CN115772041A - 一种利用热电烟气制备固碳石的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用热电烟气制备固碳石的方法，包括以下步骤：a)将固体混合物与增强剂水溶液混合，得到湿混合料；再经压制成型，得到坯体；所述固体混合物按质量百分数包括：钢渣78％～95％；干炉渣4％～12％；电石渣0.1％～5％；石英砂0.5％～10％；粉煤灰0.5％～5％；b)将步骤a)得到的坯体置于碳化釜中，通入脱水处理后的热电烟气，进行碳化养护，干燥后得到固碳石制品。该方法采用特定含量组分的原料配合特定工艺步骤，实现了利用热电烟气制备固碳石；该方法实现碳化以废治废，碳化效果好，从而能够综合利用烟气中二氧化碳和固废，并且成本低，易于制备，固碳减排，同时能源消耗低，制备得到的制品性能良好且稳定，适用于地面石、路沿石、楼梯砖、墙面装饰等建筑用铺贴。
Description
技术领域
本发明涉及固碳建筑材料技术领域，更具体地说，是涉及一种利用热电烟气制备固碳石的方法。
背景技术
随着我国工业化不断发展，大量废气、固废产出。大量工业废气增加温室气体含量，其中热电工厂产生的热电烟气经处理达标后方可排除，其成本高，工艺较繁琐，没有从根本上实现废物利用的目的；此外，工业生产产生的大量固废得不到有效利用，占用大量用地。
中国是粗钢产量大国约占全球总产量50％，每生产1t粗钢不仅会产生0.281t的CO2，还产生10％～15％(质量分数)的钢渣。与发达国家相比，我国钢渣利用率较低，钢渣不能充分利用将占用大量土地，造成资源浪费。钢渣的化学组成和矿物组成复杂多变，矿物主要包括硅酸二钙、铁铝酸钙和镁铁相固溶体，还含有少量的C3S、f-CaO和f-MgO。钢渣的化学组成和矿物组成虽与水泥相似，但C3S含量少，同时含有较多的f-CaO和f-MgO，造成钢渣体积安定性不良，限制了钢渣在建筑工程中的应用。
因此，如何将热电烟气与钢渣结合生产碳矿化制品成为亟待解决的技术问题，但是由于热电烟气含湿度大温度高，不利于钢渣碳化反应的进行，使得碳化技术存在碳化难度高，不易制备的难题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用热电烟气制备固碳石的方法，本发明提供的制备方法实现碳化以废治废，碳化效果好，从而能够综合利用烟气中二氧化碳和固废，并且成本低，易于制备，固碳减排，同时能源消耗低，制备得到的制品性能良好且稳定，适用于地面石、路沿石、楼梯砖、墙面装饰等建筑用铺贴。
本发明提供了一种利用热电烟气制备固碳石的方法，包括以下步骤：
a)将固体混合物与增强剂水溶液混合，得到湿混合料；再经压制成型，得到坯体；所述固体混合物按质量百分数包括：
钢渣78％～95％；
干炉渣4％～12％；
电石渣0.1％～5％；
石英砂0.5％～10％；
粉煤灰0.5％～5％；
b)将步骤a)得到的坯体置于碳化釜中，通入脱水处理后的热电烟气，进行碳化养护，干燥后得到固碳石制品。
优选的，步骤a)中所述增强剂选自氯化钠、果酸、氢氧化钠、碳酸氢钠中的一种或多种。
优选的，步骤a)中所述增强剂水溶液中，增强剂的质量占固体混合物总质量的0.1％～6％，水的质量占固体混合物总质量的8％～15％。
优选的，步骤a)中所述混合的方式为搅拌；所述搅拌的转速为400r/min～500r/min，时间为2min～6min。
优选的，步骤a)中所述压制成型的压力为20MPa～45MPa，保压时间为20s～60s。
优选的，步骤b)中所述脱水处理后的热电烟气由热电厂烟气脱水处理得到；
所述热电厂烟气中CO2的体积浓度为5％～20％，含湿量为5wt％～8wt％。
优选的，步骤b)中所述脱水处理后的热电烟气中CO2的体积浓度为10％～15％，含湿量小于5wt％。
优选的，步骤b)中所述碳化养护采用梯度分段加压的方式：
第一段为常压碳化，时间为5h～7h；第二段为0.01MPa～0.04MPa碳化，时间为15h～20h；第三段为0.02MPa～0.06MPa，时间为15h～20h。
