一种碳中和的固废浸出-CO2矿化循环系统和工艺的制作方法

一种碳中和的固废浸出
‑
co2矿化循环系统和工艺
技术领域
1.本发明涉及碱性废弃物处理与可再生资源的有效利用领域，具体的讲是 一种碳中和的固废浸出
‑
co2矿化循环系统和工艺。


背景技术：

2.碱性固体废料指人们日常生活、生产建设和其他活动产生的固体废弃物， 主要包括粉煤灰、生物质灰、钢渣等，来源多、产量大。如若处理不当，将 会严重危害生态环境，如侵占土地、污染水体、影响土壤等。目前，碱性固 废的处理主要面临三个挑战:(1)产量巨大，加剧填埋饱和；(2)部分碱性固废 如粉煤灰存在极大的重金属浸出风险；(3)传统固废处理技术成本昂贵。因此， 亟需开发一种绿色、廉价的碱性固废利用工艺。
3.作为最主要的温室气体，co2过量排放所导致的全球气温升高已成为全 球亟待解决的环境问题。温室气体浓度不断增加，导致吸收与发射的能量不 平衡，使得全球降水量重新分配、冰川和冻土消融、海平面上升等，不但危 害自然生态系统的平衡，而且威胁人类的生存。发展co2捕集、利用、封存 技术(简称ccus技术)已迫在眉睫。co2吸收
‑
矿化一体化技术是一项极具 前景的co2处理技术，具有高效的co2吸收性能以及低的能量消耗。考虑到大 多碱性固废中主要成分cao为矿化固碳的理想原料，其可与co2反应生产 caco3,实现安全永久的co2固定。尽管该工艺能有效解决碱性固废问题，但 矿化后产品价值较低、固废转化率低。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种碳中和的固废浸出
ꢀ‑
co2矿化循环系统和工艺，本发明可同时实现二氧化碳的捕集、碱性固体废 料降毒降碱及高纯碳酸钙制备。
5.为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
6.一种碳中和的固废浸出
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co2矿化循环系统，包括碱性固废储存罐、碱性 固废浸出组件和二氧化碳矿化组件，所述碱性固废储存罐用于储存碱性固体 废料，所述碱性固废处理组件用于先将碱性固体废料和质子化氨基酸混合液 进行浸出反应，并将反应后的浆体进行固液分离，得到高浓度氨基酸盐与金 属离子混合液和处理后低碱低毒的碱性固体废料，将处理后低碱低毒的碱性 固体废料输送到处理后固废储存罐中，将高浓度氨基酸盐及金属离子混合溶 液输入二氧化碳矿化组件中，所述二氧化碳矿化组件用于通过高浓度氨基酸 盐快速吸收富二氧化碳混合气体中的二氧化碳并传递给金属离子发生矿化 反应，其中钙离子优先与碳酸根结合沉淀，得到碳酸钙晶体、二氧化碳脱除 后的混合气体和质子化氨基酸，并将二氧化碳脱除后的混合气体输入储气瓶 内存储，将碳酸钙晶体和质子化氨基酸的固液悬浮溶液进行固液分离后，将 碳酸钙晶体储存于碳酸钙储存罐内，将质子化氨基酸储存于质子化氨基酸储 存罐内。
7.进一步的，所述碱性固废浸出组件包括质子化氨基酸储存罐、浸出反应 器和第一
固液分离装置，所述碱性固废储存罐上设置有碱性固废出料口，所 述浸出反应器上设置有碱性固废入料口、浸出液第一入口和反应浆体出口， 所述碱性固废出料口与碱性固废入料口连接，所述碱性固废出料口与碱性固 废入料口之间设置有第一固体输送泵，所述第一固体输送泵用于将碱性固废 储存罐内的碱性固体废料泵入浸出反应器内，所述质子化氨基酸储存罐上设 置有储存罐出口和储存罐入口，所述储存罐出口与浸出液第一入口连接，所 述储存罐出口与浸出液第一入口之间设置有第一液体泵，所述第一液体泵用 于将质子化氨基酸混合液输入浸出反应器内；
8.所述浸出反应器用于将碱性固体废料和质子化氨基酸混合液进行浸出 反应得到反应后浆体；
9.所述第一固液分离装置上设置有反应浆体入口、处理后固废出口和浸出 液出口，所述反应浆体出口与反应浆体入口连接，所述反应浆体出口与反应 浆体入口之间设置有反应浆体输送泵，所述反应浆体输送泵用于将浸出反应 器内的反应浆体泵入第一固液分离装置内，所述第一固液分离装置用于将反 应浆体进行固液分离，得到高浓度氨基酸盐与金属离子混合液和处理后低碱 低毒的碱性固体废料，所述固废储存罐中上设置有处理后固废入口，所述处 理后固废出口和处理后固废入口连接，所述处理后固废出口和处理后固废入 口之间设置有第二固体输送泵，所述第二固体输送泵用于将第一固液分离装 置内的处理后低碱低毒的碱性固体废料泵入固废储存罐中。
