CN112110659A - 一种利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的方法和装置，属于材料和环保领域，针对现有技术中存在的室温气体CO2减排问题以及钢渣中游离CaO造成施工不良问题，提供了一种利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的方法，包括步骤：1)将钢渣粉磨成钢渣细粉，并将其制备成预定粒径的钢渣球；2)将所述步骤1)得到的钢渣球烘干，置入气氛炉中焙烧，通入一定浓度的CO2气体，气氛炉中保持微正压；3)将所述步骤2)中钢渣球以一定的升温速率升温至规定温度并保温一段时间来进行钢渣球对CO2气体的捕集固定；4)将所述步骤3)所得钢渣球进行快速冷却。由此既可以实现温室气体CO2的减排，又能快速降低钢渣中游离CaO的含量。
Description
技术领域
本发明属于材料和环保领域，特别涉及大宗固废钢渣安定性改良及温室气体CO2的捕集固定的技术领域。
背景技术
当前全球气候变暖趋势明显，温室气体CO2排放过多是主要原因，因此，研究开发有效的捕集固定CO2技术十分迫切。矿物碳酸化技术，即利用某些含钙、镁等金属氧化物的碱性矿物与CO2发生碳酸化反应，从而实现CO2的捕集固定，这种方法原料廉价，来源广泛，成本较低，具有很大的发展潜力。
钢渣是炼钢过程中排出的工业废渣，由于高温下CaO反应不完全，致使冷却后游离CaO含量较高。将钢渣用于水泥混凝土或路面基层等建筑施工时，在工程完结的很长时间段内，都会存在钢渣中游离CaO水化生成Ca(OH)2的反应，造成建筑物局部体积膨胀，安定性不良，进而导致开裂甚至坍塌。为解决钢渣利用过程中体积安定性不良的问题，钢渣排出前都要进行预处理。目前钢渣处理方法主要有热泼法、热焖法、滚筒法、水淬法等，这些方法处理的钢渣虽能有效降低钢渣中游离CaO含量，但处理时间较长，成本较高，处理后的钢渣还没能实现大规模利用。因此，很多钢铁企业钢渣大量堆积，不但占用耕地，而且由于扬尘、渗透等会造成大气和水资源污染，这些钢渣的及时处理非常急迫。
利用钢渣中的游离CaO捕集固定烟气中的CO2，能有效的减少钢渣中游离CaO含量，从而改善钢渣的安定性。但常温下钢渣的碳酸化反应难以进行，温度太高会导致碳酸化生成的CaCO3分解，捕集固定的CO2减小，因此钢渣捕集固定CO2需要合适的碳酸化温度。钢渣成分复杂，易磨性差，堆积态下进行CO2的捕集固定，反应速率很慢。因此，本领域迄今并未研制出利用钢渣捕捉CO2消除的方法消除游离CaO的具体措施。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的方法和装置，利用钢渣快速捕集的CO2降低钢渣中游离CaO含量，改善钢渣利用过程中体积安定性。
本发明人通过长期研究发现将钢渣制成合适尺寸的球团，就能很好的解决堆积状态下孔隙率太低的问题，在其表面就能快速吸附CO2。并且，发明人还发现将合适尺寸的钢渣球高温保持在包含CO2的处理气体中，则钢渣球对CO2气体的捕集固定的效果尤其优异。此外，发明人还发现CO2的浓度也会影响钢渣中游离CaO的碳酸化反应效果。
因此，本发明提供了一种通过对钢渣进行粉磨和球化处理，进一步对CO2进行高温捕捉，从而有效消除钢渣中游离CaO的方法和装置。
相应地，根据本发明的一方面，提供一种利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的方法，包括如下步骤：
1)将钢渣粉磨成钢渣细粉，并将其制备成预定粒径的钢渣球；
2)将所述步骤1)得到的钢渣球烘干，置入气氛炉中焙烧，通入一定浓度的CO2气体，气氛炉中保持微正压；
3)将所述步骤2)中钢渣球以一定的升温速率升温至规定温度并保温一段时间来进行钢渣球对CO2气体的捕集固定；
4)将所述步骤3)所得钢渣球进行快速冷却。
优选地，所述步骤1)中，所述钢渣粉磨至粒径为0.01-1.0mm，并利用干法挤压造粒或旋转球盘造粒制成直径为2-20mm的钢渣球。
所述步骤2)气氛炉中通入CO2浓度范围在10-100vol％之间。
所述处理气体是纯CO2气体、各种工业窑炉排放的CO2烟气、或纯CO2气体与空气的混合气体。
