CN115212713A - 一种水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法 - Google Patents

一种水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法，包括：(1)将水泥厂排放的窑灰和水按照质量比1：(1～4)混合，经陈化2～24h，再经搅拌得到窑灰浆料；(2)收集水泥厂生产排放的含CO2的烟气于储罐中；(3)向卧式湿磨设备中通入100质量份窑灰浆料和5～20质量份烟气，并加入研磨介质进行湿磨；(4)对湿磨后浆料进行干燥处理，得到CO2固化材料。本发明方法收集水泥厂排放的二氧化碳和碱性窑灰，用碱性窑灰吸收封存二氧化碳，一举两得：既降低了厂内二氧化碳排放量，又中和了水泥厂窑灰的高碱性，降低了其对环境的危害。并且本发明方法工艺简洁，成本低廉，适合工艺化。

Description

一种水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法
技术领域
本发明属于工业固废处理和环保技术领域，具体涉及一种水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法。
背景技术
我国是水泥产量最高的国家之一，根据中国水泥协会报告指出，我国2009年水泥产量为16.3亿吨。每公斤水泥生产的0.81公斤二氧化碳全球，约5％的碳排放来自水泥制造，约一半的二氧化碳来自煅烧过程，其余的二氧化碳来自生产过程中的能源使用，按照生产1吨水泥时氧化窑灰排放量为5％的保守计算，我国窑灰的排放量每年将达到8150万吨。水泥窑在运行过程中会带来大量的烟气污染物，进入大气会对生态环境产生危害。窑灰主要矿物成分为氧化钙、二氧化硅、三氧化二铝等，灰黄色或灰褐色粉末，碱性工业废物，能与二氧化碳水溶液发生反应，有效利用好窑灰，具有极大的经济、环保的价值。现有技术可将窑灰作为脱硫剂，因为窑灰也含有大量的碳酸钙，制备成窑灰浆液加入脱硫塔反应，但硫化物仅占烟道气体的少量，其中大量的二氧化碳排放吸收难以解决。
申请号CN202010964633.X的中国专利公开了一种用于固定二氧化碳的改性脱硫灰及其制备方法，脱硫灰是燃煤烟气干法脱硫处理过的产物，含钙量低，固碳能力差，添加含氮硅烷偶联剂，通过吸附效果达到吸收二氧化碳的目的。其方法需要的含氮硅烷偶联剂价格受光伏行业迅速发展的影响，多晶硅对三氯氢硅消耗量增加，导致三氯氢硅呈现出供需错配格局，价格大幅上涨，经济成本较高，不符合工业化生产的应用，应用受限。
申请号CN201110105595.3的中国专利公开的固定二氧化碳的方法中，采用间接固碳的方法，包括：(a)用酸处理天然矿物或钢渣以提取金属离子成分；(b)将二氧化碳注入到包含步骤(a)中提取的金属离子成分的提取液中以碳酸盐化；(c)将溶解有在步骤(b)中得到的碳酸盐的溶液转移到溶解碳酸盐储存罐中并储存；以及(d)将储存的溶解碳酸盐转移到碳酸盐分离/纯化罐中并调节pH到7或更高来分离碳酸盐。这种间接固碳方法从工艺上看效率没有直接固碳方法简洁，需要运用酸性试剂浸出Ca、Mg等金属离子来进行碳化反应，醋酸、醋酸钠、盐酸价格也很昂贵，考虑到酸对搅拌罐腐蚀，从经济角度上来看不适用于工业化。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供了一种水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法。
本发明方法收集水泥厂排放的二氧化碳和碱性窑灰，用碱性窑灰吸收封存二氧化碳，一举两得：既降低了厂内二氧化碳排放量，又中和了水泥厂窑灰的高碱性，降低了其对环境的危害。并且本发明方法工艺简洁，成本低廉，适合工艺化。
本发明的技术方案如下：
一种水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法，包括：
(1)将水泥厂排放的窑灰和水按照质量比1：(1～4)混合，经陈化2～24h，再经搅拌得到窑灰浆料；
(2)收集水泥厂生产排放的含CO2的烟气于储罐中；
(3)向卧式湿磨设备中通入100质量份窑灰浆料和5～20质量份烟气，并加入研磨介质进行湿磨；
(4)对湿磨后浆料进行干燥处理，得到CO2固化材料。
在一些具体实施方式中，窑灰为水泥厂干法窑或湿法窑的窑灰。
