一种基于煤基固废分级分质制吸收co2活性组分及吸固co2材料的方法与应用
技术领域
1.本发明涉及固体废弃物处理和资源化利用技术领域，具体涉及一种基于煤基固体废弃物分级分质处理，制备吸收co2的活性组分及吸固co2材料的方法与应用。
背景技术：
2.大型煤炭生产基地通常都是燃煤发电、煤化工和相关材料等能源重化工产业的集聚区，例如榆林能源重化工基地、鄂尔多斯煤电化基地和宁东能源重化工基地，均是集煤炭开采、燃煤发电、煤化工和材料生产于一体的能源重化工基地。这些大型煤炭生产基地通常会产生大量的煤矸石、粉煤灰、气化灰渣、脱硫石膏等大宗煤基固体废弃物，而且这些大宗煤基固体废弃物通常以堆存或者简单处理后回填的方式处理处置，生态环境污染相当严重，亟需开展固体废弃物的资源化利用，以实现大宗煤基固体废弃物的规模化减量。
3.另一方面，这些能源重化工基地，通常都是煤炭资源消耗大户，能源消耗和co2的排放强度较高、排放量较大，亟需进行节能降耗和co2的减排和治理。
技术实现要素：
4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于煤基固体废弃物分级分质处理，分离富集吸收co2的活性组分，进一步制备吸固co2材料，并进行co2吸收和固化的方法和应用。实施本发明，可以促进大宗煤基固体废弃物的资源化利用与减量以及co2减排的协同发展。
5.为了实现上述发明的目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种基于煤基固体废弃物分级分质处理制备吸收co2的活性组分的方法，包括以下步骤：
7.对煤基固体废弃物进行分级分质处理，得到吸收co2的活性组分；
8.所述的煤基固体废弃物为煤矸石、粉煤灰、气化灰渣和脱硫石膏中的一种或几种；
9.所述的煤矸石为高钙煤矸石、高铁煤矸石和高碱煤矸石中的一种或几种；
10.所述的粉煤灰为高钙粉煤灰、高铁粉煤灰和高碱粉煤灰中的一种或几种；
11.所述的气化灰渣为高钙气化灰渣、高铁气化灰渣和高碱气化灰渣中的一种或几种；
12.当所述的煤基固体废弃物为煤矸石时，所述吸收co2的活性组分的粒径为1～5mm；
13.当所述的煤基固体废弃物为粉煤灰时，所述吸收co2的活性组分的粒径≥45μm；
14.当所述的煤基固体废弃物为气化灰渣时，所述吸收co2的活性组分的粒径≥90μm；
15.当所述的煤基固体废弃物为脱硫石膏时，所述吸收co2的活性组分的粒径为20～90μm。
16.优选的，所述的高钙煤矸石、高钙粉煤灰、高钙气化灰渣中，cao的含量独立地≥15wt％；
17.所述的高铁煤矸石、高铁粉煤灰、高铁气化灰渣中，fe2o3的含量独立地≥8wt％；
18.所述的高碱煤矸石、高碱粉煤灰、高碱气化灰渣中，na2o+k2o的含量独立地≥5wt％。
19.优选的，当所述的煤基固体废弃物为煤矸石时，所述分级分质处理包括以下步骤：
20.用孔径为100mm的筛网对煤矸石进行筛分，分别得到100mm的筛上物和100mm的筛下物；
21.用孔径为1mm的筛网对所述100mm的筛下物进行筛分，分别得到1～100mm和-1mm的物料；
22.对所得的1～100mm的物料进行i级破碎，然后用孔径为50mm的筛网和孔径为1mm的筛网，对所得的破碎物进行筛分，得到+50mm、1～50mm和-1mm的物料；
23.对所得的1～50mm的物料进行ii级破碎，然后用孔径为30mm的筛网和孔径为1mm的筛网，对所得的破碎物进行筛分，得到+30mm、1～30mm和-1mm的物料；
24.对所得的1～30mm的物料进行iii级破碎，然后用孔径为15mm的筛网和孔径为1mm的筛网，对所得的破碎物进行筛分，得到+15mm、1～15mm和-1mm的物料；
25.对所得的1～15mm的物料进行iv级破碎，然后用孔径为5mm的筛网和孔径为1mm的筛网对所得破碎物进行筛分，得到粒径为1～5mm的吸收co2的活性组分，-1mm的物料作为煤。
26.优选的，当所述煤矸石为高铁煤矸石时，还包括对粒径为5～100mm的煤矸石进行磁选，得到铁精粉。
