CN107285677A - 利用泡沫地聚合物充填矿井采空区封存固化co2的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用泡沫地聚合物充填矿井采空区封存固化CO2的方法。该泡沫地聚合物以矿渣微粉和其他固体废渣微粉为主要原料，以水玻璃为激发剂，以CO2气体为泡沫填充气体，制备封存有CO2气体的地聚合物泡沫混凝土，然后将其充填到矿井中；不仅可以通过碳化反应吸收二氧化碳提高地聚合物的强度，而且可以实现泡沫混凝土对CO2气体的短暂封存和CO2气体缓慢溢出逐渐被土体吸收的永久固化，达到了CO2的利用、封存和固化的有效统一，是一种稳定、长久的固碳方式。
Description
技术领域
本发明涉及封存和固化CO2的方法，具体涉及利用泡沫地聚合物充填矿井以封存和固化CO2的方法。
背景技术
全球变暖己被世界各国高度重视，其危害也已经深深影响着人们生活，冰川融化、海平面上升、岛被淹、动植物灭绝、生态失衡，自然灾害频繁、传染性疾病蔓延等；而二氧化碳（CO2）排放作为全球变暖的最主要人为因素已被世界各国认可。因此，各国际机构、气候组织和各国政府都在寻找减少排放CO2的最快、最有效的方法。各国虽然响应积极、措施紧迫、进展有序，但由于主要依靠提高能源效率、使用可再生能源等路径减少碳排放，减排效果却不尽人意。在以能源为发展驱动的现代社会，新能源研究、应用受到使用范围、技术资金等限制短时困难重重，化石燃料仍将继续是主要的供给能源，能源结构也无法在短期内根本性改变，人类所面临的碳排放压力巨大。目前，我国正在大力推行节能减排、调整能源结构、增加低碳燃料比例等许多重要措施，而二氧化碳的回收、捕集和综合利用方面必然是未来主要的发展方向。目前，解决CO2问题的有效方法是对CO2的封存和固化。
现有CO2封存和固化技术：矿石碳化、工业利用和海洋封存。
矿石碳化是利用 CO2与金属氧化物发生反应生成稳定的碳酸盐从而将 CO2永久性地固化起来。由于自然反应过程比较缓慢, 因此需要对矿物作增强性预处理, 但这是非常耗能的，据推测采用这种方式封存CO2的发电厂要多消耗 60%～180%的能源。并且由于受到技术上可开采的硅酸盐储量的限制, 矿石碳化封存 CO2的潜力可能并不乐观。
工业利用实质上是将 CO2作为反应物生产含碳的工业产品, 从而达到封存的目的，大多数是用于生产尿素。工业利用从技术上看并不是一种理想的封存方案, 因为在不同的工业流程中, CO2的封存时间只有几 天, 最多几个月, 然后会被再次降解为 CO2, 并排入大气中。
海底沉积层二氧化碳水合物封存是诸多技术中一种潜力巨大的二氧化碳封存技术，但同时也会对海洋环境造成较大影响，如海水表面二氧化碳浓度增大，改变了海洋的化学特征，表层海水酸化等。此外，封存在海水中的二氧化碳遇到温度压力波动或洋流变化很有可能从海水中逃逸出来释放到大气当中，反而会造成与二氧化碳封存背道而驰的结果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术存在的缺陷，提出了一种利用泡沫地聚合物充填矿井采空区封存固化CO2的方法，将CO2气体作为泡沫地聚合物充填材料的发泡填充气体，填充矿井采空区，实现CO2的封存和固化。
