CN102963894B - 用于将二氧化碳固化并转化为碳酸盐的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于将二氧化碳固化并转化为碳酸盐的设备，其使用钢渣或天然矿物可以将二氧化碳稳定地固化并转化成碳酸盐矿物。为此，本发明提供用于将二氧化碳固化并转化为碳酸盐的设备，该设备包括：碱成分提取反应器，用于从原渣中提取碱金属成分；碳酸化反应器，用于将二氧化碳注入到含有提取的碱金属成分的碱金属成分溶液中以从碱金属成分溶液中生成碳酸盐沉淀；第一过滤装置，连接在碱成分提取反应器与碳酸化反应器之间以从碱金属成分溶液中分离后处理矿渣，其中碱成分从所述后处理矿渣中提取；和第二过滤装置，连接在碱成分提取反应器的进口与碳酸化反应器的出口之间以在碳酸化反应之后从碱金属成分溶液中分离碳酸盐。

Description

用于将二氧化碳固化并转化为碳酸盐的设备
技术领域
本发明涉及用于将二氧化碳固化并转化为碳酸盐的设备。更具体地，本发明涉及用于将二氧化碳固化并转化为碳酸盐的设备，该设备使用钢渣或天然矿物可以将二氧化碳稳定地固化并转化为碳酸盐矿物。
背景技术
通常来说，处理含有二氧化碳的废气的方法被用于各种排放含有二氧化碳的废气的工业设施中。然而，分离二氧化碳的过程不是必不可少的，并且处理含有二氧化碳的废气的工序可以分为二氧化碳分离和回收工序以及二氧化碳固化工序。
最近以来，将二氧化碳固化为碳酸盐以处理分离和回收的二氧化碳的方法，作为将处理的二氧化碳储藏在地下或海底的替代方法而获得大量关注。
二氧化碳固化技术的目的是通过二氧化碳的转化来生成碳成分，并将生成的碳成分转化为工业过程所需的燃料或基础化合物。
根据二氧化碳固化技术，将引起全球变暖的二氧化碳转化为例如碳酸盐的稳定化合物，其是环境有利的且可以被用作基础工业原材料。
常规地，使用单一的反应器，其中同时发生碱抽提和碳酸化反应。在该常规方法中，碱抽提和碳酸化反应没有彼此分开，并且通过提取的碱成分的碳酸化反应而产生的沉淀沉积在作为原材料的矿渣的表面上，从而抑制碱抽提。结果，转化为碳酸盐所需的反应时间增加且二氧化碳至碳酸盐的转化率降低。
常规方法的其它缺陷包括难以对用于提取的工艺用水和化学溶剂进行再利用。
发明内容
一方面，本发明提供用于将二氧化碳固化并转化为碳酸盐的设备，其使用钢渣或天然矿物作为起始材料可以将二氧化碳稳定地固化并转化为碳酸盐矿物，该设备包括用于提取碱金属成分的提取反应器、通过使提取的碱金属成分与二氧化碳反应而生成碳酸盐沉淀的碳酸化反应器、和用于在碳酸化反应之后从溶液中分离沉淀的过滤装置。
一方面，本发明提供用于将二氧化碳固化并转化为碳酸盐的设备，该设备包括：
(i)碱成分提取反应器，用于从原渣中提取碱金属成分；
(ii)碳酸化反应器，用于将二氧化碳注入到含有提取的碱金属成分的碱金属成分溶液中以从碱金属成分溶液中生成碳酸盐沉淀；
(iii)第一过滤装置，连接在碱成分提取反应器与碳酸化反应器之间，以从碱金属成分溶液中分离后处理矿渣，其中碱成分从所述后处理矿渣中提取；和
(iv)第二过滤装置，连接在碱成分提取反应器的进口与碳酸化反应器的出口之间，以在碳酸化反应之后从碱金属成分溶液中分离碳酸盐。
在一个实施方式中，碱成分提取反应器包括：反应器主体，包括分别处于顶部和底部的进口和出口，和多个以固定间隔在反应器主体的内周上的隔板；搅拌器，与搅拌器驱动装置连接并能够在反应器主体中旋转，以搅拌包括原渣的工艺用水与溶剂的混合物；以及pH计和Ca浓度计，安装在反应器主体的一侧。
在某些实施方式中，溶剂是醋酸、CH3COONH4、NH4NO3、HNO3、或H2SO4。在某些实施方式中，溶剂是醋酸、CH3COONH4、NH4NO3、HNO3、或H2SO4的水溶液。在另一实施方式中，溶剂是醋酸或醋酸的水溶液。
在另一实施方式中，碳酸化反应器包括：反应器主体，碱金属成分溶液在其中与二氧化碳反应；注射管，安装在反应器主体的一侧以将二氧化碳注入到碱金属成分溶液中；pH计和用于调控注入到反应器中的pH调节剂的量的pH调节器，安装在反应器主体的注射管的相对侧；和Ca浓度计，用于测量Ca的浓度以确定待注入的二氧化碳的量。
在各个实施方式中，pH调节剂是NaOH、KOH、CaOH2、NH4OH、或NH4(HCO3)。
