CN113650143A - 一种利用烟气co2改善钢渣建材安定性的反应装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种利用烟气CO2改善钢渣建材安定性的反应装置与方法，该装置包括储气罐、减压阀、真空泵、反应釜、数显式压力表、自动温湿度记录仪、CO2浓度检测仪，以及阀门与高压气管。先将脱模后的钢渣制品与自动温湿度记录仪一同放入反应釜中，抽真空后通入烟气CO2，压力表读数到达预设压力后开始计时，期间保持压力值不变，并定时检测CO2浓度；若CO2浓度低于10％，则放出釜内气体后重新抽真空、通烟气CO2。自动温湿度记录仪本发明的装置及方法成本低廉，操作简便，可随时查看气体压力及浓度值，反应釜内气体浓度始终控制在要求值以上，能够有效保证非纯CO2反应过程的高效进行。此外，本发明实现了“以废治废”，将“废气”与“废渣”变废为宝，同时助力了碳减排碳中和。
Description
技术领域
本发明属于建材制作技术领域，具体涉及一种利用烟气CO2改善钢渣建材安定性的反应装置及方法，。
背景技术
钢渣是炼钢过程中产生的大宗固体废弃物，其排放量约占钢铁产量的7％～15％。目前我国的钢渣累计堆存量已经超过18亿吨，资源化利用率却不足30％。而钢渣大量堆积、填埋不仅浪费土地资源，钢渣中的重金属元素经过长期雨水冲刷后浸出，也将严重破坏周边环境。我国目前对于钢渣的资源化利用方式主要是用于生产建材。然而，将钢渣制成建材后，钢渣中的游离氧化钙(f-CaO)会发生水化生成氢氧化钙而出现体积膨胀，导致建材出现安定性不良的问题。因此，降低f-CaO含量、改善钢渣的安定性是钢渣能否在建材领域大规模资源化利用的关键。
虽然钢渣的水化反应活性较低，在富CO2环境中却表现出了较高的碳化反应活性。因此，钢渣碳化成为了改善钢渣安定性的新型途径之一。然而，目前钢渣制品的碳化相关发明使用的基本都是高纯CO2，未见到利用捕集回收的CO2进行碳化的研究。而从真正有效缓解温室效应，降低地球大气中CO2含量，助力国家如期实现“碳达峰碳中和”目标的角度讲，只有将排放到空气中的CO2以及即将排放到空气中的烟道气CO2等进行捕集回收并利用才有现实意义，因为没排到大气中的碳并不会加剧温室效应。捕集得到的通常是不纯的低浓度CO2，因此，如果把这些低浓度CO2直接用于钢渣制品的养护，将更具经济、环保和社会价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用烟气CO2改善钢渣建材安定性的反应装置及方法，本发明将低浓度CO2用于钢渣建材制品的养护，以解决建材安定性不良的问题。所用装置及方法简便实用，而且釜内气体浓度易测可调，能够保证碳化过程快速高效地进行。本发明在真正减少碳排放助力碳中和的同时也将钢渣放心地用于建材生产，是目前已知的利用烟气CO2改善钢渣安定性的最佳方案。
一种利用烟气CO2改善钢渣建材安定性的反应装置，包括储气罐1、减压阀、真空泵5、反应釜7、压力表8、自动温湿度记录仪9、CO2浓度检测仪14，以及阀门与气管；
其连接关系如下：储气罐1的出气端连接储气罐放气阀门2，储气罐放气阀门2再连接第一减压阀3，第一减压阀3通过管路连接反应釜进气阀门4，反应釜抽气阀门6与真空泵5连接，组成抽真空装置；反应釜盖上配置压力表8，反应釜内放置自动温湿度记录仪9，用于检测反应期间反应釜内的压力、温度及湿度的变化情况；反应釜检测阀门12与第二减压阀13连接，第二减压阀13再连接CO2浓度检测仪14，构成气体浓度检测装置；反应釜7上还设置有反应釜放气阀门11。
所述储气罐1的工作压力为3MPa，罐体上带有进出气阀门、压力表和安全阀。
所述第一减压阀3和第二减压阀13的输入范围为0～25MPa，输出范围为0～1MPa。
所述真空泵5为旋片式真空泵，能抽真空至-0.9bar。
所述反应釜7为316L不锈钢材质，能够承受3MPa压力。
所述压力表8的测量范围为-0.1～10MPa，精度等级0.4级。
所述自动温湿度记录仪9的温度测量范围为-20～85℃，分辨率为0.1℃，湿度测量范围为0～100％RH，分辨率为0.1RH。
