二氧化碳矿化养护加气混凝土试验研究

二氧化碳矿化养护混凝土技术使得混凝土早期在较短时间内快速成型和提升力学性能,极大缩短养护周期,提高生产效率,是颇具大规模工业化应用前景的二氧化碳利用方式。对基于工业固废的加气混凝土的二氧化碳养护技术进行了初步探索,着重研究了原料掺比、养护压力以及养护制度在CO₂矿化反应中的影响。二氧化碳养护加气混凝土配方主要由试件的抗压强度和固碳性能共同决定。通过SEM和XRD分析等方法表征了在不同养护工况下反应产物的变化特点,同时使用压汞法测定了CO₂养护前后的孔隙分布。结果表明,对自然养护4 d后的加气混凝土进行2 h CO₂养护,试件固碳率随着养护压力升高而升高,低压养护和梯级养护有利于降低加气混凝土试件的力学强度损失,梯级养护中CO₂浓度/分压力越高,加气混凝土试件表观固碳率越高;在相同的CO₂养护条件下,SEM观察到矿化反应产物有不同形貌,如球状和纺锤形等,XRD分析则进一步证明了碳酸钙有3种不同晶型;CO₂养护后,孔径0.01~0.10μm微孔降低明显,表观固碳率越高,对加气混凝土试件的填充效果越显著。     

二氧化碳矿化养护混凝土技术及新型材料研究进展

CO₂矿化养护技术利用早期成型后的混凝土材料和CO₂之间的碳酸化反应和产物沉积过程实现产品力学强度等特性的提升,主要关注的是预养护/早期水化成型后的混凝土中胶凝成分和CO₂之间的矿化反应（即加速碳酸化）。此过程中胶凝材料的水化过程不再是强度形成的主要反应,因此为了充分实现矿化成型和CO₂固定,实现环境效益最大化,研究者近几年积极开发具有CO₂矿化潜力的碱金属矿物材料,并探究其反应后对于混凝土微观结构和性能的促进效应。本文综述了CO₂矿化养护技术在新型混凝土材料方面的研究进展,分别对传统混凝土采用的水化活性硅酸钙材料、水化惰性硅酸钙材料、镁基水泥材料以及工业固废材料等进行了具体介绍,比较了在不同材料与CO₂反应特性以及养护后建材制品性能优化方面的最新成果,并对CO₂矿化养护技术的后续发展进行了展望。主要建议：一是着眼于微观反应机制和矿物材料特性,开发有效的矿化反应强化方法;二是开发水化惰性的低钙硅比硅酸钙材料;三是将工业固废资源化与矿化养护技术结合,实现固废和气废利用流程耦合,推进特定工艺开发和装置研发。     

CO2矿化燃煤灰渣基加气混凝土配方研究

为实现燃煤固体废弃物和捕集后CO₂的资源化利用，以煤基废弃物燃煤灰渣、脱硫石膏为主要原料，以矿渣为补充胶凝材料，研究了固废配比、矿化养护压力、矿化养护温度对加气混凝土抗压强度和CO₂固定率的影响。通过XRD、SEM分析了不同矿化养护制度下的晶相结构和微观形貌，通过压汞法研究了不同养护工况对加气混凝土孔隙结构的影响。结果表明，合适的剩余水灰比有助于提高加气混凝土的CO₂固定率和早期抗压强度；CO₂养护压力由0.05 MPa上升至1.00 MPa时，加气混凝土的固碳率提高24.8%,抗压强度先上升后降低，养护压力在0.1 MPa时达到峰值；CO₂养护温度由25℃上升至105℃时，加气混凝土固碳率和抗压强度先上升后下降，固碳率在45℃时达到最大值7.21%,抗压强度在65℃时达最大值3.53 MPa;通过XRD和SEM分析可知，主要矿化产物为碳酸钙，并以方解石和球霰石的形态存在，较高养护压力(≥0.2 MPa)易导致产物界面出现细微裂缝，而随养护温度升高，矿化产物与水化产物同时出现；...     

