專利名稱：：碳酸化轉爐鋼渣在促進海洋吸收二氧化碳上的應用的制作方法
技術領域：
：本發(fā)明屬于環(huán)境保護與資源化領域，具體涉及轉爐鋼渣的改性處理及其二次利用，更具體地涉及轉爐鋼渣的碳酸化及其在促進海洋吸收二氧化碳上的應用。
背景技術：
：眾所周知，全球氣候變暖是由人為排放溫室氣體而產生的，而溫室氣體中，二氧化碳的貢獻度占到64%,因此，解決氣候變暖問題的根本措施之一是調控大氣中的二氧化碳，之二是減少溫室氣體的人為排放。海洋是一個非常大而強的碳庫。據(jù)報道，人類每年產生的人為C02約有一半停留在大氣中，而其余的C02則被海洋等儲藏圈所吸收。海洋浮游植物通過光合作用可以吸收大氣中的二氧化碳，變成有機碳，通過直接或間接的途徑沉降到海底，將大氣中的二氧化碳泵到海底，從而調控大氣中二氧化碳的濃度?？茖W家們正在進行實驗，以驗證增加海洋的含鐵量而導致浮游植物繁榮生長從而達到阻止全球變暖的理論。鐵是植物生長必需的元素，海里的鐵大部分來源于風帶來的富含鐵的干燥土壤。但是氣候的改變和冰河時代晚期植被的增加減少了海洋的鐵供給，因此海水中鐵的含量普遍不足，能夠吸收大氣中的二氧化碳的浮游生物也就相應減少。15年前，美國海洋學家約翰，馬丁說過一句意味深長的話"給我半船鐵，我能還給你一個冰川期。"馬丁確信儲存在大海里的鐵對氣候變化起著重要作用。鐵的缺乏會減少海洋浮游植物的生長，而這些浮游植物需要鐵來完成增殖。因此，增加那些含鐵量少的海洋區(qū)域中的含鐵量，可使以鐵為生的浮游植物大量繁殖，一方面，這些大量增加的浮游植物通過光合作用吸收大氣中的二氧化碳，這樣就有助于阻止全球變暖；另一方面，死亡的浮游植物還可以使大量碳被隔絕在深海，這就是所謂的"鐵假說"。這個過程需要植物利用陽光中的能量將二氧化碳和營養(yǎng)素轉變成復雜的有機物，并形成新的植物原料。2002年，來自加利福尼亞海洋研究所的一批海洋學家向南冰洋傾倒了1.7噸的硫酸鐵。然后他們跟蹤測試碳濃度，他們發(fā)現(xiàn)單位面積的浮游生物大大增加，每個投放到海里的鐵原子能夠吸收一萬到十萬個之間的碳原子，促進了海里浮游生物的生長，并且和死藻、魚糞一起沉向海底深處。跟蹤測試符合預期的結果，試驗的確降低了大氣中的二氧化碳水平，而且是一種對環(huán)境十分友好的方法。人類一方面要調控大氣中的二氧化碳，另一方面也是更重要的方面是要減少溫室氣體的人為排放?！毒┒甲h定書》規(guī)定，到2010年，所有發(fā)達國家排放的二氧化碳等溫室氣體的數(shù)量，要比1990年減少5.2%，發(fā)展中國家沒有減排義務。但由于我國的二氧化碳總排放量居世界第二位，加之我國能源消耗型產業(yè)較多，能源利用率偏低，可以預見2010年后我國也將面臨嚴峻的二氧化碳減排形勢。鋼鐵工業(yè)是溫室氣體主要是C02排放的主要行業(yè)，世界范圍里，鋼鐵工業(yè)C02的排放量占6X;在中國，鋼鐵工業(yè)的CO2排放比例為接近10X。但由于2012年前，《京都議定書》對于發(fā)展中國家沒有強制性減排目標，因此中國鋼鐵工業(yè)在二氧化碳減排方面的技術研究尚未見報道。而一些國家的鋼鐵企業(yè)在《京都議定書》生效前的幾年里未雨綢繆，圍繞C02減排做了一些工作。近年來，日本在鋼渣海洋應用方面進行了部分探索性的研究。