所述CO2浓度检测仪14的测量范围为0～99.99％VOL，分辨率为0.01％VOL。
所述的装置改善钢渣建材安定性的方法，步骤如下：
(1)称量一定量钢渣粉，加水搅拌均匀制成浆料；称量浆料装入模具，压制成型后密封养护一天再脱模；脱模后得到钢渣试块10，将钢渣试块10与自动温湿度记录仪9一同放入反应釜7中，拧紧釜盖螺丝后，打开与真空泵5相连的反应釜抽气阀门6，关闭釜盖上的反应釜进气阀门4、反应釜放气阀门11和反应釜检测阀门12，启动真空泵5将反应釜内空气抽出，至压力表8的读数为-0.85～-0.9bar时，关闭打开的反应釜抽气阀门6和真空泵5；
(2)将与储气罐1连接的第一减压阀3的出口压力设定为1～10bar；打开储气罐放气阀门2，储气罐中的烟气CO2通过第一减压阀3减压后通入反应釜7内，当压力表8的读数到达预设压力值时开始计时；期间保持储气罐1与反应釜7之间的管路通畅，以便反应釜内压力下降后能够自动补充气体恢复压力值；
(3)养护期间，每隔30-60min利用CO2浓度检测仪14测一次反应釜内气体的CO2浓度，测试时先打开反应釜检测阀门12，气体经过第二减压阀13减压后流向CO2浓度检测仪14，CO2浓度检测仪14表盘读数稳定后读取浓度值，关闭反应釜检测阀门12；若CO2浓度低于10％，则关闭反应釜进气阀门4，打开反应釜放气阀门11将气体放出，然后重新对反应釜抽真空、通烟气CO2；
(4)从开始计时时刻起算，1-12h后结束反应；之后关闭反应釜进气阀门4、反应釜抽气阀门6和反应釜检测阀门12，打开反应釜放气阀门11放气后取出钢渣试件10。
本发明所达到的有益效果：
(1)将烟气CO2成功应用于改善钢渣建材的安定性，而且反应装置及方法成本低廉，操作简便；
(2)可随时查看釜内气体压力以及浓度值，反应结束后可以方便查看自动存储的温湿度数据，保证了对反应参数的有效控制以及对反应规律的准确把握。
(3)反应釜内气体浓度可以始终控制在10％以上，保证了非纯CO2反应过程的高效进行；
(4)将“废气”与“废渣”变废为宝，实现了“以废治废”，助力了碳减排碳中和。
附图说明
图1为碳化装置原理图。
其中，1——储气罐，2——储气罐放气阀门；3——第一减压阀；4——反应釜进气阀门；5——真空泵；6——反应釜抽气阀门；7——反应釜；8——压力表；9——自动温湿度记录仪；10——钢渣试块；11——反应釜放气阀门；12——反应釜检测阀门；13——第二减压阀；14——CO2浓度检测仪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种利用烟气CO2改善钢渣建材安定性的反应装置，其特征在于：包括储气罐1、减压阀、真空泵5、反应釜7、压力表8、自动温湿度记录仪9、CO2浓度检测仪14，以及阀门与气管；
其连接关系如下：储气罐1的出气端连接储气罐放气阀门2，储气罐放气阀门2再连接第一减压阀3，减压阀3通过管路连接反应釜进气阀门4，反应釜抽气阀门6与真空泵5连接，组成抽真空装置；反应釜盖上配置压力表8，反应釜内放置自动温湿度记录仪9，用于检测反应期间反应釜内的压力、温度及湿度的变化情况；反应釜检测阀门12与第二减压阀13连接，第二减压阀13再连接CO2浓度检测仪14，构成气体浓度检测装置；反应釜7上还设置有反应釜放气阀门11。
实施例1
(1)称量一定量的400目钢渣粉，按水灰比1:0.3加水搅拌均匀制成浆料。称量浆料装入模具，压制成型后密封养护24小时再脱模。脱模后得到50*50*50mm的钢渣试块10，将其与自动温湿度记录仪9一同放入反应釜7中，拧紧釜盖螺丝后，关闭反应釜进气阀门4、反应釜放气阀门11和反应釜检测阀门12，打开反应釜抽气阀门6，启动真空泵5将反应釜内空气抽出，至压力表8的读数为-0.85～-0.9bar时，关闭反应釜抽气阀门6，关闭真空泵5；
(2)将第一减压阀3的出口压力设定为1bar。打开储气罐放气阀门2，储气罐中的CO2体积浓度为50％的烟气CO2通过第一减压阀3减压后由反应釜进气阀门4进入反应釜7内。当压力表8的读数到达1bar后开始计时。期间保持储气罐放气阀门2和反应釜进气阀门4打开，以确保反应釜内压力下降后可以自动补充气体恢复压力值；
