CN112191092A - 一种用水泥基材料固定二氧化碳的方法及装置 - Google Patents

一种用水泥基材料固定二氧化碳的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用水泥基材料固定二氧化碳的方法及装置。在该方法中，通过调整二氧化碳的温度在400℃～700℃，以水泥基材料为二氧化碳吸收材料，在特定的反应容器中进行加速碳化反应，可实现工业排放二氧化碳的快速吸收，进而有效的缓解温室效应。

Description

一种用水泥基材料固定二氧化碳的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种用水泥基材料固定二氧化碳的方法及装置，通过用途广泛的水泥基材料，如废弃的建筑材料混凝土等，通入工业生产过程中产生的超高温二氧化碳，利用水泥水化产物的逆水化过程，高温下分解产生氧化钙或氧化镁，可迅速与二氧化碳发生气固反应，实现二氧化碳的高效快速固定，属于建筑、材料、环境和化学的学科交叉研究领域。
背景技术
进入21世纪以来，由二氧化碳的过度排放引起的温室效应成为人类共同面临的亟待解决的问题。温室效应引发的冰川融化，海平面上升，海水酸化等一系列问题已严重威胁到人类未来的生存发展。因此，减少二氧化碳的排放或通过技术手段固定二氧化碳成为当下解决温室效应的主要途径。
矿物碳化是一种前景广阔的二氧化碳固定技术，它利用矿物中的钙镁元素通过与二氧化碳发生碳化反应生成性能稳定的碳化产物，达到固定二氧化碳的目的。较之传统的碳封存方法，该技术不存在二氧化碳泄露的风险。同时，自然界中存在大量含有钙镁元素的矿物，具有巨大的二氧化碳固定潜力，因此该技术已得到广泛的研究。非专利文献1中总结了可进行二氧化碳固定的矿物种类，并讨论了各自的二氧化碳吸收固定效果，同时指出了矿物碳化存在造价高的缺点，市场化应用还需要进行更深入的研究。
水泥水化产物中含有大量活性的钙元素，可与二氧化碳结合生成性能稳定的碳酸钙，且目前废弃混凝土等含水泥水化产物的水泥基固体废弃物存量巨大。因此水化后的水泥基材料是一种理想的二氧化碳吸收材料。
另一方面，含钙镁元素的矿物与二氧化碳在常温下的反应速度非常缓慢，严重影响二氧化碳的固定效率。常用的加速反应方法为矿物研磨或者加压，虽可有效改善二氧化碳的固定效果，但又会引入新的二氧化碳排放，因此需要开发更加经济高效的利用矿物碳化固定二氧化碳的方法。
专利文献1公布了一种在高温下吸收二氧化碳的锆酸锂材料的制备方法，但锆酸锂材料并未在自然界中大量广泛存在，且制备过程需要引入大量热量，此种方法的应用范围有限，并不能迅速减少空气中的二氧化碳含量。同样的，专利文献2公布了高温下吸收二氧化碳的特定组分的材料，其对特定元素的要求较高且材料不易得。
二氧化碳排放过程中往往伴随着高温，在100℃～1000℃之间。该高温的能量会伴随着二氧化碳的排放重新散失在大气中，造成了新的热污染。
因此，结合常温下含钙镁元素的水泥基材料对二氧化碳缓慢的固定速度和实际工厂中排出的二氧化碳伴随着的高温现状，本发明拟提出利用水泥基材料吸收工业排放超高温二氧化碳的方法。该方法可有效利用水泥厂排放二氧化碳过程中产生的废热，并加速水泥基材料的碳化速度，实现对二氧化碳的高效固定，从而达到缓解温室效应的目的。
该高温快速固定二氧化碳的方法可以充分吸收工业生产中高温的二氧化碳，外部输入能量极少，同时可以有效改善水泥基材料的性能，经济环保，应用前景广阔。
现有技术文献
专利文献：
专利文献1：CN101214977B
专利文献2：CN101389400B
非专利文献
非专利文献1：Sanna A,Uibu M,Caramanna G,et al.A review of mineralcarbonation technologies to sequester CO 2[J].Chemical Society Reviews,2014,43(23):8049-8080.