JFE(包括其前身之一NKK)及新日鐵在將高爐渣應用于海洋方面提出了多項專利申請，包括>將水淬后的高爐渣及鋼渣應用于海洋，促進海洋中浮游生物的生長，進而促進海洋對溫室氣體的吸收，控制全球變暖(JP2003134958);>將水淬后的高爐渣鋪設在海岸或淺海海底，促進微生物的生長，維持海洋動植物體系的動態(tài)平衡，進而提高海洋淺水區(qū)水質，防止近海海水的富營養(yǎng)化及赤潮的發(fā)生(JP2004024204，JP2002238401，JP2003158946);>將水淬后的高爐渣鋪設在海底，促進并固定海草等海洋植物生長，形成海藻床(JP2005095092，JP2005052031)。上述專利申請都是將水淬后的高爐渣應用于海洋中，通過高爐渣中的有價成分Fe和Si等元素的溶出來促進海洋浮游生物的生長，海洋浮游植物經過光合作用吸收二氧化碳釋放出氧氣，達到鋼鐵行業(yè)間接減排二氧化碳的目的。但是，到目前為止尚未見到將轉爐鋼渣應用于海洋的報道。在鋼鐵行業(yè)中高爐渣和鋼渣是兩大重要的固體副產物。鋼渣包括轉爐渣和電爐渣兩大類。鋼渣排放量約占粗鋼產量的12—15%，這樣按照2005年中國粗鋼產量3.49億噸計算(中國鋼鐵協(xié)會2006年發(fā)布的信息)，則2005年一年鋼渣產生量將至少有5000萬噸。如將這部分鋼渣改性后應用于海洋，促進海洋浮游植物生長，通過光合作用吸收二氧化碳，對于鋼鐵行業(yè)減排二氧化碳無疑是一個重大的技術突破，也是為人類減少溫室氣體的巨大貢獻。因此，本發(fā)明的目的是提供碳酸化鋼渣促進海洋吸收二氧化碳上的應用，同時解決鋼鐵工業(yè)中大量鋼渣副產品的二次利用問題。
發(fā)明內容本發(fā)明提供碳酸化轉爐鋼渣在促進海洋吸收二氧化碳上的應用。本發(fā)明將鋼鐵企業(yè)的廢鋼渣經碳酸化處理后用于促進海洋吸收二氧化碳上的應用。所述碳酸化是向轉爐鋼渣碳酸化裝置中通入工業(yè)廢氣或煙道氣。所述碳酸化的條件350-80(TC、0.1-3.6大氣壓，5-25%水蒸氣含量，反應時間2-12小時。轉爐鋼渣碳酸化裝置較佳為沸騰床反應器。轉爐鋼渣的最佳粒徑范圍為20目一80目。轉爐鋼渣碳酸化后，添加一些摻和料將碳酸化轉爐鋼渣制成長方體磚塊。轉爐鋼渣中含有多種金屬、非金屬化合物，如CaO、Si02、A1203、MgO、FeO、PA及Fe和少量的Mn、S、Cu、Zn等物質。Fe、Si、Cu、Zn、Mn、S、P等都是浮游生物或藻類等大量繁殖的必須元素。同時，轉爐鋼渣中還含有一定比例的游離氧化鈣，若將其直接應用于海洋會引起局部區(qū)域海水PH的升高。雖然作為巨大緩沖體系的海洋可以最終使得該區(qū)域海水pH恢復正常，但短期的pH變化仍可能對海洋生態(tài)體系造成破壞性影響。為防止轉爐鋼渣直接應用對海洋環(huán)境的負面影響，本發(fā)明對轉爐鋼渣進行了碳酸化預處理，即在一定的溫度、壓力和濕度條件下向轉爐鋼渣碳酸化裝置中通入工業(yè)廢氣或煙道氣(有效成分為C02，氣體溫度在IO(TC以上并含有一定的水蒸氣)，使轉爐鋼渣中的游離氧化鈣與二氧化碳氣發(fā)生反應。具體的轉爐鋼渣碳酸化工藝流程見圖1。