本發(fā)明屬于液相礦化固碳，具體涉及一種堿性固體廢棄物直接液相礦化固碳的鼓泡床裝置與方法。

背景技術(shù)：

1、化石燃料的燃燒造成了大量溫室氣體的排放。大氣中二氧化碳濃度的增加加劇了全球氣候變化。因此，發(fā)展安全可靠的碳減排技術(shù)來應(yīng)對(duì)co2過量排放問題非常重要。礦化固碳技術(shù)屬于co2捕集、封存以及利用(ccus)技術(shù)中的一種，該技術(shù)通過含ca或mg的材料與co2反應(yīng)從而生成穩(wěn)定的碳酸鹽，以達(dá)到固碳的目的。該技術(shù)有直接礦化固碳和間接礦化固碳兩條路徑。其中直接礦化固碳技術(shù)又可以分為干法路徑和濕法路徑，其中直接液相礦化固碳路線由于其較低的成本和簡(jiǎn)單的操作方式被認(rèn)為是較優(yōu)路線。該技術(shù)根據(jù)所選的固相材料不同，分為礦物碳酸化固碳技術(shù)和堿性固體廢棄物碳酸化固碳技術(shù)。我國(guó)每年會(huì)產(chǎn)生大量的堿性固體廢棄物，固體廢棄物一般采用露天堆放或填埋的方式處理，會(huì)達(dá)成土地資源的浪費(fèi)和污染，因此選取堿性固體廢棄物作為液相礦化固碳的材料可促進(jìn)該物質(zhì)的循環(huán)再利用。

2、已有的直接液相礦化固碳技術(shù)存在反應(yīng)速率慢、固碳量低等缺點(diǎn)，因此需要對(duì)礦化固碳的原料進(jìn)行預(yù)處理，包括機(jī)械活化、熱活化等。而對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理能耗較高，而直接在常溫常壓下進(jìn)行又存在速率慢效率低等問題。因此，選用合適堿性固體廢棄物在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)高效的直接液相礦化固碳過程是重要發(fā)展目標(biāo)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明基于國(guó)家碳減排的需求和堿性固體廢棄物資源化利用的技術(shù)背景，聚焦如何高效低能耗實(shí)現(xiàn)液相礦化固碳的技術(shù)問題，公開了適用于堿性固體廢棄物直接液相礦化固碳的裝置與過程參數(shù)監(jiān)測(cè)方法。

2、通過設(shè)計(jì)氣液固鼓泡床反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)co2與堿性固體廢棄物漿液良好的混合和傳質(zhì)，獲得更高的固碳量。通過選取cao和mgo等含量較高的堿性固體廢棄物，實(shí)現(xiàn)低能耗條件下的固碳技術(shù)。對(duì)該技術(shù)中反應(yīng)過程重要參數(shù)實(shí)施監(jiān)測(cè)，獲取反應(yīng)流流動(dòng)、傳質(zhì)和反應(yīng)參數(shù)的運(yùn)行值，為該技術(shù)中反應(yīng)器放大和技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用提供指導(dǎo)。

3、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

4、本發(fā)明提供一種堿性固體廢棄物直接液相礦化固碳的鼓泡床裝置，該裝置包括鼓泡床反應(yīng)器和測(cè)量裝置，鼓泡床反應(yīng)器本體用于進(jìn)行堿性固體廢棄物直接液相礦化固碳反應(yīng)；測(cè)量裝置用于采集鼓泡床反應(yīng)器中的壓力脈動(dòng)信號(hào)、ph、電導(dǎo)率值和反應(yīng)器出口氣體co2濃度。

5、所述鼓泡床反應(yīng)器的上部設(shè)置有固液相進(jìn)料口、氣體出口和流動(dòng)觀察窗口，氣體出口連接co2傳感器；所述鼓泡床反應(yīng)器的底部設(shè)置有布風(fēng)板、氣體進(jìn)口和第一反應(yīng)漿液出口，氣體進(jìn)口通過氣體混合器連接流量計(jì)，第一氣體流量計(jì)、第二氣體流量計(jì)、第三氣體流量計(jì)分別連接一個(gè)氣瓶，氣體是由不同的氣瓶通過氣體流量計(jì)以一定的流量進(jìn)入氣體混合器，最后進(jìn)入所述氣體進(jìn)口；鼓泡床反應(yīng)器的一側(cè)面設(shè)置有第二反應(yīng)漿液出口和壓力傳感器，鼓泡床反應(yīng)器的另一側(cè)面設(shè)置有取樣口和標(biāo)尺。

6、進(jìn)一步地，所述測(cè)量裝置包括設(shè)置在鼓泡床反應(yīng)器側(cè)面的ph計(jì)、電導(dǎo)率探頭、壓力傳感器、co2傳感器；鼓泡床反應(yīng)器的右側(cè)面設(shè)置有兩個(gè)取樣口和標(biāo)尺，取樣口通過泵連接鼓泡床反應(yīng)器，兩個(gè)取樣口分別設(shè)置有第一ph計(jì)、第二ph計(jì)、第一電導(dǎo)率探頭、第二電導(dǎo)率探頭，標(biāo)尺粘貼在鼓泡床右側(cè)；鼓泡床反應(yīng)器的左側(cè)面三個(gè)不同軸向位置設(shè)置有第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器。所述鼓泡床裝置還包括一個(gè)可調(diào)參數(shù)的觸摸屏控制器，并且所有數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。

