權利要求

1.基于硅酸鹽礦物利用選冶固廢進行碳捕集的方法，其特征在于以下步驟： （1）選擇進行碳捕集的選冶固廢及碳捕集場所； （2）根據碳捕集場所確定反應條件； （3）將CO 2注入，與選冶固廢接觸、混合、反應； （4）反應形成的碳酸鹽礦物與固廢一起封存，將CO 2從大氣中隔離。2.根據權利要求1所述的基于硅酸鹽礦物利用選冶固廢進行碳捕集的方法，其特征在于步驟（1）中所述選冶固廢是指包含硅酸鹽礦物的尾礦砂、廢石、冶煉渣、粉煤灰中的任一種或多種，粒徑為10μm～50mm；所述硅酸鹽礦物包括蛇紋石、橄欖石、硅灰石、滑石、鈣長石、伊利石及云母中的一種或其混合物。 3.根據權利要求1所述的基于硅酸鹽礦物利用選冶固廢進行碳捕集的方法，其特征在于步驟（1）中所述碳捕集場所是尾礦庫、充填區(qū)、高壓深井。 4.根據權利要求1所述的基于硅酸鹽礦物利用選冶固廢進行碳捕集的方法，其特征在于步驟（2）中所述反應條件為環(huán)境壓力50kPa～50MPa，其中，在尾礦庫進行碳捕集時，壓力為50kPa～30MPa；在高壓深井進行碳捕集時，壓力為1～40MPa；在充填區(qū)進行碳捕集時，壓力為1～50MPa。 5.根據權利要求1所述的基于硅酸鹽礦物利用選冶固廢進行碳捕集的方法，其特征在于步驟（3）中所述CO 2的狀態(tài)為氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)，其含量為0.3～100％。 6.根據權利要求1所述的基于硅酸鹽礦物利用選冶固廢進行碳捕集的方法，其特征在于步驟（3）中所述選冶固廢為固態(tài)或漿狀物。 7.根據權利要求1所述的基于硅酸鹽礦物利用選冶固廢進行碳捕集的方法，其特征在于步驟（3）中所述混合方式為CO 2分子擴散，反應時間為300～600min。 8.根據權利要求1所述的基于硅酸鹽礦物利用選冶固廢進行碳捕集的方法，其特征在于當所述碳捕集場所是尾礦庫時，具體步驟如下： S1、利用尾礦砂捕集、固化CO 2，尾礦砂粒徑為10μm～50mm，尾礦砂所含硅酸鹽礦物中CaO、MgO質量分數為尾礦砂總庫容的5～20％； S2、尾礦庫表面布置CO 2注入管道，管道水平距離5～10m，豎直深度為尾礦庫壩高的0.8～0.9倍，CO 2注入管道末端即CO 2出口位置處于尾礦庫基底與浸潤線之間； S3、利用鼓風機或通風機將含CO 2氣相混合物通過（2）布置的CO 2注入管道注入尾礦庫，氣相混合物壓強為5-25MPa，封閉注入管道； S4、尾礦砂與CO 2反應300～400min，打開CO 2注入管道，重復步驟（3），直至CO 2注入總重量為尾礦砂總重的12-15％。 9.根據權利要求1所述的基于硅酸鹽礦物利用選冶固廢進行碳捕集的方法，其特征在于當所述碳捕集場所是高壓深井時，具體步驟如下： S1、根據礦洞、溶洞的地貌修筑深井，深井頂端設置管道密封件、CO 2注入管道、固廢注入管道，底端設置管道密封件，高壓深井端傾角大于30°，便于后續(xù)物料排出； S2、將CO 2與含硅酸鹽礦物的固廢同時注入管道，固廢粒徑為10μm～50mm，固廢為廢石、煤矸石、冶煉渣、尾礦砂中的任一種或多種，CO 2可為氣態(tài)或液態(tài)，固廢漿液裹挾CO 2向下運動； S3、利用流體輸送機械同時注入固廢漿液、CO 2，直至高壓井填滿，若CO 2為液態(tài)，可充入空氣，使高壓深井內壓力達到1-30MPa以上； S4、CO 2與含硅酸鹽的固廢在高壓井中混合、反應，硅酸鹽礦物轉化為方解石、菱鎂礦，反應400～500min后，打開管道密封件，高壓深井向下排出反應后物料； S5、重復步驟（3）～（4），直至物料被反應完畢。 10.根據權利要求1所述的基于硅酸鹽礦物利用選冶固廢進行碳捕集的方法，其特征在于當所述碳捕集場所是充填區(qū)時，具體步驟如下： S1、選用充填區(qū)捕集CO 2，在充填區(qū)掘進坑道中設置密封構筑物、CO 2高壓管路、固廢輸送管； S2、將固廢輸送至充填區(qū)內部分散堆積，固廢粒徑為10μm～50mm，CaO、MgO質量分數為固廢總重5～10％，固廢堆積體積為充填區(qū)85～90％，固廢為尾礦砂、粉煤灰、煤矸石中的任一種或多種； S3、通過管道輸送CO 2，CO 2為氣相時，注入的量為固廢總重量的5％，當CO 2為固相或液相時，輸入至徹底填滿充填區(qū)空間，封閉充填區(qū)。