优选的，步骤b)中所述碳化养护的温度为20℃～50℃。
优选的，步骤b)中所述干燥的温度为60℃～70℃，时间为20h～30h。
本发明提供了一种利用热电烟气制备固碳石的方法，包括以下步骤：a)将固体混合物与增强剂水溶液混合，得到湿混合料；再经压制成型，得到坯体；所述固体混合物按质量百分数包括：钢渣78％～95％；干炉渣4％～12％；电石渣0.1％～5％；石英砂0.5％～10％；粉煤灰0.5％～5％；b)将步骤a)得到的坯体置于碳化釜中，通入脱水处理后的热电烟气，进行碳化养护，干燥后得到固碳石制品。与现有技术相比，本发明提供的制备方法采用特定含量组分的原料配合特定工艺步骤，实现整体较好相互作用，实现了利用热电烟气制备固碳石；本发明提供的制备方法实现碳化以废治废，碳化效果好，从而能够综合利用烟气中二氧化碳和固废，并且成本低，易于制备，固碳减排，同时能源消耗低，制备得到的制品性能良好且稳定，适用于地面石、路沿石、楼梯砖、墙面装饰等建筑用铺贴。
同时，本发明提供的制备方法工艺简单，条件温和、易控，且成本低，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明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。
本发明提供了一种利用热电烟气制备固碳石的方法，包括以下步骤：
a)将固体混合物与增强剂水溶液混合，得到湿混合料；再经压制成型，得到坯体；所述固体混合物按质量百分数包括：
钢渣78％～95％；
干炉渣4％～12％；
电石渣0.1％～5％；
石英砂0.5％～10％；
粉煤灰0.5％～5％；
b)将步骤a)得到的坯体置于碳化釜中，通入脱水处理后的热电烟气，进行碳化养护，干燥后得到固碳石制品。
本发明首先将固体混合物与增强剂水溶液混合，得到湿混合料；再经压制成型，得到坯体。
在本发明中，所述固体混合物按质量百分数包括：
钢渣78％～95％；
干炉渣4％～12％；
电石渣0.1％～5％；
石英砂0.5％～10％；
粉煤灰0.5％～5％；
优选由以下组分组成：
钢渣80％～90％；
干炉渣5％～10％；
电石渣0.2％～3％；
石英砂0.9％～5％；
粉煤灰0.9％～2.5％。
在本发明中，所述钢渣优选采用本领域技术人员熟知的转炉渣、电炉渣、平炉渣中的一种或多种；本发明对所述钢渣及干炉渣、电石渣、石英砂、粉煤灰的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的固废及原料来源即可。
在本发明中，所述钢渣及干炉渣、电石渣、石英砂、粉煤灰使用前，优选还包括：
进行粉磨后过50目～300目方孔筛。
本发明对所述固体混合物的制备方法没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的将各原料、固废混合均匀的技术方案即可。
在本发明中，所述增强剂优选选自氯化钠、果酸、氢氧化钠、碳酸氢钠中的一种或多种，更优选为氢氧化钠和碳酸氢钠两种，或，氯化钠和氢氧化钠两种，或，氯化钠、果酸和氢氧化钠三种，或，碳酸氢钠、果酸和氢氧化钠三种。本发明对所述增强剂的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。
在本发明中，所述增强剂水溶液中，增强剂的质量优选占固体混合物总质量的0.1％～6％，更优选为1.5％～2％，水的质量优选占固体混合物总质量的8％～15％，更优选为9％～10％。
在本发明中，所述混合的方式优选为搅拌，采用本领域技术人员熟知的混料机即可；所述搅拌的转速优选为400r/min～500r/min，更优选为450r/min，时间优选为2min～6min，更优选为3min～4min。
在本发明中，所述压制成型的压力优选为20MPa～45MPa，更优选为25MPa～30MPa，保压时间优选为20s～60s，更优选为30s～35s；采用本领域技术人员熟知的压机干压成型即可；压制成型后坯体厚度优选为10mm～50mm。