在一些具体实施方式中，水为自来水或水泥厂排放废水。
在一些具体实施方式中，烟气中CO2的质量浓度为60～85％。
在一些具体实施方式中，步骤(3)中，湿磨时检测卧式湿磨设备溢出气体的酸碱性，当溢出气体为中性或碱性时，停止湿磨。
在一些具体实施方式中，步骤(3)中，通过控制窑灰浆料和烟气的通入流量来控制两者的用量比，具体为：保持窑灰浆料和烟气的通入流量比为100：5～20，在开始通入窑灰浆料和烟气的同时启动湿磨，至100质量份窑灰浆料和5～20质量份烟气被通入到卧式湿磨设备后，继续保持湿磨。
在一些具体实施方式中，步骤(3)中进行湿磨时，保持卧式湿磨设备内压力为1～3bar。
在一些具体实施方式中，研磨介质为不锈钢球、氧化铝球、氧化锆球、硅酸锆球、玛瑙球中的一种或多种的混合。
在一些具体实施方式中，研磨介质由球径2.5～3.0mm的氧化锆球和球径0.6～0.8mm的氧化锆球级配组成。
在一些具体实施方式中，湿磨时研磨介质与窑灰浆料的质量比为1：(2～5)。
本发明中利用湿磨工艺主要解决的技术问题是：利用研磨介质间的倾卸力破坏窑灰颗粒内部的硅质膜，促进窑灰内部的金属阳离子快速溶出，与浆料中的碳酸根离子充分反应；还利用研磨介质间的倾卸力还解决了碳化过程中窑灰颗粒表面易形成碳酸盐薄膜(即碳化膜)、从而阻碍碳酸根离子渗入进行碳化反应的问题。
本发明中，窑灰与水在锥形罐中陈化处理并搅拌均匀，陈化和搅拌促进窑灰内Ca、Mg等金属离子的溶出。窑灰颗粒表面由于碳化生成碳酸盐，易在窑灰颗粒外表面形成碳化膜，从而阻止碳酸根渗入继续碳化反应；同时窑灰颗粒内表面形成的硅质膜还阻止Ca、Mg等金属离子溶出；湿磨工艺在打碎窑灰颗粒增大比表面积的同时，还剥离窑灰颗粒内外表面形成的膜，暴露出崭新表面，从而促进Ca、Mg等金属离子溶出，以及促进碳酸根渗入继续碳化反应。
本发明的湿磨工艺，可磨细窑灰颗粒增加其比表面积，增加窑灰颗粒表面的水薄膜，水裹住窑灰颗粒表面传递钙离子，易于与二氧化碳融入表面形成的碳酸离子反应生成碳酸盐；同时可促进窑灰颗粒内Ca、Mg等金属离子溶出，能更好的与碳酸离子等结合形成碳酸盐。通入烟气进入湿磨设备以及研磨窑灰颗粒均会增加湿磨设备内压强，使得二氧化碳能更快速融入水薄膜中形成碳酸。
在湿磨过程中，生成的碳酸钙沉淀在液相环境中，在搅动中吸附游离的Ca离子，进一步诱导碳酸盐生成。湿磨处理可将窑灰表面晶体致密的低活性游离氧化钙分离，同时消除碳化材料中游离氧化钙对体积安定性的影响从而导致材料破坏。
和现有技术相比，本发明的特点和有益效果如下：
(1)窑灰采用水泥厂干法窑或湿法窑的窑灰，含二氧化碳的烟气从水泥烟道通入储罐，水可采用自来水或水泥厂排放废水，当采用废水时其中的泥杂质则附着于窑灰颗粒表面，给窑灰颗粒提供更多的钙离子，用于二氧化碳的矿物化。本发明就地取材免去运输成本和固碳成本，而且用碱性窑灰吸收封存二氧化碳，既可降低厂内二氧化碳排放量，又中和了水泥厂窑灰的高碱性，降低了其对环境的危害。并且本发明方法工艺简洁，成本低廉，适合工业化。
(2)本发明中通过检测湿磨罐溢出气流的酸碱性，来判断窑灰与二氧化碳的反应程度，从而更好地控制工业生产。
(3)窑灰直接采用水泥厂干法窑或湿法窑的窑灰，通常具有细粒度，高活性表面积，窑灰无需任何预处理，可直接使用。
具体实施方式
图1为本发明具体实施方式中的工艺流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面将先结合图1对本发明的具体实施方式进行详细描述。本发明水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法，适用于水泥厂，其具体步骤如下：
(1)将水泥厂排放的窑灰和水按照质量比1：(1～4)混合，置于锥形罐内陈化2～24h，再经搅拌10～60min得到窑灰浆料。窑灰可采用水泥厂干法窑或湿法窑的窑灰，水可用自来水或水泥厂排放废水。
(2)收集水泥厂生产排放的含CO2的烟气于储罐中，烟气中CO2的质量浓度一般为60～85％。
(3)向卧式湿磨设备中通入100质量份窑灰浆料和5～20质量份烟气，并加入研磨介质进行湿磨，通过湿磨对窑灰进行碳化。本步骤中窑灰浆料和烟气在卧式湿磨设备中充分接触，通过湿磨促进固碳率和固碳效率。
一般而言湿磨时间越长，固碳反应越充分，固碳效果越好。本具体实施方式中通过检测卧式湿磨设备溢出气体的酸碱性，来判断固碳反应是否充分。具体为：检测卧式湿磨设备溢出气体的酸碱性，当溢出气体为中性或碱性时，则已充分反应，停止湿磨。