說明書

技術領域

本發(fā)明屬于二氧化碳減排技術領域，涉及含硅酸鹽礦物的選冶固廢捕集、固化CO 2，具體涉及一種基于硅酸鹽礦物利用選冶固廢進行碳捕集的方法。

背景技術

氣候變化（climate change）是當今世界面對的主要環(huán)境問題。該問題的關鍵在于CO 2的排放量。除了減少化學能源的使用之外，還需要采取措施將CO 2從大氣中隔離開從而減少CO 2的排放量。

目前的CO 2封存技術有地質封存、海洋封存、地表封存三種主要方式。其中，地質封存指將CO 2充入具備封閉條件的地層進行儲存，但這個方法受到地層條件的限制，難以大規(guī)模使用；海洋封存指將CO 2充入海洋，利用海洋龐大的鈣鎂離子含量與水體體積稱為CO 2的儲存容器，這種方法不適宜內陸地區(qū)，并且海洋儲存的深度一般要達到3000m以上才能使CO 2以羽狀體或碳水化合物的形式被封存起來；地表封存包括生態(tài)系統封存和礦物封存，生態(tài)系統封存實施難度較大，成本極高，而利用礦物封存有以下優(yōu)勢：（1）封存效果好，將二氧化碳封存在固相礦物中可以獲得地質事件長度的穩(wěn)定作用；（2）適用范圍廣，利用廣泛存在的硅酸鹽礦物進行碳捕集。因此礦物封存CO 2是應對全球氣候變化的有效措施。

我國是工礦業(yè)生產大國，每年產生數以億噸計的選冶固廢，這些選冶固廢中含有硅酸鹽礦物，并且往往已經被活化，粉煤灰、尾礦砂等固廢粒徑極細，表面活化能強，所以反應速度和效率遠遠高于自然風化；同時反應生成硅酸鈉，增強固廢顆粒間的膠結作用。

申請?zhí)?01710280423.7的專利公開了一種坑口燃煤電廠廢物處理及二氧化碳封存的方法。該方法將燃煤電廠固體廢物與水泥及拌和液混合回填到廢棄煤礦中、水化，充入CO 2進行悶井固碳。該方法實現場景較為單一，使用范圍比較狹窄。

申請?zhí)?02110457883.9的專利公開了一種利用露天礦坑封存二氧化碳的方法、結構以及開采方法。該方法構筑物較多，結構復雜，實施難度較高。

申請?zhí)?02110611486.2的專利公開了一種利用廢舊礦井封存二氧化碳的方法，該方法將CO 2以液態(tài)或固態(tài)的形式儲存在廢舊礦井中，CO 2存在重新釋放回到大氣的風險。

