CN115232969A - 一种利用钢渣碱性节约间接碳酸化工艺碱消耗的方法 - Google Patents

一种利用钢渣碱性节约间接碳酸化工艺碱消耗的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种利用钢渣碱性节约间接碳酸化工艺碱消耗的方法，属于钢渣资源化利用技术领域；包括：S1、采用两步法的方式对钢渣进行浸出反应：S101、使用水和钢渣进行一次浸出反应，过滤得到一次浸出液和一次浸渣；S102、使用醋酸溶液和所述一次浸渣混合进行二次浸出反应，过滤得到二次浸出液；S2、随后将一次浸出液和二次浸出液混合，并向所得的混合浸出液中通入CO2进行碳酸化反应。本发明的两步浸出反应可使钢渣中大多数氧化钙和氢氧化钙所具备的碱性转移至水中，在保存了钢渣碱性的同时也减少了碱性矿物对第二步浸出反应中酸的消耗，使得节约的酸可以参与到其他非碱性矿物的浸出反应中，提高了反应的浸出率。

Description

一种利用钢渣碱性节约间接碳酸化工艺碱消耗的方法
技术领域
本发明涉及钢渣资源化利用技术领域，特别是指一种利用钢渣碱性节约间接碳酸化工艺碱消耗的方法。
背景技术
温室效应对全球气候和环境造成的影响日益显著。2021年，全球CO2排放量达363亿吨，其中，钢铁企业CO2排放占比达6-7％。作为能源密集型企业，钢铁企业节能减排对于降低总CO2排放具有重要意义，如何降低CO2排放也是钢铁企业实现绿色低碳发展应该迫切考虑的问题。
矿物碳酸化作为一种有效的CO2固定技术，近年来得到越来越多的关注。这一技术是模拟自然界中的岩石矿化使富含碱土金属元素的矿物与CO2反应生成稳定的碳酸盐从而实现CO2固定的目的。间接碳酸化是矿物碳酸化的一种形式，即首先提取矿物原料中的碱土金属离子(主要是Ca离子)，之后经液固分离后将CO2通入滤液进行碳酸化反应。
钢渣因其富钙、高碱性的特征被广泛应用于间接碳酸化的研究中。对于钢渣间接碳酸化，以往的研究往往使用酸性化学试剂提取矿物中的钙离子，醋酸是较为常用的Ca离子提取剂。在浸出反应结束后得到低pH的富钙浸出液，然而，低pH环境是不利于随后的碳酸化反应的，因为溶液的酸度抑制了CO2在液相中的溶解。为了进行沉淀反应，碱，如NaOH和氨水等常用来提高浸出液的pH。酸-碱路线不可避免地造成化学试剂的过量使用而增加反应的成本。因此，如何避免碱的消耗以使得间接碳酸化工艺更可持续发展是值得关注和思考的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种利用钢渣碱性节约间接碳酸化工艺碱消耗的方法，即，将间接碳酸化的浸出反应分为两步进行，第一步用水为溶剂进行浸出反应，使钢渣中的碱性组分释放于水中得到高碱性的一次浸出液；随后再使用酸为溶剂进行第二步浸出反应，得到高Ca离子浓度、低pH的二次浸出液；然后，将一次浸出液与二次浸出液混合得到较高pH的混合浸出液。最后，将CO2通入混合浸出液中进行碳酸化反应。两步浸出反应可以使钢渣中大多数氧化钙和氢氧化钙所具备的碱性转移至第一步浸出反应的水中，在保存了钢渣碱性的同时也减少了碱性矿物对第二步浸出反应中酸的消耗，使得节约的酸可以参与到其他非碱性矿物的浸出反应中，提高了反应的浸出率。本发明的方法可以使钢渣更好地发挥间接碳酸化固定CO2的作用，符合双碳理念，具有较好的环境效益和生态效益。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种利用钢渣碱性节约间接碳酸化工艺碱消耗的方法，包括以下步骤：
S1、采用两步法的方式对钢渣进行浸出反应：
S101、使用水和钢渣进行一次浸出反应，以使得钢渣中的含钙的碱性组分溶解于水中，过滤得到较高pH的一次浸出液和一次浸渣；
S102、使用醋酸溶液和所述一次浸渣混合进行二次浸出反应，过滤得到富钙的二次浸出液；
S2、随后将一次浸出液和二次浸出液混合，并向所得的混合浸出液中通入CO2进行碳酸化反应。
