[发明专利]一种强化矿物碳酸化固定CO2的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于工业尾气中二氧化碳的捕集和封存技术领域，特别涉及一种利用超声波与碳酸酐酶耦合强化矿物碳酸化固定CO₂的方法及其装置。

背景技术

温室气体CO₂的捕集与封存技术已引起国际社会的广泛关注；其中，模仿自然界钙镁硅酸盐矿物风化过程的矿物碳酸化固定是实现大规模封存CO₂的重要途径，与其他封存技术相比，矿物碳酸化固定CO₂环境风险性小，可实现CO₂的永久封存。CO₂矿物碳酸化固定的原料主要有硅灰石CaSiO₃、橄榄石Mg₂SiO₄、蛇纹石Mg₃Si₂O₅(OH)₄等钙镁硅酸盐矿物及某些钙基固体废弃物，如粉煤灰、钢渣、电石渣、垃圾焚烧飞灰等。与钙镁硅酸盐天然矿物相比，固体废弃物反应活性高、粒度小、不需进行预处理，同时不少固体废弃物靠近CO₂排放源，可实现原位固定CO₂。

矿物碳酸化固定CO₂的工艺路线通常可分为：①直接工艺，即CO₂与天然矿物、固体废弃物颗粒一步碳酸化反应生成碳酸盐产物（包括干法、湿法）；②间接工艺，即先用媒质（如盐酸、苛性钠、氯化镁熔盐、乙酸等）从天然矿物、固体废弃物中浸出钙离子，然后进行碳酸化反应生成碳酸盐及媒质，媒质循环利用。直接干法工艺因存在反应条件苛刻、转化率低等缺陷，近年来国内外主要侧重于直接湿法与间接碳酸化工艺的研发。直接湿法工艺的实质是CO₂溶于水形成碳酸，在碳酸的作用下矿物逐步溶解并沉淀出碳酸盐，通常认为钙离子的浸出是整个过程的速率控制步骤；据此，采用矿石预处理、添加剂及提高CO₂压力等措施强化碳酸化过程，但离工业化应用仍有很大距离，这主要是由于直接湿法存在钙离子浸出需要酸性环境而CaCO₃沉淀析出与CO₂传质吸收易在碱性条件下进行的矛盾。间接工艺虽可解决上述矛盾，但存在媒质再生利用耗能高、媒质与碳酸钙沉淀不能及时分离等缺陷；为此，申请号为200610112792.7的中国发明专利提出了一种在碳酸化反应过程中，引入磷酸三丁酯等有机溶剂，将生成的乙酸媒质从反应体系中萃取出来，从而提高碳酸化反应结晶转化率的方法，但仍需经过除杂提纯获得高浓度CO₂，反应在高压（10~50bar）下进行，且反应时间较长（30~150min）。

目前，矿物碳酸化固定CO₂基本采用以下技术方案：从工业尾气中吸收分离获得纯CO₂，然后采用高压搅拌釜反应器将CO₂转化为CaCO₃。由于高压搅拌釜反应器中进行碳酸化反应时气液固相间的传质速率较慢、微观混合差，碳酸化反应时间需数十分钟至数小时，反应压力需数十大气压。苛刻的碳酸化反应条件及需CO₂分离提纯、压缩、输送等步骤导致碳酸化固定费用明显高于地质固定、深海封存技术，在应用上受到极大限制。因此，矿物CO₂碳酸化固定的过程强化，在常压下直接将工业尾气中CO₂转化为CaCO₃，实现CO₂原位固定，省去分离提纯、压缩、输送等步骤，则可望比地质固定、深海封存技术更具竞争力。申请号为200710132251.5的中国发明专利提出了一种利用超重力旋转填料床与碳酸酐酶耦合强化碳酸化固定CO₂的方法，虽可实现常压下直接将工业尾气中CO₂转化为CaCO₃，但由于碳酸化反应在旋转填料床中进行，存在填料床易堵塞的缺陷，且无法有效促进钙离子浸出，矿物碳酸化转化率不高。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有CO₂矿物碳酸化固定工艺中，存在CO₂难以吸收转化为HCO₃^-、钙离子浸出困难等问题，有机结合碳酸酐酶对CO₂水合反应的高效催化作用与超声波的强化固液反应性能，提供一种强化矿物碳酸化固定CO₂的方法及其装置。