烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统

技术领域

本申请属于湿法冶金技术、二氧化碳捕集、利用和封存(Carbon Capture,Utilization and Storage)、固废资源化利用领域，具体涉及烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统。

背景技术

常见的烟气中二氧化碳捕集方法，以钙循环法为例，是目前非常有行业前景的二氧化碳捕集的工艺流程，其优点在于既可以作为工厂烟气管道末端的二氧化碳捕集的解决方案，也可以和钢厂、电厂、水泥厂或石灰厂等集成建设；同时回收的CO

CaO+CO

CaCO

目前，基于钙循环原理的CO

发明内容

针对上述现有技术的缺点或不足，本申请要解决的技术问题是提供烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统。

为解决上述技术问题，本申请通过以下技术方案来实现：

本申请提出了烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统，包括：

吸附反应装置，烟气输入所述吸附反应装置中并与内置于所述吸附反应装置中的吸附剂发生吸附反应，并生成第一碳酸盐产品；

热分解装置，所述第一碳酸盐产品经所述热分解装置热分解处理后生成氧化物以及二氧化碳；

工业固废矿化系统，所述氧化物重新返回至所述吸附反应装置中循环反应；循环反应多次后，失活报废的所述氧化物被输送至所述工业固废矿化系统中参与反应；所述二氧化碳被输送至所述工业固废矿化系统中参与反应。

可选地，上述的烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统，其中，所述工业固废矿化系统制备的第二碳酸盐产品可部分循环至所述热分解装置继续进行热分解处理形成新的吸附剂，以补充失活报废的氧化物。

可选地，上述的烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统，其中，还包括：匹配所述吸附反应装置设置的导热水装置，所述导热水装置用于收集所述吸附反应装置的热量。

可选地，上述的烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统，其中，所述导热水装置中的导热水与报废的所述氧化物反应生成氢氧化物，所述氢氧化物以及经所述热分解装置分解产生的二氧化碳参与所述工业固废矿化系统的矿化反应。

可选地，上述的烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统，其中，所述热分解装置的热源采用传统化石燃料、太阳能、风能等可持续能源、核能或者钢渣回收余热。

可选地，上述的烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统，其中，采用传统化石燃料燃烧产生的二氧化碳被收集并输入所述吸附反应装置中参与吸附反应。

可选地，上述的烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统，其中，所述吸附剂包括：第一碳酸盐产品经热分解产生的氧化物、第二碳酸盐产品经热分解产生的氧化物、天然钙基吸附剂、天然镁基吸附剂或碱性工业固废。

可选地，上述的烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统，其中，还包括：脱硫装置，和/或，脱硝装置；所述烟气经所述脱硫装置和/或所述脱硝装置脱硫、脱硝处理后，被输送至所述吸附反应装置中。

可选地，上述的烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统，其中，所述工业固废矿化系统包括：混合反应装置以及固液分离装置，其中，失活报废的所述氧化物以及经所述热分解装置分解产生的二氧化碳被输送至所述混合反应装置中参与反应；所述固液分离装置用于对所述混合反应装置反应的浆料进行固液分离，固液分离所得的未反应的固体颗粒将循环至下一阶段的反应和分离。

可选地，上述的烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统，其中，所述工业固废矿化系统还包括：产物制备装置，基于经所述固液分离装置分离后的清液制备所述第二碳酸盐产品，所述第二碳酸盐产品部分循环至所述热分解装置，经热分解处理以补充失活报废的氧化物。

可选地，上述的烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统，其中，所述第一碳酸盐产品包括：碳酸钙、碳酸镁或碳酸钙镁；和/或，所述第二碳酸盐产品包括：碳酸钙、碳酸镁或碳酸钙镁。

与现有技术相比，本申请具有如下技术效果：

本申请能够将烟气中CO

本申请中的工业固废矿化系统制备的第二碳酸盐产品可部分循环至所述热分解装置中进行再次热分解，以补充失活报废的氧化物，从而形成双循环系统，相比于现有技术具有一定的优越性，该循环工艺能够充分利用现有工业固废中的钙镁元素，实现资源的重复利用；并且双循环工艺可保证反应过程的连续性，提高反应效率，优化二氧化碳捕集和利用的综合成本。

本申请中的导热水装置可吸收吸附反应装置的余热以作为工业固废矿化系统的部分热源，不浪费导热水，节能且经济。

本申请可实现固废和二氧化碳资源化循环利用，能够实现绿色再生，能够控制额外投入的物耗和能耗，几乎不产生二次污染，能够实现碳减排和利用，绿色环保。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1：本申请一实施例烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统的流程图；

图2：本申请另一实施例烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统的流程图；

图3：本申请一实施例中工业固废矿化系统的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，在本申请的其中一个实施例中，烟气中二氧化碳捕集与基于工业固废的二氧化碳矿化耦合系统，包括：

