一種用于氨介質(zhì)體系強(qiáng)化鈣基固廢礦化固定二氧化碳的反應(yīng)器及使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于廢棄物資源化利用、溫室氣體CO2減排與資源化利用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于氨介質(zhì)體系強(qiáng)化鈣基固廢礦化固定二氧化碳的反應(yīng)器及使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]溫室氣體CO2排放引起的全球氣候變化已經(jīng)成為全世界共同關(guān)心的重大問題。國內(nèi)外正在廣泛開展CO2大規(guī)模處置技術(shù)的研發(fā)與工業(yè)試驗(yàn)。地質(zhì)封存、海洋封存和礦化固定是CO2大規(guī)模處置的主要方式。CO2礦化固定不僅被看成是一種實(shí)現(xiàn)CO2得到穩(wěn)定封存的有效方式，也是實(shí)現(xiàn)CO2大規(guī)模資源化利用的有效途徑。相比于天然鎂基礦物，利用含鈣的大宗工業(yè)固體廢棄物礦化固定CO2具有原料固碳能力強(qiáng)、反應(yīng)活性高、不需要原料運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。采用鈣基固廢通過礦物碳酸化反應(yīng)固定CO2,已成為國內(nèi)外研究熱點(diǎn)，同時(shí)也在開展大規(guī)模CO2礦化固定的技術(shù)研發(fā)與工業(yè)試驗(yàn)。
[0003]工業(yè)石膏是化工、電力及鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生的主要鈣基固體廢棄物，主要包括化肥行業(yè)濕法磷酸生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量工業(yè)廢渣磷石膏，氟化工行業(yè)產(chǎn)生的含氟石膏以及電力行業(yè)脫硫過程產(chǎn)生的脫硫石膏，以及鋼鐵行業(yè)鐵水脫硫過程產(chǎn)生的廢渣。工業(yè)石膏主要成份為二水硫酸鈣或無水硫酸鈣，以及其他含鋁硅鐵礦物等雜質(zhì)。工業(yè)石膏傳統(tǒng)的綜合利用途徑有:用于建材行業(yè)，包括水泥緩(調(diào))凝劑、石膏建材制品(如建筑石膏粉、紙面石膏板、外墻石膏大板，纖維石膏板)、礦坑填充劑和道路路基材料；用作土壤改良劑；用作制硫酸聯(lián)產(chǎn)水泥或混合材料；用于硫酸按的制備。其中，最具有工業(yè)化前景的利用方式是利用工業(yè)石膏來進(jìn)行碳酸化反應(yīng)固定CO2，減少溫室氣體排放，同時(shí)生成硫酸銨用作肥料，可以有效回收利用工業(yè)石膏中的硫資源。
[0004]工業(yè)鈣基固廢石膏在常規(guī)反應(yīng)體系中很難直接與CO2發(fā)生反應(yīng)，而在氨介質(zhì)體系中工業(yè)鈣基固廢可與CO2發(fā)生反應(yīng)生成銨鹽和碳酸鈣。反應(yīng)可以表示為如下方程:
[0005]氨介質(zhì)+鈣基固廢+CO2 —銨鹽+碳酸鈣
[0006]其中鈣基固廢可以是工業(yè)磷石膏、氟石膏、脫硫石膏、鐵水脫硫渣中的一種或幾種，含氨介質(zhì)可以是氣氨、液氨、碳酸氫銨、碳酸銨中的一種或幾種。
[0007]上述反應(yīng)為氣液固三相反應(yīng)，如果采用較低的反應(yīng)溫度(<60°C)和0)2分壓(〈lbar)，以及較高的液固比，存在鈣基固廢中硫酸鈣的轉(zhuǎn)化率低，反應(yīng)時(shí)間長，CO2利用率低，而且需要后續(xù)硫酸中和，使得硫酸及氨消耗高，并且所得硫酸銨母液濃度較低，需要較高的硫酸氨母液蒸發(fā)能耗等問題。經(jīng)研究表明，采用較高的溫度(60°C -200°C)、較高的壓力(lbar-20bar)、預(yù)碳化和閃蒸操作條件，就能有效解決工業(yè)石膏等鈣基固廢中含鈣組分碳酸化過程轉(zhuǎn)化率低、CO2利用率低、氨介質(zhì)及硫酸消耗量大、硫酸銨母液蒸發(fā)過程能耗高等問題。目前，已經(jīng)在CN103145148A專利中提出了上述的強(qiáng)化鈣基固廢礦化固定二氧化碳的方法，但此鈣基固廢礦化固定二氧化碳的反應(yīng)體系呈現(xiàn)出高固液比、高CO2分壓、高CO2過量系數(shù)等特征。實(shí)現(xiàn)大宗鈣基固廢礦化固定二氧化碳過程工業(yè)放大連續(xù)操作，需要選擇或優(yōu)化設(shè)計(jì)合適的反應(yīng)器。
