一种用于氨介质体系强化钙基固废矿化固定二氧化碳的反应器及使用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于废弃物资源化利用、温室气体CO2减排与资源化利用技术领域，特别涉及一种用于氨介质体系强化钙基固废矿化固定二氧化碳的反应器及使用方法。
【背景技术】
[0002]温室气体CO2排放引起的全球气候变化已经成为全世界共同关心的重大问题。国内外正在广泛开展CO2大规模处置技术的研发与工业试验。地质封存、海洋封存和矿化固定是CO2大规模处置的主要方式。CO2矿化固定不仅被看成是一种实现CO2得到稳定封存的有效方式，也是实现CO2大规模资源化利用的有效途径。相比于天然镁基矿物，利用含钙的大宗工业固体废弃物矿化固定CO2具有原料固碳能力强、反应活性高、不需要原料运输等优点。采用钙基固废通过矿物碳酸化反应固定CO2,已成为国内外研究热点，同时也在开展大规模CO2矿化固定的技术研发与工业试验。
[0003]工业石膏是化工、电力及钢铁行业产生的主要钙基固体废弃物，主要包括化肥行业湿法磷酸生产过程中产生大量工业废渣磷石膏，氟化工行业产生的含氟石膏以及电力行业脱硫过程产生的脱硫石膏，以及钢铁行业铁水脱硫过程产生的废渣。工业石膏主要成份为二水硫酸钙或无水硫酸钙，以及其他含铝硅铁矿物等杂质。工业石膏传统的综合利用途径有:用于建材行业，包括水泥缓(调)凝剂、石膏建材制品(如建筑石膏粉、纸面石膏板、外墙石膏大板，纤维石膏板)、矿坑填充剂和道路路基材料；用作土壤改良剂；用作制硫酸联产水泥或混合材料；用于硫酸按的制备。其中，最具有工业化前景的利用方式是利用工业石膏来进行碳酸化反应固定CO2，减少温室气体排放，同时生成硫酸铵用作肥料，可以有效回收利用工业石膏中的硫资源。
[0004]工业钙基固废石膏在常规反应体系中很难直接与CO2发生反应，而在氨介质体系中工业钙基固废可与CO2发生反应生成铵盐和碳酸钙。反应可以表示为如下方程:
[0005]氨介质+钙基固废+CO2 —铵盐+碳酸钙
[0006]其中钙基固废可以是工业磷石膏、氟石膏、脱硫石膏、铁水脱硫渣中的一种或几种，含氨介质可以是气氨、液氨、碳酸氢铵、碳酸铵中的一种或几种。
[0007]上述反应为气液固三相反应，如果采用较低的反应温度(<60°C)和0)2分压(〈lbar)，以及较高的液固比，存在钙基固废中硫酸钙的转化率低，反应时间长，CO2利用率低，而且需要后续硫酸中和，使得硫酸及氨消耗高，并且所得硫酸铵母液浓度较低，需要较高的硫酸氨母液蒸发能耗等问题。经研究表明，采用较高的温度(60°C -200°C)、较高的压力(lbar-20bar)、预碳化和闪蒸操作条件，就能有效解决工业石膏等钙基固废中含钙组分碳酸化过程转化率低、CO2利用率低、氨介质及硫酸消耗量大、硫酸铵母液蒸发过程能耗高等问题。目前，已经在CN103145148A专利中提出了上述的强化钙基固废矿化固定二氧化碳的方法，但此钙基固废矿化固定二氧化碳的反应体系呈现出高固液比、高CO2分压、高CO2过量系数等特征。实现大宗钙基固废矿化固定二氧化碳过程工业放大连续操作，需要选择或优化设计合适的反应器。
[0008]氨介质体系钙基固废矿化固定CO2所采用常规的反应器主要有搅拌釜式反应器以及无机械搅拌的鼓泡塔反应器。搅拌釜式反应器存在动力消耗大以及反应器放大和优化的难题，同时当搅拌釜式反应器用作高压时存在反复间歇操作易出现密封不严的问题，由此影响工艺的连续稳定操作。无机械搅拌的鼓泡床反应器具有结构简单，无机械传动部件、易密封、造价低、容易实现工业放大等优点，但鼓泡塔存在混合和温度不均，液体流动速度慢，固体颗粒易沉积等问题，对于固含量较高的反应体系，固体颗粒的沉积现象将更加严重。
