/纯化罐中并调节pH到7或更高来分离碳酸盐，
其中所述碳酸盐化在2L/min的二氧化碳注入速度下进行，并在5分钟内完成。
2.根据权利要求1所述的固定二氧化碳的方法，其中所述酸处理在pH3-5时进行。
3.根据权利要求1所述的固定二氧化碳的方法，其中所述碳酸盐化在常温常压下进行。
4.根据权利要求1所述的固定二氧化碳的方法，其中所述钢渣是产自鼓风炉、转炉或吹氧法过程中的铁制品的熔渣、电炉炉渣或转炉炉渣中的一种。
5.一种固定二氧化碳的方法，包括：
(a)用酸处理熔渣以提取金属离子成分；
(b)将二氧化碳注入到包含步骤(a)中提取的金属离子成分的提取液中以碳酸盐化；
(c)将溶解有在步骤(b)中得到的碳酸盐的溶液转移到第一罐并将所述得到的碳酸盐储存在第一罐中；以及
(d)将储存的溶解碳酸盐转移到碳酸盐第二罐，并调节pH到预定范围以分离碳酸盐，
其中所述碳酸盐化在2L/min的二氧化碳注入速度下进行，并在5分钟内完成。
6.根据权利要求5所述的固定二氧化碳的方法，其中所述酸处理在pH3-5时进行。
7.根据权利要求5所述的固定二氧化碳的方法，其中所述碳酸盐化在0-40℃的温度和0.1-5atm的压力下进行。
8.根据权利要求5所述的固定二氧化碳的方法，其中所述碳酸盐化在10-25℃的温度和0.1-2atm的压力下进行。
9.根据权利要求5所述的固定二氧化碳的方法，其中所述熔渣是钢渣，且所述钢渣是产自鼓风炉、转炉或吹氧法过程中的铁制品的电炉炉渣或转炉炉渣中的一种。
10.根据权利要求5所述的固定二氧化碳的方法，其中熔渣是天然矿物渣。
11.根据权利要求5所述的固定二氧化碳的方法，其中调节的pH的预定范围是7或更高。
12.一种固定二氧化碳的系统，包括：
第一装置，被配置成用酸处理熔渣以提取金属离子成分；
第二装置，被配置成将二氧化碳以2L/min的二氧化碳注入速度注入含有提取的金属离子成分的提取液中以在5分钟内碳酸盐化；
第一罐，被配置成接收溶解有由注入二氧化碳所得到的碳酸盐的溶液并储存所得到的碳酸盐；和
第二罐，被配置成接收所述储存的溶解碳酸盐，并调节pH到预定范围以分离碳酸盐。
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