所述步骤3)中，钢渣球以5-30℃/min之间的升温速率升温，钢渣球捕集CO2的温度范围是300-700℃。
所述步骤4)中，碳酸化后的钢渣球加入水中快速冷却，并分析冷却后钢渣球中游离CaO的含量。
根据本发明的另一方面，提供一种利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的装置，包括CO2调控系统、加热炉反应器系统以及废气排放系统，其中：
所述CO2调控系统包括CO2气体罐、空气罐、气体流量计以及与CO2气体罐和空气罐连接的气体混合罐，所述气体流量计用于分别测量CO2气体罐和空气罐中的气体流量；所述加热炉反应器系统与所述气体混合罐连接，其包括冷却系统、钢渣球和气氛炉炉膛；以及所述废气排放系统用于排出所述加热炉反应器系统的反应气体，其包括排气装置和压力表。
相应地，本发明提供的捕集CO2、改善钢渣体积安定性不良的方法，反应时间随气氛中CO2浓度的大小、碳酸化反应温度的高低、制备的钢渣球粒径的大小而改变。
本发明提供的方法不同于高温热态大块钢渣的直接处理，也区别于沸腾床、流化床中对钢渣粉料的碳酸化改性，关键在于造粒制备成一定粒径的钢渣球，有利于高温下含CO2的气体与钢渣充分接触，加速CO2的捕集固定，快速降低钢渣中游离CaO含量。
本发明提供的方法只需利用含CO2的气体，气体来源广，成本低，不需额外配入水蒸气等其他气体。
附图说明
图1为根据本发明利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的装置的反应工艺结构图。
图2为根据本发明利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的方法的反应工艺流程图。
图3为根据本发明的一种实施方法处理后钢渣球的表面形貌图。
图4为根据本发明实施例1所述钢渣球吸附捕集CO2前后的矿物相XRD对比图谱。
图5为根据本发明实施例2所述钢渣球吸附捕集CO2前后的矿物相XRD对比图谱。
图6为根据本发明实施例3所述钢渣球吸附捕集CO2前后的矿物相XRD对比图谱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现在参考附图来具体描述本发明，其中相同的标号表示相同的部件，其中：如图1所示，根据本发明利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的装置主要包括CO2调控系统、加热炉反应器系统以及废气排放系统。
其中CO2调控系统主要包括CO2气体罐1、空气罐2、气体流量计3以及与CO2气体罐和空气罐连接的气体混合罐4，气体流量计用于分别测量CO2气体罐1和空气罐2中的气体流量，通过气体流量计3控制CO2气体罐1和空气罐2中气体的含量在气体混合罐4中来实现对CO2浓度的调控，保证CO2的精确注入；其中加热炉反应器系统与气体混合罐4连接，其主要包括冷却系统5、钢渣球6和气氛炉炉膛7，冷却系统5是通过水冷模式实现对加热炉反应器系统的冷却功能，钢渣球6被置于气氛炉炉膛7内与注入的CO2进行高温反应，从而达到利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的目的。废气排放系统用于排出加热炉反应器系统的反应气体，其包括排气装置8和压力表9。
优选地，本发明的利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的装置还可以包括分析系统，用于分析最终得到的钢渣球中游离CaO的含量。
优选地，还可以包括CO2反馈系统，把加热炉反应器内CO2含量反馈给所述CO2调控系统，以保证通入的处理气体含CO2浓度恒定，以获得更优异的技术效果。
如图2所示，根据本发明利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的方法包括以下步骤：
1)将钢渣粉磨至一定细度的钢渣细粉，并将其制备成预定粒径的钢渣球；
2)将所述步骤1)得到的钢渣球烘干，置入气氛炉中焙烧，通入含一定浓度的CO2气体，气氛炉中保持微正压；
3)将所述步骤2)中钢渣球以一定的升温速率升温至规定温度并保温一段时间来进行钢渣球对CO2气体的捕集固定；
4)将所述步骤3)所得钢渣球进行快速冷却。