得到所述坯体后，本发明将得到的坯体置于碳化釜中，通入脱水处理后的热电烟气，进行碳化养护，干燥后得到固碳石制品。
在本发明中，所述脱水处理后的热电烟气优选由热电厂烟气脱水处理得到。在本发明中，所述热电厂烟气中CO2的体积浓度优选为5％～20％，含湿量优选为5wt％～8wt％；此外，其还含有N2、O2及少量的NOx、SO2等。
在本发明中，所述脱水处理的过程优选具体为：
采用先用常温循环水换热，烟气初始温度60℃～70℃经常温循环水换热后温度降至30℃～40℃，换热后再用制冷机组进行进一步降温，在输送过程随着温度的降低，烟气温度降至20℃～30℃。本发明通入热电烟气经过前端除湿、降温处理，优化碳化的烟气条件，能够达到更好碳化效果。
在本发明中，所述脱水处理后的热电烟气中CO2的体积浓度优选为10％～15％，含湿量优选小于5wt％。
在本发明中，所述碳化养护优选采用梯度分段加压的方式：
第一段为常压碳化，时间为5h～7h；第二段为0.01MPa～0.04MPa碳化，时间为15h～20h；第三段为0.02MPa～0.06MPa，时间为15h～20h；
更优选为：
第一段为常压碳化，时间为5h～7h；第二段为0.02MPa碳化，时间为15h～20h；第三段为0.04MPa，时间为15h～20h。
在本发明中，所述碳化养护的温度优选为20℃～50℃。
在本发明中，所述干燥的温度优选为60℃～70℃，更优选为62℃～66℃，时间优选为20h～30h，更优选为23h～25h。
本发明综合利用热电排空烟气与参入固废的钢渣基发生碳化反应，得到制品有较高的强度，实现以废治废，有效减缓了二氧化碳排放和固废资源利用率低的问题；本发明提供的方法成本低，操作简单，其制品用途适用于地面石、路沿石、楼梯砖、墙面装饰等建筑用铺贴。
本发明涉及的机理：
钢渣中含量最高的矿物包括硅酸二钙(β-C2S、γ-C2S)、白硅钙石(Ca7Mg(SiO4)4)、镁硅钙石(Ca3Mg(SiO4)2)、黑钙铁矿(Ca2Fe2O5)、铁铝酸钙(Ca4Al2Fe2O10)、硅酸三钙(C3S)和氢氧化钙(Ca(OH)2)等。钢渣的碳酸化反应实际上是钢渣中的各种碱性矿物与CO2的反应。碳酸化反应主要分为三步：(1)CO2的溶解与电离；(2)钢渣矿物中钙、镁等离子的溶出；(3)碳酸钙或者碳酸镁的沉淀析出。在镁离子和钙离子同时存在时，产物中除碳酸钙和碳酸镁外，也会形成部分镁质方解石。钢渣与CO2反应生成碳酸钙和二氧化硅凝胶，在24h～72h内提供优异的力学性能。碳化反应方程式：
CO2+H2O＝H2CO3＝H++HCO3 - (1)；
Ca2++CO3 2-＝CaCO3 (2)；
Mg2++CO3 2-＝MgCO3 (3)。
与现有技术相对比，本发明具有以下有益效果：
(1)干炉渣、电石渣、粉煤灰等固废作为骨料，减小颗粒间粒径，排出空隙中空气，干炉渣有一定吸水效果，在碳化过程中为CO2的溶解电离提供场所，增强碳化效果。
(2)利用工业废料钢渣、炉渣和粉煤灰等复配料制备高性能碳化制品，解决了钢渣占地、利用率低的问题；通过加入辅料和增强剂，提高碳化制品的抗压强度碳化程度，通入烟气碳化24h～72h后抗压强度最高可达到118MPa，抗折断裂模数最高可达到17MPa。
(3)本发明利用处理后烟气，特定的烟气条件为制备固碳石提供工艺方法；通入热电烟气经过前端除湿、降温处理，优化碳化的烟气条件，达到更好碳化效果。
(4)固废和废气碳化制成有一定强度的建筑制品，有效解决固废利用和温室气体CO2排放，实现了以废治废，并产生经济效益。
(5)本发明碳化养护采用梯度加压的方法，相比直接加压碳化，减少耗能，节约成本；通过多段不同压力碳化制度，可大大提高制品硬度，碳化强度更高，本专利养护方式为工业化提供可行性。
(6)本发明碳化养护气体为热电脱硫后烟气，为减少CO2排放提供一种封存的技术。
综上，本发明利用热电烟气对可碳化钢渣基原料进行碳化反应获得建筑制品，实现以废治废；制品成本低，易于制备，固碳减排，同时能源消耗低；其制品用途适用于地面石、路沿石、楼梯砖、墙面装饰等建筑用铺贴。