27.优选的，当所述的煤基固体废弃物为粉煤灰时，所述分级分质处理包括以下步骤：
28.对粉煤灰进行筛分，将粉煤灰分成+90μm、90～45μm、45～20μm、-20μm的粒级，将+90μm和/或+45μm的粉煤灰作为吸收co2的活性组分；
29.当所述的煤基固体废弃物为气化灰渣时，所述分级分质处理包括以下步骤：
30.对气化灰渣进行筛分，将气化灰渣分成+500μm、500～90μm、90～45μm、45～20μm、-20μm的粒级，将+500μm和/或+90μm的气化灰渣作为吸收co2的活性组分；
31.当所述的煤基固体废弃物为脱硫石膏时，所述分级分质处理包括以下步骤：
32.对脱硫石膏进行筛分，将脱硫石膏分级成+90μm、90～45μm、45～20μm、-20μm的粒级，将粒径为20～90μm的脱硫石膏作为吸收co2的活性组分。
33.本发明中对所属的破碎和筛分方式不做具体的限定，只要能够有效完成物料破碎和筛分即可。
34.优选的，还包括对来自于煤矸石和/或脱硫石膏中所述的吸收co2的活性组分进行煅烧活化，得到吸固co2材料；所述煅烧活化的温度为750～975℃、空气过剩系数为1.15～1.25、保温时间为50～60min。
35.优选的，得到所述吸收co2的活性组分后，还包括对所述的吸收co2的活性组分进行粉磨活化，得到吸固co2材料；
36.所述吸固co2材料的粒径≤0.045mm。
37.优选的，所述粉磨时加入助磨剂，所述助磨剂包括硅灰石尾矿、磷灰石尾矿和滑石尾矿中的一种或几种；
38.所述助磨剂的用量为吸收co2活性组分质量的1.5～6.5％。
39.优选的，当所述助磨剂为硅灰石尾矿、磷灰石尾矿和滑石尾矿混合使用时，所述的
硅灰石尾矿、磷灰石尾矿和滑石尾矿的质量比按25～35:20～30:30～45比例混合。
40.本发明提供了上述吸收co2的活性组分与吸收co2材料在吸附和固化co2中的应用。
41.本发明提供了一种基于煤基固体废弃物分级分质，制备吸收co2活性组分的方法，包括以下步骤：对煤基固体废弃物进行分级分质处理，得到吸收co2的活性组分。所述的煤基固体废弃物为煤矸石、粉煤灰、气化灰渣和脱硫石膏中的一种或几种；所述的煤矸石为高钙煤矸石、高铁煤矸石和高碱煤矸石中的一种或几种；所述的粉煤灰为高钙粉煤灰、高铁粉煤灰和高碱粉煤灰中的一种或几种；所述的气化灰渣为高钙气化灰渣、高铁气化灰渣和高碱气化灰渣中的一种或几种。本发明利用煤矸石、粉煤灰、气化灰渣和脱硫石膏中的cao、mgo、na2o、k2o、fe2o3等组分作为吸收co2的活性组分，这些活性组分能够与co2发生反应，实现co2的吸收和固化。在本发明中，当所述的煤基固体废弃物为煤矸石时，所述吸收co2的活性组分的粒径为1～5mm；当所述的煤基固体废弃物为粉煤灰时，所述吸收co2的活性组分的粒径≥45μm；当所述的煤基固体废弃物为气化灰渣时，所述吸收co2的活性组分的粒径≥90μm；当所述的煤基固体废弃物为脱硫石膏时，所述吸收co2的活性组分的粒径为20～90μm，在以上的粒径条件下，经过破碎筛分过程，颗粒表面可以有许多新鲜的表面暴露，有益于提升co2的吸收和固化效果。
42.进一步，本发明还对所述吸收co2的活性组分进行煅烧活化，得到吸固co2材料，有效进行co2的吸收和固化。
43.进一步，本发明还对所述吸收co2的活性组分进行粉磨活化，得到吸固co2材料，有效进行co2的吸收和固化。
具体实施方式
44.本发明提供了一种基于煤基固体废弃物分级分质处理制备吸收co2的活性组分的方法，包括以下步骤：
45.对煤基固体废弃物进行分级分质处理，得到吸收co2的活性组分；
46.所述的煤基固体废弃物为煤矸石、粉煤灰、气化灰渣和脱硫石膏中的一种或几种；
47.所述的煤矸石为高钙煤矸石、高铁煤矸石和高碱煤矸石中的一种或几种；
48.所述的粉煤灰为高钙粉煤灰、高铁粉煤灰和高碱粉煤灰中的一种或几种；
49.所述的气化灰渣为高钙气化灰渣、高铁气化灰渣和高碱气化灰渣中的一种或几种；
50.当所述的煤基固体废弃物为煤矸石时，分级分质处理后得到吸收co2活性组分的粒径为1～5mm，优选为1～3mm；
