钢渣制备高效钙基CO2吸附材料用于钢铁行业碳捕集

目 录 第1章 概述………………………………………………………………… 1 1.1 钢渣的产生与处理现状 ………………………………………… 1 1.1.1 钢渣的产生与性质……………………………………… 1 1.1.2 钢渣的处理与资源化现状……………………………… 2 1.2 钢渣资源化利用技术发展现状 ………………………………… 3 1.2.1 钢渣的传统资源化利用技术…………………………… 3 1.2.2 钢渣的新兴资源化利用技术…………………………… 4 1.2.3 钢渣资源化利用技术发展存在的问题与技术瓶颈…… 6 1.3 工业源 CO2 减排技术发展现状………………………………… 7 1.3.1 温室气体 CO2 减排的整体技术构架 ………………… 7 1.3.2 燃烧后 CO2 捕集技术的发展现状 …………………… 8 1.3.3 钢铁行业 CO2 减排技术的发展现状………………… 12 1.3.4 工业源 CO2 减排技术发展存在的问题……………… 13 1.4 高温钙循环 CO2 捕集技术发展现状 ………………………… 14 1.4.1 高温钙循环 CO2 捕集技术原理与工艺……………… 14 1.4.2 高温钙基 CO2 吸附材料开发与应用………………… 15 1.4.3 高温钙循环技术应用于工业源 CO2 捕集的技术 展望 …………………………………………………… 16 1.5 研究目的、内容和技术路线 …………………………………… 17 1.5.1 研究目的与意义 ……………………………………… 17 1.5.2 研究内容 ……………………………………………… 17 1.5.3 技术路线 ……………………………………………… 18 第2章 实验材料与方法 ………………………………………………… 19 2.1 实验材料………………………………………………………… 19 1 6 钢渣制备高效钙基CO2吸附材料用于钢铁行业碳捕集 2.1.1 实验试剂与药品 ……………………………………… 19 2.1.2 钢渣样品的采集与预处理 …………………………… 19 2.2 钢渣的元素浸取与回收实验…………………………………… 19 2.2.1 钢渣中元素的酸浸取实验 …………………………… 19 2.2.2 钢渣中铁元素回收的磁选实验 ……………………… 20 2.2.3 钢渣中元素浸取效果与铁元素回收效果测试 ……… 20 2.3 钢渣源钙基 CO2 吸附材料的制备 …………………………… 20 2.3.1 协同沉淀法合成钢渣源钙基 CO2 吸附材料………… 20 2.3.2 协同沉淀法合成钢渣源钙-铁双功能 CO2 吸附 材料 …………………………………………………… 21 2.3.3 溶胶-凝胶法合成钢渣源钙-铁双功能 CO2 吸附 材料 …………………………………………………… 22 2.4 钢渣与钢渣源钙基 CO2 吸附材料的表征 …………………… 23 2.4.1 表征材料元素组成的 X 射线荧光分析 ……………… 23 2.4.2 表征材料矿物组成的 X 射线衍射分析 ……………… 23 2.4.3 表征材料比表面与孔隙特征的液氮恒温吸脱附 分析 …………………………………………………… 23 2.4.4 表征材料表面微观形貌的扫描电子显微成像分析 … 23 2.5 钢渣与钢渣源钙基 CO2 吸附材料的性能测试 ……………… 24 2.5.1 材料的氮气-程序升温分解实验 ……………………… 24 2.5.2 材料的氢气-程序升温还原实验 ……………………… 24 2.5.3 材料的程序升温碳酸化实验 ………………………… 24 2.5.4 材料的恒温碳酸化 CO2 固定(吸附)实验…………… 24 2.5.5 材料的高温钙循环 CO2 吸附性能实验……………… 25 2.5.6 材料在高温钙循环(CaL)耦合化学链燃烧循环(CLC) _x00B_ 过程(CaL耦合CLC过程)中的CO2吸附性能和 O2 携带性能实验 ………………………………………… 26 第3章 钢渣高温气固碳酸化直接固定CO2的实验研究 ……………… 29 3.1 引言……………………………………………………………… 29 3.2 钢渣基本理化特性及其理论 CO2 固定潜能 ………………… 30 3.2.1 钢渣表面形貌与孔隙度 ……………………………… 30 目 录 1 7 3.2.2 钢渣元素与矿物组成 ………………………………… 32 3.2.3 钢渣固碳机理及其理论固碳潜能 …………………… 34 3.3 钢渣高温气固碳酸化固定 CO2 效果及其影响因素 ………… 37 3.3.1 反应温度对钢渣高温气固碳酸化固定 CO2 效果的 影响 …………………………………………………… 37 3.3.2 CO2 浓度对钢渣高温气固碳酸化固定 CO2 效果的 影响 …………………………………………………… 38 3.3.3 SO2 存在对钢渣高温气固碳酸化固定 CO2 效果的 影响 …………………………………………………… 39 3.4 钢渣固定 CO2 的高温气固碳酸化反应动力学特征 ………… 41 3.4.1 钢渣高温气固碳酸化反应动力学模型 ……………… 41 3.4.2 钢渣高温气固碳酸化反应动力学参数 ……………… 44 3.5 钢渣直接高温钙循环 CO2 捕集性能研究 …………………… 47 3.5.1 温度和 CO2 浓度对钢渣吸附-解吸 CO2 效果的 影响 …………………………………………………… 47 3.5.2 钢渣在碳酸化-煅烧循环过程中的 CO2 捕集 性能 …………………………………………………… 48 3.5.3 钢渣材料在高温钙循环过程中 CO2 捕集性能衰减 机理 …………………………………………………… 50 3.6 小结……………………………………………………………… 53 第4章 钢渣的元素浸出特征及钙、铁元素回收………………………… 54 4.1 