[发明专利]一种利用水镁石封存烟气中二氧化碳的工艺流程

说明书

技术领域

本发明涉及一种矿物封存二氧化碳工艺，尤其是利用富镁矿物(水镁石)封存烟气中的二氧化碳。并实现了原料的循环使用以及产物的资源化利用。

背景技术

碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage，简称CCS)是指将大型二氧化碳(CO₂)排放源所产生的二氧化碳收集起来，并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。这种技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。

目前世界上主要研究的二氧化碳封存方式主要包括地质封存、海洋封存和矿物封存。地质封存就是指将二氧化碳存放在地下地层的空隙中，各种物理和化学机理将阻止其向地表运移；地质封存存在着CO₂在地质储层中发生的泄漏的风险，未来CO₂封存的规模可能达到数十亿吨，一旦泄漏所产生可能会显著影响全球气候。如果封存在地质体中的CO₂通过断层泄漏到其他地质构造中，可能对生活环境、地下水资源和生态系统造成负面影响。此外大规模地质封存还需要对封存场所进行长时间的监测，造成封存成本的显著增加。

海洋封存是指把二氧化碳注入深海之中已进行长时间的储存。它的主要原理是将捕集来的CO₂通过管道或者轮船压入海底，CO₂在那里溶解成为碳酸。然而这种封存方法对环境的负面影响比较大，CO₂溶解形成的碳酸会造成海水的酸化，威胁海洋生态环境。此外，海水的缓慢对流使得溶解在海底的CO₂可能在若干世纪后重新被释放到大气中。针对海洋封存CO₂这一方式仍在研究之中。

矿物封存主要指利用含有碱性和碱土金属氧化物的矿石与二氧化碳反应将其固化，生成永久的、更为稳定的碳酸盐(MgCO₃和CaCO₃)的一系列过程。矿物封存CO₂的基本原理为：CO₂与含钙镁的矿石进行化学反应，生成热力学上更为稳定的固态碳酸盐矿物及其他副产品。这一封存CO₂的概念首先由瑞士学者Seifritz于1990年提出，随后Dunsmore于1992年研究了用钙镁碳酸盐矿物封存CO₂的方法。这个过程也被称作增强自然风化，Lackner在1995年详细研究了该过程的细节问题。

相比而言，矿物封存CO₂具有以下优势：①遵循了自然界中CO₂的矿物吸收过程，即含碱金属或碱土金属的矿石与CO₂反应，生成热力学上更为稳定的碳酸盐矿物，从而实现CO₂的永久封存。由于没有泄漏的风险，不需要大量投资进行长期监测。②原料十分丰富，包括含钙镁的天然矿石，如镁橄榄石、蛇纹石、滑石、水镁石等，超基性岩、基性岩(如玄武岩)以及固体废物如钢渣、粉煤灰、废弃建材、金属矿产尾矿等，可实现大规模的CO₂封存处理。③天然矿石的副产品具有很高的经济价值，使得矿物封存具有商业化应用潜力。④可因地制宜实现排放源CO₂的就地封存或者矿石处所的原位封存。因此，研究CO₂的矿物封存技术实现CO₂减排具有十分广阔的应用前景。

国际上已开展的异地矿物封存研究主要采用干法和湿法两种途径：①干法反应：CO₂气体直接与原料矿石反应生成碳酸盐矿物。例如，美国研究者Lackner利用粒径为100微米的蛇纹石，在500℃、330atm.的CO₂分压下，反应2小时所获得的最大转化率为25％；芬兰学者Zevenhoven于2008年采用二步干法过程，首先将蛇纹石加热分解，生成反应活性高的氧化镁，然后氧化镁与CO₂发生碳酸化反应。由于干法反应条件相对苛刻，并且转化率较低，目前已基本转向湿法反应的研究。②湿法反应：CO₂溶于水形成碳酸溶液，在碳酸作用下原料矿石溶解形成碳酸盐沉淀。该法被认为是最有希望的CO₂矿物碳酸盐化过程。包括两种工艺路线，一为直接湿法，即碳酸盐化反应在水溶液中一步完成；二为间接湿法，通过添加盐酸、氯化镁熔盐、乙酸、氢氧化钠等媒质先将原料矿石中的钙镁离子溶出，然后再与CO₂进一步碳酸盐化反应，反应步骤为两步或多阶段。