彭 犇,岳昌盛,李玉祥,周 媛
(1.中冶建筑研究總院有限公司,北京 100088; 2.西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710055)
當(dāng)前,CO2排放引起的溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重,CO2的減排及捕集固定成為全球研究的熱點(diǎn)[1]。與此同時(shí),鋼渣作為冶金生產(chǎn)排放的大宗固廢,資源化利用率很低,對環(huán)保造成了巨大壓力,已成為制約我國鋼鐵企業(yè)發(fā)展的難題[2]。我國鋼渣利用率僅為25%左右,主要原因是鋼渣中含有較多的游離CaO,導(dǎo)致鋼渣體積安定性不良,用作建筑材料存在安全隱患[3]。鋼渣碳酸化可實(shí)現(xiàn)CO2的捕集與封存,且可消除游離CaO,具有很好的發(fā)展前景[4-6]。
近年來,鋼渣碳酸化的研究較多,利用不同方法可實(shí)現(xiàn)鋼渣的直接碳酸化或間接碳酸化[7]。Chang等[8]利用流水將CO2帶入鋼渣中,在最佳條件下可實(shí)現(xiàn)90%的碳酸化率;Stolaroff等[9]通過循環(huán)水噴淋鋼渣,但CO2固定效果較差。唐衛(wèi)軍等[10]對轉(zhuǎn)爐鋼渣進(jìn)行了穩(wěn)定化實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)水蒸氣和CO2同時(shí)通入時(shí)有利于游離CaO的消解并生成Ca(OH)2和CaCO3。采用中間反應(yīng)介質(zhì)提高鋼渣碳酸化反應(yīng)速率可實(shí)現(xiàn)間接碳酸化固定CO2,如Teir等[11]利用乙酸為反應(yīng)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)鋼渣中Ca2+的浸出,然后實(shí)現(xiàn)CO2的固定,但碳酸化率偏低;包煒軍等[12]在鋼渣浸出液中添加有機(jī)溶劑磷酸三丁酯,提高了碳酸化反應(yīng)的結(jié)晶轉(zhuǎn)化率;Hall等[13]以NH4Cl溶液為反應(yīng)介質(zhì),反應(yīng)過程分為鋼渣中Ca2+的浸出和碳酸化反應(yīng),浸出Ca2+的碳酸化率達(dá)到95%以上。另外,在鋼渣改性后固定CO2的鋼渣碳酸化研究也較多[14-15]。但這些研究限于常溫條件,對高溫鋼渣的碳酸化研究目前不夠系統(tǒng)。白智韜等[16]研究了CO2氣體直接通入熱態(tài)鋼渣進(jìn)行碳酸化固定的碳酸化方法,探討了CO2氣體對鋼渣組成和性能的影響。本文系統(tǒng)研究鋼渣在不同氣氛及溫度下,鋼渣碳酸化反應(yīng)的規(guī)律,得到不同氣氛下鋼渣碳酸化的溫度區(qū)間,同時(shí)借助熱重分析方法[17],計(jì)算較優(yōu)條件下鋼渣碳酸化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)。
實(shí)驗(yàn)所用鋼渣為上海寶鋼的轉(zhuǎn)爐鋼渣。采用XRD測定鋼渣樣品礦物成分,分析結(jié)果如圖1所示。采用X射線熒光(XRF)分析鋼渣樣品化學(xué)組成,以各元素氧化物的形式表示,如表1所示。
表1 鋼渣的主要化學(xué)組成Table 1 Main chemical composition of the steel slag
圖1 鋼渣的XRD譜Fig.1 XRD pattern of the steel slag
將鋼渣用球磨機(jī)粉磨后制得鋼渣粉,通過標(biāo)準(zhǔn)篩篩分分析,超過90%的鋼渣粉處于80~125 μm區(qū)間內(nèi),125 μm篩孔標(biāo)準(zhǔn)篩篩余0.22%,將粉磨后的鋼渣粉壓制成直徑為20 mm的鋼渣球,在105 ℃充分干燥后用于碳酸化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)在熱分析儀中進(jìn)行,將鋼渣球樣品放入氧化鋁坩堝中,置于熱分析儀反應(yīng)倉中。先對爐膛抽真空至真空度0.07 MPa,然后通入不同氣氛的氣體,整個(gè)碳酸化實(shí)驗(yàn)中保持0.01 MPa的微正壓。