碱性工业固废矿化封存二氧化碳研究进展

温室效应引起的全球变暖已经影响到人类的生存和发展，CO₂减排刻不容缓。CO₂矿物碳酸化作为一种CO₂减排技术，受到越来越多的关注。相对于传统天然矿化原料，碱性工业固废具有反应速率快、碳酸化效率更高、能耗低等特点，并且利用碱性工业固废进行CO₂矿化还可以产出高附加值产物用于化工、建筑等领域。本文主要综述了碱性工业固废的矿化机理，利用碱性工业固废(粉煤灰、钢渣、电石渣)进行CO₂碳酸化的研究进展及吸收-矿化一体化(IAM)技术。对于以碱性工业固废为原料的碳酸化技术，未来应进一步加强机理和生命周期影响评价的研究并优化工艺流程；针对IAM工艺今后应开发出高效、经济的吸收剂和封存能力更好的矿化原料，并加强对IAM工艺反应机理的研究。     

工业固废活化钾长石-CO2矿化提钾的生命周期碳排放与成本评价

利用工业固废活化非水溶性钾长石矿,矿化固定二氧化碳（CO₂）并提钾工艺,是同时处理工业固废、开发钾资源、减排CO₂等一举多得的CCUS路线。采用生命周期评价（LCA）方法,以生产含1 t K₂O的钾肥为功能单元,以传统的高炉冶炼钾长石制可溶性钾肥并联产白水泥工艺作为参照,对比评价了两种钾长石-工业固废体系矿化CO₂联产钾肥工艺过程的碳减排潜力和经济性。对工艺从原料开采、运输到产品生产的生命周期的温室气体排放量（简称“碳排放”）和成本进行了全流程的核算,研究了更全面的产品碳排放和成本分配方法。结果表明,无论是碳排放还是经济性,钾长石-工业固废体系矿化CO₂联产钾肥工艺均较传统工艺有很大提高,碳减排潜力分别可达81.16%和20.48%左右,成本可节约34.75%和45.11%左右。     

CO2矿物封存技术研究进展

CO₂捕集与封存技术是目前实现碳减排最有效的方法。其中,CO₂矿物封存（又称CO₂矿化）是利用CO₂与含钙镁硅酸盐矿物进行反应使CO₂以稳定的碳酸盐形式永久储存起来。本文首先介绍了CO₂矿化的基本原理和技术路线,其中间接矿化反应条件较温和、矿化效率更高、得到的产物也更纯,因此对于CO₂间接矿化的研究也更广泛。本文综述并对比了天然矿物及工业固废矿化CO₂的研究进展,指出工业固废更有利于CO₂矿化过程。工业固废矿化CO₂过程矿化CO₂的同时处理了工业固废,实现以废治废,因此它在经济上也是具有一定优势。在此基础上,本文以高炉渣为代表,介绍了其矿化CO₂的详细研究进展,指出采用可循环的助剂、回收高炉渣中有价元素可提升矿化过程经济性。对于CO₂矿化过程的放大试验、生命周期的评估及低能耗的新工艺开发将是CO₂矿物封存实现工业化的关键。     

基于工业原料制备的γ-C2S碳化制度研究及其机理分析

在“双碳”背景下,碳化硬化型胶凝材料的研究为水泥行业实现碳中和提供了较好的思路。本文采用工业钙质和硅质原料制备γ-C₂S,探究CO₂浓度、CO₂压力、碳化湿度、碳化时间等因素对γ-C₂S碳化性能的影响,明确最佳碳化制度,并通过XRD和电子扫描探针等测试,对γ-C₂S碳化机理进行深入分析。结果表明,工业原材料制备的γ-C₂S的抗压强度和固碳量随碳化养护时间、碳化养护湿度、CO₂浓度的增大而增大,碳化养护8h抗压强度可达155.8MPa,固碳量达16.96wt.%。     

固碳胶凝材料研究进展

固碳胶凝材料是指能与CO₂反应并将其他物料胶结为整体且具有一定机械强度的新型胶凝材料，利用固碳胶凝材料制备碳化制品是CO₂资源化利用的重要途径，也是当前的研究热点。本文在明晰了固碳胶凝材料的定义与矿相组成的基础上，综合分析了固碳胶凝材料主要矿相的碳化反应活性、微结构演变与力学性能以及多介质传输反应机理，介绍了国内外固碳胶凝材料的3种主要体系与应用现状，展望了固碳胶凝材料未来的研究方向与应用前景，为我国水泥工业烟气中CO₂的高效建材化利用提供研究思路。     