本发明提供了一种利用热电烟气制备固碳石的方法，包括以下步骤：a)将固体混合物与增强剂水溶液混合，得到湿混合料；再经压制成型，得到坯体；所述固体混合物按质量百分数包括：钢渣78％～95％；干炉渣4％～12％；电石渣0.1％～5％；石英砂0.5％～10％；粉煤灰0.5％～5％；b)将步骤a)得到的坯体置于碳化釜中，通入脱水处理后的热电烟气，进行碳化养护，干燥后得到固碳石制品。与现有技术相比，本发明提供的制备方法采用特定含量组分的原料配合特定工艺步骤，实现整体较好相互作用，实现了利用热电烟气制备固碳石；本发明提供的制备方法实现碳化以废治废，碳化效果好，从而能够综合利用烟气中二氧化碳和固废，并且成本低，易于制备，固碳减排，同时能源消耗低，制备得到的制品性能良好且稳定，适用于地面石、路沿石、楼梯砖、墙面装饰等建筑用铺贴。
同时，本发明提供的制备方法工艺简单，条件温和、易控，且成本低，具有广阔的应用前景。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1
(1)制备干混料：取以下质量原料3600g钢渣、352g干炉渣、8g电石渣、40g石英砂、40g粉煤灰(固体原料均粉磨后过200目方孔筛)于倾斜式强力混合机，在450r/min转速下搅拌4min，得到固体混合物。
(2)制备增强剂水溶液：将50g氢氧化钠、17g碳酸氢钠与373g水混合均匀，得到增强剂水溶液。
(3)湿混合料制备：将步骤(1)得到的固体混合物与步骤(2)得到的增强剂水溶液放入倾斜式强力混料机混合，搅拌转速450r/min，时间4min，得到湿混合料。
(4)成型：将步骤(3)得到的湿混合料压制成型，压力为25MPa，保压30s，得到坯体。
(5)烟气处理：通入热电厂烟气，其烟气含N2：73％～77％、O2：8％～10％、CO2：8％～12％、NOx：20ppm～60ppm、SO2：30ppm～120ppmm、含湿5％～8％；反应釜内先经过前端脱水处理：采用先用常温循环水换热，烟气初始温度65℃经常温循环水换热后温度降至35℃，换热后再用制冷机组进行进一步降温，在输送过程随着温度的降低，烟气温度降至25℃，脱水后烟气含湿4.5％。
(6)碳化养护：将步骤(4)得到的坯体放入碳化釜通入热电烟气，烟气CO2浓度10％～15％，烟气碳化梯度压力：常压碳化6h+0.02MPa碳化18h+0.04MPa碳化18h；碳化烟气含湿4.5％、温度25℃；碳化后取出样品，放进干燥箱，干燥温度65℃，干燥时间24h，即得到碳化建筑制品。
实施例2
(1)制备干混料：取以下质量原料3400g钢渣、200g干炉渣、120g电石渣、200g石英砂、80g粉煤灰(固体原料均粉磨后过200目方孔筛)于倾斜式强力混合机，在450r/min转速下搅拌4min，得到固体混合物。
(2)制备增强剂水溶液：将50g氯化钠、17g氢氧化钠与373g水混合均匀，得到增强剂水溶液。
(3)～(6)同实施例1，得到碳化建筑制品。
实施例3
(1)制备干混料：取以下质量原料3520g钢渣、320g干炉渣，20g电石渣、120g石英砂、20g粉煤灰(固体原料均粉磨后过200目方孔筛)于倾斜式强力混合机，在450r/min转速下搅拌4min，得到固体混合物。
(2)制备增强剂水溶液：将10g氯化钠、23g果酸、34氢氧化钠与373g水混合均匀，得到增强剂水溶液。
(3)～(6)同实施例1，得到碳化建筑制品。
实施例4
(1)制备干混料：取以下质量原料3200g钢渣、400g干炉渣，100g电石渣、200g石英砂、100g粉煤灰(固体原料均粉磨后过200目方孔筛)于倾斜式强力混合机，在450r/min转速下搅拌4min，得到固体混合物。
(2)制备增强剂水溶液：将10g碳酸氢钠、20g果酸、37g氢氧化钠与373g水混合均匀，得到增强剂水溶液。
(3)～(6)同实施例1，得到碳化建筑制品。
对比例1
