一种超临界CO2循环矿化电石渣的处理系统及其在固碳填充料制备中的应用的制作方法

一种超临界co2循环矿化电石渣的处理系统及其在固碳填充料制备中的应用
技术领域
1.本发明属于环保及固废回收利用技术领域，尤其涉及一种超临界co2循环矿化电石渣的处理系统及固碳填充料制备中的应用。


背景技术：

2.在现阶段，气候变化和环境污染已经成为了全球面临的重大挑战之一。减少二氧化碳(co2)的排放并实现固碳已经成为了环保领域内的研究热点之一。其中，超临界co2技术是一种新兴的co2捕集和固碳技术，具有成本低、效率高等优点。目前，可以利用co2的超临界条件来进行矿化反应，将一些固体原料如电石渣、粉煤灰等中的硅酸盐和钙化合物转化为类似天然矿物的固体物质，即填充料，再通过利用添加剂等方式提高填充料的机械强度和稳定性，使得填充料能够广泛应用于煤矿、金属矿山等多个领域。
3.现有技术中，对于利用超临界co2技术进行固碳的方法包括利用电石渣来制备建材，并且通过采用矿化等方法将电石渣进行处理。例如，利用固废中活性钙成分固定二氧化碳，限定可矿化固废与硅铝质固废的质量比，使其具有较高的矿化活性，从而使固废制品在提高固碳率的同时达到一定的抗压强度，且过程中无需额外加热，节约能源。再如，利用工/矿业固废与硝酸铵在反应器中熔盐活化，然后通过水浸处理，将得到的水浸液与二氧化碳反应获得矿化渣，再将co2矿化封存与地质封存技术有机融合，实现矿山开采的升级转型。然而上述方法在预处理和矿化过程中需要使用大量酸或碱，生产过程中会产生二次污染且消耗大量的化工原料，同时存在固废固定co2效率偏低等技术问题。
4.因此，如何提供一种更为环保，且效率高的利用超临界co2技术进行固碳的方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出了一种超临界co2循环矿化电石渣的处理系统及固碳填充料的制备方法及应用。
6.为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
7.一种超临界co2循环矿化电石渣的处理系统，包括依次串联的恒温矿化反应器、co2储罐、液态co2罐和温控器。
8.优选的，所述恒温矿化反应器与所述co2储罐之间设置有压缩机；
9.所述co2储罐与所述液态co2罐之间设置有加压泵一；
10.所述液态co2罐与所述温控器之间设置有加压泵二。
11.更为优选的，所述超临界co2循环矿化电石渣的处理系统的工作原理如下：
12.将co2气体通过压缩机进行压缩，获得加压至3-6mpa的加压气体，通入co2储罐后，再通入加压泵进一步加压至4-7mpa以上，获得液态co2，送入液态co2罐中，然后将液态co2通过加压泵进一步加压至7.39mpa以上，并通过温控器进行加热升温至温度为31.3-40℃，获
得超临界co2气体，最后将超临界co2气体送入恒温矿化反应器中进行反应。
13.有益效果：本发明通过固化co2的过程来降低碳排放，并达到降低温室气体排放的目的。另外，通过超临界co2循环使用，可以减少co2的损失，从而节约co2消耗和提高co2利用效率；也降低co2矿化的成本，从而推进co2减排技术的实际应用和推广。循环使用co2还可以提高co2矿化的效率和反应速率，从而缩短反应时间，降低能源消耗和矿化成本。co2循环使用可以减少co2的排放，降低对环境的影响，增强co2减排技术的环保效益和可持续性。
14.一种超临界co2循环矿化电石渣的处理系统在煤基固废矿化co2制备固碳填充料中的应用。
15.有益效果：本发明通过固化co2的过程来降低碳排放，并达到降低温室气体排放的目的。通过采用超临界co2与电石渣及粉煤灰中化学成分反应，提高反应速率和转化率，并提高材料的硬度和化学稳定性。在制造过程中，通过添加合适添加剂，改善填充料的性能和功能。
