CN102476799A

CN102476799A - 包括循环使用过的提取溶剂的步骤的固定二氧化碳的方法

Info

Publication number: CN102476799A
Application number: CN2011101389530A
Authority: CN
Inventors: 郑圣烨; 李起春
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2010-11-24
Filing date: 2011-05-19
Publication date: 2012-05-30
Also published as: KR20120056133A; DE102011075717A1; KR101173063B1; US20120128553A1

Abstract

本发明涉及一种固定二氧化碳的方法。在金属离子成分通过酸处理从天然矿物或钢渣中提取后，将二氧化碳注入以通过碳酸盐化来固定二氧化碳。因为不需要pH的调节步骤，该反应能有效地进行且是一个连续的过程。而且，因为循环使用过的提取溶剂，因而减少了固定二氧化碳的成本。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传统上废弃的钢渣得到再生利用。

Description

包括循环使用过的提取溶剂的步骤的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。更特别地，本发明涉及利用天然矿物或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

全球二氧化碳排放因为增加的矿物燃料消耗而急剧上升。近来二氧化碳排放被认为是全球变暖的主要原因，因此，全球各国正在努力提供适当的调控以减少这样的排放。

二氧化碳排放的减少可以通过减少矿物燃料本身的使用，或者一种分离、收集和固定矿物燃料使用所产生的二氧化碳的方法来实现。分离和收集的二氧化碳可以，例如，用作甲醇合成的原料。分离和收集的二氧化碳也可以通过倾倒到海洋或者利用碳酸盐矿物来固定。

根据一种方法，用碳酸矿物盐来固定从植物释放的二氧化碳。具体的，二氧化碳和存在于矿物中的碱性物质(例如，CaO、MgO、K₂O、Na₂O等)反应以生成碳酸盐(例如，CaCO₃、MgCO₃、Na₂CO₃、K₂CO₃等)。

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，只有有限的一些被用作道路或建筑用水泥或骨料。需要并已经提出了利用废弃钢渣的各种其他方法，特别是因为越来越难找到填埋熔渣的方法了。

韩国专利申请公开第2002-0050429号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。韩国专利申请公开第2006-0023206号提出了在包含一定水分的熔渣表面通过其与二氧化碳反应来固定二氧化碳。然而，这两种方法需要过多的反应时间，因为二氧化碳和熔渣之间的反应效率很低。因此，该方法在经济上不可行。

韩国专利第0891551号(申请第2008-0025573号)提出一种凝固二氧化碳的方法，通过从钢渣里提取的碱性成分与气态二氧化碳经过加压的或常压的水热反应进行碳酸盐化反应。然而，水热反应消耗大量的能量，而且也不清楚碱性成分的碳酸盐化之后二氧化碳怎样被固定。

韩国专利第0801542号(申请第2006-0105753号)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，根据该方法，颗粒必须要是125μm或更小，因此需要额外的能量用于矿物的粉粹。而且，在碱性成分用用于提取的弱酸溶剂，例如醋酸，处理之后，pH值升高以通过碳酸盐化来固定二氧化碳。该pH值的升高造成一些金属离子(例如，Ca²⁺)与氢氧根离子(OH-)反应形成乳状石灰(Ca(OH)₂)，从而形成悬浮液。因此，需要附加的沉淀或过滤步骤。鉴于沉淀的碳酸盐悬浮在溶液中，分离很困难，且很难建立一个工业上适用的连续过程。

发明内容

本发明提供了一种有效率地固定二氧化碳的方法，其克服了传统方法中的问题。本发明适用于实际的生产处理，因而二氧化碳可以通过液相反应而固定。本方法还提供了改进的反应效率，因此减少了常温常压下的能量消耗。而且，根据本方法，用于二氧化碳固定的pH调节步骤是不必要的，因而防止了悬浮乳状石灰的形成并且允许连续的处理。

根据更多的实施方式，本发明提供了一种通过循环碳酸盐分离后使用过提取液能够降低固定二氧化碳的成本的方法。

总的来说，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值到7或更高以分离碳酸盐；以及(e)用酸处理已经分离掉碳酸盐的溶液，并且循环该处理过的溶液作为步骤(a)的提取溶液(酸)。