(3)养护期间，每隔60min利用CO2浓度检测仪14测试一次反应釜内气体的CO2浓度。测试时先打开反应釜检测阀门12，气体经过第二减压阀13减压后流向CO2浓度检测仪14，CO2浓度检测仪14表盘读数稳定后读取浓度值，关闭反应釜检测阀门12。若CO2浓度低于10％，则关闭反应釜进气阀门4，打开反应釜放气阀门11将气体放出。然后重新对反应釜抽真空、通烟气CO2。
(4)从开始计时时刻起算，5小时后结束反应。之后关闭其他阀门，打开反应釜放气阀门11放气后取出钢渣试块。从钢渣试块上剥离部分钢渣粉末，制样后测试游离氧化钙含量。结果表明，碳化后游离氧化钙含量从5.2％下降到了1.8％。对钢渣试块进行压蒸安定性测试发现，碳化后钢渣试块压蒸3h后无明显变化，而未碳化钢渣试块在压蒸3h后已经完全破碎。
实施例2
(1)称量一定量的400目钢渣粉，按水灰比1:0.3加水搅拌均匀制成浆料。称量浆料装入模具，压制成型后密封养护24小时再脱模。脱模后得到50*50*50mm钢渣试块10，将其与自动温湿度记录仪9一同放入反应釜7中，拧紧釜盖螺丝后，关闭反应釜进气阀门4、反应釜放气阀门11和反应釜检测阀门12，打开反应釜抽气阀门6。启动真空泵5将反应釜内空气抽出，至压力表8的读数为-0.85～-0.9bar时，关闭反应釜抽气阀门6，关闭真空泵5；
(2)将第一减压阀3的出口压力设定为3bar。打开储气罐放气阀门2，储气罐中的CO2体积浓度为35％的烟气CO2先通过第一减压阀3减压，然后经反应釜进气阀门4通入反应釜7内。当压力表8的读数到达3bar后开始计时。期间保持储气罐放气阀门2和反应釜进气阀门4打开，以便反应釜内压力下降后可以自动补充气体恢复压力值；
(3)养护期间，每隔45min利用CO2浓度检测仪14测试一次反应釜内气体的CO2浓度。测试时先打开反应釜检测阀门12，气体经过第二减压阀13减压后流向CO2浓度检测仪14，CO2浓度检测仪14表盘读数稳定后读取浓度值，关闭反应釜检测阀门12。若CO2浓度低于10％，则关闭反应釜进气阀门4，打开反应釜放气阀门11将气体放出。然后重新对反应釜抽真空、通烟气CO2。
(4)从开始计时时刻起算，6小时后结束反应。之后关闭其他阀门，打开反应釜放气阀门11放气后取出钢渣试块。从钢渣试块上剥离一部分钢渣粉末，制样后进行游离氧化钙含量测试。结果表明，碳化导致游离氧化钙含量从5.2％下降到了1.3％。对钢渣试块进行压蒸安定性测试发现，碳化后钢渣试块压蒸3h后无明显变化，而未碳化钢渣试块在压蒸3h后已经完全破碎。
实施例3
(1)称量一定量400目钢渣粉，按水灰比1:0.3加水搅拌均匀制成浆料。称量浆料装入模具，压制成型后密封养护24小时再脱模。脱模后得到50*50*50mm钢渣试块10，将其与自动温湿度记录仪9一同放入反应釜7中，拧紧釜盖螺丝后，关闭反应釜进气阀门4、反应釜放气阀门11和反应釜检测阀门12，打开反应釜抽气阀门6，启动真空泵5将反应釜内空气抽出，至压力表8的读数为-0.85～-0.9bar时关闭反应釜抽气阀门6，关闭真空泵5；
(2)将第一减压阀3的出口压力设定为5bar。打开储气罐放气阀门2，储气罐中CO2体积浓度为20％的烟气CO2先通过第一减压阀3减压，然后经反应釜进气阀门4通入反应釜7内。当压力表8的读数到达5bar后开始计时。期间保持储气罐放气阀门2和反应釜进气阀门4打开，以便反应釜内压力下降后可以自动补充气体恢复压力值；
(3)养护期间，每隔1小时利用CO2浓度检测仪14测试一次反应釜内气体的CO2浓度。测试时先打开反应釜检测阀门12，气体经过第二减压阀13减压后流向CO2浓度检测仪14，CO2浓度检测仪14表盘读数稳定后读取浓度值，关闭反应釜检测阀门12。若CO2浓度低于10％，则关闭反应釜进气阀门4，打开反应釜放气阀门11将气体放出。然后重新对反应釜抽真空、通入烟气CO2。
(4)从开始计时时刻起算，4小时后结束反应。之后关闭其他阀门，打开反应釜放气阀门11放气后取出钢渣试块。钢渣试块经过压蒸后无明显变化，而未碳化的试块已经破碎。从试件上剥离一部分钢渣粉末，制样后进行游离氧化钙含量测试。结果表明，碳化导致游离氧化钙含量从5.2％下降到了1.2％。对钢渣试块进行压蒸安定性测试发现，碳化后钢渣试块压蒸3h后无明显变化，而未碳化钢渣试块在压蒸3h后已经完全破碎。