(1)制备干混料：取以下质量原料3800g钢渣、200g干炉渣(固体原料均粉磨后过200目方孔筛)于倾斜式强力混合机，在450r/min转速下搅拌4min，得到固体混合物。
(2)制备增强剂水溶液：将67g氢氧化钠与373g水混合均匀，得到增强剂水溶液。
(3)～(6)同实施例1，得到碳化建筑制品。
性能测试：按照国标GB/T 19766-2016《天然大理石建筑板材试验方法》对实施例1～4和对比例1制备的标准试板进行测试，结果如表1所示。
表1性能测试数据
| 密度(kg/m<sup>3</sup>) | 干燥压缩强度(MPa) | 弯曲强度(MPa) | 耐磨性(1/cm<sup>3</sup>) | |
| 实施例1 | 2200 | 117.1 | 16.2 | 10.33 |
| 实施例2 | 2222 | 115.8 | 15.6 | 10.95 |
| 实施例3 | 2290 | 120.1 | 17.3 | 12.21 |
| 实施例4 | 2301 | 119.2 | 18.1 | 13.19 |
| 对比例1 | 2164 | 110.3 | 14.9 | 9.66 |
由表1可知，实施例1～4制备的标准试板密度在2.2g/cm3～2.3g/cm3，压缩强度均大于115MPa，弯曲强度远超过标准7MPa，均大于15.5MPa，耐磨性均小于1/10cm3；不同配方，制品碳化后性能参数略有差异，但从总体来看，制品相比天然大理石有较好的压缩、弯曲强度和耐磨性。
所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种利用热电烟气制备固碳石的方法，包括以下步骤：
a)将固体混合物与增强剂水溶液混合，得到湿混合料；再经压制成型，得到坯体；所述固体混合物按质量百分数包括：
钢渣78％～95％；
干炉渣4％～12％；
电石渣0.1％～5％；
石英砂0.5％～10％；
粉煤灰0.5％～5％；
b)将步骤a)得到的坯体置于碳化釜中，通入脱水处理后的热电烟气，进行碳化养护，干燥后得到固碳石制品。
2.根据权利要求1所述的利用热电烟气制备固碳石的方法，其特征在于，步骤a)中所述增强剂选自氯化钠、果酸、氢氧化钠、碳酸氢钠中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的利用热电烟气制备固碳石的方法，其特征在于，步骤a)中所述增强剂水溶液中，增强剂的质量占固体混合物总质量的0.1％～6％，水的质量占固体混合物总质量的8％～15％。
4.根据权利要求1所述的利用热电烟气制备固碳石的方法，其特征在于，步骤a)中所述混合的方式为搅拌；所述搅拌的转速为400r/min～500r/min，时间为2min～6min。
5.根据权利要求1所述的利用热电烟气制备固碳石的方法，其特征在于，步骤a)中所述压制成型的压力为20MPa～45MPa，保压时间为20s～60s。
6.根据权利要求1所述的利用热电烟气制备固碳石的方法，其特征在于，步骤b)中所述脱水处理后的热电烟气由热电厂烟气脱水处理得到；
所述热电厂烟气中CO2的体积浓度为5％～20％，含湿量为5wt％～8wt％。
7.根据权利要求1所述的利用热电烟气制备固碳石的方法，其特征在于，步骤b)中所述脱水处理后的热电烟气中CO2的体积浓度为10％～15％，含湿量小于5wt％。
8.根据权利要求1所述的利用热电烟气制备固碳石的方法，其特征在于，步骤b)中所述碳化养护采用梯度分段加压的方式：
第一段为常压碳化，时间为5h～7h；第二段为0.01MPa～0.04MPa碳化，时间为15h～20h；第三段为0.02MPa～0.06MPa，时间为15h～20h。
9.根据权利要求1所述的利用热电烟气制备固碳石的方法，其特征在于，步骤b)中所述碳化养护的温度为20℃～50℃。
10.根据权利要求1所述的利用热电烟气制备固碳石的方法，其特征在于，步骤b)中所述干燥的温度为60℃～70℃，时间为20h～30h。
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