16.本发明采用超临界co2气体取代传统常压或是加压co2对电石渣和粉煤灰进行矿化制备填充料有以下几点优势：
17.(1)超临界co2对阳离子的溶解度高，能更好深入到固液相中，反应速度更快，大大缩短了反应时间，矿化效率更高，减少处理时间和成本；
18.(2)采用超临界co2可以在高温和高压下运行，从而为矿化过程提供更宽泛的反应条件；
19.(3)超临界co2可以实现更高的碳化深度和更彻底的反应，从而产生更坚固和更耐用的最终产品；超临界co2会减少矿化过程所需的能源，从而降低成本并提高效率；
20.(4)超临界co2工艺还可以适应不同类型的工业废物，包括飞灰、底灰和高炉矿渣矿化要求；
21.(5)使用超临界co2与废弃物进行矿化反应，减少了传统工艺中使用的化学药剂和高温高压条件的需要，降低了工艺的能量消耗和环境污染；
22.(6)超临界co2工艺可以提高工业副产品的反应性，从而在生产过程中使用更少的材料。
23.一种煤基固废矿化co2制备固碳填充料的方法，利用上述一种超临界co2循环矿化电石渣的处理系统，具体包括以下步骤：
24.(1)电石渣预处理：将电石渣破碎后，与粉煤灰混合进行碾磨，得到混合粉体，然后将所述混合粉体与水混合后置于所述恒温矿化反应器中，在超临界co2下进行反应，得到矿化物料；
25.(2)将炉渣破碎后进行磁选处理，再经碾磨后，与脱硫石膏粉体进行预混合，得到炉渣混合物料；
26.(3)将煤矸石破碎后进行碾磨，得到煤矸石粉体；
27.(4)将所述矿化物料、炉渣混合物料、煤矸石粉体、水和添加剂进行搅拌混合，得到所述固碳填充料。
28.有益效果：本发明采用co2协同矿化技术来减少对环境的污染，同时可以增加产品的使用性能，不仅可以解决co2排放的问题，还可以通过协同矿化把电石渣、粉煤灰转化为一种新型的填充料，为矿山修复提供高效节能、环保的材料。本发明利用电石渣、粉煤灰和
co2协同矿化制备填充料，为绿色环保的矿山修复材料制备方式提供了一种全新的解决方案，可以有效解决传统矿山修复材料制备过程中存在的能源浪费、对环境造成的污染等问题。此外，协同矿化制备填充料的过程中，可以将废弃的电石渣和粉煤灰协同矿化，从而实现废物转化利用，彰显了节能环保的理念。这一新型的填充料不仅有着良好的力学性能、高度的耐久性和透气性能，是未来填充料领域的一项有前景的技术。
29.优选的，步骤(1)中所述破碎为三级破碎，具体为先破碎至粒径小于100mm的物料，再破碎至粒径小于10mm的物料，最后破碎至粒径为2-5mm的颗粒料。
30.所述碾磨为碾磨至粒径为100-800目。
31.所述电石渣、粉煤灰的质量比为5:2。
32.所述混合粉体与水的质量比为9:1。
33.所述反应温度为35-75℃，压力为8-20mpa，时间为50min。
34.更为优选的，根据需要，在恒温矿化反应器中添加合适量的氧化药剂以提供高矿化反应的速度和效率，可以采用氧气、臭氧或过氧化氢中的一种。其中，空气的添加量在0.5至2.0％之间；过氧化氢的添加量为0.2至1.0％之间；臭氧的添加量低于0.05％。
35.有益效果：上述电石渣处理过程能够获得比表面积大的电石渣粉体，且整个过程粉体处于封闭输送系统中，减少了粉尘逸出，无环境污染。在对电石渣和粉煤灰碾磨过程中，也满足了电石渣和粉煤灰的充分混合。
36.优选的，步骤(2)中所述破碎为三级破碎，具体为先破碎至粒径小于100mm的物料，再破碎至粒径小于10mm的物料，最后破碎至粒径小于3mm的颗粒料。
37.所述碾磨为碾磨至粒径为100-800目。
38.所述炉渣与脱硫石膏粉体的质量比为4:1。
39.有益效果：上述过程中，粉体处于封闭输送系统中进行，减少了粉尘逸出，无环境污染。
40.优选的，步骤(3)中所述破碎为破碎至粒径为1-2mm。
41.所述碾磨为碾磨至粒径为100-300目。
