专利名称：一种固碳制碱造土治沙技术的制作方法
技术领域：
本发明是以天然矿物和太阳能为资源的大型化学加工，涉及以钠长石矿物为主的化学加工工艺技术，为服务于地球生态的环保技术领域，或具体为碳捕获封存(CCQ技术领域。CBS 为本发明关键词固碳(Carbon Solidif ication)、制碱(Base Manufacture)、 和造土(Soil Make)的首字母组合，作为本发明名称之简称。
背景技术：
人类活动与过度化石能源开发，导致大量CO2排放，大气成分严重失衡，由CO2引起的温室效应加速冰川消融、导致气候异常，极端干旱、洪涝自然灾害频发，水土流失严重，海水等地表水酸化，生物种群异动等，严重威胁到地球生命的生存安全。环境状况中，温室效应已被列入环境恶化因素之首，联合国气候组织在温室效应对气候影响的严重程度已达成共识，签订了 1992年的《联合国气候变化框架公约》和1997年的《京都议定书》，在2009年哥本哈根联合国气候大会上，各国与国际气候组织签约并承诺了各自的(X)2减排指标。能源消耗速度合方式决定着社会发展速度和水平，能源方式仍是以化石能源为主。目前发达国家对碳化石能源(包括煤炭、石油、天然气)的依存度为50%，中国达70%， 对(X)2减排严重制约着各国经济的发展，就局部和眼前利益而言，多争取一份碳排放指标， 就意味着多一份经济发展的机会和动力，碳排放成为当下和将来相当长一段时间各国关注和争夺的焦点。大气中CO2浓度已经失衡，达到均约550ppmv，减排能减缓环境进一步恶化的速度， 是必须的，但减排却无力修复已失衡的气候环境。所以国际社会在约定减排的同时，积极研究各种(X)2的封存技术，并不同程度地在实施封存计划。目前报道的CCS技术主要有矿物封存、地下封存、咸水封存、深海封存、植物固碳、 和火山灰矿化封存等。矿物封存技术是指，以硅灰石为主的一类含硅酸钙成分的较易风化的矿物为原料，在水介质和一定温度压力条件下，吸收并与(X)2作用，生成稳定的碳酸钙和二氧化硅矿化产物，达到长期或永久封存CO2的目的。其主要弱点在于天然的该类矿物结构相对稳定并且地表矿床可采地质储量有限，且不具活性，常态下反应速度缓慢或基本不反应。采石、 粉碎和高温活化又将消耗可观能源，主要成本上升，有批评意见认为，该技术方案经济不可行，经济的可行性有待进一步研究。地下封存技术是指，利用已开采废弃的矿井(包括油气田采注井、煤田地下空腔、 矿床地下空腔等)或专门地质勘探寻找的封闭性好的碎屑岩地层，注入CO2,使其在深井水相中吸收，并与地层有关岩石部分作用转化成碳酸钙达到永久性封存目的。绿色和平组织担心，该技术将(X)2溶于深层地下水，导致水体酸化，在高压下沿着已有的或在今后地质年代中新生的地质裂隙溶蚀岩石中的碳酸钙。从长远角度看存在泄露的风险性较大，泄露将会造成灾难性后果。该方法成本相对较低，不过CO2的捕获收集占据了其中主要成本。中国已启动该项技术的实施，973计划开展了碳存储的地质勘测与研究，而863项目下则启动了二氧化碳注入地下试验。2009年华能集团在上海石洞口第二电厂年捕获10万吨二氧化碳项目动工。2011年年初，国务院又将碳封存的经济评估列为重点计划课题。