其中优选地，S101中，钢渣和水的质量比为1：10-50，例如1:10、1:20、1:30、1:40、1:50中的任意值以及他们之间的任意值；优选为1：10-20。该优选方案，更利于将钢渣中的钙元素等碱性组分最大化保留。
优选地，所述钢渣的粒径为38-150μm。
其中优选地，S101中，所述一次浸出反应的条件包括：反应温度为20-30℃，搅拌速率为400-600rpm，反应时间为20-40min。该优选方案，更利于将钢渣中的钙元素等碱性组分最大化浸出。
其中优选地，所述一次浸出反应的Ca离子浸出率ηCa,1满足下述式(1)：
Figure BDA0003717570880000021
式中，
CCa,1为一次浸出液的Ca离子浓度，mg/L；
V为一次浸出液的体积，L；
mslag为所用钢渣的质量，g；
xCa为钢渣中Ca的质量分数，％。该优选方案，更利于
准确地计算一次浸出液的Ca离子浸出率。
其中优选地，S102中，所述一次浸渣和醋酸溶液的质量比为1：10-50，例如1:10、1:20、1:30、1:40、1:50中的任意值以及他们之间的任意值，优选为1:10-30。该优选方案，更利于使得醋酸更多地和钢渣中的非碱性矿物反应。
优选地，醋酸溶液的浓度为0.1-1mol/L，例如0.1、0.2、0.3、0.5、0.7、1mol/L中的任意值以及他们之间的任意值，更优选为0.2-0.6mol/L。
其中优选地，S102中，所述二次浸出反应的条件包括：反应温度为20-30℃，搅拌速率为400-600rpm，反应时间为20-40min。该优选方案，更利于使得醋酸更多地和钢渣中的非碱性矿物反应。
其中优选地，所述二次浸出反应的Ca离子浸出率ηCa,2满足下述式(2)：
Figure BDA0003717570880000031
式中，CCa,2为二次浸出液的Ca离子浓度，mg/L；
mslag为钢渣的质量，g；
xCa为钢渣中Ca的质量分数，％。该优选方案，更利于
准确地计算二次浸出液的Ca离子浸出率。
其中优选地，S2中，所述CO2以0.05-0.2L/min的流量通入。该优选方案，更利于CO2和混合浸出液中的Ca离子充分反应。
其中优选地，S2中，所述碳酸化反应使得混合浸出液的pH<8。
其中优选地，S2中，所述碳酸化反应的Ca离子碳酸化率ξCa满足下述式(3)：
Figure BDA0003717570880000041
式中，CCa,1为一次浸出液的Ca离子浓度，mg/L；
CCa,2为二次浸出液的Ca离子浓度，mg/L；
CCa,3为碳酸化滤液的Ca离子浓度，mg/L。该优选方案，更利于准确地计算浸出液Ca离子的碳酸化率。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
(1)两步法浸出由于预先使用水对钢渣进行浸出反应，使钢渣中的碱性组分(f-CaO、Ca(OH)2)溶解于水中得以保留，因而第一步浸出反应可以获得较高pH的一次浸出液。相较于现有的一步浸出工艺，两步浸出可避免钢渣中的碱性组分直接与醋酸反应被消耗，从而使碱性可贡献于混合浸出液pH的提升，节约了碱的消耗；
(2)两步法由于使钢渣中的碱性组分溶解于第一步浸出反应的水中，避免了其对醋酸的消耗，因而可以使得醋酸更多地和钢渣中的非碱性矿物反应，从而提高了钢渣的Ca离子浸出率。
附图说明
图1为本发明方法的一种具体实施方式的工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。其中，除另有说明外，均以质量计。
实施例1
所使用的钢渣的化学成分如表1所示。将钢渣用破碎机破碎并筛分，取粒径在75-150μm的钢渣用于两步浸出实验。
表1钢渣的化学组成
Figure BDA0003717570880000042
Figure BDA0003717570880000051
方法如图1所示，首先将钢渣加入水中进行第一步浸出反应，渣水比为1:10，反应温度为25℃，使用搅拌桨对渣水料浆进行搅拌，搅拌速率为500rpm，反应时间为30min。