申請?zhí)枮?01710831080.9的專利公開了一種新廢棄礦井存放廢棄混凝土及封存二氧化碳的方法，該方法將廢舊混凝土堆存進廢棄礦井，然后充入CO 2進行固定，封存載體為廢棄混凝土，較為單一，并且沒有說明其使用的廢棄混凝土的狀態(tài)，充入CO 2氣體時傳質速率無法確定。

申請?zhí)枮?00680043839.7的專利公開了通過礦物碳酸鹽化隔離二氧化碳的方法，需要用到900～1600℃熱合成氣，能源消耗較大，因此運行成本較高。

申請?zhí)枮?01710673431.8的專利公開了利用泡沫地聚合物充填礦井采空區(qū)封存固化CO2的方法，該方法先將CO 2與礦渣微粉、水玻璃結合生成泡沫混凝土，短暫固碳，然后充入采空區(qū)。工藝步驟較多，封存場所單一。

發(fā)明內容

針對CO 2的大量排放以及選冶固廢的處理處置，本發(fā)明提出了利用選冶固廢捕集、固化、封存CO 2的方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現的，所述基于硅酸鹽礦物利用選冶固廢進行碳捕集的方法，以下步驟：

（1）選擇進行碳捕集的選冶固廢及碳捕集場所；

（2）根據碳捕集場所確定反應條件；

（3）將CO 2注入，與選冶固廢接觸、混合、反應；

（4）反應形成的碳酸鹽礦物與固廢一起封存，將CO 2從大氣中隔離。

優(yōu)選的，步驟（1）中所述選冶固廢指包含硅酸鹽礦物的尾礦砂、廢石、冶煉渣、粉煤灰中的任一種或多種，粒徑為10μm～50mm。

優(yōu)選的，所述硅酸鹽礦物包括蛇紋石、橄欖石、硅灰石、滑石、鈣長石、伊利石及云母中的一種或其混合物。

優(yōu)選的，步驟（1）中所述碳捕集場所是尾礦庫、充填區(qū)、高壓深井。

優(yōu)選的，步驟（2）中所述反應條件為環(huán)境壓力50kPa～50MPa，其中，在尾礦庫進行碳捕集時，壓力為50kPa～30MPa；在高壓深井進行碳捕集時，壓力為1～40MPa；在充填區(qū)進行碳捕集時，壓力為1～50MPa。

優(yōu)選的，步驟（3）中所述CO 2的狀態(tài)為氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)，其含量為0.3～100％。

優(yōu)選的，所述混合為CO 2在管道中與固廢混合、反應，或將CO 2與選冶固廢一起注入封存場所后再混合、反應。

優(yōu)選的，步驟（3）中所述選冶固廢為固態(tài)或漿狀物。

優(yōu)選的，步驟（3）中所述混合方式為CO 2分子擴散，反應時間為300～600min。

優(yōu)選的，當所述碳捕集場所是尾礦庫時，具體步驟如下：

S1、利用尾礦砂捕集、固化CO 2，尾礦砂粒徑為10μm～50mm，尾礦砂所含硅酸鹽礦物中CaO、MgO質量分數為尾礦砂總庫容的5～20％；

S2、尾礦庫表面布置CO 2注入管道，管道水平距離5～10m，豎直深度為尾礦庫壩高的0.8～0.9倍，CO 2注入管道末端即CO 2出口位置處于尾礦庫基底與浸潤線之間；

S3、利用鼓風機或通風機將含CO 2氣相混合物通過（2）布置的CO 2注入管道注入尾礦庫，氣相混合物壓強為5-25MPa，封閉注入管道；

S4、尾礦砂與CO 2反應300～400min，打開CO 2注入管道，重復步驟（3），直至CO 2注入總重量為尾礦砂總重的12-15％。

優(yōu)選的，當所述碳捕集場所是高壓深井時，具體步驟如下：

S1、根據礦洞、溶洞的地貌修筑深井，深井頂端設置管道密封件、CO 2注入管道、固廢注入管道，底端設置管道密封件，高壓深井端傾角大于30°，便于后續(xù)物料排出；