42.有益效果：本发明通过对煤矸石进行充分的碾磨至合适的粒径，有利于与其他物料的充分混合，且选择合适的粒径而不是更细的粒径也能在一定程度降低能耗，提高生产过程的经济效益。
43.优选的，步骤(4)中所述矿化物料、炉渣混合物料、煤矸石粉体、水和添加剂的质量比为：(2-2.5):(1-2):(0.5-1.5):(0.5-1):(0.5-0.9)；
44.所述添加剂包括质量比为1：0.5：0.2的纤维素增强剂、改性聚合物及醇酸；
45.所述搅拌混合速度为200-300r/min，时间为30min，温度为30-35℃。
46.有益效果：本发明通过添加适宜的添加剂，在搅拌过程中有利于混合成流动性良好的矿山填充料，增加矿山填充料的附着性，满足较光滑矿山壁岩的修复，增加产品的特殊应用场景。
47.一种煤基固废矿化co2制备固碳填充料的方法制备得到的固碳填充料。
48.有益效果：本发明制备的固碳填充料具有较高的坚实稳定性和强度，可以有效地防止矿山塌陷问题，降低了安全事故的风险，且相比于传统工艺制备的填充料更加环保，有助于改善土地环境和保护生态环境；其次，本发明制备的固碳填充料可以根据不同矿山和
工程的需求，进行组合和调整，提高了适用性和灵活性；再次，本发明制备的填充料具有良好的耐水性能和耐腐蚀性能，长期使用不会出现变形和开裂等问题，可以有效地延长使用寿命；此外，本发明的填充料能够将原本无价值或低价值的废弃物转化为高价值的资源，具有较高的经济和社会效益。
49.一种固碳填充料在矿山修复领域中的应用。
50.与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
51.本发明利用超临界co2矿化工艺制备填充料，可以将工业固体废料和煤矸石等资源充分利用，有效解决了废弃物的处理以及低品位原料的资源化利用等问题。本发明通过利用co2和固体废弃物等资源进行矿化反应制备矿化原料，再和炉渣、脱硫石膏和煤矸石按一定要求进行反应制备填充料，不仅可以减少工业废弃物的排放以及对环境的污染，还可以实现这些废弃物物的资源综合利用，从而降低了生态环境的压力。此外，本发明通过采用超临界co2矿化反应可以制造出高质量的填充料，使得矿山填充料的力学性能在一定范围内具有一定的稳定性和可控性，能够满足矿山修复领域对材料强度、附着力和抗氧化性等方面的技术要求。
52.本发明中利用超临界co2矿化反应制备的矿山填充料具有硬质化速度快的特点，可以一定程度上缩小生产工艺流程，提高生产效率，同时大大提高产品强度、密实度和稳定性，最终制备的填充料具有稳定的产品质量，不受季节变化影响，产品更加耐用和安全。
53.超临界co2矿化反应可以制备出具有多种性能的矿化料，经进一步反应获得填充料，其强度、耐久性、防水性、隔热性等更佳，可以应用在不同的矿山修复领域，如露天矿山、地下空间以及其他土木工程等领域。超临界co2矿化反应可以实现材料的高效生产，有利于提高产率和降低制造成本。
附图说明
54.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
55.图1是本发明一种实施例的工艺流程示意图；
56.图2为实施例1中的超临界co2循环矿化电石渣的处理系统；
57.其中标号为：1-恒温矿化反应器；2-压缩机；3-co2储罐；4-加压泵一；5-液态co2罐；6-加压泵二；7-温控器；
58.图3为实施例1中的超临界co2循环矿化电石渣的处理系统的工作原理图。
具体实施方式
59.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。
60.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
61.本发明实施例中使用的部分原料来源/化学组成如下：
62.电石渣：主要来源内蒙某化工厂生产pvc后的电石渣，主要成分是cao、sio2、al2o3、mgo等。