鋼渣原料通過X射線熒光分析儀進(jìn)行檢測分析,鋼渣球高溫碳酸化反應(yīng)后,刮下表層1~2 mm鋼渣粉,利用X射線衍射分析儀(D/MAX2200,Cu Kα靶,波長0.154 18 nm)對不同實(shí)驗(yàn)條件下的樣品進(jìn)行礦物相分析。
分別在空氣、單獨(dú)通入CO2、通入CO2和水蒸氣的氣氛下,600 ℃時(shí)焙燒1 h得到鋼渣試樣,其XRD譜如圖2所示。由圖2可以看出,空氣氣氛下焙燒的鋼渣試樣中游離CaO的衍射峰很明顯,當(dāng)單獨(dú)通入CO2時(shí),游離CaO衍射峰明顯減弱(2θ=24.18°處),當(dāng)同時(shí)通入CO2與水蒸氣時(shí),游離CaO衍射峰明顯進(jìn)一步減弱(2θ=24.18°處),在2θ=37.67°處幾乎看不到游離CaO的衍射峰,這說明CO2濃度的提高有利于鋼渣碳酸化反應(yīng)的進(jìn)行,而加入水蒸氣后鋼渣碳酸化反應(yīng)更容易進(jìn)行。加入水蒸氣后,游離CaO與H2O反應(yīng)先生成Ca(OH)2,Ca(OH)2再與CO2反應(yīng)生成CaCO3,Ca(OH)2中間產(chǎn)物能更快地促進(jìn)碳酸化反應(yīng)。
圖3為單一通入CO2氣體,分別在400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃、800 ℃下進(jìn)行碳酸化反應(yīng)1 h時(shí)得到的鋼渣試樣的XRD譜。從圖中可以看出,400 ℃碳酸化反應(yīng)的鋼渣試樣的游離CaO衍射峰都很明顯,說明此溫度下游離CaO含量較高,碳酸化反應(yīng)速率很慢。隨著溫度的升高,游離CaO衍射峰有較明顯減弱,尤其在600 ℃和700 ℃時(shí),游離CaO衍射峰變得很小,同時(shí)700 ℃時(shí),CaCO3的衍射峰比400 ℃時(shí)明顯增強(qiáng)(2θ=29.42°處),這說明在單一CO2氣氛下,溫度升高有利于鋼渣碳酸化反應(yīng)的進(jìn)行,提高反應(yīng)速率,碳酸化率增加。但當(dāng)溫度升高到800 ℃時(shí),游離CaO衍射峰又明顯增強(qiáng),而CaCO3的衍射峰明顯減弱,這說明此時(shí)CaCO3的分解反應(yīng)速率加快,而碳酸化反應(yīng)速率變慢。因此,在單一CO2氣氛下,鋼渣碳酸化反應(yīng)的適宜溫度范圍為600~700 ℃。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果與Alonso等[18]對氧化鈣基高溫CO2吸附材料吸附CO2的典型操作溫度(600~700 ℃)的研究結(jié)論相吻合。
圖2 不同氣氛下600 ℃焙燒的鋼渣試樣XRD譜Fig.2 XRD patterns of the steel slag samples calcined at 600 ℃ in different atmospheres
圖3 CO2氣氛下不同溫度時(shí)鋼渣試樣的XRD譜Fig.3 XRD patterns of the steel slag samples at different temperatures in CO2 atmosphere
圖4為同時(shí)通入CO2和水蒸氣,分別在400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃下進(jìn)行碳酸化反應(yīng)1 h時(shí)得到的鋼渣試樣的XRD譜。從圖中可以看出,400 ℃時(shí)能看到游離CaO的衍射峰,但到600 ℃時(shí)明顯減弱,CaCO3的衍射峰在400 ℃時(shí)已比較明顯,隨溫度升高有較明顯的增強(qiáng),說明隨著溫度的升高,鋼渣碳酸化速率變快,碳酸化率增加。但當(dāng)溫度升高到700 ℃時(shí),游離CaO衍射峰又明顯增強(qiáng),CaCO3的衍射峰明顯減弱,這說明700 ℃時(shí)CaCO3的分解速率大大超過了CaO的碳酸化速率。與單一CO2氣氛相比,加入水蒸氣后使鋼渣碳酸化反應(yīng)速率較快,所需的溫度降低,水蒸氣的加入有利于碳酸化反應(yīng)的進(jìn)行。