地聚合物材料是近年来新发展起来的一类新型无机非金属材料，这类材料多以天然铝硅酸盐矿物或工业固体废物为主要原料，与其他矿物掺合料和适量碱硅酸盐溶液充分混合后，在常温或蒸养条件下养护成型硬化，是一类由铝硅酸盐胶凝成分粘结的胶凝材料。将CO2气体用于发泡填充气体来制作泡沫地聚合物充填材料，不仅可以利用碳化反应吸收二氧化碳，大幅提高泡沫地聚合物强度，而且泡沫地聚合物的孔结构为密闭的球体，可以将CO2气体有效地封存起来。即使随时间的延长未被及时碳化吸收的CO2气体能够从泡沫地聚合物中缓慢溢出，但溢出CO2气体也会被地壳中碱性物质完全吸收，从而实现对CO2气体的短暂封存和永久固化，从而达到CO2的利用、封存和矿化的有效统一。
基于上述技术思路，本发明提出了利用泡沫地聚合物充填矿井采空区封存固化CO2的方法， 其步骤是：
步骤1. 选定需要充填的矿井采空区。
步骤2. 制备复合粉体材料：
将矿渣微粉和固体废渣微粉按比例称量配料，并混合均匀，即制得复合粉体材料；所述复合粉体材料各组分的质量百分比：矿渣微粉20-100％，固体废渣微粉0-80％。
步骤3.碱激发溶液配制：
用水将液体水玻璃稀释至固含量的质量百分比为10-35%，即制得所需的碱激发溶液；
步骤4. 制备封存有CO2气体的泡沫：
将水与发泡剂按质量比20-50:1的比例制备发泡液，将发泡液注入发泡机中，开动发泡机，同时通入CO2气体，即制得封存有CO2气体的泡沫。
步骤5. 制备地聚合物浆体：
将步骤3制得的碱激发溶液与步骤2制得的复合粉体材料按质量比0.3-0.6:1的比例混合并搅拌均匀，即制得地聚合物浆体，此时激发剂（以Na2O计）占固体粉料质量的3-5%。
步骤6. 制备泡沫地聚合物混凝土：
将步骤4制得的封存有CO2气体的泡沫与步骤5制得的地聚合物浆体按体积比0.2-5:1的比例混合并搅拌均匀，即制得泡沫地聚合物混凝土，此时发泡剂用量占固体粉料质量的0.05-2%。
步骤7. 将步骤6制得的泡沫地聚合物混凝土充填至步骤1选定的矿井采空区。
所述的矿渣微粉为磁选除铁处理后的粒化高炉矿渣，比表面积≥600 m2/kg，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90%以上；所述的固体废渣为一般的固体废弃物，如各种尾矿、建筑垃圾、渣土、煤矸石、粉煤灰、钢渣、炉渣、赤泥、电石泥、脱硫灰、垃圾焚烧炉渣、采石场碎屑等，固体废渣微粉为固体废渣经粉磨后，使其比表面积≥600m2/kg，粒径小于30μm的颗粒占总质量的90%以上；所述的水玻璃为符合GB/T 4209-2008标准规定的液体水玻璃,其模数为1至3,固含量为35%-50%。
本发明方法具有以下有益效果：
（1）成本低
泡沫地聚合物矿井充填材料以工业固体废渣为原料，以水玻璃溶液为激发剂，成本十分低廉。如果不计废渣成本，采用水玻璃溶液为激发剂，单方成本根据原材料的不同约20-50元。
（2）强度高，施工性能好
泡沫地聚合物矿井充填材料的3天抗压强度0.5-2Mpa， 28天抗压强度1-5Mpa. 二氧化碳发泡的泡沫地聚合物由于碳化作用，其强度进一步提高。可管道输送、泵送浇筑，施工过程便捷。
（3）CO2气体的封存量大、固化率高
泡沫地聚合物孔隙率高达 70%以上，泡沫中充满高浓度的CO2气体，封存量很大。被封存的CO2气体一部分被地聚合物碳化吸收，即使有缓慢溢出的CO2气体也将被地壳中碱性物质全部吸收，固化率高达100%。
附图说明
图1 利用泡沫地聚合物充填矿井采空区封存固化CO2的方法工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明做进一步详细说明。
1. 选定徐州某矿井急倾斜薄煤层采空区；