S2、將CO 2與含硅酸鹽礦物的固廢同時注入管道，固廢粒徑為10μm～50mm，固廢為廢石、煤矸石、冶煉渣、尾礦砂中的任一種或多種，CO 2可為氣態(tài)或液態(tài)，固廢漿液裹挾CO 2向下運動；

S3、利用流體輸送機械同時注入固廢漿液、CO 2，直至高壓井填滿，若CO 2為液態(tài)，可充入空氣，使高壓深井內壓力達到1-30MPa以上；

S4、CO 2與含硅酸鹽的固廢在高壓井中混合、反應，硅酸鹽礦物轉化為方解石、菱鎂礦，反應400～500min后，打開管道密封件，高壓深井向下排出反應后物料；

S5、重復步驟（3）～（4），直至物料被反應完畢。

優(yōu)選的，當所述碳捕集場所是充填區(qū)時，具體步驟如下：

S1選用充填區(qū)捕集CO 2，在充填區(qū)掘進坑道中設置密封構筑物、CO 2高壓管路、固廢輸送管；

S2將固廢輸送至充填區(qū)內部分散堆積，固廢粒徑為10μm～50mm，CaO、MgO質量分數為固廢總重5～10％，固廢堆積體積為充填區(qū)85～90％，固廢為尾礦砂、粉煤灰、煤矸石中的任一種或多種；

S3通過管道輸送CO 2，CO 2為氣相時，注入的量為固廢總重量的5％，當CO 2為固相或液相時，輸入至徹底填滿充填區(qū)空間，封閉充填區(qū)。

本發(fā)明的原理：

硅酸鹽礦物在二氧化碳的作用下可以碳酸鹽化，形成方解石和菱鎂礦和無機粘合劑硅酸鈉（R2O·nSiO2）。該反應主要利用硅酸鹽礦物中含有的CaO、MgO捕集CO 2且是一個放熱反應且質量比約為1:1，因此可以自發(fā)進行。通過人為控制二氧化碳介質的輸入速率，可以使二氧化碳在固廢中快速擴散，提高二氧化碳的傳質速率，同時維持一個高溫高壓的環(huán)境，促進反應效率。

固廢的堆存場地包括尾礦庫、充填區(qū)、深井，三者均存在蓋層土或巖石，封閉管道后近似密閉空間，而三者高程不同所以對應的輸入氣體壓力不同。針對尾礦庫和充填區(qū)，較大的氣體壓力或較長的輸送時間可以使CO 2溶解于物料中。為防止二氧化碳的逸散，可以在二氧化碳注入堆存區(qū)后封閉管道，便于CO 2的分子擴散，使堆存區(qū)內的固廢和二氧化碳在高溫高壓下自發(fā)反應；因此CO 2與固廢可以在管道中混合，也可以在堆存區(qū)內混合。深井壓力遠遠大于自然氣壓，利用固廢漿液裹挾CO 2向下流動，固廢漿液的比重和流動速度大于CO 2向上逸散的速度，隨著壓力增大，CO 2溶解于固廢漿液中并被固化。

部分礦物反應過程如下：

2Mg 2SiO 4(橄欖石)+CO 2+2H 2O=Mg 3Si 2O 5(OH) 4（蛇紋石）+MgCO 3（菱鎂礦）2Mg 2SiO 4(橄欖石)+CaMgSi 2O 6(輝石)+CO2+6H 2O=2Mg 3Si 2O 5(OH) 4（蛇紋石）+CaCO 3（方解石）+2MgCO 3+2H 4SiO 4