第一步浸出反应结束后将渣水料浆进行过滤，得到高pH的一次浸出液和一次浸渣，使用pH计测一次浸出液的pH。
其次，将一次浸渣与0.25mol/L醋酸溶液进行第二步浸出反应，渣液比为1:10，反应温度为25℃，使用搅拌桨对渣液料浆进行搅拌，搅拌速率为500rpm，反应时间为30min。
第二步浸出反应结束后将渣液料浆进行过滤，得到高Ca离子浓度的二次浸出液和二次浸渣。使用pH计测二次浸出液的pH。
随后，将高pH的一次浸出液和高Ca离子浓度的二次浸出液混合均匀，使用pH计测混合浸出液的pH。
最后，将CO2以0.1L/min的流量通入混合浸出液中进行碳酸化反应，使用pH计在线测量混合浸出液的pH，当pH<8时，反应结束。
碳酸化反应结束后将反应料浆过滤得到白色的碳酸钙沉淀和碳酸化滤液，白色沉淀的产生证明了碳酸化反应可以进行。两步法混合浸出液的pH为11.74，而相同实验条件下的一步法浸出液的pH为9.51，即两步法浸出可以保留钢渣碱性使其贡献于碳酸化沉淀反应。同时，两步法的Ca离子浸出率为16.17％，而相同实验条件下的一步法的Ca离子浸出率为13.54％，即两步法在保留钢渣碱性的同时也减少了碱性矿物对第二步浸出反应中酸的消耗，使得节约的酸可以参与到其他非碱性矿物的浸出反应中，提高了反应的浸出率。在本实施例中，一次浸出液的pH为12.5，若使用传统的一步法浸出，配制1LpH为12.5的碱溶液需要1.26g NaOH。按此计算，若处理1t钢渣，可节省12.6kg NaOH，因此，该发明可以大大节省钢渣间接碳酸化工艺中碱的消耗，对于更好地发挥钢渣在间接碳酸化工艺中的作用具有积极意义。
实施例2
所使用的钢渣的化学成分如表1所示。将钢渣用破碎机破碎并筛分，取粒径在75-150μm的钢渣用于两步浸出实验。
表1钢渣的化学组成
Figure BDA0003717570880000061
方法如图1所示，首先将钢渣加入水中进行第一步浸出反应，渣水比为1:10，反应温度为25℃，使用搅拌桨对渣水料浆进行搅拌，搅拌速率为500rpm，反应时间为30min。
第一步浸出反应结束后将渣水料浆进行过滤，得到高pH的一次浸出液和一次浸渣，使用pH计测一次浸出液的pH。
其次，将一次浸渣与0.5mol/L醋酸溶液进行第二步浸出反应，渣液比为1:10，反应温度为25℃，使用搅拌桨对渣液料浆进行搅拌，搅拌速率为500rpm，反应时间为30min。
第二步浸出反应结束后将渣液料浆进行过滤，得到高Ca离子浓度的二次浸出液和二次浸渣。使用pH计测二次浸出液的pH。
随后，将高pH的一次浸出液和高Ca离子浓度的二次浸出液混合均匀，使用pH计测混合浸出液的pH。
最后，将CO2以0.1L/min的流量通入混合浸出液中进行碳酸化反应，使用pH计在线测量混合浸出液的pH，当pH<8时，反应结束。
碳酸化反应结束后将反应料浆过滤得到白色的碳酸钙沉淀和碳酸化滤液，白色沉淀的产生证明了碳酸化反应可以进行。两步法混合浸出液的pH为10.6，而相同实验条件下的一步法浸出液的pH为7.14，即两步法浸出可以保留钢渣碱性使其贡献于碳酸化沉淀反应。同时，两步法的Ca离子浸出率为28.19％，而相同实验条件下的一步法的Ca离子浸出率为26.33％，即两步法在保留钢渣碱性的同时也减少了碱性矿物对第二步浸出反应中酸的消耗，使得节约的酸可以参与到其他非碱性矿物的浸出反应中，提高了反应的浸出率。在本实施例中，一次浸出液的pH为12.5，若使用传统的一步法浸出，配制1LpH为12.5的碱溶液需要1.26g NaOH。按此计算，若处理1t钢渣，可节省25.2kg NaOH。
实施例3
所使用的钢渣的化学成分如表1所示。将钢渣用破碎机破碎并筛分，取粒径在38-75μm的钢渣用于两步浸出实验。
表1钢渣的化学组成
Figure BDA0003717570880000071
方法如图1所示，首先将钢渣加入水中进行第一步浸出反应，渣水比为1:10，反应温度为25℃，使用搅拌桨对渣水料浆进行搅拌，搅拌速率为500rpm，反应时间为30min。