吸附反应装置20，烟气10输入所述吸附反应装置20中并与内置于所述吸附反应装置20中的吸附剂发生吸附反应，并生成第一碳酸盐产品；

热分解装置30，所述第一碳酸盐产品经所述热分解装置30热分解处理后生成氧化物以及二氧化碳；

工业固废矿化系统40，所述氧化物重新返回至所述吸附反应装置20中循环反应；循环反应多次后，失活报废的所述氧化物被输送至所述工业固废矿化系统40中参与反应；所述二氧化碳被输送至所述工业固废矿化系统40中参与反应。

本实施例通过配置上述吸附反应装置20以及热分解装置30，能够将烟气中二氧化碳捕集法与工业固废矿化系统40进行耦合，即实现了二氧化碳的捕集和利用，同时又能生产出高质量的化工产品，同时烟气中二氧化碳捕集的产线也易与所述工业固废矿化系统40的产线进行结合等，工业化程度更高。

可选地，本实施例涉及的工业固废包括但不限于：钢渣、矿石原料或尾矿、其他工业废弃物等，其中，所述矿石原料包括钙镁类矿石；其他工业废物包括：铁渣、粉煤灰、底灰、红泥、建筑垃圾/废旧水泥、尾矿等。

其中，在本实施例中，所述吸附剂可采用第一碳酸盐产品经热分解产生的氧化物、第二碳酸盐产品经热分解产生的氧化物、天然钙基吸附剂、天然镁基吸附剂或碱性工业固废，其中，所述天然钙基吸附剂包括但不限于：石灰石、白云石等。

进一步地，如图2所示，在申请的另一实施例中，所述工业固废矿化系统40制备的第二碳酸盐产品可部分循环至所述热分解装置30继续进行热分解处理，经热分解处理以补充失活报废的氧化物。本实施例是在上述实施例一的基础上增加了另一内循环工艺，该循环工艺能够充分利用现有工业固废中的钙镁元素，实现资源的重复利用；并且双循环工艺可保证反应过程的连续性，提高反应效率，优化二氧化碳捕集和利用的综合成本。

其中，上述涉及的第一碳酸盐产品包括：碳酸钙、碳酸镁或碳酸钙镁；所述第二碳酸盐产品包括：碳酸钙、碳酸镁或碳酸钙镁。

在本实施例中，当所述吸附剂以氧化钙为主时，钙循环法吸收CO

CaO+CO

CaCO

上述CaO和CO

其中，当所述吸附剂以氧化镁为主时，还涉及以下循环反应式：

MgO+CO

MgCO

当所述吸附剂同时含有氧化钙和氧化镁时，则同时具有以上循环反应过程。

其中，上述MgO和CO

进一步可选地，还包括：脱硫装置(图中未示意)，所述烟气10经所述脱硫装置脱硫处理后，被输送至所述吸附反应装置20中。

进一步地，本实施例还包括：脱硝装置(图中未示意)，所述烟气10经所述脱硝装置脱硝处理后，被输送至所述吸附反应装置20中。

进一步优选地，本实施例同时配置脱硫装置和脱硝装置，所述烟气10经所述脱硫装置以及脱硝装置分别处理后，被输送至所述吸附反应装置20中，其中，所述脱硫装置以及所述脱硝装置的先后顺序并不做限定。

所述吸附反应装置20优选地采用吸附塔，进一步优选地，所述吸附反应装置20采用流化床反应器。

其中，所述烟气10将所述脱硫装置和/或所述脱硝装置进入所述吸附反应装置20与CaO进行碳酸化反应生成CaCO

在本实施例中，所述烟气10来自于电厂烟气、钢铁厂高炉、转炉、精炼炉、石灰窑炉烟气、煤化工尾气或石油化工尾气。

所述热分解装置30优选地采用高温煅烧炉，在本实施例中，优选地煅烧温度为400-900℃。所述第一碳酸盐产品于所述高温煅烧炉中进行高温煅烧处理，生成氧化物和CO

其中，上述涉及的具体反应过程以所述第一碳酸盐产品的不同而不同。具体地，当所述第一碳酸盐产品为CaCO

同样地，当所述第一碳酸盐产品为MgCO

同理，当所述第一碳酸盐产品为碳酸钙镁时，所述碳酸钙镁产品于所述高温煅烧炉中进行高温煅烧处理，生成氧化钙镁和CO

天然钙基吸附剂/镁基吸附剂在多次循环之后，其吸收能力会急剧下降。下面以天然钙基吸附剂为例对其原理进行解释说明：CaO碳酸化时首先CO

在本实施例中，所述热分解装置30的热源50可采用传统化石燃料、太阳能、风能等可持续能源、核能或者钢渣回收余热。如若采用钢渣回收余热，则可充分利用所述工业固废矿化系统40的有用资源，更大程度地实现资源化重复利用。

为进一步实现资源化重复利用，并且可以有效地将产生的二氧化碳进行固定，可选地，本实施例采用传统化石燃料燃烧产生的二氧化碳可被收集并输入所述吸附反应装置20中参与吸附反应，其中，所述传统燃料包括但不限于：天然气、煤炭、石油等。