10.进一步的，所述二氧化碳矿化组件包括矿化反应器、富二氧化碳混合气 体储存罐、储气瓶、第二固液分离装置和碳酸钙储存罐，所述矿化反应器上 设置有浸出液第二入口、混合气入口、处理后混合气出口和悬浮液出口，所 述浸出液出口与浸出液第二入口连接，所述富二氧化碳混合气体储存罐上设 置有混合气出口，所述混合气出口和混合气入口连接，所述混合气出口和混 合气入口之间设置有第一气体泵，所述第一气体泵用于将富二氧化碳混合气 体储存罐内的富二氧化碳混合气体泵入矿化反应器内，所述矿化反应器用于 使高浓度氨基酸盐快速吸收富二氧化碳混合气体中的二氧化碳并传递给金 属离子发生矿化反应，其中钙离子优先与碳酸根结合沉淀，得到碳酸钙晶体、 二氧化碳脱除后的混合气体和质子化氨基酸，所述储气瓶上设置有处理后混 合气入口，所述处理后混合气入口与处理后混合气出口连接，所述处理后混 合气入口与处理后混合气出口之间设置有第二气体泵，所述第二气体泵用于 将矿化反应器内二氧化碳脱除后的混合气体泵入储气瓶内；
11.所述第二固液分离装置上设置有悬浮液进口、碳酸钙出口和滤液出口, 所述悬浮液进口和悬浮液出口连接，所述第二固液分离装置用于接收碳酸钙 晶体和质子化氨基酸的固液悬浮溶液，并将碳酸钙晶体分离从固液悬浮溶液 分离出来，得到碳酸钙晶体和质子化氨基酸溶液，所述碳酸钙储存罐上设置 有碳酸钙入口，所述碳酸钙入口与碳酸钙出口连接，所述碳酸钙入口与碳酸 钙出口之间设置有第三固体输送泵，所述第三固体输送泵用于将固液分离装 置分离出的碳酸钙晶体泵入碳酸钙储存罐内。
12.进一步的，所述滤液出口与储存罐入口连接，所述滤液出口与储存罐入 口之间设置有第二液体泵，所述第二液体泵用于将固液分离装置内的质子化 氨基酸溶液泵入储存罐内。
13.一种碳中和的固废浸出
‑
co2矿化循环工艺，包括以下步骤：
14.步骤1、将碱性固废储存罐中的碱性固体废料与质子化氨基酸储存罐中 的质子化
氨基酸溶液输送至于浸出反应器中，进行浸出反应，得到反应后的 浆体，并将反应后的浆体输送至第一固液分离装置中；
15.步骤2、第一固液分离装置对反应浆体进行固液分离后，得到高浓度氨 基酸盐与金属离子混合液和处理后低碱低毒的碱性固体废料，将处理后低碱 低毒的碱性固体废料输送至处理后固废储存罐中储存，将高浓度氨基酸盐与 金属离子混合液输送至矿化反应器中；
16.步骤3、将富二氧化碳混合气体储存罐内富二氧化碳混合气体中的二氧 化碳输送至矿化反应器内，通过高浓度氨基酸盐吸收富二氧化碳混合气体中 的二氧化碳并传递给金属离子混合液中的钙离子以发生矿化反应，其中钙离 子优先与碳酸根结合沉淀，得到碳酸钙晶体、二氧化碳脱除后的混合气体和 质子化氨基酸，二氧化碳脱除后的混合气体被输送至储气瓶内存储，碳酸钙 晶体和质子化氨基酸的固液悬浮溶液输送至第二固液分离装置内；
17.步骤4、第二固液装置对碳酸钙晶体和质子化氨基酸的固液悬浮溶进行 固液分离，得到碳酸钙晶体和质子化氨基酸溶液，碳酸钙晶体输送至碳酸钙 储存罐内储存，质子化氨基酸溶液输送至质子化氨基酸储存罐内储存，以循 环使用。
18.进一步的，所述步骤1中质子化氨基酸溶液的质子化程度为20％
‑
80％，氨 基酸的浓度为1
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2mol/l；
19.浸出反应的时间为1
‑
2小时，浸出反应器的搅拌轴转速为200
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400转/ 分钟。
20.本发明采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：
21.本发明适用于多场景co2捕集，如处理对象为沼气时，co2脱除率可达95％， 大幅度脱除沼气中co2并将其以固体的形式永久封存，并有望获得甲烷含量 超过95％的生物天然气；