在又一实施方式中，第一过滤装置包括压力过滤器，其能够在约0个大气压至约2个大气压的压力下除去粒径为约2μm至约1000μm的粒子，从而同步过滤后处理矿渣并将碱成分溶液供应到碳酸化反应器中，其中碱成分从所述后处理矿渣中提取。
在多个实施方式中，除去的粒子大小在约2μm至约100μm的范围内。在多个实施方式中，除去的粒子大小在约2μm至约50μm的范围内。在多个实施方式中，除去的粒子大小在约2μm至约10μm的范围内。在多个实施方式中，除去的粒子大小在约10μm至约100μm的范围内。在多个实施方式中，除去的粒子大小在约50μm至约500μm的范围内。
在其它实施方式中，压力在约0个大气压至约1个大气压的范围内。在其它实施方式中，压力在约1个大气压至约2个大气压的范围内。
在又一实施方式中，第二过滤装置包括能够除去粒径为约2μm至约1000μm的粒子的压力过滤器，以同步过滤碳酸化反应之后的碳酸盐沉淀，并将残余溶液循环至碱成分提取反应器。
在多个实施方式中，除去的粒子大小在约2μm至约100μm的范围内。在多个实施方式中，除去的粒子大小在约2μm至约50μm的范围内。在多个实施方式中，除去的粒子大小在约2μm至约10μm的范围内。在多个实施方式中，除去的粒子大小在约10μm至约100μm的范围内。在多个实施方式中，除去的粒子大小在约50μm至约500μm的范围内。
本发明的其它方面和优选实施方式在下文中讨论。
附图说明
本发明的以上和其它特征将参考其某些示例性实施方式进行详细描述。附图仅仅意在用于举例说明，而不意在限制本发明。
图1是示出根据本发明的优选实施方式的用于将二氧化碳固化并转化为碳酸盐的设备的构造的示意图；
图2是示出根据本发明的优选实施方式的用于将二氧化碳固化并转化为碳酸盐的设备的碱成分提取反应器的构造的示意图；且
图3是示出根据本发明的优选实施方式将二氧化碳固化并转化为碳酸盐的流程图。
在附图中提到的附图标记包括对以下元件的参考，其在下文中进一步讨论：
10：碱成分提取反应器
11：反应器主体 12：进口
13：出口 14：隔板
-M：搅拌器驱动装置 16：搅拌器
17：pH计 18：Ca浓度计
20：第一过滤装置 30：碳酸化反应器
31：反应器主体 32：注射管
33：pH计 34：pH调节器
35：Ca浓度计 40：第二过滤装置
应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明的基本原理的各种优选特征的一定程度的简化表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括，例如，具体尺寸、方向、位置和形状将部分取决于特定的既定用途和使用环境。
在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。
具体实施方式
下文中将详细地参照本发明的各个实施方式，其实施例图示在附图中，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式对本发明进行描述，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、修改、等效形式和其它实施方式。
在下文中，本发明的示例性实施方式将参考附图进行详细描述，使得本发明所属领域的技术人员可以容易地实施本发明。
本发明提供用于将二氧化碳固化并转化为碳酸盐的设备，其中单独设置有用于从钢渣或天然矿物中提取碱成分的碱成分提取反应器10，和用于将二氧化碳注入含有提取的碱成分的碱金属成分溶液中以引起碳酸化反应的碳酸化反应器30，并且在碱成分提取反应器10与碳酸化反应器30之间布置第一过滤装置和第二过滤装置20和40，从而显著提升二氧化碳至碳酸盐的转化率。
使用碱成分提取反应器10来从包括钢渣或天然矿物的任何类型的金属渣中提取碱金属成分。该碱成分提取反应器10包括反应器主体11，其包括设置在反应器主体11顶部的预定位置的进口12、设置在反应器主体11底部的预定位置的出口13、和多个在圆周方向上以固定间隔设置在反应器主体11的内周上以促进矿渣与用于提取碱金属成分的溶剂混合的隔板14。
此外，在工艺用水(其中矿渣是原材料)与溶剂(例如，醋酸)混合时，与安装在反应器主体11的外部的搅拌器驱动装置M(例如，发动机)连接的搅拌器16，可以在反应器主体11中旋转以搅拌混合物。