在轉爐鋼渣碳酸化過程中，鋼渣中的游離氧化鈣與工業(yè)廢氣或煙道氣中的二氧化碳氣發(fā)生了反應(1)、(2):(1)CaO+H20=Ca(OH)2(2)Ca(0H)2+C02=CaC03+H20或游離氧化鈣直接與二氧化碳氣體反應生成碳酸鈣，反應式見(3):(3)CaO+C02=CaC03本發(fā)明者的研究表明(a)通過碳酸化預處理，轉爐鋼渣中的大部分游離氧化鈣得到固定，在海水中溶出堿性減弱；(b)碳酸化后的轉爐鋼渣還對赤潮藻類有抑制作用，可以防止近海海水的富營養(yǎng)化及赤潮的發(fā)生。(c)鋼渣中重金屬離子的溶出對海洋環(huán)境幾乎沒有負面影響。轉爐鋼渣碳酸化后，添加一些摻和料將碳酸化轉爐鋼渣制成長方體磚塊，鋪設于淺海海底，促進并固定海草等海洋植物生長，形成海藻床；或將碳酸化后的顆粒轉爐鋼渣直接投放到大洋中，補充大洋中鐵的含量，促進海洋藻類生長，吸收大氣中二氧化碳氣體?？傊妓峄蟮霓D爐鋼渣應用于海洋后，鋼渣中的部分營養(yǎng)元素，特別是藻類生長所需要的多種微量元素，包括鐵離子、硅離子和磷酸根離子等會逐漸溶出，促進浮游生物或藻類的生長繁殖。大量繁殖的浮游植物或藻類通過光合作用會吸收海洋表層的二氧化碳并產生供植物生長的能量，同時釋放出氧氣。這一過程打破了海水表層與大氣間的二氧化碳交換平衡，促使表層海水吸收大氣中的二氧化碳，從而減少大氣中的二氧化碳濃度，達到減少大氣中溫室氣體的目的。同時也開拓了轉爐鋼渣的資源化利用領域，消減了鋼鐵行業(yè)排放的溫室氣體對全球溫室效應的影響。日本專利申請JP2003134958V雖然將塊狀高爐渣及鋼渣應用于海洋，但由于轉爐鋼渣中游離氧化鈣含量較高，直接進入海水會對局部海水的pH值及海洋生態(tài)造成影響。本發(fā)明通過對轉爐鋼渣進行碳酸化改性，阻止了轉爐鋼渣進入水體后對海水環(huán)境pH值的影響，消減了轉爐鋼渣對海洋環(huán)境可能存在的負面影響。轉爐鋼渣在碳酸化過程中要吸收相當數(shù)量的二氧化碳氣體。按照化學反應方程式計算，游離氧化鈣與二氧化碳的反應摩爾比是l:1，折算成質量比即是56-44，按照2005年鋼渣產量5000萬噸計算其中的游離氧化鈣，則在碳酸化的過程中將要吸收二氧化碳近500萬噸，減少了鋼鐵工業(yè)生產中C02溫室氣體的排放對氣候變暖的負面影響。本技術是利用改性后的轉爐鋼渣改善海洋生態(tài)的一種方法，日本專利申請JP2004024204、JP2002238401和JP2003158946都是利用水淬后的高爐渣凈化海洋水質，與轉爐鋼渣屬于不同材質。目前還未見采用轉爐鋼渣促進海洋浮游植物生長的技術，主要原因就是無法克服轉爐鋼渣中大量游離氧化鈣所帶來的強堿性，本發(fā)明通過轉爐鋼渣的碳酸化突破了這個技術難題。將轉爐鋼渣改性后應用于海洋促進對二氧化碳氣體吸收的技術，無論對于減少鋼鐵工業(yè)生產中溫室氣體的排放、改善海洋生態(tài)和海洋吸收二氧化碳都具有積極的作用，同時也開拓了轉爐鋼渣的資源化利用領域。圖l是鋼渣碳酸化工藝流程圖。圖中，l.加熱爐控制系統(tǒng)；2.加熱爐；3.沸騰床實驗反應器；4.蒸汽冷凝裝置；5.數(shù)字壓力調節(jié)器；6.流量計；7.氣體加熱及供應裝置；8.穩(wěn)壓器；9.氣源；10.粉塵過濾裝置；ll.蒸汽發(fā)生器具體實施方法以下用實施例并結合附圖對本發(fā)明作更詳細的描述。這些實施例僅僅是對本發(fā)明最佳實施方式的描述，并不對本發(fā)明的范圍有任何限制。實施例1高爐渣和轉爐渣的化學成分分析對高爐渣和轉爐渣的化學成分進行了對比，結果見表l。