22.本发明利用质子化氨基酸选择性回收碱性固体废料中金属离子，通过 co2矿化反应获得高价值高纯度(>98％)的纳米级caco3，可用于高级涂料、 特制混凝土砖、化妆品等，提高工艺经济效益；
23.本发明利用不同状态的氨基酸作为浸出剂、吸收剂、晶体调控剂，绿色 环保，可实现试剂循环使用降低生产成本，有利于实现工业化推广；
24.本发明集碱性固体废料处理、co2捕集、制备纳米caco3于一体，可减少 设备投资费用、降低设备占地面积，处理成本为100
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150元/吨
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碱性固废， 系统收益约为200
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300元/吨
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碱性固废。
25.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图说明
26.图1为本发明的结构示意图；
27.图2为球霰石的sem图；
28.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
29.1、碱性固废储存罐；1.1、碱性固废出料口；2、质子化氨基酸储存罐； 2.1、浸出液出口；2.2、浸出液入口；3、浸出反应器；3.1、碱性固废入料 口；3.2、浸出液入口；3.3、反应浆体出口；4、第一固液分离装置；4.1、 反应浆体入口；4.2、处理后固废出口；4.3、浸出液出
口；5处理后固废储 存罐；5.1、处理后固废入口；6、矿化反应器；6.1浸出液入口；6.2、富 co2混合气入口；6.3、处理后混合气出口；6.4、悬浮液出口；7、富co2混 合气贮存罐；7.1混合气出气口；8、储气瓶；8.1、处理后混合气入口；9、 第二固液分离装置；9.1、悬浮液进口；9.2、碳酸钙出口；9.3、滤液出口； 10、碳酸钙储存罐；10.1、碳酸钙入口；11.1、第一固体输送泵；112、第 一液体泵；11.3、反应浆体输送泵；11.4、第二固体输送泵；11.5、第一气 体泵；11.6、第二气体泵；11.7、第三固体输送泵；11.8第二液体泵。
具体实施方式
30.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本 发明，并非用于限定本发明的范围。
31.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、
ꢀ“
左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”“顺时针”“逆时 针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了 便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有 特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.如图1所示，一种碳中和的固废浸出
‑
co2矿化循环系统，包括碱性固废储 存罐1、碱性固废浸出组件和二氧化碳矿化组件，所述碱性固废储存罐1用于 储存碱性固体废料，所述碱性固废处理组件用于先将碱性固体废料和质子化 氨基酸混合液进行浸出反应，并将反应后的浆体进行固液分离，得到高浓度 氨基酸盐与金属离子混合液和处理后低碱低毒的碱性固体废料，将处理后低 碱低毒的碱性固体废料输送到处理后固废储存罐中5，将高浓度氨基酸盐及 金属离子混合溶液输入二氧化碳矿化组件中，所述二氧化碳矿化组件用于通 过高浓度氨基酸盐快速吸收富二氧化碳混合气体中的二氧化碳并传递给金 属离子发生矿化反应，其中钙离子优先与碳酸根结合沉淀，得到碳酸钙晶体、 二氧化碳脱除后的混合气体和质子化氨基酸，并将二氧化碳脱除后的混合气 体输入储气瓶8内存储，将碳酸钙晶体和质子化氨基酸的固液悬浮溶液进行 固液分离后，将碳酸钙晶体储存于碳酸钙储存罐10内，将质子化氨基酸储存 于质子化氨基酸储存罐2内。