发明内容
发明所要解决的课题
为解决传统二氧化碳固定方法前期投入大，稳定性差，及水泥基材料的回收率低，性能差的问题，本发明的目的在于提出一种用水泥基材料固定二氧化碳的方法，在该方法中，通过调整二氧化碳的温度，利用广泛存在的水泥基材料，如建筑工业中产生的废弃混凝土作为吸收材料，在特定的反应容器中进行加速碳化反应，可实现对二氧化碳的快速吸收，可有效缓解温室效应。同时，可对反应后的水泥基材料进行回收再利用，最终实现工业排放二氧化碳的高效吸收和水泥基材料的重复再利用。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案。
本发明的方案为一种用水泥基材料固定二氧化碳的方法，其特征在于，通过使水泥基材料直接与高温含二氧化碳气体接触反应，固定所述高温含二氧化碳气体中所含的二氧化碳，所述高温含二氧化碳气体的温度范围为400℃～700℃。
本发明中，高温含二氧化碳气体的温度范围可以为500℃～650℃。
本发明中，水泥基材料可以为选自硬化水泥浆体、混凝土、废弃混凝土和剩余的现浇混凝土等以水泥作为胶凝材料的工程材料中的任一种。
本发明中，水泥基材料可以是等效圆直径小于或等于500mm的颗粒状材料。
本发明中，二氧化碳浓度范围可以为5％～100％。
本发明的方案为一种用水泥基材料固定二氧化碳的装置，其特征在于，其包括：
高温含二氧化碳气体源，其供应温度范围为400℃～700℃的高温含二氧化碳气体；
填料单元，其用于导入水泥基材料；
反应单元，使水泥基材料与高温含二氧化碳气体在该反应单元中接触并发生反应，吸收气体中含有的二氧化碳；和
废热回收单元，其与所述反应单元相连，用于对反应后的高温气体进行热量回收。
本发明中，所述装置可以进一步包括：
温度微调单元，其位于所述高温含二氧化碳气体源与所述反应单元之间，用于对高温含二氧化碳气体的温度进行微调；和
温度测定单元，其用于测定所述反应单元内的含二氧化碳气体的温度。
本发明中，所述装置可以进一步包括：
废料回收单元，其是水泥基材料吸收二氧化碳后的回收再利用单元；和
废气回收单元，其用于回收反应后的残余气体。
本发明中，在反应单元中，可以使高温含二氧化碳气体从下向上吹入，同时从反应单元上部填充水泥基材料，使高温含二氧化碳气体与水泥基材料相互对流地发生反应，从而吸收气体中含有的二氧化碳。
本发明中，可以在反应单元中设置分区，并带有搅拌装置，在对高温含二氧化碳气体和水泥基材料进行搅拌的同时使其反应。
发明的效果
根据本发明的方案，可充分利用工业排放的二氧化碳中伴随着的高温来加速水泥基材料的二氧化碳吸收效率，所需的外界输入能量极少，且二氧化碳吸收速度远远大于常温下的碳化反应速度，并且，原理简单，不需要引入复杂精细的参数控制系统，兼具实用性和经济性。
附图说明
图1为本发明的用水泥基材料固定二氧化碳的装置的示意图。
图2为本发明的实施例中使用的装置的示意性说明图。
符号说明：
1——高温含二氧化碳气体源，2——二氧化碳浓度检测单元，3——温度微调单元，4——填料单元，5——反应单元，6——二氧化碳浓度检测单元，7——废料回收单元，8——废热回收单元，9——废气回收单元；
1’——氮气源，2’——二氧化碳源，3’——氮气流量计，4’——二氧化碳流量计，5’——二氧化碳浓度计，6’——电气炉，7’——样品，8’——加热区。
具体实施方式
下面结合附图，进一步阐明本发明，在阅读本发明之后，本领域的技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
本发明的提供一种用水泥基材料固定二氧化碳的方法，其特征在于，通过使水泥基材料直接与高温含二氧化碳气体接触反应，固定所述高温含二氧化碳气体中所含的二氧化碳，所述高温含二氧化碳气体的温度范围为400℃～700℃。
上述高温含二氧化碳气体通常来源于工业生产过程中产生的高温二氧化碳气体，例如：水泥生产过程中会通过煅烧石灰石的方式产生氧化钙，其产生的二氧化碳温度可达1000℃,在排放的过程中温度逐渐降低。同样的，燃煤发电厂中产生的二氧化碳同样具有较高的温度，等。可以将这样的高温含二氧化碳气体直接用于本发明的方法中，所需外界输入能量极少，具有能耗小、设备简单、效率高等优点。