表1高爐渣和轉爐鋼渣的化學成分(％)Ca0Mg0Si02A1203TFeMn0SP205fCaO高0.07-0.2-38-爐1-1326_426-170.1-11.5渣490.89轉爐渣40_466-109_111.5-2.516-224_50.040.052_36_18從表1得知高爐渣和轉爐渣的主要成分都是CaO，MgO，A1203，Si02四種，它們約占渣總重量的80%以上。不同的是轉爐渣中鐵含量更高，TFe含量達到16—22%，游離狀態(tài)的氧化鈣(fCaO)更多，PA的含量約2—3X。鐵和磷是海洋浮游植物生長所必要的營養(yǎng)元素，大量的鐵可以為海洋浮游植物提供更充足的營養(yǎng)源，而大量游離氧化鈣的存在則會增加海水的堿度，若通過將轉爐渣改性來消減游離氧化鈣導致的強堿性，則轉爐渣的資源再利用領域將會大大拓寬。實施例2轉爐鋼渣的碳酸化處理轉爐鋼渣的碳酸化處理參見圖1。圖1中，加熱爐控制系統(tǒng)1和加熱爐2通過自動控制來完成轉爐鋼渣碳酸化反應溫度的設定和控制；沸騰床反應器3使氣體與轉爐鋼渣混合均勻；蒸汽冷凝裝置4用于反應后尾氣放空前的冷卻；數(shù)字壓力調節(jié)器5用于尾氣放空前的壓力控制及系統(tǒng)壓力安全性的顯現(xiàn)與提示；流量計6用于進氣流量控制；氣體加熱及供應裝置7對進入沸騰床反應器的氣體進行預熱；穩(wěn)壓器8用于控制進入反應器的氣體壓力；氣源9采用的是收集的工業(yè)廢氣或煙道氣，實驗室也可以釆用二氧化碳氣瓶；粉塵過濾裝置10用于將反應過程產生的微小顆粒物攔截；水蒸氣發(fā)生器用于保證反應器中一定的濕度。碳酸化方法步驟:首先在反應器中填裝轉爐鋼渣，然后啟動加熱爐對物料進行加熱。當溫度升至預置的反應溫度時，打開二氧化碳氣源和水蒸氣發(fā)生器開關進行供氣，供氣量以使反應器中的物料處于沸騰狀態(tài)為準。鋼渣物料在沸騰爐中的沸騰狀態(tài)，使轉爐鋼渣與二氧化碳和水蒸氣充分接觸并快速反應，鋼8渣中的游離氧化鈣轉化成碳酸鈣，完成轉爐鋼渣性質的穩(wěn)定化，堿性得到充分消減。實施例3轉爐鋼渣海水溶出液的pH值測試將未經處理的轉爐鋼渣和碳酸化處理后的粒徑為75-150目的轉爐鋼渣2g分別置于從近海取來的海水0.3L升中，在室溫下置于搖床中振蕩，測定不同時間后溶出液的pH值，結果見表2。表2轉爐鋼渣與碳酸化轉爐鋼渣海水溶出液的pH值對比<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實施例4碳酸化轉爐鋼渣在海水中的浸出狀況研究將經過0.45rtn濾膜過濾的近岸天然海水0.3L加入0.5L的塑料瓶中，然后^l每碳酸化處理后的粒徑為20-80目的轉爐鋼渣2g加入塑料瓶中，振蕩不同時間，取樣、過濾，利用ICP—MS方法測定其溶解態(tài)的重金屬離子，測定結果見表3。表3轉爐鋼渣碳酸化后金屬離子在海水中的浸出狀況單位化/L<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>實施例5碳酸化鋼渣對近岸海水中藻類的促進作用選擇一定粒度的碳酸化轉爐鋼渣，投入含有一定量硅藻的近岸海水中，并與不加入碳酸化鋼渣的近岸海水做對照實驗。結果表明轉爐鋼渣對近岸海水中硅藻生長的促進作用明顯，在42mg/L的碳酸化鋼渣濃度條件下，硅藻的生長達到了最高，是對照實驗的2倍；當進一步升高鋼渣濃度，生長速率和生物量有所降低，但與對照實驗相比，仍表現(xiàn)出促進作用；當鋼渣濃度超過262mg/L時，對硅藻的生長表現(xiàn)出抑制作用，并且隨著濃度的進一步提高，抑制作用愈加明顯。