CO2间接矿化工业固废制备多晶型碳酸钙研究进展

CO₂和工业固体废弃物的排放量逐年上升,威胁人类的生存和发展,世界各国迫切寻求降碳减排的解决路径。研究人员基于钙、镁元素与CO₂反应生成稳定的碳酸盐反应,开发出一系列CO₂矿化工艺,实现CO₂的永久封存。为实现CO₂的大规模封存和含钙固废的高值化利用,降低矿化成本,选取廉价易得的含钙工业固体废弃物为矿化原料,从多晶型微纳米碳酸钙的制备入手,总结了含钙工业固废浸取和CO₂间接矿化的最新研究进展,介绍了含钙工业固废间接矿化常用的浸取剂,并着重分析了间接矿化制备微纳米碳酸钙时反应条件和晶型控制剂对碳酸钙晶型和形貌产生的影响,对其控制原理进行了解释说明,总结了CO₂间接矿化含钙固废当前存在的技术难点,展望了未来的研究重点。国内外结果表明,调变温度、pH、搅拌速率以及CO₂通气速率等矿化反应条件或添加晶型控制剂能有效控制碳酸钙的晶型、形貌和尺寸。利用含钙工业固体废弃物间接矿化CO₂制备微纳米碳酸钙能够...     

固废基硫掺杂多孔炭材料制备及其对CO2吸附性能研究进展

含碳固废来源广、产量大,其大量堆存严重制约了环境可持续发展,因此含碳固废资源化利用意义重大。利用含碳固废制备多孔炭材料是其清洁高效利用的重要方式之一。对多孔炭进行硫原子掺杂不仅可使材料表面的亲水性得到改善,还可以改变材料表面的化学异质性,生成有利于CO₂捕集的活性位点,强化材料对CO₂分子的吸附作用,从而提高其CO₂吸附容量。简述了固废基硫掺杂多孔炭材料的制备方法,总结了硫掺杂多孔炭材料用于CO₂吸附的最新研究进展,并对硫掺杂多孔炭材料未来发展趋势及其在CO₂吸附领域的工业化应用进行了展望。     

Cl含量对钙基吸收剂微观结构以及动力学性能的影响

通过浸渍法向分析纯CaCO₃中添加Cl,在双固定床反应器系统和热重分析仪上研究了其对钙基吸收剂循环捕集CO₂性能的影响,利用离子反应模型对添加Cl后吸收剂化学反应控制阶段进行动力学分析。结果显示：Cl对钙基吸收剂循环捕集CO₂性能具有不利影响。当Cl/Ca摩尔比大于0.25%后,随Cl/Ca摩尔比增加,化学反应控制阶段反应速率和持续时间均减小,导致在该阶段最终碳酸化转化率降低。对添加Cl前后吸收剂孔隙分布特性进行分析发现,添加Cl导致煅烧后吸收剂烧结加剧,比表面积降低,10~120nm范围内孔分布减少,导致CO₂在吸收剂内部扩散阻力增加,同时能与CO₂反应的CaO量减少,这是导致吸收剂化学反应控制阶段碳酸化反应速度较慢、最终碳酸化转化率较低的主要原因。鉴于Cl的不利影响,在选择钙基材料作为CO₂吸收剂或合成高活性复合吸收剂时,应避免吸收剂中Cl含量过高。     

间歇氯化对电石渣循环捕集CO2性能的影响

提出在碳酸化气氛中间歇加入HCl（间歇氯化）提高电石渣在循环煅烧/碳酸化反应中捕集CO₂性能的新思路。在双固定床反应器上,在不同循环次数加入HCl、碳酸化温度、CO₂/HCl体积比等条件下,研究HCl间歇加入对电石渣循环碳酸化特性的影响。结果表明,在循环煅烧/碳酸化反应中间歇加入HCl使电石渣间歇氯化能提高其循环捕集CO₂性能。在前N次循环碳酸化时加入0.1% HCl,当N=4时能使电石渣获得最优CO₂捕集性能,第10个循环时的CO₂吸收量比无HCl时提高了51%。HCl与CaCO₃发生氯化反应,破坏致密产物层对CO₂扩散的阻碍,提高了电石渣的碳酸化转化率。在碳酸化气氛加入HCl时,最佳碳酸化温度仍为700℃。随CO₂/HCl体积比增大,HCl对电石渣捕集CO₂性能的促进作用减弱。     

The maximum capture efficiency of CO2 using a carbonation/calcination cycle of CaO/CaCO3

The use of natural calcium carbonates as regenerable CO₂ sorbents in industrial processes is limited by the rapid decay of the carbonation conversion with the number of cycles carbonation/calcination. However, new processes are emerging to capture CO₂ using these cycles, that can take advantage of the intrinsic benefits of high temperature separations in energy systems. This work presents an analysis of a general carbonation/calcination cycle to capture CO₂, incorporating a fresh feed of sorbent to compensate for the decay in activity during sorbent re-cycling. A general design equation for the maximum CO₂ capture efficiency is obtained by incorporating to the cycle mass balances a simple but realistic equation to estimate the decay in sorbent activity with the number of cycles.     