本发明的上述和其他方面和特征将在下面说明。

附图说明

本发明上述的和其他目的、特征和优点将参考在附图中加以图解的一些示例性实施方式来详细说明，附图在以下仅以图示的方式给出，因此不限制本发明，其中：

图1示出利用熔渣固定二氧化碳的现有方法；和

图2示出根据本发明的利用天然矿物或钢渣固定二氧化碳的方法。

应该理解的是，附图不必要成比例，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示。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决定。

具体实施方式

在下文中，将详细地参考本发明的多种实施方式，其中的例子将在附图中图解并在下面说明。尽管结合示例性的实施方式说明了本发明，但应该理解，当前的说明不意在将本发明限制于那些示例性的实施方式。相反地，本发明旨在不仅包括示例性的实施方式，还包括多种替换、修改、同等物和其他实施方式，这些可以包括在所附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二氧化碳；

(c)将溶解有由步骤(b)得到的碳酸盐的步骤(b)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/纯化罐并调节pH值到7或更高以分离碳酸盐；以及

(e)用酸处理(在步骤(d)中)已经分离掉碳酸盐后的溶液，并循环该酸处理过的溶液用作步骤(a)的提取溶剂(酸)。

在步骤(a)中，天然矿物没有特别地限定。例如，含有大量金属氧化物，例如，氧化钙和/或氧化镁，的橄榄岩、玄武岩、滑石粉、蛇纹岩、硅灰石等都可以使用。氧化钙和氧化镁在蛇纹岩和硅灰石里中的含量作为例子在表1中示出。

在步骤(a)中，钢渣可以选自于，但不限制于，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。当前，钢渣主要用作道路或建筑用水泥或骨料。各种钢渣的化学组成也在表1示出。

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。因为如此，在酸处理中，金属氧化物的金属成分被释放到溶液中，从而表现出碱性特征。一般地，该金属离子成分大多是Ca²⁺和Mg²⁺，其余的可以是，例如，K⁺、Na⁺等。

依照一些实施方式，酸处理可以在pH大约3-5时进行。为达到需要的pH值，酸性物质，例如醋酸、醋酸钠、盐酸等，可以以适合的浓度使用。

在酸处理中，包含金属离子，例如，Ca²⁺、Mg²⁺等的溶液具有酸性的pH。

根据通过碳酸盐化固定的传统方法，提取液的pH要调节到大约12，接下来注入二氧化碳以形成碳酸盐沉淀。在这个过程中，一些溶解的金属离子(例如，Ca²⁺、Mg²⁺等)和氢氧根(OH-)反应形成乳状石灰，从而形成悬浮液。除非悬浮的固体能有效分离，否则通过连续的过程来固定二氧化碳将会很困难。从而，很难进行大规模的二氧化碳处理，如果不是不可能的话。

依照本发明，省略了调节pH到大约12的步骤，因此，克服了该局限性。具体的，通过省略pH调节步骤，本发明避免了乳状石灰的形成，从而，避免了悬浮固体的形成。因此，本发明允许了连续的过程，而且使大规模的二氧化碳处理成为可能。根据本发明，调节pH到碱性范围(pH7或更高)以用于分离碳酸盐的步骤在CO₂和金属离子成分反应完成之后进行。因为金属离子已参与了形成碳酸盐的反应，它们将通过和氢氧根的反应形成悬浮固体的可能性几乎没有。接下来将溶解有碳酸盐(例如，从步骤(b)二氧化碳固定得到的碳酸盐)的溶液转移到溶解碳酸盐储存罐并储存。接下来，将储存的溶解碳酸盐溶液转移到碳酸盐分离/纯化罐，并调节溶液的pH到7或更高以分离碳酸盐。从而，可以连续进行碳酸盐化和碳酸盐分离的过程。