第一步浸出反应结束后将渣水料浆进行过滤，得到高pH的一次浸出液和一次浸渣，使用pH计测一次浸出液的pH。
其次，将一次浸渣与0.25mol/L醋酸溶液进行第二步浸出反应，渣液比为1:10，反应温度为25℃，使用搅拌桨对渣液料浆进行搅拌，搅拌速率为500rpm，反应时间为30min。
第二步浸出反应结束后将渣液料浆进行过滤，得到高Ca离子浓度的二次浸出液和二次浸渣。使用pH计测二次浸出液的pH。
随后，将高pH的一次浸出液和高Ca离子浓度的二次浸出液混合均匀，使用pH计测混合浸出液的pH。
最后，将CO2以0.1L/min的流量通入混合浸出液中进行碳酸化反应，使用pH计在线测量混合浸出液的pH，当pH<8时，反应结束。
碳酸化反应结束后将反应料浆过滤得到白色的碳酸钙沉淀和碳酸化滤液，白色沉淀的产生证明了碳酸化反应可以进行。两步法混合浸出液的pH为12.21，而相同实验条件下的一步法浸出液的pH为11.96，即两步法浸出可以保留钢渣碱性使其贡献于碳酸化沉淀反应。同时，两步法的Ca离子浸出率为17.3％，而相同实验条件下的一步法的Ca离子浸出率为16.47％，即两步法在保留钢渣碱性的同时也减少了碱性矿物对第二步浸出反应中酸的消耗，使得节约的酸可以参与到其他非碱性矿物的浸出反应中，提高了反应的浸出率。在本实施例中，一次浸出液的pH为12.74，若使用传统的一步法浸出，配制1LpH为12.74的碱溶液需要2.2g NaOH。按此计算，若处理1t钢渣，可节省22kg NaOH。
实施例4
所使用的钢渣的化学成分如表1所示。将钢渣用破碎机破碎并筛分，取粒径在38-75μm的钢渣用于两步浸出实验。
表1钢渣的化学组成
Figure BDA0003717570880000081
方法如图1所示，首先将钢渣加入水中进行第一步浸出反应，渣水比为1:20，反应温度为25℃，使用搅拌桨对渣水料浆进行搅拌，搅拌速率为500rpm，反应时间为30min。
第一步浸出反应结束后将渣水料浆进行过滤，得到高pH的一次浸出液和一次浸渣，使用pH计测一次浸出液的pH。
其次，将一次浸渣与0.25mol/L醋酸溶液进行第二步浸出反应，渣液比为1:20，反应温度为25℃，使用搅拌桨对渣液料浆进行搅拌，搅拌速率为500rpm，反应时间为30min。
第二步浸出反应结束后将渣液料浆进行过滤，得到高Ca离子浓度的二次浸出液和二次浸渣。使用pH计测二次浸出液的pH。
随后，将高pH的一次浸出液和高Ca离子浓度的二次浸出液混合均匀，使用pH计测混合浸出液的pH。
最后，将CO2以0.1L/min的流量通入混合浸出液中进行碳酸化反应，使用pH计在线测量混合浸出液的pH，当pH<8时，反应结束。
碳酸化反应结束后将反应料浆过滤得到白色的碳酸钙沉淀和碳酸化滤液，白色沉淀的产生证明了碳酸化反应可以进行。两步法混合浸出液的pH为11.8，而相同实验条件下的一步法浸出液的pH为9.29，即两步法浸出可以保留钢渣碱性使其贡献于碳酸化沉淀反应。同时，两步法的Ca离子浸出率为30.46％，而相同实验条件下的一步法的Ca离子浸出率为28.76％，即两步法在保留钢渣碱性的同时也减少了碱性矿物对第二步浸出反应中酸的消耗，使得节约的酸可以参与到其他非碱性矿物的浸出反应中，提高了反应的浸出率。在本实施例中，一次浸出液的pH为12.5，若使用传统的一步法浸出，配制1LpH为12.5的碱溶液需要1.26gNaOH。按此计算，若处理1t钢渣，可节省25.2kgNaOH。
实施例5
按照实施例1的方法进行，不同的是，第一步浸出反应的渣水比为1:50，第二步浸出反应的渣液比为1:50。
在本实施例中，一次浸出液的pH为10.97，若使用传统的一步法浸出，配制1LpH为10.97的碱溶液需要0.037gNaOH。按此计算，若处理1t钢渣，可节省1.87kgNaOH。然而，此实验条件下混合浸出液pH仅为5.19，比二次浸出液的pH只高了0.1个单位。在这样的pH条件下是无法进行碳酸化反应的，由此可见，过高的液固比会弱化两步法浸出对钢渣碱性的保留作用，对碳酸化反应的产生不利的影响。
