CO2捕集与地质封存技术下的矿化难题及解决方案

CCS技术由CO2排放源捕捉与分离、CO2压缩与输送和长期封存3部分组成。目前最受重视的是CO2捕集与地质封存的经济技术路线［8］。

近年来CO2地质封存由于其潜在的泄漏与环境危险无法解决而进展缓慢，例如，在印度、希腊、芬兰等国家没有足够的地质封存容量或者缺少合适的封存地层；在德国，CO2陆上地下注入及监测的法规未能通过。而且有时CO2排放源与封存地点间距离较远，长距离管道运输成本昂贵。因此，CO2地质封存需要其他的替代方法，如CO2矿化封存。

1）CO2矿化研究的近期发展

世界上蛇纹石（serpentine）和橄榄石（olivine）等硅镁岩储量巨大、分布极广，大量的研究集中在使用硅镁岩的工艺研究领域。但CO2矿化的固气直接反应速率低，且需要高温（500℃）高压（340 bar^[1]）条件导致能耗过高，设备造价昂贵。现多采用矿石热处理后的固液气多相直接碳化或者化学处理后再液气间接碳化的工艺路线。

2000年美国Albany研究中心开展为期5年的研究课题，开发出针对蛇纹石和橄榄石的热处理高温高压碳化技术。可是该工艺能耗高，存在化学试剂再生率低的缺陷，多次试剂改良后仍无法克服。该课题难点如下：

第一，降低预处理和反应所需能耗，开发新的预处理工艺。如降低反应所需温度和压力条件，使用更大粒径的矿石。由于矿石的特性，不同的矿石适用于不同的预处理技术，需要区分对待。

第二，加快反应速率，缩短反应时间，把2～6 h的反应时间降低到30～60 min。

第三，开发具有更高矿石浸出率和强化碳酸效率的化学试剂。

2）CO2矿化原料

富含钙镁的硅酸盐矿石可作为CO2矿化的原料，如蛇纹石（Mg3Si2O5（OH）4）、镁橄榄石（Mg2SiO4）和硅灰石（CaSiO3）。此外，某些不含钙镁的固体废弃物也可以作为CO2矿化的原料，如钢渣、粉煤灰、废弃的焚烧炉灰、废弃的建筑材料及金属冶炼过程中的尾矿等。我国粉煤灰、钢渣等固体废弃物年排放量已分别达到1×108 t和3×107 t，且CaO含量较高。以消石灰为主要成分的电石渣每年排放量也逾千万吨。(www.xing528.com)

3）CO2矿化工艺

英国研究者在2009年提出了CO2捕捉和矿化一体化工艺，该工艺使用可再生铵盐（NH4HSO4）从矿石（蛇纹石和橄榄石）中获得富含钙镁离子的浸出液，浸出剩余矿渣为氧化硅含量极高的小粒径（75～300μm），浸出液分离除杂提纯贵重金属（得镍、铁等金属产品）后，部分溶液直接用于再生氨气的捕集得含钙镁的富氨液，富氨液常温捕捉CO2生成碳酸铵盐（NH4HCO3/（NH4）2CO3），再与另一部分浸出液快速反应沉淀出高纯度的碳酸镁（钙）盐产品，而尾液（（NH4）2SO4）进一步加热处理再生出铵盐（NH4HSO4）和氨气供矿石预处理和CO2捕捉。CO2捕捉和矿化一体化工艺流程如图4-9所示。工艺完全闭合循环大大减少了化学药剂用量和三废，各步反应效率均在90%以上，反应时间为30～60 min，酸浸和碳化所需温度控制在100℃以下，且全过程压力为5×105 Pa，所得产物纯度高且能分离贵重金属，结合CO2捕捉可去除SO2、HCl和部分NOx。

图4-9　CO2捕捉和矿化一体化工艺流程

该工艺可生产3类产品。第1类为矿石浸出后的尾矿渣，蛇纹石和镁橄榄石等硅酸岩在酸浸后析出钙、镁等金属离子，生成二氧化硅（SiO2，纯度在85%以上）。尾矿的粒径为75～300μm，可以直接用作工业填料。而经过提纯加工后可得纯度更高的SiO2作为电子工业的原料。第2类产品为金属产品，主要有铁、镍、铜、锰等的氧化物。铁氧化物可以作为炼钢的原料，而其他金属氧化物经过除杂、提纯和加工后可得金属。南非有专门以蛇纹石为原料提炼镍的工厂，生产的镍可做电池等高附加值的产品。第3类为碳酸盐产品，主要有碳酸镁和碳酸钙及其水合物，可用作建筑材料，制作砖瓦或者用作铺路的地基。

近年来，国外一些公司（如美国Calera、英国Novacem）开始研究用碳酸镁做镁水泥来替代部分传统水泥。这将为今后CO2矿化提供一个稳定而庞大的市场，并推进CO2矿化快速进入大规模商业化阶段。根据实验数据，1 t CO2将会产生1 t的SiO2尾矿、0.4 t的金属氧化物及2.6 t的碳酸盐产品。开发CO2矿化的产品和应用将为CO2减排提供一个新的资源化利用的发展路线，产品的销售也能贴补CO2减排的成本，从而实现环境与经济的双赢模式。

4）CO2矿化遇到的难题［23］

在常用的CO2回收利用的方法中，CO2都是气态，需经吸附精馏法进一步纯净化、精馏液化，才能进行储存和运输。

那么不禁要问：用何种方法从组分复杂的烟气中捕集CO2？大量CO2直接矿化的条件是什么？矿化的产品有何经济价值？