在CO2和水蒸氣氣氛下,當(dāng)溫度超過600 ℃時(shí),CaCO3分解速率開始大于CaO碳酸化反應(yīng)速率。分別以2 ℃/min、5 ℃/min、8 ℃/min的升溫速率升溫,鋼渣試樣的DTG曲線如圖5所示??梢钥吹?,隨著升溫速率的增加,導(dǎo)致溫度滯后,鋼渣碳酸化反應(yīng)的速率波動(dòng)較大。在升溫速率為5 ℃/min、8 ℃/min時(shí),在424 ℃處有一明顯增重峰,結(jié)合圖4的XRD譜分析可知,此溫度處鋼渣碳酸化生成CaCO3速率較快,為放熱反應(yīng),對應(yīng)圖5中A處放熱特征點(diǎn)。當(dāng)溫度超過600 ℃時(shí),鋼渣試樣的失重速率變快,說明CaCO3的分解反應(yīng)變快,游離CaO增多,碳酸化率降低,此時(shí)為吸熱反應(yīng),對應(yīng)圖5中B處吸熱特征點(diǎn)。升溫速率的提高有利于鋼渣碳酸化反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行。
圖4 CO2和水蒸氣氣氛下不同溫度時(shí) 鋼渣試樣的XRD譜Fig.4 XRD patterns of the steel slag samples at different temperatures in CO2 and water vapor atmosphere
圖5 不同升溫速率下鋼渣試樣的DTG曲線Fig.5 DTG curves of the steel slag samples at different heating rates
從圖5的DTG數(shù)據(jù)可以得到不同溫度下的反應(yīng)速率r,根據(jù)關(guān)系式(1),可繪制出某個(gè)溫度下lnr和lnw的關(guān)系曲線。
圖6 鋼渣碳酸化反應(yīng)的Arrhenius擬合曲線Fig.6 Arrhenius fitting curve of carbonation reaction of steel slag
(1)
式中:r為反應(yīng)速率,k為反應(yīng)速率常數(shù);α為反應(yīng)級數(shù);w為失重。
500 ℃時(shí),得到三個(gè)升溫速率下的r值和w值,在所得lnr-lnw圖上做線性回歸,得到一條直線,該直線在Y軸上的截距即為lnk,這樣就得到了500 ℃時(shí)的反應(yīng)速率常數(shù)k。
在400~500 ℃較窄的溫度范圍內(nèi),假設(shè)活化能數(shù)值不變,每隔5 ℃取一個(gè)溫度點(diǎn),計(jì)算出該溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)k,得到T1、T2、T3、…Ti溫度下對應(yīng)做的k1、k2、k3、…ki,然后根據(jù)Arrhenius公式做圖(lnk-T-1),通過線性回歸得到碳酸化反應(yīng)的活化能Ea和指前因子A,如圖6所示。Arrhenius公式如下:
(2)
式中,k為反應(yīng)速率常數(shù);A為指前因子;Ea為活化能;R為摩爾氣體常數(shù);T為反應(yīng)的熱力學(xué)溫度。
根據(jù)圖6可知,計(jì)算得到鋼渣碳酸化動(dòng)力學(xué)特征參數(shù),400~500 ℃范圍內(nèi)鋼渣碳酸化反應(yīng)的活化能為2.35 kJ·mol-1,擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.858。
(1)鋼渣的碳酸化反應(yīng)受反應(yīng)氣氛影響很大,600 ℃時(shí)純CO2氣氛比空氣氣氛下碳酸化反應(yīng)速率明顯提高,而同時(shí)通入CO2和水蒸氣時(shí)鋼渣碳酸化反應(yīng)速率更快,碳酸化率更高。
(2)鋼渣的碳酸化反應(yīng)在一定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高速率加快。單一CO2氣氛下,在600~700 ℃范圍內(nèi),碳酸化反應(yīng)速率較快,碳酸化率更高;在CO2和水蒸氣的氣氛下,碳酸化反應(yīng)在較低溫度下就開始進(jìn)行,在400 ℃時(shí)反應(yīng)明顯,600 ℃時(shí)碳酸化率達(dá)到最大。繼續(xù)升高溫度,CaCO3的分解反應(yīng)加快,不利于鋼渣碳酸化的進(jìn)行。
(3)在CO2和水蒸氣的氣氛下,升溫速率變大,鋼渣碳酸化反應(yīng)起始溫度降低,有利于鋼渣碳酸化反應(yīng)的進(jìn)行。
(4)400~500 ℃范圍內(nèi),同時(shí)通入CO2和水蒸氣時(shí),計(jì)算得到鋼渣碳酸化反應(yīng)的活化能為2.35 kJ·mol-1。