当然，在本发明的上述方法中，还可以对CO2浓度进行精准调控以实现更优异的处理效果。
优选地，在上述方法的步骤1)中，本发明的钢渣粉磨至粒径为0.01-1.0mm，优选的粉磨粒度为0.01-0.1mm，并利用干法挤压造粒或旋转球盘造粒制成直径为2-20mm的钢渣球，优选的钢渣球粒径为2-10mm。
优选地，所述步骤2)中，本发明的气氛炉中通入的处理气体含CO2浓度范围在10-100vol％之间，CO2浓度越高，钢渣捕集效果越好。
优选地，本发明的处理气体是纯CO2气体、各种工业窑炉排放的CO2烟气、或纯CO2气体与空气混合得到的气体等。
优选地，在步骤3)中，本发明的钢渣球以5-30℃/min之间的升温速率升温，钢渣球捕集CO2的温度范围是300-700℃，优选的温度范围为600-700℃，保温时间在0.5-5h。
优选地，所述步骤4)中，碳酸化后的钢渣球加入水中快速冷却,并分析冷却胡钢渣球中游离CaO的含量。
在本发明中，游离CaO的分析按照YB/T 4328-2012《钢渣中游离氧化钙含量测定方法》中所述方法进行。
图3示出了根据本发明的一种实施方法处理后钢渣球的表面形貌图，其中，本发明的具体处理是：将钢渣粉磨至平均粒度约为0.5mm，制备成平均粒径为20mm的钢渣球，在300℃吸附捕集CO2保温0.5h。图中的表面灰白色外层含有大量CaCO3，是钢渣中游离CaO吸附CO2气体发生碳酸化反应的产物。
图4为后面描述的实施例1所述钢渣球吸附捕集CO2前后的矿物相XRD对比图谱。图中(a)是未吸附捕集CO2前钢渣的XRD衍射图，图中(b)是在实施例1条件下吸附捕集CO2后钢渣的XRD衍射图。
图5为后面描述的实施例2所述钢渣球吸附捕集CO2前后的矿物相XRD对比图谱。图中(a)是未吸附捕集CO2前钢渣的XRD衍射图，图中(b)是在实施例2条件下吸附捕集CO2后钢渣的XRD衍射图。
图6为后面描述的实施例3所述钢渣球吸附捕集CO2前后的矿物相XRD对比图谱。图中(a)是未吸附捕集CO2前钢渣的XRD衍射图，图中(b)是在实施例3条件下吸附捕集CO2后钢渣的XRD衍射图。
现在，为了进一步更清楚地描述本发明利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的方法，以下给出了各种不同的具体实施例：
实施例1
1)将钢渣粉磨至平均粒度为0.01mm，优选采用干法挤压造粒法，制备成粒径为2mm的钢渣球；
2)将钢渣球在105℃烘干，置入气氛炉炉膛的坩埚中焙烧，通入浓度为100vol％的纯CO2气体，气氛炉中保持微正压0.01MPa；
3)气氛炉优选以5℃/min的升温速率，升温至700℃并保温0.5h，进行CO2气体的捕集固定；
4)将碳酸化后的钢渣球加入水中快速冷却，烘干后先采用乙二醇-EDTA化学滴定法检测出钢渣中游离总钙，然后采用热重分析法通过测量计算出氢氧化钙的含量，两者之差即为钢渣中游离CaO的含量。
钢渣碳酸化捕集固定CO2前，检测得到钢渣中游离CaO含量为5.76％，实施例1后检测得到钢渣中游离CaO含量为0.12％。从图4可以看出，钢渣捕集CO2后CaO的衍射峰明显降低，而CaCO3衍射峰强度较高，说明钢渣中游离CaO捕集CO2反应生成了CaCO3。
实施例2
1)将钢渣粉磨至平均粒度为0.1mm，优选采用干法挤压造粒法，制备成粒径为10mm的钢渣球；
2)将钢渣球在105℃烘干，置入气氛炉炉膛的坩埚中焙烧，将纯CO2和空气混合配成含CO2浓度为50vol％的气体，通入气氛炉中，气氛炉中保持微正压0.01MPa；
3)气氛炉优选以10℃/min的升温速率，升温至600℃并保温1h，进行CO2气体的捕集固定；
4)将碳酸化后的钢渣球加入水中快速冷却，烘干后先采用乙二醇-EDTA化学滴定法检测出钢渣中游离总钙，然后采用热重分析法通过测量计算出氢氧化钙的含量，两者之差即为钢渣中游离CaO的含量。
钢渣实施例2后检测得到钢渣中游离CaO含量为0.75％。从图5可以看出，钢渣捕集CO2后CaO的衍射峰也明显降低，而CaCO3衍射峰强度相对较高，说明钢渣捕集CO2效果也很好。但相比实施例1，由于钢渣球粒径增大，CO2浓度变小，捕集固定CO2的温度降低，虽然反应时间有所延长，但游离CaO的消解效果有稍微降低。
实施例3
1)将钢渣粉磨至平均粒度为1.0mm，优选采用干法挤压造粒法，制备成粒径为20mm的钢渣球；