[0009]气升式环流反应器是在鼓泡床反应器内加入内构件导流筒，在反应器形成围绕导流筒的循环流动，从而实现气、液、固三相均匀混合，且具有较高的相间传质系数。气升式环流反应器综合了鼓泡塔和机械搅拌釜的优良性能，具有结构简单、无机械传动部件、易密封、造价低、容易实现工业放大等优点，在石油、化工、电化学和生物化工等领域得到了广泛应用。目前对于气升式环流反应器用于氨介质体系强化钙基固废碳酸化转化过程尚未有相关资料公开。
【发明内容】
[0010]本发明所要解决的技术问题是:提供一种适用于氨介质体系强化大宗钙基固废矿化固定二氧化碳的加压环流反应器及使用方法。此反应器克服了搅拌釜式反应器动能消耗大、高压体系密封难度大，以及无机械搅拌的鼓泡塔反应器内固体物料容易沉积等缺点。此反应器采用气动搅拌代替机械搅拌，能耗低，同时易加工、清洗、维护和操作简单，特别适用于氨介质体系强化钙基固废矿化固定二氧化碳工艺过程具有高压气体和高固含量特征，易于工业放大。
[0011]本发明的技术方案如下:
[0012]一种氨介质体系强化钙基固废矿化固定二氧化碳的反应器，其特征在于，反应器为带气动搅拌的加压环流反应器(I)。
[0013]此反应器特征在于，在加压环流反应器(I)的中间设有导流筒(2)，在导流筒(2)的最下端设有变径(3)，在加压环流反应器(I)的底部中心设有高压(I?4(^&10 0)2气体入口(4)，在加压环流反应器(I)的顶部分别设有CO2气体出口(5)和压力监测接口(6)以及液位监测接口(7)，在加压环流反应器(I)的底部还设有温度监测接口(8)，在加压环流反应器(I)的侧面靠上方设有钙基固废与氨介质混合物料进口(9)，在加压环流反应器(I)的侧面靠下方设有钙基固废矿化CO2产物出口(10)，此外在加压环流反应器(I)的正上方设有气液分离区(U)。
[0014]优选地，所述的加压环流反应器(I)筒体的高径比为2:1?10:1。
[0015]优选地，所述的加压环流反应器(I)内设导流筒(2)的高径比为2:1?20:1。
[0016]优选地，所述的加压环流反应器(I)筒体截面积与导流筒(2)截面积的比值为1:0.2 ?1:0.8。
[0017]优选地，所述的加压环流反应器(I)内设导流筒(2)下端变径(3)锥角为30度?150度，并且变径(3)的上下端截面积比值为1:0.3?1:0.8。
[0018]优选地，所述的加压环流反应器(I)，其高压(I?40bar)CO2气体入口(4)安装位置为其顶端与变径(3)下端平行。
[0019]优选地，所述的加压环流反应器(1)，其混合物料进口(9)安装位置为导流筒(2)最上端往下5?30cm,产物出口( 10)安装位置为导流筒(2)最下端往上5?30cm。
[0020]优选地，所述的加压环流反应器(1)，其高压(I?4(^&100)2气体入口(4)、混合物料进口(9)以及产物出口(10)的截面积取决于钙基固废与氨介质混合物料在加压环流反应器中的停留时间，原则上没有限制。
[0021]所述的带气动搅拌的加压环流反应器用于氨介质体系强化钙基固废矿化固定二氧化碳的方法，其特征在于，将处理后得到的一定粒度钙基固废颗粒与一定浓度含氨介质的水溶液，经搅拌混合均匀，经进料口(8)连续打入加压环流反应器(I)中，在一定温度下与经气体入口(4)连续通入具有一定压力的CO2气体，进行强化碳酸化反应，强化碳酸化反应后的产物经出料口(9)连续排出并进行固液分离，得到钙基固废矿化产物，残余的未反应气体经CO2气体出口(5)排出，经氨介质吸收后与钙基固废颗粒混合均匀后，连续打入加压环流反应器中进行强化碳酸化反应。
[0022]优选地，所述的钙基固废选自工业磷石膏、氟石膏、脱硫石膏、碳酸按、铁水脱硫渣中的一种或几种，所述的含氨介质选自气氨、液氨、碳酸氢铵、碳酸铵中的一种或几种。
[0023]优选地，所述的所采用加压强化碳酸化反应器内的反应条件为反应温度为60?200°C，反应停留时间为5?60分钟，CO2气体分压为I?40bar，