51.当所述的煤基固体废弃物为粉煤灰时，所述吸收co2活性组分的粒径≥45μm，优选≥90μm；
52.当所述的煤基固体废弃物为气化灰渣时，所述吸收co2活性组分的粒径≥90μm，优选≥500μm；
53.当所述的煤基固体废弃物为脱硫石膏时，所述吸收co2活性组分的粒径为20～90μm。
54.在本发明中，所述的高钙煤矸石、高钙粉煤灰、高钙气化灰渣，其中，cao的含量优选地≥15wt％，更优选地为≥15.5wt％；所述的高铁煤矸石、高铁粉煤灰、高铁气化灰渣，其
中，fe2o3的含量优选地≥8wt％，更优选地为8.5wt％；所述的高碱煤矸石、高碱粉煤灰、高碱气化灰渣，其中，碱金属氧化物的含量优选地≥5wt％，更优选地为5.5wt％。在本发明中，所述碱金属氧化物优选为na2o和/或k2o。
55.在本发明中，当所述煤基固体废弃物为煤矸石时，所述的分级分质处理优选包括以下步骤：
56.用孔径为100mm的筛网对煤矸石进行筛分，分别得到100mm的筛上物和100mm的筛下物；
57.用孔径为1mm的筛网对所述100mm的筛下物进行筛分，分别得到1～100mm和-1mm的物料；
58.对所述1～100mm的物料进行i级破碎，然后用孔径为50mm的筛网和孔径为1mm的筛网对所得的破碎物进行筛分，得到+50mm、1～50mm和-1mm的物料；
59.对所得1～50mm的物料进行ii级破碎，然后用孔径为30mm的筛网和孔径为1mm的筛网对所得的破碎物进行筛分，得到+30mm、1～30mm和-1mm的物料；
60.对所得1～30mm的物料进行iii级破碎，然后用孔径为15mm的筛网和孔径为1mm的筛网对所得的破碎物进行筛分，得到+15mm、1～15mm和-1mm的物料；
61.对所得1～15mm的物料进行iv级破碎，然后用孔径为5mm的筛网和孔径为1mm的筛网对所得的破碎物进行筛分，得到粒径为1～5mm的吸收co2的活性组分。
62.在本发明中，由于煤矸石经过多级破碎筛分，暴露出了许多新鲜表面和裂隙，活性比较强，可作为吸收co2的活性组分。
63.本发明用孔径为100mm的筛网对煤矸石进行筛分，得到100mm的筛上物和100mm的筛下物。在本发明中，所述100mm的筛上物作为砂石骨料的原料。
64.本发明用孔径为1mm筛网对所述100mm的筛下物进行筛分，得到1～100mm的筛上物和1mm的筛下物。在本发明中，所述1mm的筛下物作为煤。
65.本发明对所述1～100mm的筛上物进行i级破碎，然后用孔径为50mm的筛网和孔径为1mm的筛网对所得的破碎物进行筛分，得到+50mm、1～50mm和-1mm的物料。在本发明中，所述+50mm的物料作为砂石骨料的原料，所述1mm的筛下物作为煤粉。
66.本发明对所述1～50mm的物料进行ii级破碎，然后用孔径为30mm的筛网和孔径为1mm的筛网，对所得的破碎物进行筛分，得到+30mm、1～30mm和-1mm的物料。在本发明中，所述的+30mm的物料作为砂石骨料的原料，所述1mm的筛下物作为煤。
67.本发明对所述1～30mm的物料进行iii级破碎，然后用孔径为15mm的筛网和孔径为1mm的筛网，对所得的破碎物进行筛分，得到+15mm、1～15mm和-1mm的物料。在本发明中，所述+15mm的物料作为碎石的原料，1mm的筛下物作为煤。
68.本发明对所述1～15mm的物料进行iv级破碎，然后用孔径为5mm的筛网和孔径为1mm的筛网，对所得的破碎物进行筛分，得到粒径为+5mm、1～5mm和-1mm的物料。+5mm的物料作为碎石的原料，1mm的筛下物作为煤。5～1mm的物料，经过多级破碎后，暴露出了许多新鲜表面和裂隙，活性比较强，可作为吸收co2的活性组分。
69.在本发明中，当所述的煤矸石为高铁煤矸石时，本发明还优选包括对粒径为5～100mm的煤矸石进行磁选，得到铁精粉。在本发明中，所述磁选优选为干法磁选。
70.在本发明中，当所述的煤基固体废弃物为粉煤灰时，本发明优选基于筛分技术进
行粉煤灰的分级分质，所述的筛分方案优选包括以下步骤：