63.粉煤灰：山西某电厂除尘系统分离收集所得，主要成分cao、sio2、feo等。
64.炉渣：山西当地某冶炼厂的副产物，主要成分是cao、sio2、al2o3、mgo等。
65.煤矸石：山西某煤矿开采过程中产生的废弃物，主要成分是sio2、al2o3等。
66.实施例1
67.一种超临界co2循环矿化电石渣的处理系统，如图2所示，包括依次串联的恒温矿化反应器1、co2储罐3、液态co2罐5和温控器7。
68.其中，恒温矿化反应器1与co2储罐3之间设置有压缩机2；
69.co2储罐3与液态co2罐5之间设置有加压泵一4；
70.液态co2罐5与温控器7之间设置有加压泵二6。
71.该处理系统的工作原理如图3所示：将co2气体通过压缩机2进行压缩，获得加压至3-6mpa的加压气体，通入co2储罐3后，再通入加压泵一4进一步加压至4-7mpa以上，获得液态co2，送入液态co2罐5中，然后将液态co2通过加压泵二6进一步加压至7.39mpa以上，并通过温控器7进行加热升温至温度为31.3-40℃，获得超临界co2气体，最后将超临界co2气体送入恒温矿化反应器中进行反应。
72.一种煤基固废矿化co2制备固碳填充料的方法，如图1所示，利用上述超临界co2循环矿化电石渣的处理系统，具体包括以下步骤：
73.(1)先备好电石渣15吨，在调试后的工艺装置进行投产运行，进行电石渣预处理：将电石渣先采用常规的颚式破碎机进行一级破碎获得粒径小于100mm的原料，然后送入二级圆锥破碎机经二级破碎获得粒径小于10mm的原料，再送入三级辊压破碎机，经三级破碎机获得粒径约2～5mm的颗粒料，然后与6吨粉煤灰一同送入管磨机进一步碾磨至得到粒径100-800目的混合粉体。
74.将所得混合粉体与水按质量比为9:1比例送入至恒温矿化反应器1中，恒温矿化反应器温度控制50℃，然后将浓度为98％的co2通过加压泵加压至10mpa并加热至50℃，得到超临界co2，然后送入恒温矿化反应器中，恒温矿化反应器采用气-液-固三相反应器，其中超临界co2与固相和液相物料充分的接触，反应时间控制在50min，获得矿化物料；
75.(2)将12吨的炉渣先采用常规的颚式破碎机进行一级破碎获得粒径小于100mm的原料，然后送入二级圆锥破碎机获得粒径小于10mm的原料，再送入三级辊压破碎机，经三级破碎机获得粒径小于3mm的颗粒料，将所得颗粒料送入除铁器中进行除铁磁选处理，磁选筛选出粒子钢和渣粒后，将剩余物料送入管磨机进一步碾磨至粒径100-800目左右的粉体，再将所得粉体与3吨的脱硫石膏粉体送入预混合器中进行预混合，得到炉渣混合物料。
76.(3)将10吨煤矸石进行破碎筛分获得粒径1～2mm的颗粒料，然后送入碾磨机进一步碾磨至粒径为100-300目的粉体，得到煤矸石粉体。
77.(4)将所得矿化物料、炉渣混合物料、煤矸石粉体、水和1.5吨添加剂(木质纤维、羧基丁苯聚合物及醇酸树脂胶以质量比为1：0.5：0.2)送入二级混合器内混合，得到矿山填充料。二级混合器内的搅拌速度为200-300r/min，搅拌时间为30min，温度控制在30-35℃。
78.将上述得到的填充料以及某环境公司提供的常规填充料分别浇注到山西省大同的废弃露天煤矿中，在浇注过程中采用振动器和平整器进行流平辅助操作。过5～7天的固
化和成型，两种填充料在环境中形成充分的硬化和成型，达到固化的效果。
79.根据t/cstm 00658-2022标准对实施例1所得矿山填充料及常规填充料产品进行测试，结果如表1所示：
80.表1
81.实施例1常规填充料产品密实度90～95％》85％抗折强度，7d2.5～2.8mpa2.0～2.3mpa抗压强度，7d13.5mpa11.2mpa
82.由表1可知，利用本发明提供的方法得到的矿山填充料的密实度、抗折强度以及抗压强度均能够达到现有技术中的填充料产品的标准，进而本发明提供的矿山填充料能够替代常规填充料产品。