2. 封存有CO2气体的泡沫地聚合物的制备：
（1）复合粉体材料制备：固体粉料为徐州诚意水泥厂生产的矿渣微粉和徐州茅村火力发电厂二级粉煤灰。矿渣微粉、粉煤灰均用散装罐车运送，通过压气分别卸入立式筒仓，经仓底螺旋输送机输送到计量斗内计量，加入混料机内，制得复合粉体材料，所述复合粉体材料各组分的质量百分比：矿渣微粉50％，粉煤灰50％。
（2）碱激发溶液配制：用水将激发剂池中模数为1.0、固含量为50%的液体水玻璃稀释至固含量的质量百分比为16%，并搅拌均匀，制得所需的碱激发溶液。
（3）制备封存有CO2气体的泡沫：将水与松香皂发泡剂按质量比30:1的比例制备发泡液，然后将储有CO2气体的储气罐连接到发泡机的进气口制备封存有CO2气体的泡沫。
（4）地聚合物浆体：通过输送机将复合粉体材料从混料机中输送到计量斗内，同时通过水泵将碱激发剂溶液从激发剂池中引入到计量斗内，将复合粉体材料与碱激发剂溶液按质量比2:1的比例混合后搅拌均匀，即制得地聚合物浆体，此时激发剂溶液的用量 (以Na2O计)占复合粉体材料质量的4%。
（5）制备泡沫地聚合物混凝土：将封存有CO2气体的泡沫与地聚合物浆体通过泵送分别送入计量斗内，将泡沫与地聚合物浆体按体积比4:3的比例混合后搅拌均匀，形成合乎质量要求的泡沫地聚合物混凝土，此时发泡剂的用量占复合粉体材料质量的0.2%。
3. 矿井充填：
将泡沫地聚合物混凝土通过充填泵加压后经管道输送至步骤1选定的矿井采空区。
Claims (2)
1.一种利用泡沫地聚合物充填矿井采空区封存和固化CO2的方法，其步骤是：
步骤1. 选定需要充填的矿井采空区；
步骤2. 制备复合粉体材料：
将矿渣微粉和固体废渣微粉按比例称量配料，并混合均匀，即制得复合粉体材料；所述复合粉体材料各组分的质量百分比：矿渣微粉20-100％，固体废渣微粉0-80％；
步骤3.碱激发溶液配制：
用水将液体水玻璃稀释至固含量的质量百分比为10-35%，即制得所需的碱激发溶液；
步骤4. 制备封存有CO2气体的泡沫：
将水与发泡剂按质量比20-50:1的比例制备发泡液，将发泡液注入发泡机中，开动发泡机，同时通入CO2气体，即制得封存有CO2气体的泡沫；
步骤5. 制备地聚合物浆体：
将步骤3制得的碱激发溶液与步骤2制得的复合粉体材料按质量比0.3-0.6:1的比例混合并搅拌均匀，即制得地聚合物浆体，激发剂以Na2O计占固体粉料质量的3-5%；
步骤6. 制备泡沫地聚合物混凝土：
将步骤4制得的封存有CO2气体的泡沫与步骤5制得的地聚合物浆体按体积比0.2-5:1的比例混合并搅拌均匀，即制得泡沫地聚合物混凝土，此时发泡剂用量占固体粉料质量的0.05-2%；
步骤7. 将步骤6制得的泡沫地聚合物混凝土充填至步骤1选定的矿井采空区。
2.根据权利要求1所述利用泡沫地聚合物充填矿井采空区封存固化CO2的方法，其特征是：
所述的矿渣微粉为磁选除铁处理后的粒化高炉矿渣，比表面积≥600 m2/kg，其中粒径小于30μm的超细粒化高炉矿渣微粉占总质量的90%以上；所述的固体废渣微粉为尾矿、建筑垃圾、渣土、煤矸石、粉煤灰、钢渣、炉渣、赤泥、电石泥、脱硫灰、垃圾焚烧炉渣、和/或采石场碎屑经粉磨后制得，其比表面积≥600m2/kg，粒径小于30μm的颗粒占总质量的90%以上；所述的水玻璃为符合GB/T 4209-2008标准规定的液体水玻璃,其模数为1至3,固含量为35%-50%。
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