上述高温含二氧化碳气体的温度范围低于400℃时，水化后水泥基材料中的氢氧化钙不能分解，反应很慢；高于700℃时，碳化生成的碳酸钙容易分解，不利于二氧化碳的有效固定。从参与反应的氢氧化钙和生成的碳酸钙分解温度范围出发，上述高温含二氧化碳气体的温度范围更优选为450℃～680℃，进一步优选为500℃～650℃，更进一步优选为550℃～630℃。
上述高温含二氧化碳气体可以直接导入反应单元，优选利用温度微调单元对气体的温度进一步进行调节，并利用温度测定单元随时监控反应时的气体温度，以便随时对进料气体的温度进行调节。
上述水泥基材料可以为硬化水泥浆体、混凝土、废弃混凝土和剩余的现浇混凝土等以水泥作为胶凝材料的工程材料。这样的材料在工业生产中广泛存在，并且通常作为废弃物考虑，这样的水泥基废弃物具有不易降解、难以处理等问题，其回收再利用一直成为难题。本申请发明人创造性地利用这样的水泥基材料与工业生产中排放的高温废气反应，由此，在净化吸收废气的同时实现了这样的水泥基材料的再生，达到一石两鸟的效果。
这样的水泥基材料通常在成分中包含氧化钙、氧化硅、氧化镁等物质，在本发明中的特定条件下使水泥基材料与二氧化碳气体发生反应，高效率地得到碳酸钙、碳酸镁等，由此实现水泥基材料的再生。
另外，本发明的水泥基材料包括直接使用上述各种水泥基废弃物、以及以这样的物质作为主要成分的浆料、胶态物质、液体等。从获得容易、反应效率高的观点出发，优选使用颗粒状材料，所述颗粒状材料可以是直接使用各种工业水泥基原料或废弃物或者将水泥基粉末溶于水中制成浆料后使其固化并将固化物破碎后的颗粒。该颗粒状材料的颗粒等效圆直径通常为小于或等于500mm，优选为0.05mm～400mm，小于0.05mm时，颗粒间填充过于密集，阻碍含二氧化碳气体的流通和反应，大于400mm时，颗粒的比表面积过小，反应效率降低，该颗粒等效圆直径更优选为0.1mm～300mm，进一步优选为0.5mm～100mm。
本发明的用水泥基材料固定二氧化碳的方法适合应用于多个用途，可以用于水泥厂排出高温二氧化碳的快速吸收，亦可用于火力发电厂中排出废气中二氧化碳的固定。同时，建筑固体废弃物中含有大量的废弃微粉，可用此方法改善微粉的性质，提升建筑固体废弃物的复合利用效率。更广泛的，该方法可推广至含钙或镁元素的矿物固碳，因其可与二氧化碳反应生成性能稳定的碳酸钙。
另外，图1中例示出本发明的用水泥基材料固定二氧化碳的装置，其主要包括高温含二氧化碳气体源1，二氧化碳浓度检测单元2，温度微调单元3，填料单元4，反应单元5，二氧化碳浓度检测单元6，废料回收单元7，废热回收单元8，废气回收单元9。图1中所示的装置仅为例示，本发明不受该例示任何限制。
高温含二氧化碳气体源1所供应的高温含二氧化碳气体可来源于通过化石燃料燃烧提供能量的工业制造厂，其生产过程中排出的二氧化碳往往伴随着很高的温度。二氧化碳的浓度可通过二氧化碳浓度检测单元2定量评价，在特定的工业流程截取特定温度段的二氧化碳，该高温含二氧化碳气体的温度可通过气体温度微调单元3实现，以期达到最优的反应温度。填料单元4将一定尺寸的水泥基材料投入反应单元5中，与通入的高温含二氧化碳气体相遇并发生碳化反应。反应单元5应具有隔热性能，可保证反应在最优的环境温度下进行，同时反应单元5也可以具有搅拌功能，可保证反应物之间相互充分接触。二氧化碳浓度检测单元6可检测反应单元中的二氧化碳浓度，保证二氧化碳的浓度在排出大气前低于当地法律允许的阈值。反而过后的剩余气体往往还具有较高的温度，废热回收单元8可对反应后的高温气体进行热量回收。同时，水泥基材料与二氧化碳反应后可进行回收再利用，可通过废料回收单元7回收与二氧化碳反应后的水泥基材料。
实施例
本实施例中，利用图2所示的装置实施水泥基材料吸收二氧化碳的试验。图2所示的装置包括氮气源1’，二氧化碳源2’，氮气流量计3’，二氧化碳流量计4’，二氧化碳浓度计5’，电气炉6’，样品7’和加热区8’。其特征在于氮气源1’和二氧化碳源2’分别通过氮气流量计3’和二氧化碳流量计4’提供氮气和二氧化碳。两种气体混合后，通过二氧化碳浓度计5’校正混合气体中二氧化碳浓度，二氧化碳的温度通过电气炉6’中的加热区7’控制，二氧化碳吸收过程中，样品7’置于加热区8’中间。
水泥厂现场调查发现，其排出的二氧化碳浓度为20％～25％。因此，设定二氧化碳浓度25％为基本工况，通过二氧化碳流量计和氮气流量计及二氧化碳浓度计调整二氧化碳浓度。在实施例中设置的氮气流量为300mL/min，二氧化碳流量计3’设置的二氧化碳流量为100mL/min。二氧化碳浓度计测定的二氧化碳浓度为25％。
