一种基于工业碱性固废的固碳胶凝材料二氧化碳矿化捕集系统及方法

本发明涉及二氧化碳捕集、利用与封存（ccus）及工业固废资源化利用，具体是一种基于工业碱性固废的固碳胶凝材料二氧化碳矿化捕集系统及方法。

背景技术：

1、全球气候变化的核心问题在于二氧化碳等温室气体的过量排放。除火力发电、煤化工等典型行业外，各类工业生产过程均可能产生大量碱性工业固废，如钢渣、电石渣、粉煤灰、冶炼废渣等。这些固废的堆存不仅占用土地资源，还存在环境污染与生态风险。与此同时，水泥等传统胶凝材料的生产过程本身也属于高碳排放行业，亟需寻求低碳替代材料。

2、目前，二氧化碳捕集技术主要包括胺液吸收、膜分离等，但存在成本高、能耗大、溶剂损耗与二次污染等问题。二氧化碳矿化封存技术是一种具有前景的永久性封存方案，但其普遍面临反应速率慢、过程能耗高、经济性差等挑战。近年来，利用富含钙、镁等碱性元素的工业固废（如钢渣、粉煤灰）进行矿化封存co2的技术受到关注。这些固废既是反应原料，又是封存co2的产物载体，实现了“以废治废”。然而，现有的矿化技术往往存在固废中碱性组分溶出效率低、矿化反应速率慢、反应条件苛刻（如高温高压）、后续产物分离困难以及难以连续化稳定运行等问题，限制了其大规模工业化应用。

3、例如，中国发明专利（cn109012089a）公开了一种钢铁烧结烟气中二氧化碳捕集的系统及方法，其利用钢铁企业自有的烧结除尘灰（含cao）与冶金废水制成浆液，通过“三级喷淋塔（浆液塔）”与烧结烟气逆流接触，矿化吸收co2生成caco3沉淀。但该技术将沉淀的固体碳酸钙运输回钢铁厂烧结配料系统进行循环，会导致固定的二氧化碳重新散逸。中国发明专利（cn cn118180120a）公开了一种基于二氧化碳分级封存利用的大宗固废碳化方法，其将铁尾矿、钢渣、粉煤灰等碱性固废经干燥、破碎、造粒后，依次送入多级固定床碳化反应器，通入低、中、高三种浓度的co2气体进行分段碳酸化，使固废颗粒表面及孔隙中生成碳酸钙、碳酸镁等稳定矿物，从而实现co2永久封存与建材化利用。但该技术采用多级固定床碳化反应器，气固接触效率低，co2吸收速率慢。

4、因此，需要开发一种可高效吸收烟气中的二氧化碳，并将矿化产生的碳酸钙用于建材，长效封存于建筑构件中，具有较高的转化率，可操作性强的生产系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于工业碱性固废的固碳胶凝材料二氧化碳矿化捕集系统及方法，以解决现有技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于工业碱性固废的固碳胶凝材料二氧化碳矿化捕集系统，该系统包括：

3、二氧化碳矿化捕集装置、原料处理装置、液相离子活化装置、压滤固液分离装置和打包装置；

4、所述二氧化碳矿化捕集装置包括：

5、喷淋吸收塔，喷淋吸收塔上设有进气口、排气口、进液口和排浆口；

6、所述喷淋吸收塔的进气口设于塔体下部，进气口通过管路与气体干燥器连接，气体干燥器与进气口之间还连接有稳压装置；

7、所述喷淋吸收塔的排气口设于塔体顶部，连接有尾气处理装置；

8、所述喷淋吸收塔的进液口设于塔体顶部，喷淋吸收塔的排浆口设于塔体底部，进液口与排浆口之间还设置有液相循环搅拌装置，用于将塔底浆液泵回塔顶进行循环喷淋；

9、所述原料处理装置用于对工业碱性固废进行预处理，制备特定粒径范围的粉末供液相离子活化装置使用；

10、所述液相离子活化装置出液口与所述喷淋吸收塔的进液口连接；

11、所述喷淋吸收塔的排浆口还与所述压滤固液分离装置的进口连接，压滤固液分离装置的滤液出口与液相离子活化装置的进口连接，压滤固液分离装置与液相离子活化装置之间还设置有杂质清洗装置，用于实现滤液的循环利用；