[0008]氨介質(zhì)體系鈣基固廢礦化固定CO2所采用常規(guī)的反應(yīng)器主要有攪拌釜式反應(yīng)器以及無機(jī)械攪拌的鼓泡塔反應(yīng)器。攪拌釜式反應(yīng)器存在動(dòng)力消耗大以及反應(yīng)器放大和優(yōu)化的難題，同時(shí)當(dāng)攪拌釜式反應(yīng)器用作高壓時(shí)存在反復(fù)間歇操作易出現(xiàn)密封不嚴(yán)的問題，由此影響工藝的連續(xù)穩(wěn)定操作。無機(jī)械攪拌的鼓泡床反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)簡單，無機(jī)械傳動(dòng)部件、易密封、造價(jià)低、容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)放大等優(yōu)點(diǎn)，但鼓泡塔存在混合和溫度不均，液體流動(dòng)速度慢，固體顆粒易沉積等問題，對于固含量較高的反應(yīng)體系，固體顆粒的沉積現(xiàn)象將更加嚴(yán)重。
[0009]氣升式環(huán)流反應(yīng)器是在鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)加入內(nèi)構(gòu)件導(dǎo)流筒，在反應(yīng)器形成圍繞導(dǎo)流筒的循環(huán)流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)氣、液、固三相均勻混合，且具有較高的相間傳質(zhì)系數(shù)。氣升式環(huán)流反應(yīng)器綜合了鼓泡塔和機(jī)械攪拌釜的優(yōu)良性能，具有結(jié)構(gòu)簡單、無機(jī)械傳動(dòng)部件、易密封、造價(jià)低、容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)放大等優(yōu)點(diǎn)，在石油、化工、電化學(xué)和生物化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前對于氣升式環(huán)流反應(yīng)器用于氨介質(zhì)體系強(qiáng)化鈣基固廢碳酸化轉(zhuǎn)化過程尚未有相關(guān)資料公開。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種適用于氨介質(zhì)體系強(qiáng)化大宗鈣基固廢礦化固定二氧化碳的加壓環(huán)流反應(yīng)器及使用方法。此反應(yīng)器克服了攪拌釜式反應(yīng)器動(dòng)能消耗大、高壓體系密封難度大，以及無機(jī)械攪拌的鼓泡塔反應(yīng)器內(nèi)固體物料容易沉積等缺點(diǎn)。此反應(yīng)器采用氣動(dòng)攪拌代替機(jī)械攪拌，能耗低，同時(shí)易加工、清洗、維護(hù)和操作簡單，特別適用于氨介質(zhì)體系強(qiáng)化鈣基固廢礦化固定二氧化碳工藝過程具有高壓氣體和高固含量特征，易于工業(yè)放大。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0012]一種氨介質(zhì)體系強(qiáng)化鈣基固廢礦化固定二氧化碳的反應(yīng)器，其特征在于，反應(yīng)器為帶氣動(dòng)攪拌的加壓環(huán)流反應(yīng)器(I)。
