磷石膏分解渣捕集二氧化碳矿化及过程机理研究

发布时间：2020-05-27 04:27

【摘要】：磷石膏是湿法冶炼磷酸产生的工业废弃物,主要成分为CaSO_4·2H_2O,有较好的热稳定性,并伴有一定的酸性和轻微腐蚀性。经统计,平均每生产1吨磷肥约产生5吨磷石膏,磷石膏堆放量仍呈每年增长的趋势。目前针对磷石膏的处理包括:制硫酸联产水泥,生产化工原料(氯化钙、硫酸铵、硫酸钾、硫酸钠、硫脲、磷酸氢钠、羟基磷灰石纳米颗粒等),用作土壤改良剂,生产建筑材料,净化重金属污染水体等。CO_2气体全球性的排放持续增长,人为产生的温室气体是全球气候变暖的主要原因。工业化进程的加快、化石燃料的过度燃烧、森林植被的过度砍伐以及现代农业的快速发展使得CO_2排放量与日俱增。温室气体CO_2的过度排放致使海平面上升、冰川消融淡水资源减少,并引发极端气候的产生,严重影响人类健康,导致全球生态系统被破坏。据统计,到2050年,若使全球气温较2000年平均降低2.0-2.4°C,全球生态系统将需减少50%-80%的碳排放量。因此,开发合理和科学的CO_2减排技术刻不容缓。近年来,CO_2捕集技术日新月异,得到了很大程度的改善和创新。钙基吸收剂法是当前针对CO_2气体捕集应用较为广泛的技术之一。其原理是利用含有钙基的吸收剂在一定条件下进行碳酸化反应以达到吸收CO_2的目的。钙基吸收剂吸收容量高、吸收效果好、耐高温且钙源在自然界分布广泛。CaS作为磷石膏分解渣的主要成分,有良好的CO_2捕集效率。本文提出磷石膏分解产物作钙基吸收剂,用“以废制废”的思路同时解决废渣和废气,开展相关实验并对反应过程机理进行研究,为CO_2捕集和磷石膏资源化利用提出了新的解决方法。(1)进行Factsage 7.1模拟和计算以及磷石膏TGA相关实验,得出磷石膏、褐煤高温热分解最佳混合摩尔比为4:1、最佳分解温度为1100°C、最佳保温时间为60分钟等,以确保磷石膏褐煤充分反应生成以CaS为主要成分的分解渣。同时,将以上数据应用于管式炉中进行验证实验。研究表明,在该分解条件下得到的CaS纯度可达98.47%。(2)通过Factsage 7.1模拟磷石膏分解渣捕集CO_2实验相关热力学参数,并通过气—液—固三相图分析确定分解渣在捕集CO_2时的热力学参数。捕集温度为25°C,捕集压力为1atm等,并在相关反应器中进行以上研究以确定捕集最佳液固比、反应时间、压力、温度等参数和捕集效率之间的关系。研究表明,液固比越低,分解产物对二氧化碳捕集效果越好;随着反应时间的增加,捕集效率迅速增加直至饱和,最佳捕集时间为24min;反应温度越高,越不利于二氧化碳捕集;增大压力对二氧化碳捕集影响效果不大。(3)捕集实验中产生的硫化氢有毒有害,属易燃危险化学品,将本过程产生的硫化氢气体再次返回到管式炉中用作磷石膏热分解时的还原剂。研究表明,硫化氢气体在一定程度上降低了热分解过程的吉布斯自由能,并可以在反应过程中加快其反应速率,一定程度上缩短反应时间。该过程不仅解决了废气排放对人体和环境的危害,同时实现了硫化氢气体的循环。
【图文】：

2capture by CaO图 2.1 为 CaO 捕集流程图，化石燃料等燃烧产生的尾气 CO2气体通过碳酸化反应器与 CaO 或 Ca(OH)2等反应形成 CaCO3，该步反应为强放热反应，反应放出的热量可以用作下一步高温煅烧时的热能。煅烧分解产生的 CaO 可以继续回收返回到碳酸化反应器循环用作钙基吸收剂，而煅烧产生的 CO2气体经过液化隔离进一步妥善处理。高温煅烧时，部分吸收剂失活，为了不影响其捕集效率，应及时将失活的吸收剂排出并加入新的吸收剂。大量研究表明，对钙基吸收剂进行水合作用或蒸汽活化处理可使吸收剂获得更大的比表面积及孔隙率，，从而提高钙基吸收剂的循环吸收率。钙基吸收剂的水合作用即将 CaO 经过化学反应生成 Ca(OH)2，利用生成的 Ca(OH)2吸附剂对 CO2进行捕集。与直接被利用的钙基吸收剂 CaO 相比

图 3.1 实验流程图Fig. 3.1 The flow chart of experimental称取一定质量按一定比例混合均匀的磷石膏和褐煤混合物放置于耐高温的磁舟中，将该磁舟由管式炉管口缓慢沿管壁推向管中央。管式炉管中央受热均匀，比管口附近温度高，可保持正常的程序升温。通过控制面板，将管式炉升温程序调整为：通入 50ml/min 的氮气作保护气，并以 5°C/min 的升温速率从室温升至950°C，保温 1 小时后，继续以 5°C/min 的升温速率加热至 1100°C，继而保温 30分钟后停止加热，待自然冷却至室温后关机关气。该步骤主要目的是保证磷石膏被还原剂充分还原，得到产量最优化的分解产物硫化钙，以进行后续二氧化碳捕集实验。较长升温程序的控制及合理的摩尔比有助于磷石膏和褐煤充分反应，实现分解产物最大化。从管式炉出来的分解产物硫化钙进一步用作二氧化碳捕集实验的原料。将分解渣和超纯水按一定液固比注入三相流化床中，同时通入一定流量的二氧化碳气
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X756;X701

【参考文献】

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本文编号：2682947