12、所述打包装置与压滤固液分离装置的固体出口连接，用于将所得的湿滤饼进行干燥、计量和包装。

13、作为优选的技术方案，所述原料处理装置包括依次连接的破碎机、球磨机和筛分机，用于将工业固废破碎、粉磨至特定粒径范围并筛分。

14、作为优选的技术方案，所述液相离子活化装置包括活化反应釜、加药仓以及反应釜搅拌器，反应釜搅拌器设置于活化反应釜的内部，加药仓与活化反应釜的进料口连接，用于向活化反应釜中添加活化剂。

15、作为优选的技术方案，所述液相循环搅拌装置包括循环泵和防沉底搅拌器，循环泵的进口与所述喷淋吸收塔底部的排浆口相连，其出口通过循环管路与所述喷淋吸收塔顶部的进液口相连；所述防沉底搅拌器设置于喷淋吸收塔内部底部，用于悬浮和混合浆液中的固体颗粒，防止沉降，确保搅拌均匀。

16、作为优选的技术方案，所述喷淋吸收塔内多处设置有ph传感器、液位计、流量计以及压力传感器，用于监测喷淋吸收塔内状态。

17、作为优选的技术方案，所述尾气处理装置包括洗涤器，洗涤器设置在喷淋吸收塔的排气口，用于对未反应的残余尾气进行净化处理；所述洗涤器上还设置有用于实时监测尾气中的二氧化碳浓度的在线气体分析仪，在线气体分析仪实时监测的数据传送至控制装置。

18、作为优选的技术方案，所述控制装置为plc或dcs控制系统，控制装置的信号输入端与所述在线气体分析仪、ph传感器、液位计、流量计及压力传感器连接；控制装置的控制输出端与所述循环泵、防沉底搅拌器、所述液相离子活化装置的加药仓、以及所述稳压装置的控制阀电性连接，用于实现对矿化反应过程的自动闭环控制。

19、作为优选的技术方案，所述喷淋吸收塔内还设置有多级喷淋层和导流隔板，以增大气液传质面积。

20、作为优选的技术方案，所述压滤固液分离装置为板框压滤机或带式压滤机。

21、一种基于工业碱性固废的固碳胶凝材料二氧化碳矿化捕集系统的使用方法，包括以下步骤：

22、s1、通过原料处理装置对工业碱性固废进行破碎、粉磨和筛分，得到固体粉末；

23、s2、将固体粉末送入液相离子活化装置，与水混合制浆并添加化学活化剂进行活化，得到活化浆液；

24、s3、将外部碳源提供的含co2工业尾气经气体干燥器干燥和稳压装置稳压后，从喷淋吸收塔下部进气口通入，同时液相离子活化装置将活化浆液从喷淋吸收塔顶部进液口喷入，使活化浆液与气体逆流接触进行矿化反应，启动液相循环搅拌装置，将塔底浆液循环泵回塔顶喷淋并搅拌塔内浆液；

25、s4、反应过程中，通过控制装置持续监测喷淋吸收塔的ph值、压力、液位以及尾气处理装置出口的co2浓度。当监测到体系ph值持续下降并接近中和点，或尾气中co2浓度出现快速上升趋势时，控制系统可自动触发声光报警，提示操作人员；

26、s5、待反应后的浆液在喷淋吸收塔塔底积累至设定液位后，将反应后的浆液从塔底排入压滤固液分离装置进行固液分离，得到固碳胶凝材料滤饼和滤液，所述滤液会经过杂质清洗装置进行除杂后回流至液相离子活化装置中循环利用；

27、s6、将所述滤饼经打包装置干燥、计量、包装，得到固碳胶凝材料产品。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、本发明可在室温等温的简单条件下，直接以工业固废和含co2工业尾气为原料制备固碳胶凝材料，所得产物凝胶特性优良，该材料可作为辅助胶凝材料替代高能耗、高碳排放的传统胶凝材料，有效提升胶凝体系性能，适用于制备低碳混凝土建材。本发明创新性地利用工业固废浆液脱除工业尾气中的co2的工艺方法，对浓度10%~99%的工业尾气，co2脱除率可超过70%，在高效固碳的同时实现工业固废的就地协同消纳，显著增强资源循环再生能力。该方法不仅大幅降低固碳胶凝材料全生命周期的碳排放，而且节约辅助胶凝材料的生产成本，兼具突出的环保效益与经济效益。