一种利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法
本发明涉及一种利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，属于固废综合利用协同节能减排。
背景技术：
1、煤矸石作为煤矿开采和选煤厂洗选加工过程中的产物，是矿业固体废物的一种，主要化学组成为sio2（51%~65%）和al2o3（16%~36%），另含有少量fe2o3、cao、mgo、tio2、p2o3、k2o、na2o、v2o3。但是煤矸石经过热活化后，所含稳定的矿物晶体结构可以被有效的分解，与此同时残煤含量降低、活性提高。袁美娟等（袁美娟, 樊盼盼, 鲍卫仁, 等. 煅烧温度及气氛对浮选尾煤的火山灰活性及固碳性能的影响[j]. 煤炭学报, 2023, 48(s1) : 314-324.）发现，空气及不同浓度co2气氛下650～750°c热活化后煤矸石的活性最佳，达到gb/t2847《用于水泥中的火山灰质混合材料》要求，可与水泥直接掺和作为建筑材料使用。但在热活化过程中，煤矸石中的残煤转变成co2释放到大气。如何提高煤矸石活性同时减少甚至不产生碳排放，是煤矸石资源化利用的重要前提。
2、钢渣是炼钢过程产生的必然产物，其产量约为粗钢产量的10%~15%，随着钢产量的稳步增长，截止2021年，中国钢渣产量达到了1.64亿吨。张书繁等（张书繁, 程星星, 王鲁元, 等. 碳中和背景下的钢渣碳酸化固碳路径研究[j]. 华电技术,2021, 43(6) : 86–91.）公开了冷态钢渣直接固碳、冷态钢渣间接固碳、热态钢渣直接固碳的方式，并指出：“热态钢渣直接固碳技术具有很高的应用前景，可利用钢渣出炉时高达1500 ℃左右的高温余热，加速固碳反应的进行，同时可对钢渣的余热进行回收，进一步节约能源。将钢渣气淬技术与钢渣固碳技术耦合，可同时实现钢渣固碳与余热回收”。而目前大多数钢铁企业炼钢过程中排出的高温熔融态钢渣温度高达1450℃~1650℃，通常使用热闷、热泼、水淬等冷却处理工艺处置高温钢渣，熔融态钢渣冷却至室温时的余热没有被合理利用，这一点值得我们高度关注。但是目前缺少对钢渣冷却过程中余热的实际利用经验，如何实现此部分热量的有效利用，走能源高质量发展之路，是我们仍需高度关注的课题。
3、另一方面，钢渣热闷处理，使得钢渣中的不稳定因素游离氧化钙（f-cao）和游离氧化镁（f-mgo）得到消解，消除了钢渣的膨胀性，提高了钢渣的体积安定性，从而利于钢渣后续建材化利用。再者钢渣中含有大量钙基化合物，有良好的co2捕集和封存能力，利用钢渣碳酸化捕集co2，一方面可以将废弃物转化为有用的产物，实现资源的回收和再利用，提高废弃物的综合利用效率，减少对自然资源的依赖；另一方面可以减少co2的排放，缓解温室效应的影响，。
4、综上，本发明提供了利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，既能有效利用高温钢渣的热量活化煤矸石，减少额外的热量投入，实现能源的节约，又能利用钢渣捕集煤矸石热活化过程中产生的co2、降低碳排放，形成环境友好型资源化利用。
技术实现思路
1、本发明旨在提供一种利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，利用高温熔融态钢渣余热，在特定装置中通过热活化-碳酸化耦合作用，实现煤矸石热活化，实现钢渣对煤矸石热活化过程中产生的co2进行原位捕集的方法。
2、本发明将煤矸石放入自制的钢渣热闷装置中，利用高温熔融态钢渣冷却过程中的余热，热活化煤矸石激发其火山灰活性，提高煤矸石的资源化利用率；同时煤矸石热活化过程中会产生一部分的co2，利用钢渣中的含钙物质固定此部分co2，从而减少活化过程中的碳排放，并且热闷后的钢渣体积安定性得到提升，有利于后续钢渣的建材化利用。
3、本发明提供了一种利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，利用高温熔融态钢渣的余热，在自制的钢渣热闷装置中，借助钢渣热闷装置体系温度活化煤矸石，使其获得较高的火山灰活性，同时利用钢渣与co2反应生成稳定的碳酸盐，达到捕集热活化过程中释放的co2的目的，从而实现碳的永久封存。
4、上述的利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，具体包括以下步骤：
5、步骤一：由渣罐车将高温液态钢渣从转炉至热闷装置，使用吊车将液态渣分批次倾倒在钢渣热闷装置中；
6、步骤二：将煤矸石原料破碎、粉磨，将破碎粉磨后的煤矸石装入悬挂装置中；
