本发明专利技术涉及一种矿化CO2制备碳酸钙晶须的装置及其方法，集CO2的捕集和固定于一体，利用烟道气(12~20%CO2 + 80~88% N2)中CO2与硫酸钙浆料反应制备碳酸钙晶须。该装置通过超微米级气泡发生器将烟道气与氨气按一定比例混合并打散成尺寸为0.2~4微米的气泡，以0.01~0.1 mol L‑1硫酸镁为晶型控制剂，CaSO4浆料的浓度控制在0.5~3.0 mol L‑1，反应温度控制在40‑80℃下，终点pH控制在 7~9，反应时间控制在15~30分钟，所得产物为长径比为8~15的文石型碳酸钙晶须。该过程CO2矿化率为85~95%。该方法以氨为媒介，在固定工业烟道气中的CO2同时制备了具有一定经济价值的碳酸钙晶须，极大地降低了CO2捕集和固定的成本。
【技术实现步骤摘要】
CO2矿化制备碳酸钙晶须装置及其制备方法
本专利技术涉及一种CO2矿化制备碳酸钙晶须制的置及其制备方法，具体为矿化CO2的气、液、固三相反应制备文石型碳酸钙晶须的装置及其制备方法。
技术介绍
本专利技术涉及一种CO2矿化制备碳酸钙晶须制的置及其制备方法，具体为矿化CO2的气、液、固三相反应制备文石型碳酸钙晶须的装置及其制备方法。技术背景目前主流的CO2排放控制方法是CCS和CCU两类方法。CCS技术，即CO2的捕集与封存技术主要有物理溶剂吸收法、化学溶剂吸收法、膜分离法、矿物储存法（矿化法）等。物理溶剂吸收法：该法是分离二氧化碳的有效方法之一，通过在加压下利用混合气体在有机溶剂中的溶解度不同来实现二氧化碳气体与其它气体的分离，溶剂的再生通过降压实现，所需再生能量相当少。化学溶剂吸收法：该法采用各种化学溶剂与CO2发生化学反应生成弱稳定性的化合物，然后在加热等条件下解吸出二氧化碳来实现烟气中CO2的分离回收。包括有机胺溶液吸收法、热碱溶液吸收法、氨水吸收法以及一些新型的吸收方法等。膜分离法：基于CO2与其它气体透过膜材料的速率不同，即膜材料对CO2有选择透过性来实现CO2同其它气体的分离。按照膜材料不同则可以分为液膜技术、聚合物膜技术、多孔无机膜技术、膜基气体吸收技术。地质储存：该法是永久封存二氧化碳的有效方法。这种方法通过管道技术将分离后得到的高纯度二氧化碳气体注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中储存起来，利用地质结构的气密性以永久封存二氧化碳。该方法具有存储容量大，密封性能好等特点。CO2矿物储存法：主要是利用各种天然存在的矿石与二氧化碳进行碳酸化反应得到稳定的碳酸盐以储存二氧化碳。由于碳酸盐的自由能比二氧化碳的要低，因此矿物碳酸化反应从理论上来讲是可行的。但是在常温常压下矿物与二氧化碳的反应速率相当缓慢，因此提高碳酸化反应速率成为了矿物储存技术的关键。CCU技术是将CO2作为一种生产要素,与含碱土金属离子的工业废料构成反应体系，转化为更低化学位的产品，其工艺系统具有热力学原理上的先进性和循环利用技术路线上的创新性。“以废治废”的CCU(CO2捕集与利用)技术是以低浓度CO2烟道气与含碱土金属离子的工业废料构成反应体系的“一步法矿化”脱碳工艺，将CO2从气相-液相-固相产品同步转移，使CO2一步矿化并固定为碳酸盐进行稳定固存。气、液、固三相全混流反应结晶技术是该工艺的核心技术。“热力学势多级利用技术组合的先进技术路线”是浓度梯度、温度梯度、压力梯度和速度梯度(统称热力学势)的多级利用技术组合，对化工系统循环回收低位能、减少CO2向环境排放具有普遍意义。由于CaSO4·2H2O的溶度积比CaCO3的溶度积要大得多，反应主要向右侧进行，故转化率一般较高。CaSO4·2H2O在碳铵溶液中的转化反应可分为液相中CO2扩散至固液界面处，与溶解于界面内的Ca2+结合生成CaCO3微晶析出，再扩散至溶液中等步骤，反应为阴离子转移及晶体重组过程。