[0013]此反應(yīng)器特征在于，在加壓環(huán)流反應(yīng)器(I)的中間設(shè)有導(dǎo)流筒(2)，在導(dǎo)流筒(2)的最下端設(shè)有變徑(3)，在加壓環(huán)流反應(yīng)器(I)的底部中心設(shè)有高壓(I?4(^&10 0)2氣體入口(4)，在加壓環(huán)流反應(yīng)器(I)的頂部分別設(shè)有CO2氣體出口(5)和壓力監(jiān)測接口(6)以及液位監(jiān)測接口(7)，在加壓環(huán)流反應(yīng)器(I)的底部還設(shè)有溫度監(jiān)測接口(8)，在加壓環(huán)流反應(yīng)器(I)的側(cè)面靠上方設(shè)有鈣基固廢與氨介質(zhì)混合物料進(jìn)口(9)，在加壓環(huán)流反應(yīng)器(I)的側(cè)面靠下方設(shè)有鈣基固廢礦化CO2產(chǎn)物出口(10)，此外在加壓環(huán)流反應(yīng)器(I)的正上方設(shè)有氣液分離區(qū)(U)。
[0014]優(yōu)選地，所述的加壓環(huán)流反應(yīng)器(I)筒體的高徑比為2:1?10:1。
[0015]優(yōu)選地，所述的加壓環(huán)流反應(yīng)器(I)內(nèi)設(shè)導(dǎo)流筒(2)的高徑比為2:1?20:1。
[0016]優(yōu)選地，所述的加壓環(huán)流反應(yīng)器(I)筒體截面積與導(dǎo)流筒(2)截面積的比值為1:0.2 ?1:0.8。
[0017]優(yōu)選地，所述的加壓環(huán)流反應(yīng)器(I)內(nèi)設(shè)導(dǎo)流筒(2)下端變徑(3)錐角為30度?150度，并且變徑(3)的上下端截面積比值為1:0.3?1:0.8。
[0018]優(yōu)選地，所述的加壓環(huán)流反應(yīng)器(I)，其高壓(I?40bar)CO2氣體入口(4)安裝位置為其頂端與變徑(3)下端平行。
[0019]優(yōu)選地，所述的加壓環(huán)流反應(yīng)器(1)，其混合物料進(jìn)口(9)安裝位置為導(dǎo)流筒(2)最上端往下5?30cm,產(chǎn)物出口( 10)安裝位置為導(dǎo)流筒(2)最下端往上5?30cm。
[0020]優(yōu)選地，所述的加壓環(huán)流反應(yīng)器(1)，其高壓(I?4(^&100)2氣體入口(4)、混合物料進(jìn)口(9)以及產(chǎn)物出口(10)的截面積取決于鈣基固廢與氨介質(zhì)混合物料在加壓環(huán)流反應(yīng)器中的停留時(shí)間，原則上沒有限制。
[0021]所述的帶氣動(dòng)攪拌的加壓環(huán)流反應(yīng)器用于氨介質(zhì)體系強(qiáng)化鈣基固廢礦化固定二氧化碳的方法，其特征在于，將處理后得到的一定粒度鈣基固廢顆粒與一定濃度含氨介質(zhì)的水溶液，經(jīng)攪拌混合均勻，經(jīng)進(jìn)料口(8)連續(xù)打入加壓環(huán)流反應(yīng)器(I)中，在一定溫度下與經(jīng)氣體入口(4)連續(xù)通入具有一定壓力的CO2氣體，進(jìn)行強(qiáng)化碳酸化反應(yīng)，強(qiáng)化碳酸化反應(yīng)后的產(chǎn)物經(jīng)出料口(9)連續(xù)排出并進(jìn)行固液分離，得到鈣基固廢礦化產(chǎn)物，殘余的未反應(yīng)氣體經(jīng)CO2氣體出口(5)排出，經(jīng)氨介質(zhì)吸收后與鈣基固廢顆?；旌暇鶆蚝?，連續(xù)打入加壓環(huán)流反應(yīng)器中進(jìn)行強(qiáng)化碳酸化反應(yīng)。
[0022]優(yōu)選地，所述的鈣基固廢選自工業(yè)磷石膏、氟石膏、脫硫石膏、碳酸按、鐵水脫硫渣中的一種或幾種，所述的含氨介質(zhì)選自氣氨、液氨、碳酸氫銨、碳酸銨中的一種或幾種。
[0023]優(yōu)選地，所述的所采用加壓強(qiáng)化碳酸化反應(yīng)器內(nèi)的反應(yīng)條件為反應(yīng)溫度為60?200°C，反應(yīng)停留時(shí)間為5?60分鐘，CO2氣體分壓為I?40bar，