33.作为一种实施方式，所述碱性固废浸出组件包括质子化氨基酸储存罐2、 浸出反应器3和第一固液分离装置4，所述碱性固废储存罐1上设置有碱性固 废出料口1.1，所述浸出反应器3上设置有碱性固废入料口3.1、浸出液第一 入口3.2和反应浆体出口3.3，所述碱性固废出料口1.1与碱性固废入料口3.1 连接，所述碱性固废出料口1.1与碱性固废入料口3.1之间设置有第一固体输 送泵11.1，所述第一固体输送泵11.1用于将碱性固废储存罐1内的碱性固体 废料泵入浸出反应器3内，所述质子化氨基酸储存罐2上设置有储存罐出口 2.1和储存罐入口2.2，所述储存罐出口2.1与浸出液第一入口3.2连接，所述 储存罐出口2.1与浸出液第一入口3.2之间设置有第一液体泵11.2，所述第一 液体泵11.2用于将质子化氨基酸混合液输入浸出反应器3内；
34.所述浸出反应器3用于将碱性固体废料和质子化氨基酸混合液进行浸出 反应得到反应后浆体；
35.所述第一固液分离装置4上设置有反应浆体入口4.1、处理后固废出口 4.2和浸出液出口4.3，所述反应浆体出口3.3与反应浆体入口4.1连接，所述 反应浆体出口3.3与反应浆体入口4.1之间设置有反应浆体输送泵11.3，所述 反应浆体输送泵11.3用于将浸出反应
器3内的反应浆体泵入第一固液分离装 置4内，所述第一固液分离装置4用于将反应浆体进行固液分离，得到高浓度 氨基酸盐与金属离子混合液和处理后低碱低毒的碱性固体废料，所述固废储 存罐中5上设置有处理后固废入口5.1，所述处理后固废出口4.2和处理后固 废入口5.1连接，所述处理后固废出口4.2和处理后固废入口5.1之间设置有 第二固体输送泵11.4，所述第二固体输送泵11.4用于将第一固液分离装置4 内的处理后低碱低毒的碱性固体废料泵入固废储存罐5中。
36.作为一种实施方式，所述二氧化碳矿化组件包括矿化反应器6、富二氧 化碳混合气体储存罐7、储气瓶8、第二固液分离装置9和碳酸钙储存罐10， 所述矿化反应器6上设置有浸出液第二入口6.1、混合气入口6.2、处理后混 合气出口6.3和悬浮液出口6.4，所述浸出液出口4.3与浸出液第二入口6.1连 接，所述富二氧化碳混合气体储存罐7上设置有混合气出口7.1，所述混合气 出口7.1和混合气入口6.2连接，所述混合气出口7.1和混合气入口6.2之间设 置有第一气体泵11.5，所述第一气体泵11.5用于将富二氧化碳混合气体储存 罐7内的富二氧化碳混合气体泵入矿化反应器6内，所述矿化反应器6用于使 高浓度氨基酸盐快速吸收富二氧化碳混合气体中的二氧化碳并传递给金属 离子发生矿化反应，其中钙离子优先与碳酸根结合沉淀，得到碳酸钙晶体、 二氧化碳脱除后的混合气体和质子化氨基酸，所述储气瓶8上设置有处理后 混合气入口8.1，所述处理后混合气入口8.1与处理后混合气出口6.3连接， 所述处理后混合气入口8.1与处理后混合气出口6.3之间设置有第二气体泵 11.6，所述第二气体泵11.6用于将矿化反应器6内二氧化碳脱除后的混合气 体泵入储气瓶8内；
37.所述第二固液分离装置9上设置有悬浮液进口9.1、碳酸钙出口9.2和滤 液出口9.3,所述悬浮液进口9.1和悬浮液出口6.4连接，所述第二固液分离装 置9用于接收碳酸钙晶体和质子化氨基酸的固液悬浮溶液，并将碳酸钙晶体 分离从固液悬浮溶液分离出来，得到碳酸钙晶体和质子化氨基酸溶液，所述 碳酸钙储存罐10上设置有碳酸钙入口10.1，所述碳酸钙入口10.1与碳酸钙出 口9.2连接，所述碳酸钙入口10.1与碳酸钙出口9.2之间设置有第三固体输送 泵11.7，所述第三固体输送泵11.7用于将固液分离装置9分离出的碳酸钙晶 体泵入碳酸钙储存罐10内。
38.作为一种实施方式，所述滤液出口9.3与储存罐入口2.2连接，所述滤液 出口9.3与储存罐入口2.2之间设置有第二液体泵11.8，所述第二液体泵11.8 用于将固液分离装置9内的质子化氨基酸溶液泵入储存罐2内。