反应生成CaCO3微晶聚集于未反应的CaSO4·H2O固相周围，形成包裹硫酸钙的产物层。转化反应过程可以用缩芯模型来描述，属于化学反应控制。通过矿化反应过程中气-液-固三相界面的传质强化，可加快CaCO3微晶产物从硫酸钙表面的脱除，进而缩短矿化反应时间并提高CaSO4的转化率。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种转化率高、反应速率快、同时生产有一定经济价值的产品的矿化装置及其方法。本专利技术的目标是通过下述技术方法予以实现的。模拟烟道气的气氛和氨气用质量流量计调节配比，将混合后的气体通入微米级气泡发生器中，通过超微米气泡发生装置使气、液高度相溶混合，从超微米喷头空化弥散释放出高密度、均匀的超微米气泡，形成云一般“乳白色”的气液混合体，将反应气体小分子化。产生气泡粒径在0.2~4微米，气泡平均上升速度在4~8mm.s-1。通过将气体纳米或微米化，强化气-液-固三相的接触，在矿化CO2的同时，制备具有一定经济价值的文石型碳酸钙晶须。所述的CaCO3晶须经过如下方法和步骤制得：（1）配制浓度为0.01~0.1mol.L-1硫酸镁和0.5~3.0mol.L-1的浆料，将其注入高度为500mm的圆筒状矿化反应器中，控制浆料体积为矿化反应器容积的20~30%；(2)调节NH3与模拟烟道气中CO2的体积比为1.8~2.0:1、混合气体总流量与超微气泡发生器的液体流量比为10~20%；(3）监测矿化过程中的温度和pH变化，控制反应温度为40~70℃、pH值为7~9、反应时间为15~30分钟；（4）反应结束后，将悬浮液真空过滤，滤饼在120℃鼓风干燥箱干燥12小时，所得产物即为碳酸钙晶须。具体实施方式结合实施例说明本专利技术的具体实施。CO2矿化制备碳酸钙晶须装置包括气体混合、气体分散、气-液-固三相反应以及尾气吸收四部分组成。附图说明图1是本实验装置图实施例1（1）配制0.5mol.L-1CaSO4+0.1mol.L-1MgSO4的混合悬浊液，将其注入高500mm的矿化反应器中，悬浊液体积为矿化反应器容积的20%。（2）调节NH3与模拟烟道气中CO2的体积比为2.0:1，控制反应温度为60~70℃、pH为7-8、反应时间为30分钟；（3）将反应后悬浮液过滤，滤饼在120℃鼓风干燥箱烘干至无游离水，粉碎后称量反应所得固体质量。称取1g反应所得固体，在400℃和850℃下分别焙烧2h，2次焙烧后的固体质量差视为矿化固定的CO2质量。结果表明：CO2矿化能力（每100g反应固定CO2质量）为90.65g，CO2矿化率为90.65%，晶型为文石型碳酸钙，晶须长径比为8.2。实施例2（1）配制1.0mol.L-1CaSO4+0.05mol.L-1MgSO4的混合悬浊液，将其注入高500mm的矿化反应器中，悬浊液体积为矿化反应器容积的25%。（2）调节NH3与模拟烟道气中CO2的体积比1.8:1，控制反应温度为50~60℃、pH为6-7、反应时间为25分钟；（3）将反应后悬浮液过滤，滤饼在120℃烘箱中烘干至无游离水，粉碎后称量反应所得固体质量。称取1g反应所得固体，在400℃和850℃下分别焙烧2h，2次焙烧后的固体质量差视为矿化固定的CO2质量。结果表明：CO2矿化能力（每100g反应固定CO2质量）为88.42g，CO2矿化率为88.42%，晶型为文石型碳酸钙，晶须长径比为11.3;实施例3（1）配制1.5mol.L-1CaSO4+0.02mol.L-1MgSO4的混合悬浊液，将其注入高500mm的矿化反应器中，悬浊液体积为矿化反应器容积的30%。（2）调节NH3与模拟烟道气中CO2的体积比1.9:1，控制反应温度为60~70℃、pH为8-9、反应时间为15分钟;（3)将反应后悬浮液过滤，滤饼在120℃烘箱中烘干至无游离水，粉碎后称量反应所得固体质量。称取1g反应所得固体，在400℃和850℃下分别焙烧2h，2次焙烧后的固体质量差视为矿化固定的CO2质量。