此外，用于测定从矿渣中提取的碱金属成分的pH的pH计17，和用于测定提取的金属成分中Ca浓度的Ca浓度计18，安装在反应器主体11一侧的预定位置。
因此，将原渣(例如，在鼓风炉炼钢法、电炉炼钢法等中产出的且在未经粉碎工艺的情况下具有8mm或更小的粒径的任何类型的矿渣)供应到碱成分提取反应器10的反应器主体11中，与此同时，将含有5至30vol％的弱醋酸的水溶液作为提取剂供应到其中。此处，原渣与含有醋酸的溶剂溶液(工艺用水)的比率，即固体/液体比率，为约1∶500。在某些实施方式中，该比率为约1∶100。在某些实施方式中，该比率为约1∶50。在某些实施方式中，该比率为约2∶50。在某些实施方式中，该比率为约2∶20。
接着，通过运行搅拌器驱动装置M来旋转搅拌器以搅拌原渣与含有醋酸的溶剂溶液的混合物。在某些实施方式中，搅拌以1,800s-1或更小的速度梯度进行0小时至约12小时直到以90％的Ca提取率提取溶液。在某些实施方式中，搅拌以1,800s-1或更小的速度梯度进行0小时至约4小时直到以90％的Ca提取率提取溶液。在某些实施方式中，搅拌以1,800s-1或更小的速度梯度进行0小时至约2小时直到以90％的Ca提取率提取溶液。在某些实施方式中，搅拌以1,800s-1或更小的速度梯度进行0小时至约1小时直到以90％的Ca提取率提取溶液。
接下来，混合有从矿渣中提取的碱金属成分所得的溶液流经反应器主体11的出口13并将其供应到第一过滤装置20中。
第一过滤装置20起到在2个大气压或更小的最大压力下过滤后处理矿渣并同时将碱成分溶液供应至碳酸化反应器30的作用，其中在碱成分提取反应器10中从所述后处理矿渣中提取碱成分。优选地，能够除去粒径为2μm或更大的粒子的压力过滤器可以用作第一过滤装置20.
因此，使用第一过滤装置20，即能够除去粒径为2μm或更大的粒子的压力过滤器，碱成分被提取的后处理矿渣和含有碱金属成分的溶液在2个大气压或更小的最大压力下相互分离。此处，碱成分溶液供入碳酸化反应器30的比例优选可以为90％或更大。
之后，当将提取的碱成分溶液供应到碳酸化反应器30中时，将二氧化碳注入到碱成分溶液中以引发生成碳酸盐沉淀的反应。
碳酸化反应器30包括反应器主体31，碱成分溶液在其中与注入的二氧化碳进行反应。将与二氧化碳源连接的注射管32与反应器主体31的顶部连接以将二氧化碳注入到反应器30中。此外，将用于测量混合物的pH的pH计33和用于测量Ca浓度以确定待注入反应器30中的二氧化碳的量的Ca浓度计35安装在反应器主体31的一侧。此外，将用于自动调节待注入到反应器30中的pH调节剂的量的pH调节器34安装在反应器主体31的另一侧。
碳酸化反应器30通过将二氧化碳注入碱成分溶液中经过碳酸化过程生成碳酸盐沉淀。优选地，在注入二氧化碳之前，加入pH调节剂(例如，NaOH)来将pH升高至10至12的范围。
在某些实施方式中，容易发生碳酸化反应的pH值为约7.5至约12.0。在多个实施方式中，pH的范围为约7.5至约9。在多个实施方式中，pH的范围为约9至约10.5。在多个实施方式中，pH的范围为约10至约12。
因此，安装在碳酸化反应器30上的pH计33测量碱成分溶液的pH。之后，控制器(未示出)基于测量结果打开和关闭用于调控pH调节剂的量的pH调节器34，使得以可将碱成分溶液的pH调节至10至12的范围的量加入pH调节剂(NaOH)，其中所述控制器可以是电磁阀式装置。
此外，为了确定待注入到碳酸化反应器30中的二氧化碳的量，Ca浓度计35测量碱成分溶液中的Ca浓度。在某些实施方式中，通过测量碱成分溶液中的Ca浓度来确定待注入到碳酸化反应器30中的二氧化碳的量，使得CO2流量(mol)与Ca浓度(摩尔浓度)的比率为10∶1。在某些实施方式中，通过测量碱成分溶液中的Ca浓度来确定待注入到碳酸化反应器30中的二氧化碳的量，使得CO2流量(mol)与Ca浓度(摩尔浓度)的比率为5∶1。在某些实施方式中，通过测量碱成分溶液中的Ca浓度来确定待注入到碳酸化反应器30中的二氧化碳的量，使得CO2流量(mol)与Ca浓度(摩尔浓度)的比率为2∶1。在某些实施方式中，通过测量碱成分溶液中的Ca浓度来确定待注入到碳酸化反应器30中的二氧化碳的量，使得CO2流量(mol)与Ca浓度(摩尔浓度)的比率为1∶10。在某些实施方式中，通过测量碱成分溶液中的Ca浓度来确定待注入到碳酸化反应器30中的二氧化碳的量，使得CO2流量(mol)与Ca浓度(摩尔浓度)的比率为1∶5。在某些实施方式中，通过测量碱成分溶液中的Ca浓度来确定待注入到碳酸化反应器30中的二氧化碳的量，使得CO2流量(mol)与Ca浓度(摩尔浓度)的比率为1∶2。在多个实施方式中，通过测量碱成分溶液中的Ca浓度来确定待注入到碳酸化反应器30中的二氧化碳的量，使得CO2流量(mol)与Ca浓度(摩尔浓度)的比率为1∶1。