7、步骤三：将装有一定粒度煤矸石的悬挂装置放入热闷装置内，盖上热闷盖，反应温度为500~850 ℃，压力为0.3~0.4 mpa，喷淋装置自动喷水进行闷渣处理，反应时间为2~3h，煤矸石进行热活化反应，同时钢渣与co2发生碳酸化反应，捕集煤矸石活化过程中产生的co2；
8、步骤四：待热闷过程结束，将活性材料取出后，用挖机将破碎降温后的钢渣从热闷装置中铲出，送往后续的铁、渣分离系统。
9、上述步骤一中，所述钢渣热闷装置为自制热闷装置，并且本装置对钢渣流动性没有要求，适用于固态、半固态和液态钢渣。自制钢渣热闷装置为圆柱状罐体结构，顶部设有热闷盖，中部设有悬挂装置，底部设有排水孔；罐体侧壁与底部由外向内依次设有墙体、高温耐火层和挡板，所述的墙体为钢筋混凝土，高温耐火层为耐火砖，所述挡板为钢板。底部挡板为倾斜设计，便于废水排出，倾斜角度为5~20°；侧壁挡板上方设有一圈凸台，悬挂装置放置在凸台上。
10、进一步地，悬挂装置的内部中心是由钢筋混凝土所制的半圆形槽，半圆形槽外缘沿圆周方向均匀连接8根支撑杆，支撑杆的外端部与圆环形支撑件连接，圆环形支撑件放在凸台上方，悬挂装置端部距热闷罐上沿约80 cm，悬挂装置中半圆形槽的直径为100 cm。
11、进一步地，热闷盖中设有自动喷淋装置、放气装置、安全阀以及防爆装置，喷淋装置可实现装置自动喷水，通过感应器感知装置内温度，控制器判断是否启动喷淋，喷淋装置喷射出水雾；放气装置可将闷渣过程中产生的密度较小的易爆气体如h2、co排出；安全阀保证罐体内蒸汽压力、以及在必要时释放蒸汽压力，当装置内的压力升高超0.4 mpa时，通过向系统外排放介质，防止装置内介质压力超过规定数值。
12、进一步地，由吊车向热闷装置中倾倒钢渣时，每倒入一部分钢渣后，用挖机上下翻动打碎大块渣，同时人工喷入适量水冷却，待渣面凝固后重复上述操作，直至距离热闷装置内部凸台45~50cm、钢渣温度约为850~900 ℃时，停止布渣。
13、上述步骤二中，煤矸石原料的处理方式为：采用颚式破碎机破碎后再用球磨机粉磨，用孔径为0.18mm的筛网过筛，破碎粉磨后煤矸石的粒度应在0.2mm以下；
14、进一步地，将筛分后的煤矸石装入悬挂装置中，此悬挂装置与热闷装置上部凸台相连接固定，使煤矸石得以悬挂在热闷装置上部，利用热闷装置体系中的热量，活化煤矸石，激发其火山灰活性。
15、上述步骤三中，高温液态钢渣遇冷水，由于钢与渣的膨胀系数不同，产生不均匀收缩使大块钢渣粉碎，再加上钢渣中游离氧化钙（f-cao）与游离氧化镁（f-mgo）发生水化反应，一方面导致体积膨胀，致使钢渣进一步碎裂，另一方面可以消除钢渣的不稳定性，便于钢渣后续综合利用，化学反应式为：
16、
17、进一步地，煤矸石空气氛围下热活化的过程中，高岭石脱羟基转化为偏高岭石（al2o3•2sio2），偏高岭石再分解为无定形sio2和al2o3，这些无定形的sio2和al2o3是决定煤矸石活性的关键因素，化学反应式如下：
18、
19、进一步地，钢渣中钙的化合物通过碳酸化反应生成caco3，将煤矸石活化过程中产生的co2固定到碳酸盐中，同时部分以硅酸盐形式存在的钙通过碳酸化反应生成活性sio2。化学反应式如下：
20、
21、进一步地，热闷时自动喷淋装置的喷水制度为：喷0.5h停喷1h、继续喷0.5h停喷1.5h，喷水压力为0.25~0.35mpa，流量为15~30m3/h。
22、上述步骤四中，处理后的钢渣中f-cao小于3%，处理后的钢渣中粒级小于20mm的含量可达60%以上。
23、本发明的有益效果：
24、（1）有效利用了热态钢渣从炼钢炉中排出时的热量，活化煤矸石的同时，钢渣发生碳酸化反应，提高了钢渣冷却过程中的热量回收率，进一步强化节能、提高能效，为破解资源环境瓶颈约束、推动高质量发展提供新思路；
25、（2）通过热活化-碳酸化耦合作用，利用钢渣捕集煤矸石活化过程中产生的co2，实现了煤矸石-钢渣活化与固碳的协同作用，为煤基固废的利用提供了新思路；
26、（3）利用煤矸石制备出高火山灰活性材料，并且提高了钢渣的稳定性，便于钢渣后续建材化利用，增加了钢渣资源化利用率，既实现了绿色资源化利用的目标，又提高了此类固体废弃物资源利用的途径；
27、（4）节省钢渣冷却工艺过程中冷却水的用量，由于钢渣碳酸化反应会吸收周围环境中的热量，致使该工艺下热闷装置体系温度下降较快，因此钢渣冷却环节中水的用量相对减少，达到节约资源的目的。
技术特征：
1.一种利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，其特征在于：利用高温熔融态钢渣的余热，在钢渣热闷装置中，借助钢渣热闷装置体系温度活化煤矸石，使其获得较高的火山灰活性，同时利用钢渣与co2反应生成稳定的碳酸盐，捕集热活化过程中释放的co2，实现碳的永久封存。