咸水封存技术是指，将(X)2注入咸水井或盐湖中，利用咸水中因盐度关系而溶解有较大量的Ca2+、Mg2+离子，研究希望生成碳酸钙，以达到碳封存目的。深海封存是指，将(X)2注入到1000多米的深海中储存，(X)2在深海海底的高压下形成固态(X)2水合物或液态(X)2湖而与大气隔离，达到几百年长久封存目的。1996年，挪威实施了二氧化碳回注海底工程。现在十多年过去了，联合国机构对其进行了大规模的检测，证明二氧化碳回注海底是安全的。但政府间气候变化专门委员会(IPCC) 2009年报告评价也认为，由于海水溶解和洋流的混合等作用，经过若干个世纪，最终将使注入的CO2失去隔离作用，对于注入的CO2从海洋中突然或大规模地释放到大气中，目前尚无已知机理。试验表明(X)2的增加能损害海洋生物，海洋封存能力还将受到PH最大允许变化值的限制。由于增加了运输和深海作业，深海封存将比地下封存成本高。植物固碳是指，通过植物的光合作用，吸收固定CO2,形成以木质为主的碳水化合物。该绿化方案安全可靠，还有利于防沙保水固土，清洁空气，是大力提倡正在进行的植树造林工程，但(X)2吸收速度远不能解决当前大规模排放带来的压力。火山灰矿化封存是指，以火山灰为原料，水为媒介，通入CO2将火山灰中的活性碱性物质如CaO和高钙硅酸盐类分解转化成稳定的碳酸钙。该方法封存永久，且无需粉碎和高温焙烧活化工序，成本较低，但却会受到火山灰地理资源条件限制。纵观上述方法，目前认为值得试行的方案是火山灰矿化封存、地下封存、和深海封存。这些方法都有一个共同的弱点就是，都需要经过CO2的捕获等工序。据IPCC组织2009 年测算评估，一般碳捕获成本在15 75美元/吨(X)2捕获，运输成本在1 8美元/吨CO2 运输，地下注入成本在0. 5 8美元/吨(X)2注入，深海注入成本在5 30美元/吨CO2注入，矿化成本在50 100美元/吨(X)2矿化，总计地下封存成本为16. 5 91美元/吨(X)2 封存；深海封存成本为21 113美元/吨(X)2封存；矿物封存成本为67 183美元/吨CO2 封存。而碳汇交易价格为14. 3美元/吨(X)2封存，碳汇收入仅是地下封存成本的15. 7 86%。因此，在安全高效的前提下，大幅度降低成本是CCS领域亟待解决的问题。在CCS领域应避免进入二氧化碳的边排放与边捕获的逻辑循环，只能克服困难尽最大努力利用太阳能为主题能源；从封存的永久性和安全性考虑，用于0)2封存的原料最好还是碱性矿物，该原料在自然界必须是广泛易得的，储量应是与全球CCS工程目标相匹配的，基于此，本发明锁定较硅灰石类钙硅酸盐矿物来源更广泛钠长石类为原料，研究开发一种固碳制碱造土治沙技术。工艺中的辅助原料必须是可循环利用的，任何消耗性辅料的投入即便是便宜(包括水)也会带来CCS难以接受的成本；本发明考虑综合利用策略，用综合效益弥补加工过程的直接成本。西部沙漠在贫瘠的同时提供了得天独厚的丰富的含钠长石粉沙、充裕的太阳能资源和廉价的土地资源，为本发明提供了天然条件。本发明旨在为CCS 领域提供有选择价值的工艺方案，发明的实施将会为西部大开发战略做出贡献，为催生新的产业链做出贡献。按照本发明工艺技术方案操作，得到物料投入与产出比)为钠长石碳汇碳酸氢钠三氧化二铝氢氧化钾活性二氧化硅高岭石=1.0 0. 16 0. 32 0.