本具体实施方式中通过控制窑灰浆料和烟气的通入流量来控制两者的用量比。一种优选方案为：保持窑灰浆料和烟气的通入流量比为100：5～20，在开始通入窑灰浆料和烟气的同时启动湿磨，直至100质量份窑灰浆料和5～20质量份烟气被通入到卧式湿磨设备，继续保持湿磨。通入窑灰浆料的进料口和通入烟气的进气口，优选设于卧式湿磨设备横向中心轴附近。
本具体实施方式中，进行湿磨时保持卧式湿磨设备内压力为1～3bar，湿磨转速为2000～3000r/min。研磨介质采用常规研磨球，具体可采用不锈钢球、氧化铝球、氧化锆球、硅酸锆球、玛瑙球中的一种或多种的混合。
本具体实施方式中采用紫色石蕊试液检测溢出气体的酸碱性，酸性气体使紫色石蕊试液变红，碱性气体使紫色石蕊试液变蓝。也可以采用酸碱pH计(例如PC-3320型号酸碱pH计)监测溢出气体的酸碱性。
(4)采用盘式吸滤机对所得浆料进行干燥处理，得到松散的CO2固化材料。
本发明通过湿磨破坏窑灰颗粒结构，促进金属离子溶出，又可避免碳化反应产物在窑灰颗粒表面累积成膜，从而解决了目前工业上窑灰固碳率低和固碳效率低的问题。
下面将提供本发明的实施例和对比例。
实施例1
(1)将水泥厂排放的窑灰100kg和自来水100kg至于锥形罐中陈化处理2h，之后再搅拌30min得到窑灰浆料。
(2)收集水泥厂生产排放的烟气，其中CO2的质量浓度为80％。
(3)取100kg氧化锆球置于卧式湿磨设备内，分别以100kg/min和5kg/min的流量将窑灰浆料和烟气泵入卧式湿磨设备内，在开始通入窑灰浆料和烟气的同时启动湿磨，湿磨时保持卧式湿磨设备内压力为1bar。25分钟后停止湿磨。
本实施例中氧化锆球包括球径2.5～3.0mm的氧化锆球17kg和球径0.6～0.8mm的氧化锆球83kg；卧式湿磨设备转速设为2000r/min。
(4)采用盘式吸滤机对湿磨后浆料进行干燥处理，得到松散的CO2固化材料。
实施例2
(1)将水泥厂排放的窑灰100kg和自来水200kg至于锥形罐中陈化处理24h，之后再搅拌30min得到窑灰浆料。
(2)收集水泥厂生产排放的烟气，其中CO2的质量浓度为80％。
(3)取100kg氧化锆球置于卧式湿磨设备内，分别以100kg/min和10kg/min的流量将窑灰浆料和烟气泵入卧式湿磨设备内，在开始通入窑灰浆料和烟气的同时启动湿磨，湿磨时保持卧式湿磨设备内压力为2bar。20分钟后停止湿磨。
本实施例中氧化锆球包括球径2.5～3.0mm的氧化锆球17kg和球径0.6～0.8mm的氧化锆球83kg；卧式湿磨设备转速设为2500r/min。
(4)采用盘式吸滤机对湿磨后浆料进行干燥处理，得到松散的CO2固化材料。
实施例3
(1)将水泥厂排放的窑灰100kg和自来水300kg至于锥形罐中陈化处理12h，之后再搅拌30min得到窑灰浆料。
(2)收集水泥厂生产排放的烟气，其中CO2的质量浓度为80％。
(3)取100kg氧化锆球置于卧式湿磨设备内，分别以100kg/min和15kg/min的流量将窑灰浆料和烟气泵入卧式湿磨设备内，在开始通入窑灰浆料和烟气的同时启动湿磨，湿磨时保持卧式湿磨设备内压力为3bar。15分钟后停止湿磨。
本实施例中氧化锆球包括球径2.5～3.0mm的氧化锆球17kg和球径0.6～0.8mm的氧化锆球83kg；卧式湿磨设备转速设为2500r/min。
(4)采用盘式吸滤机对湿磨后浆料进行干燥处理，得到松散的CO2固化材料。
实施例4
(1)将水泥厂排放的窑灰100kg和自来水400kg至于锥形罐中陈化处理24h，之后再搅拌30min得到窑灰浆料。
(2)收集水泥厂生产排放的烟气，其中CO2的质量浓度为80％。
(3)取100kg氧化锆球置于卧式湿磨设备内，分别以100kg/min和20kg/min的流量将窑灰浆料和烟气泵入卧式湿磨设备内，在开始通入窑灰浆料和烟气的同时启动湿磨，湿磨时保持卧式湿磨设备内压力为3bar。10分钟后停止湿磨。
本实施例中氧化锆球包括球径2.5～3.0mm的氧化锆球17kg和球径0.6～0.8mm的氧化锆球83kg；卧式湿磨设备转速设为3000r/min。
(4)采用盘式吸滤机对湿磨后浆料进行干燥处理，得到松散的CO2固化材料。
对比例
(1)将水泥厂排放的窑灰100kg和自来水400kg至于锥形罐中陈化处理24h，之后再搅拌30min得到窑灰浆料。