由此證明，投加最佳濃度范圍內的碳酸化鋼渣對近岸海水中藻類的促生作用明顯。實施例6碳酸化鋼渣對大洋水中藻類的促進作用選擇一定粒度的碳酸化轉爐鋼渣，投入含有一定量硅藻的大洋水中，并與不加入碳酸化鋼渣的大洋水做對照實驗。結果表明碳酸化轉爐鋼渣對大洋水中的硅藻促進作用十分明顯。在碳酸化鋼渣濃度為50—140mg/L時，硅藻增長量達到最高值，是對照實驗組的8倍以上。呈現(xiàn)隨鋼渣濃度的增加、硅藻生長速率和生物量逐漸增加的明顯趨勢。但是當?shù)竭_最高值后，繼續(xù)增加碳酸化鋼渣量，則硅藻數(shù)量又表現(xiàn)出有所降低的趨勢。這個規(guī)律與近岸海水體系相似，但是碳酸化鋼渣對大洋水中硅藻的促進作用更強。究其原因，近岸海水中鐵的濃度較高，可達0.051(H41，大洋水中鐵的濃度僅為0.052nM，鐵缺乏嚴重，所以加入含鐵量較豐富的碳酸化轉爐鋼渣后促進了浮游植物的大量繁殖，生產力和葉綠素含量都增長了幾倍，加速了藻類對營養(yǎng)鹽的消耗。實施例7選擇近海海域。將制成磚塊的碳酸化轉爐鋼渣塊(其配方及制備另外申請專利)鋪設在淺海海底，具體鋪設深度小于200米。鋪設頻率為每年1一2次，每次鋪設量在1030kg/m2之間。鋼渣塊之間留有一定的縫隙，供海洋浮游植物固著、生長，形成海藻床。實施例8選擇一片深海海域。通過遠洋船將顆粒碳酸化轉爐鋼渣運到目的地海域，直接將碳酸化轉爐鋼渣分批次投放到大洋中，補充大洋中的營養(yǎng)元素鐵的含量，從而促進海洋藻類生長，吸收大氣中二氧化碳氣體。投放頻率為每年2—3次，投放量為15—35kg/m3海水。權利要求1.碳酸化轉爐鋼渣在促進海洋吸收二氧化碳上的應用。2.如權利要求1所述的應用，其中所述轉爐鋼渣經碳酸化處理后用于促進海洋吸收二氧化碳上的應用。3.如權利要求2所述的應用，其中所述碳酸化是向轉爐鋼渣碳酸化裝置中通入工業(yè)廢氣或煙道氣。4.如權利要求2所述的應用，其中所述碳酸化的條件350-800°C、0.1-3.6大氣壓，5-25%水蒸氣含量，反應時間2-12小時。5.如權利要求2所述的應用，其中所述碳酸化的裝置為沸騰床反應器。6.如權利要求2所述的應用，其中所述轉爐鋼渣的粒徑范圍為20目一80百。7.如權利要求2所述的應用，其中所述轉爐鋼渣經碳酸化后，添加一些摻和料將碳酸化轉爐鋼渣制成長方體磚塊。全文摘要本發(fā)明提供了碳酸化轉爐鋼渣在促進海洋吸收二氧化碳上的應用。本發(fā)明通過將鋼鐵企業(yè)的廢鋼渣經碳酸化處理，即在350-800℃、0.1-3.6大氣壓、5-25％水蒸氣含量的條件下向轉爐鋼渣碳酸化裝置中通入工業(yè)廢氣或煙道氣，反應時間2-5小時。然后將經碳酸化處理的轉爐鋼渣(以顆?；虼u塊形式)投入海洋。轉爐鋼渣經碳酸化改性后應用于海洋促進對二氧化碳氣體吸收的技術，無論對于減少鋼鐵工業(yè)生產中溫室氣體的排放、改善海洋生態(tài)和海洋吸收二氧化碳都具有積極的作用，同時也開拓了轉爐鋼渣的資源化利用領域。文檔編號C05D9/00GK101269998SQ200710038398公開日2008年9月24日申請日期2007年3月23日優(yōu)先權日2007年3月23日發(fā)明者董曉丹申請人:寶山鋼鐵股份有限公司