71.将粉煤灰筛分分级成+90μm、90～45μm、45～20μm、-20μm的粒级，进一步依据各粒级的成分组成，优选将+90μm和/或+45μm的粉煤灰作为吸收co2的活性组分。
72.在本发明中，当所述的煤基固体废弃物为气化灰渣时，本发明优选基于筛分技术进行粉煤灰的分级分质，所述的筛分方案优选包括以下步骤：
73.将气化灰渣筛分分级成+500μm、500～90μm、90～45μm、45～20μm、-20μm的粒级，进一步依据各粒级组分的成分组成，优选将+500μm和/或+90μm的气化灰渣作为吸收co2的活性组分。
74.在本发明中，当所述的煤基固体废弃物为脱硫石膏时，所述筛分优选包括以下步骤：
75.将脱硫石膏筛分分级成+90μm、90～45μm、45～20μm、-20μm的粒级，进一步依据各粒级的成分组成，优选将粒径为20～90μm的脱硫石膏作为吸收co2的活性组分。
76.本发明中对所属的破碎和筛分方式不做具体的限定，只要能够有效完成物料破碎和筛分即可。
77.在本发明中，得到所述的来自于煤矸石和脱硫石膏中的吸收co2的活性组分后，还优选包括对所述的活性组分单独或者二者混合后进行煅烧活化，得到吸固co2材料。在本发明中，二者混合煅烧活化时，按煤矸石：脱硫石膏＝45～65wt％：35～55wt％的比例掺配后煅烧活化。
78.在本发明中，所述煅烧活化的温度优选为750～975℃，更优选为765～950℃；保温时间优选为50～60min，更优选为55min。在本发明中，所述煅烧活化过程中，过剩空气系数优选为1.15～1.25。在本发明中，所述煅烧后，本发明优选将煅烧物料淬冷，粉磨至粒径≤45μm，作为吸固co2材料。
79.在本发明中，得到所述吸收co2的活性组分后，还优选包括对所述的吸收co2活性组分进行粉磨，得到吸固co2材料。在本发明中，所述吸固co2材料的粒径优选≤45μm。
80.在本发明中，所述粉磨优选采用干法粉磨和湿法粉磨；在本发明中，所述的干法粉磨，是将活性组分进入粉碎机后直接粉磨；所述的湿法粉磨，是指用水调浆后进行粉磨，所述水的用量为吸收co2活性组分质量的30～65％。
81.在本发明中，所述的干法粉磨优选为将活性组分进入粉碎机后，粉磨1～8h，更优选为1～7h。
82.在本发明中，所述的湿法粉磨优选为将吸收co2的活性组分加水调浆，然后进行粉磨，所述水的添加量优选为吸收co2活性组分质量的30～65％，更优选为30～60％。在本发明中，所述湿法粉磨的时间优选为0.5～6h，更优选为0.5～5h。
83.在本发明中，所述粉磨还优选加入助磨剂，所述助磨剂优选包括硅灰石尾矿、磷灰石尾矿和滑石尾矿的一种或者多种。在本发明中，当所述的硅灰石尾矿、磷灰石尾矿和滑石尾矿混合使用时，优选为按质量比为25～35:20～30:30～45的比例混合，更优选为按30～35:25～30:35～45的比例混合。需要说明的是，在本发明中，所述的助磨剂的添加量优选为吸收co2活性组分质量的1.5～6.5％，更优选为1.5～6％。
84.在本发明中，加入助磨剂后，所述的粉磨优选为干法粉磨或者湿法粉磨，干法粉磨时的时间优选为0.5～4.5h，更优选为0.5～4h；湿法粉磨时的时间，优选为0.5～4h，更有选
为0.5～3.5h。
85.下面结合实施例对本发明提供的基于煤基固体废弃物分级分质处理制备吸收co2的活性组分及吸固co2材料的方法与应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
86.实施例1
87.选择cao含量16.90％的高钙煤矸石(cg1)，经过所述的分级分质处理得到5～1mm的吸固co2的活性组分(acg1)，分别测定了对co2的吸固量，各为0.035gco2/g样品和0.059gco2/g样品。
88.实施例2
89.选择fe2o3含量11.05％的高铁煤矸石(cg2)，经过所述的分级分质处理得到5～1mm的吸固co2的活性组分(acg2)，分别测定了对co2的吸固量，各为0.044gco2/g样品和0.079gco2/g样品。
90.实施例3