2Mg 3Si 2O 5(OH) 4（蛇紋石）+3CO 2(aq)=3MgCO 3（菱鎂礦）+Mg 3Si 4O 10(OH) 2（滑石）+3H 2O

Mg 3Si 4O 10(OH) 2（滑石）+3CO 2(aq)=3MgCO 3（菱鎂礦）+4SiO 2（石英）+H 2OCaAl 2Si 2O 8（鈣長石）+CO 2+2H 2O=CaCO 3（方解石）+Al 2Si 2O 5(OH) 4（高嶺石）

與相關技術相比，本發(fā)明有以下優(yōu)勢：

1、利用大宗固廢中含有的硅酸鹽礦物進行碳捕集，所以封存載體來源廣泛、價格低廉，且固碳效果穩(wěn)定。

2、利用尾礦砂、粉煤灰等進行碳捕集，固廢本身活化能較高，不需太多的活化工藝，因此處理成本較低。

3、處理場所多樣，在不同的地區(qū)或不同地形都可以應用，因此適用范圍廣泛。

附圖說明

圖1 為本發(fā)明尾礦庫固定二氧化碳示意圖；

圖2為本發(fā)明深井固定二氧化碳示意圖；

圖3為本發(fā)明充填區(qū)固定二氧化碳示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但不以任何方式對本發(fā)明加以限制，基于本發(fā)明教導所作的任何變換或替換，均屬于本發(fā)明的保護范圍。