因此，在碳酸化反应器30中发生碳酸化反应时，从碱金属成分溶液中生成碳酸盐沉淀。
在下一步骤中，将在碳酸化反应之后含有生成的碳酸盐沉淀的碱金属成分溶液运送到第二过滤装置40，使得碳酸盐沉淀从碱金属成分溶液中分离。
第二过滤装置40连接在碱成分提取反应器10的进口与碳酸化反应器30的出口之间，以在碳酸化反应之后过滤碳酸盐沉淀，并同时将残余溶液(即，碳酸化反应之后的碱金属成分溶液)循环至碱成分提取反应器10。为此，优选使用能够除去粒径为2μm或更大的粒子的压力过滤器作为第二过滤装置40。
结果，当碳酸化反应后的含有生成的碳酸盐沉淀的碱金属成分溶液流经第二过滤装置40时，通过第二过滤装置40过滤该碳酸盐沉淀，并且将残余溶液(即，碳酸化反应之后的碱金属成分溶液)再循环至碱成分提取反应器10并在碱金属成分提取工序中再利用。
如上所述，本发明提供下列优势。
本发明的设备允许碱成分提取和碳酸化反应持续发生。结果，可以容易地从矿渣等中以约90％或更多的量提取碱金属成分，且可以通过使提取的碱金属成分与二氧化碳反应来显著增加二氧化碳至碳酸盐的转化率。
此外，在从碳酸化反应之后pH降低的残余溶液中分离出碳酸盐沉淀后，可以将残余溶液循环至碱成分提取反应器并在碱成分提取工序中进行再利用。
本发明已经参考其优选实施方式进行了详细描述。然而，本领域的技术人员能够理解，可以在不偏离本发明的原理和精神的情况下对这些实施方式做出改变，本发明的范围由所附的权利要求及其等同方式限定。
本申请全篇引用的所有参考资料的内容(包括文献参考、授权专利、公开的专利申请和共同待决的专利申请)都明确地完整引入本文以供参考。

Claims (5)

1.一种用于将二氧化碳固化并转化为碳酸盐的设备，所述设备包括：
碱成分提取反应器，用于从原渣中提取碱金属成分；
碳酸化反应器，用于将二氧化碳注入到含有提取的碱金属成分的碱金属成分溶液中以从所述碱金属成分溶液中生成碳酸盐沉淀；
第一过滤装置，连接在所述碱成分提取反应器与所述碳酸化反应器之间以从所述碱金属成分溶液中分离后处理矿渣，其中碱成分从所述后处理矿渣中提取；和
第二过滤装置，连接在所述碱成分提取反应器的进口与所述碳酸化反应器的出口之间，以在碳酸化反应之后从所述碱金属成分溶液中分离所述碳酸盐，
其中所述碱成分提取反应器包括：
反应器主体，包括分别在顶部和底部的进口和出口以及多个在圆周方向上以固定间隔在所述反应器主体的内周上的隔板；和
搅拌器，与搅拌驱动装置连接并能够在所述反应器主体中旋转，以搅拌包括所述原渣的工艺用水与溶剂的混合物。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述碱成分提取反应器还包括：
pH计和Ca浓度计，安装在所述反应器主体的一侧。
3.如权利要求1所述的设备，其中所述碳酸化反应器包括：
反应器主体，所述碱金属成分溶液在其中与二氧化碳反应；
注射管，安装在所述反应器主体的一侧以将二氧化碳注入到所述碱金属成分溶液中；
pH计和用于调控待注入到所述反应器中的pH调节剂的量的pH调节器，安装在所述反应器主体的注射管的相对侧；和
Ca浓度计，用于测量Ca的浓度以确定待注入的二氧化碳的量。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述第一过滤装置包括能够在0个大气压至2个大气压的压力下去除粒径为2μm至1000μm的粒子的压力过滤器，从而同步过滤所述后处理矿渣并将所述碱成分溶液供应到所述碳酸化反应器中，其中碱成分从所述后处理矿渣中提取。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述第二过滤装置包括能够去除粒径为2μm至1000μm的粒子的压力过滤器，从而在碳酸化反应后同步过滤所述碳酸盐沉淀并将残余溶液循环至所述碱成分提取反应器。
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