实施例6
按照实施例3的方法进行，不同的是，第二步浸出反应中醋酸溶液的浓度为1mol/L。
在本实施例中，一次浸出液的pH为12.74，若使用传统的一步法浸出，配制1LpH为12.74的碱溶液需要2.2gNaOH。按此计算，若处理1t钢渣，可节省22kgNaOH。然而，此实验条件下混合浸出液pH仅为7.64，比二次浸出液的pH只高了1.74个单位。在这样的pH条件下是无法进行碳酸化反应的，由此可见，过高的醋酸浓度会抵消两步法浸出对钢渣碱性的保留作用，对碳酸化反应的产生不利的影响。

Claims (10)

1.一种利用钢渣碱性节约间接碳酸化工艺碱消耗的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用两步法的方式对钢渣进行浸出反应：
S101、使用水和钢渣进行一次浸出反应，以使得钢渣中的含钙的碱性组分溶解于水中，过滤得到一次浸出液和一次浸渣；
S102、使用醋酸溶液和所述一次浸渣混合进行二次浸出反应，过滤得到二次浸出液；
S2、随后将一次浸出液和二次浸出液混合，并向所得的混合浸出液中通入CO2进行碳酸化反应。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S101中，钢渣和水的质量比为1：10-50；和/或，所述钢渣的粒径为38-150μm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S101中，所述一次浸出反应的条件包括：反应温度为20-30℃，搅拌速率为400-600rpm，反应时间为20-40min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一次浸出反应的Ca离子浸出率ηCa,1满足下述式(1)：
Figure FDA0003717570870000011
式中，
CCa,1为一次浸出液的Ca离子浓度，mg/L；
V为一次浸出液的体积，L；
mslag为所用钢渣的质量，g；
xCa为钢渣中Ca的质量分数，％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S102中，所述一次浸渣和醋酸溶液的质量比为1：10-50，醋酸溶液的浓度为0.1-1mol/L。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S102中，所述二次浸出反应的条件包括：反应温度为20-30℃，搅拌速率为400-600rpm，反应时间为20-40min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二次浸出反应的Ca离子浸出率ηCa,2满足下述式(2)：
Figure FDA0003717570870000021
式中，CCa,2为二次浸出液的Ca离子浓度，mg/L；
mslag为钢渣的质量，g；
xCa为钢渣中Ca的质量分数，％。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，所述CO2以0.05-0.2L/min的流量通入。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，所述碳酸化反应使得混合浸出液的pH<8。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，S2中，所述碳酸化反应的Ca离子碳酸化率ξCa满足下述式(3)：
Figure FDA0003717570870000022
式中，CCa,1为一次浸出液的Ca离子浓度，mg/L；
CCa,2为二次浸出液的Ca离子浓度，mg/L；
CCa,3为碳酸化滤液的Ca离子浓度，mg/L。
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