(2)收集水泥厂生产排放的烟气，其中CO2的质量浓度为80％。
(3)分别以100kg/min和20kg/min的流量将窑灰浆料和烟气泵入搅拌设备内，在开始通入窑灰浆料和烟气的同时启动搅拌，以2000r/min转速搅拌。10分钟后停止搅拌。
(4)采用盘式吸滤机对搅拌后浆料进行干燥处理，得到松散的CO2固化材料。
需要说明的是，上述实施例1～4及对比例中，均是未等待充分反应即取样检测，目的在于验证碳化效率是否得到显著改善。
采用热分析仪SDT2960对实施例1～4及对比例所得固化材料进行热重分析(TG)，计算固化材料的固碳效率＝(m1-m2)/(m1*t)×100％。其中，m1表示热分解前固化材料质量，m2表示热分解后固化材料质量，t为湿磨或搅拌时间，对实施例1～4，t为湿磨时间，对对比例，t为搅拌时间。所得固碳效率数据见表1。
表1实施例1～4及对比例中窑灰的固碳效率
Figure BDA0003670203680000081
从表1可以看出，湿磨处理的窑灰浆料具有更优异的固碳能力，固碳效率最高可达8.7％·min-1，而未采用湿磨处理的窑灰浆料(见对比例)，其固碳效率仅为3.1％·min-1，本发明对比例4的固碳效率约为对比例的3倍，相对对比例固碳效率得到了显著提高。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (10)

1.一种水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法，其特征是，包括：
(1)将水泥厂排放的窑灰和水按照质量比1：(1～4)混合，经陈化2～24h，再经搅拌得到窑灰浆料；
(2)收集水泥厂生产排放的含CO2的烟气于储罐中；
(3)向卧式湿磨设备中通入100质量份窑灰浆料和5～20质量份烟气，并加入研磨介质进行湿磨；
(4)对湿磨后浆料进行干燥处理，得到CO2固化材料。
2.如权利要求1所述的水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法，其特征是：
所述窑灰为水泥厂干法窑或湿法窑的窑灰。
3.如权利要求1所述的水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法，其特征是：
所述水为自来水或水泥厂排放废水。
4.如权利要求1所述的水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法，其特征是：
所述烟气中CO2的质量浓度为60～85％。
5.如权利要求1所述的水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法，其特征是：
步骤(3)中，湿磨时检测卧式湿磨设备溢出气体的酸碱性，当溢出气体为中性或碱性时，停止湿磨。
6.如权利要求1所述的水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法，其特征是：
步骤(3)中，通过控制窑灰浆料和烟气的通入流量来控制两者的用量比，具体为：保持窑灰浆料和烟气的通入流量比为100：5～20，在开始通入窑灰浆料和烟气的同时启动湿磨，至100质量份窑灰浆料和5～20质量份烟气被通入到卧式湿磨设备后，继续保持湿磨。
7.如权利要求1所述的水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法，其特征是：
步骤(3)中进行湿磨时，保持卧式湿磨设备内压力为1～3bar。
8.如权利要求1所述的水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法，其特征是：
所述研磨介质为不锈钢球、氧化铝球、氧化锆球、硅酸锆球、玛瑙球中的一种或多种的混合。
9.如权利要求1所述的水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法，其特征是：
所述研磨介质由球径2.5～3.0mm的氧化锆球和球径0.6～0.8mm的氧化锆球级配组成。
10.如权利要求1所述的水泥厂湿磨窑灰固碳减排的方法，其特征是：
湿磨时研磨介质与窑灰浆料的质量比为1：(2～5)。
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