7、進(jìn)一步地，所述第一ph計(jì)、第二ph計(jì)、第一電導(dǎo)率探頭、第二電導(dǎo)率探頭設(shè)置于鼓泡床反應(yīng)器的右側(cè)，用于測(cè)量泵所取得的反應(yīng)漿液的ph和電導(dǎo)率值；所述三個(gè)壓力傳感器(第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器)設(shè)置在鼓泡床反應(yīng)器的左側(cè)，高度分別為3.8cm、15.1cm和23.8cm，用于測(cè)量床內(nèi)不同床內(nèi)高度的壓力；co2傳感器與鼓泡床反應(yīng)器頂部的氣體出口相連，用于測(cè)量反應(yīng)器出口氣體的co2濃度；所述可調(diào)參數(shù)的觸摸屏控制器和計(jì)算機(jī)用于控制進(jìn)口氣體的流量和co2濃度以及儲(chǔ)存反應(yīng)過程中測(cè)量所得的數(shù)據(jù)；所述標(biāo)尺粘貼在鼓泡床的右側(cè)，用于讀取反應(yīng)前后的床高。

8、進(jìn)一步地，所co2傳感器與氣體出口間還設(shè)置有第四氣體流量計(jì)和干燥劑。

9、本發(fā)明還提供一種堿性固體廢棄物直接液相礦化固碳鼓泡床裝置運(yùn)行下，流動(dòng)、傳質(zhì)和反應(yīng)的重要參數(shù)監(jiān)測(cè)方法，具體步驟如下：

10、(1)將一定配比的固相、液相物料依次通過鼓泡床反應(yīng)器上部的固液相進(jìn)料口加入到鼓泡反應(yīng)器內(nèi)，通過觸摸屏控制器(12)設(shè)置氣體進(jìn)口所通co2和n2混合氣體的進(jìn)口co2濃度yin和體積流量qin后，先通一段時(shí)間的n2，待固相和液相的混合漿液ph大于12.5時(shí)，即為混合均勻，然后通入指定體積流量的co2和n2混合氣體；

11、(2)在鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行氣液固三相的混合與反應(yīng)，通過第一ph計(jì)、第二ph計(jì)、第一電導(dǎo)率探頭、第二電導(dǎo)率探頭、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、co2傳感器，實(shí)時(shí)采集鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)漿液的壓力脈動(dòng)信號(hào)、ph值以及氣體出口處的co2濃度yout，所有數(shù)據(jù)采集后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡收集在計(jì)算機(jī)中并儲(chǔ)存，在漿液ph低于6時(shí)認(rèn)為反應(yīng)結(jié)束，并在反應(yīng)結(jié)束后取出一部分漿液進(jìn)行熱重分析；

12、(3)對(duì)測(cè)得的壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析，獲得emd能量熵來表征流型數(shù)據(jù)進(jìn)而判斷出鼓泡床反應(yīng)器內(nèi)的流型；通過讀取反應(yīng)前后的液面高度，可得到鼓泡床內(nèi)的氣含率如式(1)所示；同時(shí)還可以通過image?pro?plus對(duì)流動(dòng)圖像處理得到氣泡尺寸分布；

13、

14、其中h表示通入混合氣體后的床高，m；h0表示未通入氣體時(shí)的床高，m；εg表示鼓泡床內(nèi)的氣含率；

15、(4)對(duì)液相礦化固碳過程監(jiān)測(cè)的傳質(zhì)參數(shù)包括：氣相側(cè)傳質(zhì)系數(shù)kla和液相側(cè)傳質(zhì)系數(shù)kga；傳質(zhì)系數(shù)由出口氣體co2濃度來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；計(jì)算公式如式(2)和(3)所示：

16、

17、其中，式(2)、式(3)中，和分別表示鼓泡床反應(yīng)器氣體進(jìn)出口的co2與n2的摩爾比；vl表示加入的液相體積，l；pin和pout分別表示鼓泡床反應(yīng)器氣體進(jìn)出口的co2分壓，mpa；h表示常溫常壓下co2在水中的亨利系數(shù)，取值為0.338mol/(l·mpa)；

18、(5)對(duì)液相礦化固碳過程監(jiān)測(cè)的反應(yīng)參數(shù)包括ph、電導(dǎo)率和碳酸化效率；通過繪制ph和電導(dǎo)率曲線來分析碳酸化反應(yīng)完全沉淀的時(shí)間點(diǎn)及ph值；通過熱重分析和氣體進(jìn)口、氣體出口的co2濃度計(jì)算得到碳酸化效率的值，如式(4)(5)所示；

19、

20、式(4)中，η為堿性固廢碳酸化效率，原樣質(zhì)量為m1，tg分析中，未發(fā)生反應(yīng)的固廢中ca(oh)2在300-500℃時(shí)完全分解減少的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為a1，碳酸化反應(yīng)后的產(chǎn)物的質(zhì)量為m2，反應(yīng)后的堿性固廢中ca(oh)2分解后質(zhì)量減少百分?jǐn)?shù)定義為a2。

21、式(5)中為通入的co2總量，mol；為反應(yīng)后氣體出口排出氣體中的co2總量，mol；為反應(yīng)前堿性固廢中的ca(oh)2的量，mol。

22、本發(fā)明的有益效果為：

23、本發(fā)明提出了一種堿性固體廢棄物礦化固碳鼓泡床裝置。該裝置主要由鼓泡床反應(yīng)系統(tǒng)和采集分析系統(tǒng)組成。該裝置可以實(shí)現(xiàn)常溫常壓下堿性固體廢棄物直接液相礦化固碳，并且通過設(shè)置了co2傳感器、電導(dǎo)率和ph探針以及壓力傳感器等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置后，反應(yīng)器能夠?qū)Ψ磻?yīng)過程中重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取反應(yīng)流流動(dòng)、傳質(zhì)和反應(yīng)參數(shù)的運(yùn)行值，為該技術(shù)中反應(yīng)器放大和技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用提供指導(dǎo)。