本实施例还包括：匹配所述吸附反应装置20设置的导热水装置(图中未示意)，所述导热水装置用于收集所述吸附反应装置20的热量。由于CaO和CO

进一步优选地，所述导热水装置中的导热水与失活报废的氧化物反应生成氢氧化物，所述氢氧化物以及经所述热分解装置30分解产生的二氧化碳参与所述工业固废矿化系统40的矿化反应。可选地，当所述第一碳酸盐产品为碳酸钙时，所述导热水装置中的导热水与失活报废的氧化钙反应生成氢氧化钙，所述氢氧化钙以及经所述热分解装置30分解产生的二氧化碳参与所述工业固废矿化系统40的矿化反应；可选地，当所述第一碳酸盐产品为碳酸镁时，所述导热水装置中的导热水与失活报废的氧化镁反应生成氢氧化镁，所述氢氧化镁以及经所述热分解装置30分解产生的二氧化碳参与所述工业固废矿化系统40的矿化反应；可选地，当所述第一碳酸盐产品为碳酸钙镁时，所述导热水装置中的导热水与失活报废的氧化钙镁反应生成氢氧化钙镁，所述氢氧化钙镁以及经所述热分解装置30分解产生的二氧化碳参与所述工业固废矿化系统40的矿化反应。

其中，所述第一碳酸盐的具体类型以所述吸附反应装置20的吸附剂的改变而改变，同样地，所述第二碳酸盐的具体类型以所述工业固废矿化系统40中工业固废的成分不同而不同。

如图3所示，所述工业固废矿化系统40包括：混合反应装置41以及固液分离装置42，其中，失活报废的所述氧化物以及经所述热分解装置30分解产生的二氧化碳被输送至所述混合反应装置41中参与反应；所述固液分离装置42用于对所述混合反应装置41反应的浆料进行固液分离，其中，固液分离所得的未反应的固体颗粒将循环至下一阶段的反应和分离。其中，所述工业固废矿化系统40能够充分利用上述失活报废的氧化物以及所述热分解装置30分解产生的二氧化碳以及工业固废等，经过一系列的反应、分离等过程，可获得目标产物-如，碳酸钙、碳酸镁或碳酸钙镁，其中，所述目标产物是基于钢渣中所含有的元素而改变的。

进一步优选地，所述工业固废矿化系统40还包括：产物制备装置43，基于经所述固液分离装置42分离后的清液制备目标产品，其中，上述分离后的清液中含有目标离子-钙离子、镁离子或钙镁离子混合物，所述目标产品为碳酸钙镁、碳酸钙或碳酸镁等。

本实施例还包括：回收水循环装置44，上述分离后的清液生成产品后的回收水经所述回收水循环装置44循环至所述混合反应装置41，其中，所述回收水的循环次数m≥2。

进一步地，所述混合反应装置41中还添加有钢渣、辅助试剂以及水，按照有一定配比连续投入其中并充分混合，充分混合后获得浆料；将二氧化碳在一定压力下连续打入所述混合反应装置41并与所述浆料进行反应，所述混合反应装置41连续排出经过反应的浆料。其中，所述钢渣还可替换为其他工业废弃物，如，铁渣、粉煤灰、底灰、红泥、建筑垃圾/废旧水泥、尾矿等；所述钢渣还可替换为矿石原料或尾矿，所述矿石原料包括钙镁类矿石。

所述辅助试剂包括至少一种有机酸根的酸或者盐或组合物，其中，上述有机酸根的酸包括但不限于：草酸、柠檬酸、吡啶甲酸、葡萄糖酸、谷氨酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸、琥珀酸、磷酸、焦磷酸、抗坏血酸或酞酸。本实施例通过调节二氧化碳的压力、辅助试剂的配比和反应温度，免除了强酸或高腐蚀性酸(硝酸、盐酸、硫酸、氢氟酸)的使用，实现了对目标成分的连续浸取。

将所述混合反应装置41反应后的浆料经所述固液分离装置42经过至少一级固液分离处理，固液分离所得的未反应的固体颗粒将循环用作原料进行下一阶段的反应和分离。

其中，所述固液分离装置42优选地采用两级固液分离，具体地，所述固液分离装置42包括：一级粗分离单元以及二级细分离单元，其中，所述一级粗分离单元用于去除粒径≥5-10μm的固体颗粒，所述二级细分离单元40用于去除粒径≤1-5μm的固体颗粒。通过上述多级分离，针对不同粒径区间的颗粒进行优化的分离方案，保证了分离设备能够稳定、持久地在最佳负荷条件下进行连续固液分离，有效地缩短了整体分离时间的缩短且延长了分离系统连续稳定运行时间，有效避免了单级分离所带来的技术问题。

进一步优选地，所述固液分离装置42在上述两级固液分离的基础上还设置有三级固液分离单元，采用碟片式离心机、板框压滤机或过滤器等进行不间断分离以连续获得含有目标离子的清液。

其中，当经所述三级固液分离单元分离后清液含有较高的铁元素时，通过富集收集氢氧化铁沉淀，从而对上述较高的铁元素进行合理有效地回收和利用。

本申请能够将烟气中CO

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本申请进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，均应涵盖在本申请的权利要求范围内。