39.作为一种实施方式，浸出反应器3采用耐强酸、强碱、强腐蚀性材料制 成，浸出反应器3内设置有搅拌装置，矿化反应器6内设置有搅拌装置和分离 装置，分离装置用于将气体和悬浮液分离；
40.作为一种实施方式，第一固液分离装置4内设置有用于分离碱性固废和 浸出液的过滤筛网；第二固液分离装置9内设置用于分离碳酸钙晶体和质子 化氨基酸溶液的过滤筛网；
41.作为一种实施方式，第一固体输送泵11.1、反应浆体输送泵11.3、第二 固体输送泵11.4和第三固体输送泵11.7均为具有高忍受悬浮物特性的泵。
42.一种碳中和的固废浸出
‑
co2矿化循环工艺，包括以下步骤：
43.步骤1、将碱性固废储存罐1中的碱性固体废料与质子化氨基酸储存罐2 的1
‑
2mol/l、质子化程度为20％
‑
80％的质子化氨基酸溶液输送至于浸出反应 器3中，进行1
‑
2小时的浸出反应(ca
2
浸出率可达50％以上)，浸出反应器3 的搅拌轴转速为200
‑
400转/分钟，得到反应后的浆体，并将反应后的浆体输 送至第一固液分离装置4中；
44.步骤2、第一固液分离装置4对反应浆体进行固液分离后，得到高浓度氨 基酸盐与金属离子混合液和处理后低碱低毒的碱性固体废料(处理后的低碱 低毒的碱性固体废料ph<9,且毒性降低，重金属离子<5mg/l)，将处理后低 碱低毒的碱性固体废料输送至处理后固废储存罐5中储存，将高浓度氨基酸 盐与金属离子混合液输送至矿化反应器6中；
45.步骤3、将富二氧化碳混合气体储存罐7内富二氧化碳混合气体中的二氧 化碳输送至矿化反应器7内，矿化反应器7的搅拌轴转速为200
‑
400转/分钟， 高浓度氨基酸盐快速吸收二氧化碳并优先传递给钙离子发生矿化反应，脱除 富二氧化碳混合气体中的二氧化碳(脱除率可到达95％)，高浓度的氨基酸 盐具有高的co2吸收性能，加速co2与钙离子的结合，1h内快速完成co2矿化为 caco3晶体的过程，而氨基酸盐转化成质子化氨基酸，得到二氧化碳脱除后的 混合气体、碳酸钙晶体和质子化氨基酸，二氧化碳脱除后的混合气体被输送 至储气瓶8内存储，碳酸钙晶体和质子化氨基酸的固液悬浮溶液输送至第二 固液分离装置9内；
46.步骤4、第二固液装置9对碳酸钙晶体和质子化氨基酸的固液悬浮溶进行 固液分离，得到碳酸钙晶体和质子化氨基酸溶液，将碳酸钙晶体进行烘干， 经烘干后可实现0.1
‑
0.3g
‑
caco3/g
‑
固废的产率，产品纯度>98％，碳酸钙晶体 输送至碳酸钙储存罐10内储存，质子化氨基酸溶液输送至质子化氨基酸储存 罐2内储存，以循环使用。
47.上述技术方案中，通过步骤1可实现碱土金属离子的浸出，同时实现质 子化氨基酸到氨基酸盐的转变，为下一步co2捕集提供强的co2吸收剂；
48.通过步骤3可实现多场景co2捕集，脱除co2后混和气可进行达标排放或 者进行后续利用，如沼气经该系统处理后可获得高浓度的生物天然气，可缓 解天然气气荒问题。此外该矿化过程由于co2曝气，提供富余氢离子，实现 质子化氨基酸的再生，可重新作为浸出剂进行碱性固废浸出；
49.通过步骤3、4可获得纳米caco3，氨基酸盐作为晶体调控剂对caco3生长 过程中的形貌、粒度、晶相有一定的影响，可诱导其转化成更高研究价值、 应用价值的球霰石(如图2所示)。
50.本发明利用质子化氨基酸溶液作为浸出剂，强化碱性固废中碱土金属离 子的浸出，经固液分离后获得高浓度的氨基酸盐和碱土金属离子溶液；利用 浸出液作为co2吸收剂进行co2捕集，碱性的氨基酸盐提供高co2吸收速率，碱 土金属离子进一步将co2矿化为高纯碳酸盐，同时实现质子化氨基酸溶液的循 环再生，可继续用于碱性固废浸出；经过浸出过程后的碱性固废毒性碱性降 低，可进行城市绿化带施用，有效改良土壤；矿化反应获取的高纯纳米碳酸 钙具有极高的应用价值。
51.以上所述为本发明最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本 领域普通技术人员的公知常识。本发明的保护范围以权利要求的内容为准， 任何基于本发明的技术启示而进行的等效变换，也在本发明的保护范围之内。