Preparation and Application of the Sol-Gel Combustion Synthesis-Made CaO/CaZrO3 Sorbent for Cyclic CO2 Capture Through the Severe Calcination Condition

abstract Calcium looping method has been considered as one of the efficient options to capture CO2 in the combustion flue gas. CaO-based sorbent is the basis for application of calcium looping and shou...     

鼓泡床中电石渣加速碳酸化分析与响应面优化

搭建了鼓泡床碳酸化反应器,研究常温常压下电石渣直接液相碳酸化矿化封存CO₂的能力,揭示了重要操作参数表观气速、液固比和CO₂浓度对电石渣矿化封存CO₂能力和碳酸化效率的影响规律。同时构建响应面模型,分析各参数对电石渣碳酸化效率的影响强度,优化获得最大碳酸化效率及相应操作工况。结果表明,增加气速有利于钙离子溶解和CO₂吸收,但反应器中过高气速易导致气相通道效应,不利于气液充分接触。当液固比降低,溶液中钙离子浓度提高,更有利于碳酸化反应,但液固比过低会影响固液间传质。适当增加CO₂浓度有利于提高碳酸化效率,但CO₂浓度增至到一定值后,对碳酸化效率影响降低。响应面建模分析发现,各因素对碳酸化效率影响顺序为：液固比>CO₂浓度>表观气速。优化结果发现碳酸化效率最高为93.58%,工况为表观气速0.07m/s,液固比为8.26mL/g和CO₂体积分数为20.91%。研究可知,鼓泡床中常温常压下电石渣直接液相加速碳酸化反应,具有较大的CO₂固定量和高的碳酸化效率,实验结果为电石渣加速矿化封存CO₂技术的发展提供了基础数据。     

HIGH TEMPERATURE CAPTURE OF CARBON DIOXIDE: CHARACTERISTICS OF THE REVERSIBLE REACTION BETWEEN CaO(s) and CO2(g)

The reversible reaction between CaO(s) and CO₂(g) may ultimately find application in a high temperature process to control CO₂ emissions from advanced power generation processes. At appropriate temperature and pressure combinations, CO₂(g) is removed from the gas phase and captured as CaC₃(s). At higher temperature and/or lower pressure, the reaction is reversed to produce a gas stream having high CO₂(g) concentration suitable for use or ultimate disposal. Both the calcination and carbonation reactions have been studied in an electrobalance reactor as a function of temperature, pressure, and gas composition. Multicycle tests have provided preliminary information on sorbent durability. Solid structural property characteristics have been measured as a supplement to the reaction studies.

Rapid and complete calcination of CaCO₃ can be achieved at temperatures as low as 750°C under one atmosphere of N2. Higher pressure reduces the calcination rate while the presence of CO₂ in the calcination atmosphere requires the use of higher temperature. Mild calcination conditions produce a CaO product which is most reactive during the carbonation phase. Carbonation is characterized by a rapid initial reaction rate followed by an abrupt transition to a quite slow rate. Significant reduction in CO₂ capacity between the first and second carbonation cycles, ranging from 15% under favorable reaction conditions to more than 30% at severe conditions, was found. However, the capacity loss tended to moderate as the number of cycles increased.     

负载型K2CO3/Al2O3吸收剂吸收CO2反应机理

利用热重分析仪、扫描电镜和氮吸附仪对不同粒径的K₂CO₃颗粒和负载型K₂CO₃/Al₂O₃二氧化碳吸收剂的碳酸化特性进行研究。负载后的吸收剂比表面积和孔隙结构得到较大改善,使得碳酸化反应速率和转化率均提高,吸收剂碳酸化特性得到改善。纯K₂CO₃颗粒吸收剂的反应速率和转化率随着粒径的增加而减小,负载型吸收剂的反应速率和转化率随着粒径的增加略增大。研究了不同粒径和反应时间对K₂CO₃/Al₂O₃颗粒微观结构的影响,结果表明K₂CO₃/Al₂O₃颗粒具有较稳定的微观结构。采用负载型粒子模型对K₂CO₃/Al₂O₃吸收剂吸收CO₂碳酸化过程进行研究,所建立的粒子模型计算结果与试验值吻合较好。利用建立的模型对不同CO₂浓度下K₂CO₃/Al₂O₃吸收剂碳酸化反应特性进行模拟计算,模拟结果具备一定的合理性和准确性,为开展进一步研究提供了基础。