Claims (9)
1.一种利用烟气CO2改善钢渣建材安定性的反应装置，其特征在于：包括储气罐(1)、减压阀、真空泵(5)、反应釜(7)、压力表(8)、自动温湿度记录仪(9)、CO2浓度检测仪(14)，以及阀门与气管；
其连接关系如下：储气罐(1)的出气端连接储气罐放气阀门(2)，储气罐放气阀门(2)再连接第一减压阀(3)，第一减压阀(3)通过管路连接反应釜进气阀门(4)，反应釜抽气阀门(6)与真空泵(5)连接，组成抽真空装置；反应釜盖上配置压力表(8)，反应釜内放置自动温湿度记录仪(9)，用于检测反应期间反应釜内的压力、温度及湿度的变化情况；反应釜检测阀门(12)与第二减压阀(13)连接，第二减压阀(13)再连接CO2浓度检测仪(14)，构成气体浓度检测装置；反应釜(7)上还设置有反应釜放气阀门(11)。
2.根据权利要求1所述的一种利用烟气CO2改善钢渣建材安定性的反应装置，其特征在于：所述储气罐(1)的工作压力为3MPa，罐体上带有进出气阀门、压力表和安全阀。
3.根据权利要求1所述的一种利用烟气CO2改善钢渣建材安定性的反应装置，其特征在于：所述第一减压阀(3)和第二减压阀(13)的输入范围为0～25MPa，输出范围为0～1MPa。
4.根据权利要求1所述的一种利用烟气CO2改善钢渣建材安定性的反应装置，其特征在于：所述真空泵(5)为旋片式真空泵，能抽真空至-0.9bar。
5.根据权利要求1所述的一种利用烟气CO2改善钢渣建材安定性的反应装置，其特征在于：所述反应釜(7)为316L不锈钢材质，能够承受3MPa压力。
6.根据权利要求1所述的一种利用烟气CO2改善钢渣建材安定性的反应装置，其特征在于：所述压力表(8)的测量范围为-0.1～10MPa，精度等级0.4级。
7.根据权利要求1所述的一种利用烟气CO2改善钢渣建材安定性的反应装置，其特征在于：所述自动温湿度记录仪(9)的温度测量范围为-20～85℃，分辨率为0.1℃，湿度测量范围为0～100％RH，分辨率为0.1RH。
8.根据权利要求1所述的一种利用烟气CO2改善钢渣建材安定性的反应装置，其特征在于：所述CO2浓度检测仪(14)的测量范围为0～99.99％VOL，分辨率为0.01％VOL。
9.权利要求1至8任一项所述的装置改善钢渣建材安定性的方法，其特征在于：步骤如下：
(1)称量一定量钢渣粉，加水搅拌均匀制成浆料；称量浆料装入模具，压制成型后密封养护一天再脱模；脱模后得到钢渣试块(10)，将钢渣试块(10)与自动温湿度记录仪(9)一同放入反应釜(7)中，拧紧釜盖螺丝后，打开与真空泵(5)相连的反应釜抽气阀门(6)，关闭釜盖上的反应釜进气阀门(4)、反应釜放气阀门(11)和反应釜检测阀门(12)，启动真空泵(5将反应釜内空气抽出，至压力表(8)的读数为-0.85～-0.9bar时，关闭打开的反应釜抽气阀门(6)和真空泵(5)；
(2)将与储气罐(1)连接的第一减压阀(3)的出口压力设定为1～10bar；打开储气罐放气阀门(2)，储气罐中的烟气CO2通过第一减压阀(3)减压后通入反应釜(7)内，当压力表(8)的读数到达预设压力值时开始计时；期间保持储气罐(1)与反应釜(7)之间的管路通畅，以便反应釜内压力下降后能够自动补充气体恢复压力值；
(3)养护期间，每隔30-60min利用CO2浓度检测仪(14)测一次反应釜内气体的CO2浓度，测试时先打开反应釜检测阀门(12)，气体经过第二减压阀(13)减压后流向CO2浓度检测仪(14)，CO2浓度检测仪(14)表盘读数稳定后读取浓度值，关闭反应釜检测阀门(12；若CO2浓度低于10％，则关闭反应釜进气阀门(4)，打开反应釜放气阀门(11)将气体放出，然后重新对反应釜抽真空、通烟气CO2；
(4)从开始计时时刻起算，1-12h后结束反应；之后关闭反应釜进气阀门(4)、反应釜抽气阀门(6)和反应釜检测阀门(12)，打开反应釜放气阀门(11)放气后取出钢渣试件(10)。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211116 |