2)将钢渣球在105℃烘干，置入气氛炉炉膛的坩埚中焙烧，将纯CO2和空气混合配成含CO2浓度为10vol％的气体，通入气氛炉中，气氛炉中保持微正压0.01MPa；
3)气氛炉优选以30℃/min的升温速率，升温至300℃并保温5h，进行CO2气体的捕集固定；
4)将碳酸化后的钢渣球加入水中快速冷却，烘干后先采用乙二醇-EDTA化学滴定法检测出钢渣中游离总钙，然后采用热重分析法通过测量计算出氢氧化钙的含量，两者之差即为钢渣中游离CaO的含量。
钢渣实施例3后检测得到钢渣中游离CaO含量为1.26％。从图6可以看出，钢渣捕集CO2后CaO的衍射峰也明显降低，而CaCO3衍射峰强度相对较高，说明钢渣捕集CO2效果也较好。但相比实施例1、实施例2，由于钢渣球粒径进一步增大，CO2浓度进一步变小，捕集固定CO2的温度进一步降低，虽然反应时间延长至5h，但游离CaO的消解效果还是显著降低。
以上多个实施例证明，本发明提供的钢渣捕集CO2消除游离CaO的方法是实际可行的，可用于推广处理堆积的大量排放钢渣，具有良好的应用潜力和应用前景。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的方法，包括如下步骤：
1)将钢渣粉磨成钢渣细粉，并将其制备成预定粒径的钢渣球；
2)将所述步骤1)得到的钢渣球烘干，置入气氛炉中焙烧，通入一定浓度的CO2气体，气氛炉中保持微正压；
3)将所述步骤2)中钢渣球以一定的升温速率升温至规定温度并保温一段时间来进行钢渣球对CO2气体的捕集固定；
4)将所述步骤3)所得钢渣球进行快速冷却。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1)中，所述钢渣粉磨至粒径为0.01-1.0mm，并利用干法挤压造粒或旋转球盘造粒制成直径为2-20mm的钢渣球。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤2)气氛炉中通入CO2浓度范围在10-100vol％之间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述处理气体是纯CO2气体、各种工业窑炉排放的CO2烟气、或纯CO2气体与空气的混合气体。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中，钢渣球以5-30℃/min之间的升温速率升温，钢渣球捕集CO2的温度范围是300-700℃，保温时间为0.5-5h。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中，碳酸化后的钢渣球加入水中快速冷却，并分析冷却后钢渣球中游离CaO的含量。
7.一种利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的装置，包括CO2调控系统、加热炉反应器系统以及废气排放系统，其中：
所述CO2调控系统包括CO2气体罐、空气罐、气体流量计以及与CO2气体罐和空气罐连接的气体混合罐，所述气体流量计用于分别测量CO2气体罐和空气罐中的气体流量；所述加热炉反应器系统与所述气体混合罐连接，其包括冷却系统、钢渣球和气氛炉炉膛；以及所述废气排放系统用于排出所述加热炉反应器系统的反应气体，其包括排气装置和压力表。
8.如权利要求7所述的利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的装置，还包括分析系统，用于分析最终得到的钢渣球中游离CaO的含量。
9.如权利要求8所述的利用钢渣捕集CO2消除游离CaO的装置，还包括CO2反馈系统，把加热炉反应器内CO2含量反馈给所述CO2调控系统，以保证通入的处理气体含CO2浓度恒定。
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| CN116874204A (zh) * | 2023-09-04 | 2023-10-13 | 唐山瑞坤环境检测服务有限公司 | 一种碳捕集激发钢渣活性制备的胶凝材料及其方法 |
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