引言……………………………………………………………… 54 4.2 钢渣各主要元素在酸性浸出体系下的提取效果及其影响 因素……………………………………………………………… 54 4.2.1 操作条件对钢渣各主要元素浸出效果的影响 ……… 54 4.2.2 影响钢渣各主要元素浸取效果的关键因素识别 …… 57 4.2.3 钢渣各主要元素在弱酸环境中的浸出效果 ………… 59 4.3 酸浸取回收钢渣中钙元素实验研究…………………………… 62 4.3.1 钢渣酸浸出回收钙元素操作参数优化 ……………… 62 4.3.2 酸的类型对钢渣中钙元素回收的影响 ……………… 65 4.3.3 低浓度酸多级浸取回收钢渣钙元素探究 …………… 66 1 8 钢渣制备高效钙基CO2吸附材料用于钢铁行业碳捕集 4.4 酸活化耦合磁选回收钢渣中铁元素实验研究………………… 68 4.4.1 酸浸出过程对钢渣磁选铁元素回收率的影响 ……… 68 4.4.2 酸浸出过程对钢渣磁选回收物中铁品位的影响 …… 70 4.4.3 酸浸出过程对钢渣磁选回收铁元素的强化机理 …… 71 4.5 小结……………………………………………………………… 72 第5章 钢渣制备钙基CO2吸附材料及其 CO2吸附性能研究 ……… 73 5.1 引言……………………………………………………………… 73 5.2 钢渣源钙基 CO2 吸附材料合成及其性能表征 ……………… 74 5.2.1 金属醋酸盐协同沉淀技术合成钙基 CO2 吸附 材料 …………………………………………………… 74 5.2.2 钢渣源钙基 CO2 吸附材料物化性能表征…………… 77 5.2.3 钢渣源钙基材料 CO2 吸附性能研究………………… 80 5.3 钢渣源 CO2 吸附材料高温钙循环捕集 CO2 的影响因素 研究……………………………………………………………… 83 5.3.1 钢渣源 CO2 吸附材料中杂质元素对其 CO2 吸附 性能的影响 …………………………………………… 83 5.3.2 高温钙循环操作条件对材料 CO2 吸附性能的 影响 …………………………………………………… 89 5.3.3 燃烧烟气中微量酸性气体对材料 CO2 吸附性能的 影响 …………………………………………………… 92 5.4 钢渣源钙基 CO2 吸附材料高温钙循环捕集 CO2 的稳定化 机理……………………………………………………………… 94 5.4.1 MgO 对钢渣源钙基 CO2 吸附材料循环吸附 CO2 的 稳定化机理 …………………………………………… 94 5.4.2 醋酸盐对钢渣源钙基 CO2 吸附材料孔隙结构的模板 效应 …………………………………………………… 97 5.5 钢渣源 CO2 吸附材料应用于钢铁行业碳捕集的技术经济 分析……………………………………………………………… 98 5.5.1 基于钢渣中钙、铁元素回收利用的高效 CO2 捕集过程 构建 …………………………………………………… 98 5.5.2 钢渣源 CO2 吸附材料在实际高温钙循环条件下的 CO2 目 录 1 9 捕集效果 ……………………………………………… 99 5.5.3 钢渣源钙基 CO2 吸附材料相对天然石灰石的经济成本 分析 …………………………………………………… 100 5.6 小结 …………………………………………………………… 103 第6章 基于钢渣源钙-铁双功能材料的新型自热式CO2捕集过程 …… 104 6.1 基于钢铁行业物质回用与能量回收的新型 CO2 捕集方法 构建 …………………………………………………………… 104 6.2 钢渣源钙-铁双功能 CO2 吸附材料开发及其工作原理 解析 …………………………………………………………… 109 6.2.1 协同沉淀法合成钢渣源钙-铁双功能 CO2 吸附材料的 表征…………………………………………………… 109 6.2.2 钢渣源钙-铁双功能材料自热式捕集 CO2 的工作 原理…………………………………………………… 114 6.2.3 钢渣源钙-铁双功能材料的 CO2 吸附与 O2 携带 性能…………………………………………………… 116 6.3 钙-铁双功能 CO2 吸附材料中铁基化学链燃烧循环(CLC) 与高温钙循环(CaL)的相互作用及其自热补偿效应 ……… 117 6.3.1 CaL耦合 CLC过程对材料 CO2 吸附与 O2 携带性能的 影响 …………………………………………………… 117 6.3.2 材料的钙铁比对其 CO2 捕集自热过程的影响 ……… 119 6.3.3 材料在 CaL耦合 CLC过程捕集 CO2 中的自热补偿 效应 …………………………………………………… 122 6.4 钢渣源钙-铁双功能 CO2 吸附材料性能优化及其对高炉尾气中 CO2 的捕集效果 ……………………………………………… 123 6.4.1 溶胶-凝胶法合成钢渣源钙-铁双功能 CO2 吸附材料的 表征 …………………………………………………… 123 6.4.2 溶胶-凝胶法合成钢渣源钙-铁双功能材料的 O2 携带与 CO2 吸附性能 ………………………………………… 126 6.4.3 材料在实际高温钙循环条件下对高炉尾气中 CO2 的 捕集效果 ……………………………………………… 129 6.5 小结 …………………………………………………………… 131 2 0 钢渣制备高效钙基CO2吸附材料用于钢铁行业碳捕集 第7章 结论与建议 ……………………………………………………… 133 7.1 结论 …………………………………………………………… 133 7.2 建议 …………………………………………………………… 135 参考文献 …………………………………………………………………… 136 _x00B_在学期间发表的学术论文与研究成果 …………………………………… 149 _x00B_致谢………………………………………………………………………… 152