83.以上，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种超临界co2循环矿化电石渣的处理系统，其特征在于，包括依次串联的恒温矿化反应器、co2储罐、液态co2罐和温控器。2.根据权利要求1所述的一种超临界co2循环矿化电石渣的处理系统，其特征在于，所述恒温矿化反应器与所述co2储罐之间设置有压缩机；所述co2储罐与所述液态co2罐设置有加压泵一；所述液态co2罐与所述温控器设置有加压泵二。3.如权利要求1或2所述的一种超临界co2循环矿化电石渣的处理系统在煤基固废矿化co2制备固碳填充料中的应用。4.一种煤基固废矿化co2制备固碳填充料的方法，其特征在于，利用权利要求1或2所述的一种超临界co2循环矿化电石渣的处理系统，具体包括以下步骤：(1)电石渣预处理：将电石渣破碎后，与粉煤灰混合进行碾磨，得到混合粉体，然后将所述混合粉体与水混合后置于所述恒温矿化反应器中，在超临界co2下进行反应，得到矿化物料；(2)将炉渣破碎后进行磁选处理，再经碾磨后，与脱硫石膏粉体进行预混合，得到炉渣混合物料；(3)将煤矸石破碎后进行碾磨，得到煤矸石粉体；(4)将所述矿化物料、炉渣混合物料、煤矸石粉体、水和添加剂进行搅拌混合，得到所述固碳填充料。5.根据权利要求4所述的一种煤基固废矿化co2制备固碳填充料的方法，其特征在于，步骤(1)中所述破碎为三级破碎，具体为先破碎至粒径小于100mm的物料，再破碎至粒径小于10mm的物料，最后破碎至粒径为2-5mm的颗粒料；所述碾磨为碾磨至粒径为100-800目；所述电石渣、粉煤灰的质量比为5:2；所述混合粉体与水的质量比为9:1；所述反应温度为35-75℃，压力为8-20mpa，时间为50min。6.根据权利要求4所述的一种煤基固废矿化co2制备固碳填充料的方法，其特征在于，步骤(2)中所述破碎为三级破碎，具体为先破碎至粒径小于100mm的物料，再破碎至粒径小于10mm的物料，最后破碎至粒径小于3mm的颗粒料；所述碾磨为碾磨至粒径为100-800目；所述炉渣与脱硫石膏粉体的质量比为4:1。7.根据权利要求4所述的一种煤基固废矿化co2制备固碳填充料的方法，其特征在于，步骤(3)中所述破碎为破碎至粒径为1-2mm；所述碾磨为碾磨至粒径为100-300目。8.根据权利要求4所述的一种煤基固废矿化co2制备固碳填充料的方法，其特征在于，步骤(4)中所述矿化物料、炉渣混合物料、煤矸石粉体、水和添加剂的质量比为：(2-2.5):(1-2):(0.5-1.5):(0.5-1):(0.5-0.9)；所述添加剂包括质量比为1：0.5：0.2的纤维素增强剂、改性聚合物及醇酸；所述搅拌混合速度为200-300r/min，时间为30min，温度为30-35℃。9.如权利要求5-8任一项所述的一种煤基固废矿化co2制备固碳填充料的方法制备得到
的固碳填充料。10.如权利要求9所述的一种固碳填充料在矿山修复领域中的应用。

技术总结
本发明公开了一种超临界CO2循环矿化电石渣的处理系统及其在固碳填充料制备中的应用，属于环保及固废处理技术领域，该处理系统包括依次串联的恒温矿化反应器、CO2储罐、液态CO2罐和温控器。本发明还公开了超临界CO2循环矿化电石渣的处理系统在煤基固废矿化CO2制备固碳填充料中的应用，同时公开了一种煤基固废矿化CO2制备固碳填充料的方法，以及利用该方法制备得到的固碳填充料，同时公开了该固碳填充料在矿山修复领域中的应用。本发明利用超临界CO2矿化反应对固碳填充料进行制备可以实现材料的高效生产，有利于提高产率和降低制造成本。本。本。


技术研发人员：黄晓燕 赵玉慧 于文静 王燕峰 李磊
受保护的技术使用者：北科蕴宏环保科技(北京)有限公司
技术研发日：2023.07.19
技术公布日：2023/10/20