样品8’采用的是日本太平洋水泥公司生产的高强水泥(JIS R 5210)，其化学成分如表1所示，厚度为2mm，加热区7’设定的电气炉空气的加热温度范围为400℃～800℃。
表1：水泥样品XRF(X射线荧光光谱仪)测定的成分表
Figure BDA0002438333740000071
实际固定二氧化碳的钙元素的量如下测定：
通过制作样品的水泥成分表，可以计算出理论最大二氧化碳的吸收量，计算过程如下表2所示，结果表明单位质量的水泥可以吸收51.3％单位的二氧化碳。
表2：二氧化碳的理论吸收值计算表
Figure BDA0002438333740000072
因此，水泥水化及碳化后，根据可与二氧化碳结合的元素守恒定律，通过热重分析仪进行热重分析，进而可以计算出单位烧失后质量样品中碳酸钙的含量。从而可定量二氧化碳的吸收量。碳化程度的计算公式如式(1)
Figure BDA0002438333740000073
其中：C代表样品中二氧化碳的吸收量，C0代表未碳化样品中二氧化碳的吸收量，Cmax为理论计算的二氧化碳的最大吸收量。
同时为调查较高浓度范围内的二氧化碳吸收效率，在20℃和600℃工况下设定100％二氧化碳浓度环境。
表3：不同温度下碳化程度
Figure BDA0002438333740000081
碳化程度的计算为实际固定二氧化碳的钙元素的量与理论可用于固定二氧化碳的钙元素量的比值，不同温度下的碳化程度如表3所示。当二氧化碳浓度为25％时，最优的二氧化碳吸收效率发生在600℃，较常温下二氧化碳的吸收效率提升970.8％。当二氧化碳浓度为100％时，600℃环境下二氧化碳的提升效率可达558.1％。因此，在超高温度400℃～700℃范围内，水泥基材料可以较快的吸收二氧化碳。
需要说明的是，上述实施例只对本发明的举例说明，本发明也可以通过其他特定方式或其他的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种用水泥基材料固定二氧化碳的方法，其特征在于，通过使水泥基材料直接与高温含二氧化碳气体接触反应，固定所述高温含二氧化碳气体中所含的二氧化碳，所述高温含二氧化碳气体的温度范围为400℃～700℃。
2.根据权利要求1所述的用水泥基材料固定二氧化碳的方法，其特征在于，所述高温含二氧化碳气体的温度范围为500℃～650℃。
3.根据权利要求1所述的用水泥基材料固定二氧化碳的方法，其特征在于，水泥基材料为选自硬化水泥浆体、混凝土、废弃混凝土剩余的现浇混凝土等以水泥作为胶凝材料的工程材料中的任一种。
4.根据权利要求1所述的用水泥基材料固定二氧化碳的方法，其特征在于，水泥基材料是等效圆直径小于或等于500mm的颗粒状材料。
5.根据权利要求1所述的用水泥基材料固定二氧化碳的方法，其特征在于，二氧化碳浓度范围为5％～100％。
6.一种用水泥基材料固定二氧化碳的装置，其特征在于，其包括：
高温含二氧化碳气体源，其供应温度范围为400℃～700℃的高温含二氧化碳气体；
填料单元，其用于导入水泥基材料；
反应单元，使水泥基材料与高温含二氧化碳气体在该反应单元中接触并发生反应，吸收气体中含有的二氧化碳；和
废热回收单元，其与所述反应单元相连，用于对反应后的高温气体进行热量回收。
7.根据权利要求6所述的用水泥基材料固定二氧化碳的装置，其特征在于，
所述装置进一步包括：
温度微调单元，其位于所述高温含二氧化碳气体源与所述反应单元之间，用于对高温含二氧化碳气体的温度进行微调；和
温度测定单元，其用于测定所述反应单元内的含二氧化碳气体的温度。
8.根据权利要求6所述的用水泥基材料固定二氧化碳的装置，其特征在于，
所述装置可以进一步包括：
废料回收单元，其是水泥基材料吸收二氧化碳后的回收再利用单元；和
废气回收单元，其用于回收反应后的残余气体。
9.根据权利要求6所述的用水泥基材料固定二氧化碳的装置，其特征在于，在所述反应单元中，使高温含二氧化碳气体从下向上吹入，同时从反应单元上部填充水泥基材料，使高温含二氧化碳气体与水泥基材料相互对流地发生反应，从而吸收气体中含有的二氧化碳。
10.根据权利要求6所述的用水泥基材料固定二氧化碳的装置，其特征在于，在反应单元中设置分区，并带有搅拌装置，在对高温含二氧化碳气体和水泥基材料进行搅拌的同时使其反应。
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