在本发明的实施方式中，可以在常温常压下进行步骤(b)的碳酸盐化。在这里提到的，“常温”和“常压”是指不需要施加附加的热量或压力。例如，温度可以是大约0-40℃，依照一些实施方式是大约10-25℃，压力可以是大约0.1-5atm，依照一些实施方式是大约0.5-2atm。根据本发明，碳酸盐化可以在5分钟内完成，而不需要耗能的水热反应。根据一些实施方式，可以控制步骤(b)中的二氧化碳注入速率以达到碳酸盐化完成的预期时间。具体地，根据多个实施方式，当二氧化碳的注入速率为大约2L/min时，步骤(b)的碳酸盐化反应可以在5分钟内完成。而且，因为步骤(a)中金属离子成分的释放可以在2小时内完成，整个过程可以在2小时左右完成，使之成为一个很经济的过程。因此，可以利用天然矿物或钢渣(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)有效地固定二氧化碳，从而显著地减少温室气体的排放并允许对先前废弃钢渣的利用。

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。

根据本发明，在步骤(d)中分离掉碳酸盐后的溶液不被废弃，而作为步骤(a)的提取溶剂(也称作“酸”)循环利用。因为从步骤(d)得到的溶液具有7或更高的pH，首先，用酸处理该溶液将pH调节到3-5以接下来用作步骤(a)的提取溶剂。酸处理可以使用优选选自由甲酸、乙酸、丙酸、磷酸、亚磷酸、柠檬酸、和草酸组成的一组中的一种或多种酸进行。循环的提取溶剂可以和新的提取溶剂混合，并将该混合物供应到提取装置中(例如，如图2所示)。通过循环利用提取液，减少了与提取液的制备、纯化和废弃相关的支出，并且二氧化碳的固定的总成本可以显著地减少。

依照本发明，提供了一种方法，由此用碳酸盐化固定二氧化碳而不需要调节pH，并且高纯度碳酸盐的制备只需大约2小时。而且，因为本发明能够实现一个连续的过程，大规模的二氧化碳处理成为可能。此外，由于提取液能循环利用，因此可以减少与提取液的制备、纯化和废弃相关的费用而且二氧化碳固定的总支出可以显著减少。

根据本发明的固定二氧化碳的方法，由此金属离子通过对天然矿物或钢渣的酸处理来提取，比现有的固体-气体反应方法更加有效。因为反应在常温常压下进行，且不需要能量密集的过程，例如水热反应，因此，可以减少能量消耗。而且，因为省略了用于固定二氧化碳的pH调节，可以防止悬浮乳状石灰的形成，并且能够实现连续的过程。而且，因为提取液可以循环利用，因此可以减少与提取液的制备、纯化和废弃相关的费用并且二氧化碳固定的总支出可以显著减少。

因为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。

此外，注意到和用于二氧化碳固定过程的提取液的制备、纯化和废弃相关的费用占固定二氧化碳总成本的50％多。因此，根据本发明，二氧化碳固定的总成本通过减少与提取液制备、纯化和废弃相关的费用而减少。而且，固定的二氧化碳的净含量可以提高因为使用的提取液的量减少了。

已经参照具体实施方式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

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，从而提供含有所述金属离子成分的提取液；

(b)将二氧化碳注入到含有得到的金属离子成分的提取液中以碳酸盐化，从而提供溶解有得到的碳酸盐的溶液；

(c)将溶解有得到的碳酸盐的溶液转移到溶解碳酸盐储存罐中；

(d)将所述溶液从溶解碳酸盐储存罐转移到碳酸盐分离/纯化罐中，并调节pH到7或更高来分离所述碳酸盐；

(e)用酸处理已经分离掉碳酸盐的溶液；以及

(f)循环该处理过的溶液到步骤(a)中作为提取酸。

2.根据权利要求1所述的固定二氧化碳的方法，其中步骤(e)中的所述酸处理在pH大约3-5时进行。

3.根据权利要求1所述的固定二氧化碳的方法，其中所述的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，其中步骤(e)包括使用一种或多种酸以调节pH到大约3-5，所述酸选自甲酸、乙酸、丙酸、磷酸、亚磷酸、柠檬酸、和草酸。