91.选择na2o+k2o含量为8.76％的煤矸石(cg3)，经过所述的分级分质处理得到5～1mm的吸固co2的活性组分(acg3)，分别测定了对co2的吸固量，各为0.066gco2/g样品和0.102gco2/g样品。
92.实施例4
93.选择cao含量20.46％的高钙粉煤灰(fa1)，经过所述的分级分质处理得到+45μm的吸固co2的活性组分(afa1)，分别测定了对co2的吸固量，各为0.106gco2/g样品和0.159gco2/g样品。
94.实施例5
95.选择fe2o3含量11.64％的高铁煤灰(fa2)，经过所述的分级分质处理得到+45μm的吸固co2的活性组分(afa2)，分别测定了对co2的吸固量，各为0.127gco2/g样品和0.175gco2/g样品。
96.实施例6
97.选择na2o+k2o含量为7.99％的高碱粉煤灰(fa2)和经过所述分级分质处理得到+45μm的吸固co2的活性组分(afa3)，分别测定了对co2的吸固量，各为0.135gco2/g样品和0.189gco2/g样品。
98.实施例7
99.选择cao含量18.77％的高钙气化灰渣(gs1)，经过所述的分级分质处理得到+90μm的吸固co2的活性组分(ags1)，分别测定了对co2的吸固量，各为0.089gco2/g样品和0.136gco2/g样品。
100.实施例8
101.选择fe2o3含量12.01％的高铁气化灰渣(gs2)，经过所述的分级分质处理得到+90μm的吸固co2的活性组分(ags2)，分别测定了对co2的吸固量，各为0.105gco2/g样品和0.149gco2/g样品。
102.实施例9
103.选择na2o+k2o含量为8.52％的高碱气化灰渣(gs3)和经过所述分级分质处理得到+90μm的吸固co2的活性组分(ags3)，分别测定了对co2的吸固量，各为0.111gco2/g样品和
0.157gco2/g样品。
104.实施例10
105.选择cao含量45.88％的脱硫石膏(dsg1)，经过所述的分级分质处理得到90～20μm的吸固co2的活性组分(ads1)，分别测定了对co2的吸固量，各为0.051gco2/g样品和0.087gco2/g样品。
106.实施例11
107.选择cao含量16.90％的高钙煤矸石分级分质得到的吸固co2的活性组分(acg1)，利用球磨机粉磨6.5h，得到-0.045mm的粉磨料，测定了对co2的吸固量，达到0.085gco2/g样品。
108.实施例12
109.选择fe2o3含量11.05％的高铁粉煤灰分级分质得到的吸固co2的活性组分(afa2)，制成含水45％的浆体，利用球磨机粉磨3.5h，得到-0.045mm的粉磨料，测定了对co2的吸固量，达到0.118gco2/g样品。
110.实施例13
111.选择na2o+k2o含量为8.76％的气化灰渣经过分级分质处理得到的吸固co2的活性组分(ags3)，加入3.8％的按32：26：42的比例掺配的硅灰石尾矿(废渣)、磷灰石尾矿(废渣)和滑石尾矿(废渣)助磨剂，然后干法粉磨3h，得到-0.045mm的粉磨料，测定了对co2的吸固量，得到0.155gco2/g样品。
112.实施例14
113.选择cao含量为16.90％的高钙煤矸石(cg1)和分级分质处理得到的吸固co2的活性组分(acg1)，在过剩空气系数为1.20、温度为865℃的条件下煅烧活化50min，淬冷后得到高吸固co2的活性组分(hcg3)，分别测定了对co2的吸固量，各为0.133g co2/g和0.287gco2/g。
114.实施例15
115.选择cao含量45.88％的脱硫石膏(dsg1)，经过所述的分级分质处理得到90～20μm的吸固co2的活性组分(adg1)，在过剩空气系数为1.15、温度为945℃的条件下煅烧活化55min，淬冷后得到高吸固co2的活性组分(hdg1)，分别测定了对co2的吸固量，各为0.265gco2/g和0.309gco2/g。
116.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。