515 0.0081 0. 61 0. 16。按2011年的参考价格钠长石-100元/吨、碳汇98元/吨、小苏打1500元/吨、三氧化二铝4000元/吨、氢氧化钾15000元/吨，活性二氧化硅利高岭石对沙漠土壤改良70元/平方米，每产0. 77吨土壤覆盖1平方米测算，总加工价值(不包括小苏打，但已扣除钠长石原料成本)为707元/吨钠长石处理。加工成本主要由人工成本、固定资产折旧、和贷款利息组成，确切数据有待中试后测算论证。一套生产线按36万吨钠长石/年处理能力计算，可获价值(不计小苏打)收入2. 5亿元/年，达到固定封存CO2 5. 7万吨/年，产氢氧化钾0. 291万吨/年，产氧化铝5. 4万吨/年，改良土壤0. 36平方公里/年的综合效果。
发明内容
本发明是一种以钠长石(斜长石)包括其它长石族、霞石族、云母族等在内的天然碱性矿物为原料，是以制碱固碳(吸收固化封存二氧化碳)为主，副产氧化铝(或氢氧化铝)、氢氧化钾(或衍生成硫酸钾化肥)和粘土矿物的改良沙漠土壤的化工工艺方法，按照下述主要工艺技术过程和措施进行工业化加工(工艺流程图见说明书附1)过程一将钠长石矿物、氧化钙(或氢氧化钙)、氢氧化钾按比例投料(质量比例 1 0. 57 3 4)，在中低温下Q80 360°C )均勻混合，烧结20 30分钟反应完全，趁热卸料。此时烫热的烧结物尚未硬化，质地松软，可趁热刮卸，分散成细小的多孔颗粒(粒径以2mm以下为好)，以便于后续溶解反应的快速进行，反应方程式如下
权利要求
1. 一种以钠长石(斜长石)包括其它长石族、霞石族、云母族等在内的天然碱性矿物为原料，以制碱固碳(吸收固化封存二氧化碳)为主，副产氧化铝(或氢氧化铝)、氢氧化钾 (或钾衍生物)和粘土矿物的改良沙漠土壤的化工工艺方法，简称CBS，按照下述主要工艺技术过程和措施进行的工业化加工过程一将钠长石矿物、氧化钙(或氢氧化钙)、氢氧化钾按比例投料(质量比例 1 0. 57 3 4)，在中低温下Q80 360°C )均勻混合，烧结20 30分钟反应完全，趁热卸料碾碎(粒径0. 1 5mm)；过程二 在常温下将烧结物加水搅动浸取15 30分钟，加水比例按质量1 1计，趁热过滤，并用同等量的热水洗涤滤饼，分别得到滤液和滤饼，滤液为含偏铝酸钠和氢氧化钾的水溶液，滤饼为硅酸钙及少量高岭石和洗涤分离不完全的含氢氧化钾的吸附溶液；过程三将滤液蒸发浓缩至130°C以上，以180 200°C为宜，偏铝酸钠析出，保温陈化 1 3小时以上，保温沉降分离，在不低于130°C下离心，并趁热刮卸滤饼，得滤液和松散的滤饼，实现偏铝酸钠从大量氢氧化钾助剂中的分离，水蒸气冷凝回收利用，滤液为含水极少的高浓氢氧化钾溶液，滤饼为含部分氢氧化钾的偏铝酸钠晶体；过程四将刮卸的偏铝酸钠碾碎(粒径0. 1 5mm)，加入约6 8倍于此物料从所含氢氧化钾质量的无水乙醇或甲醇，搅拌萃取10分钟，氢氧化钾可萃取到乙醇溶液中，固液分离，再用少量的乙醇萃洗固形物2 3次，合并氢氧化钾的乙醇溶液相，从而将残留的氢氧化钾从偏铝酸钠中分离，得偏铝酸钠固体和氢氧化钾的乙醇溶液相，将氢氧化钾的乙醇溶液相蒸发至干，得氢氧化钾固体，并将其合并于过程三的高浓氢氧化钾溶液中，蒸发的乙醇蒸汽经冷凝回收循环利用；过程五将由过程四所得到的偏铝酸钠固体外运至CO2吸收场地，加水制成约13% NaAlO2的近饱和溶液，吸收(X)2至pH = 7. 