（一）尾礦庫

實施例1：

（1）利用尾礦砂捕集、固化CO 2，固廢粒徑為10μm～10mm，尾礦庫所含硅酸鹽礦物中，CaO、MgO質量分數為尾礦砂總庫容的5％；

（2）尾礦庫表面布置CO 2注入管道，管道水平距離5m，豎直深度為壩高的0.8倍，管道末端即CO 2出口位置處于尾礦庫基底與浸潤線之間；

（3）利用鼓風機或通風機將含CO 2氣相混合物通過（2）布置的管道注入尾礦庫，氣相混合物壓強為5MPa，封閉注入管道；

（4）固廢與CO 2反應300min，打開管道，重復步驟（3），直至CO 2注入總重量為尾礦砂總重的12％。

實施例2：

（1）利用尾礦砂捕集、固化CO 2，固廢粒徑為10μm～20mm，尾礦庫所含硅酸鹽礦物中，CaO、MgO質量分數為尾礦砂總庫容的10％；

（2）尾礦庫表面布置CO 2注入管道，管道水平距離10m，豎直深度為壩高的0.9倍，管道末端即CO 2出口位置處于尾礦庫基底與浸潤線之間；

（3）利用鼓風機或通風機將含CO 2氣相混合物通過（2）布置的管道注入尾礦庫，氣相混合物輸入壓力為10MPa，封閉注入管道；

（4）固廢與CO 2反應400min，打開管道，重復步驟（3），直至CO 2注入總重量為尾礦砂總重的12％。

實施例3：

（1）利用尾礦砂捕集、固化CO 2，固廢粒徑為1mm～50mm，尾礦庫所含硅酸鹽礦物中，CaO、MgO質量分數為尾礦砂總庫容的20％；

（2）尾礦庫表面布置CO 2注入管道，管道水平距離8m，豎直深度為壩高的0.8倍，管道末端即CO 2出口位置處于尾礦庫基底與浸潤線之間；

（3）利用鼓風機或通風機將含CO 2氣相混合物通過（2）布置的管道注入尾礦庫，氣相混合物壓強為25MPa，封閉注入管道；

（4）固廢與CO 2反應350min，打開管道，重復步驟（3），直至CO 2注入總重量為尾礦砂總重的15％。

（二）高壓井

實施例4：

（1）根據礦洞的地貌修筑深井，深井頂端設置管道密封件、CO 2注入管道、固廢注入管道，底端設置管道密封件，高壓井端傾角32°，便于后續(xù)物料排出；

（2）將CO 2與含硅酸鹽礦物的固廢同時注入管道，固廢粒徑為10μm～10mm，包括廢石、尾礦砂，CO 2為氣態(tài)，固廢漿液裹挾CO 2向下運動；

（3）利用流體輸送機械同時注入固廢漿液、CO 2，直至高壓井填滿， CO 2為氣態(tài)，含量為10％，使高壓井內壓力達到1MPa以上；

（4）CO 2與含硅酸鹽的固廢在高壓井中混合、反應，硅酸鹽礦物轉化為方解石、菱鎂礦，反應400min后，打開封閉件，高壓井向下排出反應后物料；

（1）重復步驟（3）～（4），直至物料被反應完畢。

實施例5：

（1）根據礦洞、溶洞等地貌修筑深井，深井頂端設置管道密封件、CO 2注入管道、固廢注入管道，底端設置管道密封件，高壓井端傾角40°，便于后續(xù)物料排出；

（2）將CO 2與含硅酸鹽礦物的固廢同時注入管道，固廢粒徑為1mm～50mm，固廢可為煤矸石、冶煉渣，CO 2可為氣態(tài)或液態(tài)，固廢漿液裹挾CO 2向下運動；

（3）利用流體輸送機械同時注入固廢漿液、CO 2，直至高壓井填滿，若CO 2為液態(tài)，可充入空氣，使高壓井內壓力達到10MPa以上；

（4）CO 2與含硅酸鹽的固廢在高壓井中混合、反應，硅酸鹽礦物轉化為方解石、菱鎂礦，反應450min后，打開封閉件，高壓井向下排出反應后物料；

（5）重復步驟（3）～（4），直至物料被反應完畢。

實施例6：

（1）根據礦洞、溶洞等地貌修筑深井，深井頂端設置管道密封件、CO 2注入管道、固廢注入管道，底端設置管道密封件，高壓井端傾角大于30°，便于后續(xù)物料排出；

（2）將CO 2與含硅酸鹽礦物的固廢同時注入管道，固廢粒徑為10μm～20mm，固廢可為煤矸石、尾礦砂，CO 2為液態(tài)，固廢漿液裹挾CO 2向下運動；

（3）利用流體輸送機械同時注入固廢漿液、CO 2，直至高壓井填滿，CO 2為液態(tài)，充入空氣，使高壓井內壓力達到30MPa以上；

（4）CO 2與含硅酸鹽的固廢在高壓井中混合、反應，硅酸鹽礦物轉化為方解石、菱鎂礦，反應500min后，打開封閉件，高壓井向下排出反應后物料；

（5）重復步驟（3）～（4），直至物料被反應完畢。

（三）充填區(qū)

實施例7：

（1）選用充填區(qū)捕集CO 2，在充填區(qū)掘進坑道中設置密封構筑物、CO 2高壓管路、固廢輸送管；

（2）將固廢輸送至充填區(qū)內部分散堆積，固廢粒徑為10μm～20mm，CaO、MgO質量分數為固廢總重5％，固廢堆積體積為充填區(qū)85％，固廢為尾礦砂、粉煤灰、煤矸石等含硅酸鹽選冶固廢；

（3）通過管道輸送CO 2，CO 2為氣相，注入的量為固廢總重量的5％。

實施例8：

（1）選用充填區(qū)捕集CO 2，在充填區(qū)掘進坑道中設置密封件、CO 2注入管道、固廢輸送管；

（2）將固廢輸送至充填區(qū)內部分散堆積，固廢粒徑為10μm～50mm，CaO、MgO質量分數為固廢總重10％，固廢堆積體積為充填區(qū)90％，固廢可為尾礦砂、粉煤灰、煤矸石等含硅酸鹽選冶固廢；

（3）通過管道輸送CO 2，CO 2為固相或液相，輸入至徹底填滿充填區(qū)空間，封閉充填區(qū)。

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