结果表明：CO2矿化能力（每100g反应固定CO2质量）为84.79g，CO2矿化率为84.79%，晶型为文石型碳酸钙，晶须长径比为12.2。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.CO2矿化制备碳酸钙晶须装置，主要由质量流量计、超微气泡发生器、温度控制器、在线pH计、矿化反应器等组成，其特征在于：该装置可直接利用工业烟道气（钢铁厂或火力发电厂），在按一定比例与氨气混合后，通过超微米气泡发生装置，使气、液高度相溶混合，从超微米喷头空化弥散释放出高密度均匀的超微米气泡，形成云一般“乳白色”的气液混合体，将反应气体高度分散，产生气泡粒径在200纳米~4微米之间，气泡平均上升速度在4~8 mm s‑1；通过将气体小分子化，极大地强化了气、液、固界面的三相接触和传质过程，在矿化CO2的同时制备具有经济价值的文石型碳酸钙晶须；所述的CO2矿化制备碳酸钙晶须装置的操作方式如下：（1）把超微米气泡发生器的超微米喷头出口与矿化反应器下方切线方向进口以及烟道气与氨气的混合器出口相连，超微米发生器的进口与矿化反应器上端出口相连，安装好质量流量计、温度控制器、在线pH计、质量流量计等构成CO2矿化制备碳酸钙晶须装置；（2）配制浓度为0.01~0.1 mol L‑1硫酸镁和0.5~3.0 mol L‑1硫酸钙的浆料，将其注入高度为500 mm的圆柱状矿化反应器中，控制浆料体积为矿化反应器容积的20~30%；（3）将模拟烟道气（12~20%CO2 + 80~88% N2）和氨气一并通入质量流量计中，控制通入氨气与模拟烟道气中CO2的体积比1.8~2.0:1，启动超微气泡发生器，观测反应过程中温度和pH值变化情况，反应时间控制在15~30分钟；（4）反应结束后，关闭进气阀门和超微气泡发生器，然后放出矿化反应器中悬浮液并过滤，滤饼在120 ℃鼓风干燥箱中烘干12 小时至无游离水，粉碎后即得碳酸钙晶须；取1g反应所得固体，在400℃和850℃下分别焙烧2 h，2次焙烧后的固体质量差视为1g产物中矿化固定的CO2 质量；取120 ℃下烘干产物0.1g 作X光衍射分析，以确定其晶型。...
【技术特征摘要】
1.CO2矿化制备碳酸钙晶须装置，主要由质量流量计、超微气泡发生器、温度控制器、在线pH计、矿化反应器等组成，其特征在于：该装置可直接利用工业烟道气（钢铁厂或火力发电厂），在按一定比例与氨气混合后，通过超微米气泡发生装置，使气、液高度相溶混合，从超微米喷头空化弥散释放出高密度均匀的超微米气泡，形成云一般“乳白色”的气液混合体，将反应气体高度分散，产生气泡粒径在200纳米~4微米之间，气泡平均上升速度在4~8mms-1；通过将气体小分子化，极大地强化了气、液、固界面的三相接触和传质过程，在矿化CO2的同时制备具有经济价值的文石型碳酸钙晶须；所述的CO2矿化制备碳酸钙晶须装置的操作方式如下：（1）把超微米气泡发生器的超微米喷头出口与矿化反应器下方切线方向进口以及烟道气与氨气的混合器出口相连，超微米发生器的进口与矿化反应器上端出口相连，安装好质量流量计、温度控制器、在线pH计、质量流量计等构成CO2矿化制备碳酸钙晶须装置；（2）配制浓度为0.01~0.1molL-1硫酸镁和0.5~3.0molL-1硫酸钙的浆料，将其注入高度为500mm的圆柱状矿化反应器中，控制浆料体积为矿化反应器容积的20~30%；（...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘中清，李勇，李春，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51
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