5 8，氢氧化铝完全晶体沉淀，碳酸氢钠部分析出，将晶浆升温至50 60°C，以溶解析出的碳酸氢钠，趁热过滤分离洗涤，得氢氧化铝固体和温热的碳酸氢钠近饱和溶液，氢氧化铝固体再经245 300°C以上温度下烘干制成氧化铝产品，将碳酸氢钠溶液在65°C以下减压蒸发浓缩，得到碳酸氢钠固体产品，水蒸气冷凝回收利用；过程六将过程三得到的高浓氢氧化钾溶液继续蒸发浓缩至液温320°C，作为过程一的氢氧化钾物料循环利用；过程七向由过程二得到的硅酸钙滤饼中加入约20%的水制成浆液，加热至烫热温度下保温陈化约3 6小时，将浆液降至室温；过程八在常温搅动下向硅酸钙浆液中通入(X)2碳化M 48小时，硅酸钙完全分解， 得碳化混合产物；过程九将过程八得到的碳化产物加热至烫热温度下保温陈化约3 6小时，以增大碳酸钙晶体的粒径，得到粒径较大的碳酸钙和二氧化硅混合浆料，加热过程中回收从浆料中溢出的少量(X)2 ；过程十将过程九得到的碳酸钙和二氧化硅混合浆料进行浮选分离，得碳酸钙和活性二氧化硅凝胶产品，二氧化硅凝胶为多孔性结构，吸保水能力强，与过程二得到的高岭石合并一起回归大地改良沙漠化土壤；过程i^一 将过程十得到的碳酸钙固体在825 900°C焙烧分解2 3小时，得氧化钙，作为过程一中的物料循环利用，焙烧分解释放出的二氧化碳回收，用于过程八中所需的碳化物料循环利用；过程十二 过程十一反应完毕后高温焙烧炉内物料余热经炉内换热器回收，回收余热为过程一、三、六提供中温热源，换热回收过程二之余热，为过程四、七、九和生活取暖洗浴炊事等提供低温热源；过程十三钠长石矿物中含少量的氧化钾(0. 64% )，氧化钾以氢氧化钾形式进入过程二的滤液中，体系中氢氧化钾在循环中小幅增加，可在循环50次后在过程三的高浓氢氧化钾循环物料中排出体系，得到氢氧化钾副产品；过程十四钠长石矿物中含少量的氧化钙(0. 58%)，氧化钙以硅酸钙形式进入过程二的滤饼中，以碳酸钙形式进入过程十，弥补体系中钙随二氧化硅产出的损失。
2.包括权利要求1所述系列工艺过程的一种固碳制碱造土治沙技术，其特征在于CBS 生产线宜选址沙漠地区，所用钠长石原料主要从沙漠砂中分选提供，避免钠长石矿的采石和粉碎及搬运成本，并具备廉价丰富的土地资源和充裕的太阳能资源。
3.包括权利要求1所述系列工艺过程的一种固碳制碱造土治沙技术，其特征在于需距 CBS生产线就近选址，构筑碱库，为权利要求1中过程五的偏铝酸钠溶液自然吸收大气(X)2 碳化分解提供场所，避免偏铝酸钠固体向内地的居(X)2排放点长途搬运成本。
4.包括权利要求1所述系列工艺过程的一种固碳制碱造土治沙技术，其特征在于以太阳光辐射为能源，为权利要求1中过程十一提供碳酸钙分解所需高温热能，太阳能由抛物镜面、特制的高纯石英光学接口和光导纤维输送部分组成，总集光面积可由众多小型抛物镜面集群组合。
5.利用包括权利要求1所述系列工艺过程的一种固碳制碱造土治沙技术，用于加工处理钾长石，以生产钾肥或相关钾盐衍生物的工业化生产。
全文摘要
本发明公开了一种以钠长石为原料，以氢氧化钾和氧化钙等为循环物料的利用太阳能和西部沙漠为资源的工业加工生产技术，简称CBS。按钠长石∶氧化钙∶氢氧化钾＝1∶0.57∶3的投料比例，在320℃下烧结反应时间20分钟，再经过浸取、分离、焙烧、浓缩等工序。物料投入与产出比为(wt％)钠长石∶碳汇∶碳酸氢钠∶三氧化二铝∶氢氧化钾∶活性二氧化硅∶高岭石＝1.0∶0.16∶0.32∶0.15∶0.0081∶0.61∶0.16。按36万吨钠长石年处理能力生产线测算，可固定封存CO2 5.7万吨/年，产氢氧化钾0.29万吨/年，产氧化铝5.4万吨/年，改良土壤0.36平方公里/年，共获价值(不计小苏打)2.5亿元/年。
文档编号C09K17/04GK102198367SQ201110068890
公开日2011年9月28日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者孙雪梅, 梅振华, 毕赛, 郭英姝 申请人:青岛科技大学