2.根据权利要求1所述的利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，其特征在于包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，其特征在于：步骤一中，所述钢渣热闷装置为圆柱状罐体结构，顶部设有热闷盖，中部设有悬挂装置，底部设有排水孔；罐体侧壁与底部由外向内依次设有墙体、高温耐火层和挡板，底部挡板为倾斜设计，便于废水排出，倾斜角度为5~20°；侧壁挡板上方设有一圈凸台，悬挂装置放置在凸台上。
4.根据权利要求3所述的利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，其特征在于：悬挂装置的内部中心是由钢筋混凝土所制的半圆形槽，半圆形槽外缘沿圆周方向均匀连接8根支撑杆，支撑杆的外端部与圆环形支撑件连接，圆环形支撑件放在凸台上方，悬挂装置端部距热闷罐上沿约80 cm，悬挂装置中半圆形槽的直径为100 cm。
5.根据权利要求3所述的利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，其特征在于：所述的墙体为钢筋混凝土，高温耐火层为耐火砖，所述挡板为钢板。
6.根据权利要求3所述的利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，其特征在于：钢渣热闷盖中设有自动喷淋装置、放气装置、安全阀以及防爆装置，喷淋装置可实现装置自动喷水，通过感应器感知装置内温度，控制器判断是否启动喷淋，喷淋装置喷射出水雾；放气装置将闷渣过程中产生的密度较小的易爆气体排出；安全阀保证罐体内蒸汽压力、以及在必要时释放蒸汽压力，当装置内的压力升高超0.4 mpa时，通过向系统外排放介质，防止装置内介质压力超过规定数值。
7.根据权利要求2所述的利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，其特征在于：由吊车向热闷装置中倾倒钢渣时，每倒入一部分钢渣后，用挖机上下翻动打碎大块渣，同时人工喷入适量水冷却，待渣面凝固后重复上述操作，直至距离热闷装置内部凸台45~50cm、钢渣温度为850~900 ℃时，停止布渣。
8.根据权利要求2所述的利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，其特征在于：煤矸石原料的处理方式为：采用颚式破碎机破碎后再用球磨机粉磨，用孔径为0.18mm的筛网过筛，破碎粉磨后煤矸石的粒度应在0.2mm以下；将筛分后的煤矸石装入悬挂装置中，此悬挂装置与热闷装置上部凸台相连接固定，使煤矸石得以悬挂在热闷装置上部，利用热闷装置体系中的热量，活化煤矸石，激发其火山灰活性。
9.根据权利要求2所述的利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，其特征在于：热闷时自动喷淋装置的喷水制度为：喷0.5h停喷1h、继续喷0.5h停喷1.5h，喷水压力为0.25~0.35mpa，流量为15~30m3/h。
10.根据权利要求2所述的利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，其特征在于：处理后的钢渣中f-cao小于3%，处理后的钢渣中粒级小于20mm的含量能达60%以上。
技术总结
本发明公开了一种利用钢渣余热热活化煤矸石及原位固碳的方法，利用高温熔融态钢渣的余热，借助钢渣热闷装置体系温度活化煤矸石，使其获得较高的火山灰活性，同时利用钢渣与CO<subgt;2</subgt;反应生成稳定的碳酸盐，捕集热活化过程中释放的CO<subgt;2</subgt;，实现碳的永久封存。本发明有效利用了热态钢渣从炼钢炉中排出时的热量，活化煤矸石的同时，钢渣发生碳酸化反应，提高了钢渣冷却过程中的热量回收率；通过热活化‑碳酸化耦合作用，利用钢渣捕集煤矸石活化过程中产生的CO<subgt;2</subgt;，实现了煤矸石‑钢渣活化与固碳的协同作用，为煤基固废的利用提供了新思路；利用煤矸石制备出高火山灰活性材料，并且提高了钢渣的稳定性，便于钢渣后续建材化利用，增加了钢渣资源化利用率。
技术研发人员：韩艳娜,邱佳慧,冯国瑞,陈晓东,白锦文,廖俊杰,苏升煜,李蹊然,吕明壮
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23