一种利用烟气活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料的方法

1.本发明属于固废资源化制备注浆材料同时实现碳减排的技术领域，具体涉及一种利用烟气活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料的方法。

背景技术：

2.无机注浆材料应用广泛，主要原材料为水泥，是地下工程施工中的重要辅助材料，普遍用于矿山巷道、隧道等开挖过程中的防渗、堵漏和加固。然而无机注浆材料成本高、对水泥消耗量巨大，不益于资源与环境可持续发展。
3.煤炭经过多道采洗工序后会产生大量煤矸石等固体废弃物，我国现存选煤厂中规模较大的矸石山约2600座，占用土地面积约1.5万hm2，并且每年仍继续排放100mt。煤矸石含碳量较低（10%~30%），其主要无机成分是al2o3（52%~65%）和sio2（16%~36%），目前主要被用于生产普通硅酸盐水泥、混凝土的轻质骨料、耐火砖等建筑材料，但煤矸石晶体结构稳定、有机碳含量高、火山灰反应性低，限制了其大规模应用。若采用适当的活化手段可以提高煤矸石的活性与凝胶性，使其成为部分或全部替代水泥的理想注浆材料。
4.碱性矿渣（如：碱性高炉矿渣、烧结法赤泥或电石渣等）的化学成分与水泥基本相同，cao、sio2和al2o3的含量占90%以上。而工业烟气中含有co2，根据co2矿化概念，co2溶于水并与碱性矿渣发生中和反应产生相对稳定的固态碳酸盐，可实现co2永久封存。将活化后的煤矸石和碱性矿渣作为胶凝材料掺入到注浆材料中可以有效改善其性能。
5.综上，亟需一种利用烟气活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料的方法，既能活化固碳、减少烟气和煤矸石对环境的污染，以实现“碳达峰”和“碳中和”的目标，又能以工业固废代替水泥减少其用量、降低碳排放，形成材料生产与环境相协调的产业化格局。

技术实现要素：

6.本发明的目的是解决上述现有技术的不足，有效捕集工业生产中的烟气余热、回收烟气中的co2，绿资源化利用煤矸石及碱性矿渣，将烟气中的co2固定到由煤矸石及碱性矿渣制备的注浆材料中。本发明提供一种利用烟气余热活化煤矸石，在煤矸石活化及碱性矿渣制备注浆材料过程中实现固碳的方法。
7.具体是指一种利用烟气活化提高煤矸石火山灰活性同时实现烟气中部分co2的捕集，活化固碳煤矸石后的烟气通入碱性矿渣浆液实现烟气中co2的进一步脱除，活化固碳后的煤矸石及碱性矿渣混合制备注浆材料。通过该方法可实现煤矸石及碱性矿渣固废的资源化利用，同时将烟气中的碳固定在注浆材料中，实现了永久的碳封存。
8.本发明采用如下技术方案：一种利用烟气活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料的方法，包括如下步骤：步骤1：在粉碎机中将煤矸石及碱性矿渣的原料分别破碎粉磨；
步骤2：将高温烟气持续通入装有粉磨后的煤矸石的回转炉中，使煤矸石发生热活化，同时实现烟气中部分碳的捕集；步骤3：将活化煤矸石后的烟气通入粉磨后的碱性矿渣与水的浆料中进行碳酸化反应，实现对高温烟气及活化煤矸石产生的烟气中碳的脱除；步骤4：将活化固碳后的煤矸石、碳酸化反应后的碱性矿渣浆液按比例进行混合，向混合物中加入碱激发剂制备注浆材料。
9.进一步地，步骤1中所述煤矸石及碱性矿渣破碎粉磨粒度在0.2mm以下，碱性矿渣包括高炉矿渣、烧结法赤泥或电石渣。
10.进一步地，步骤2中所述回转炉中烟气的温度为500~900℃，反应时间应为1~3h，煤矸石的固碳量为5~20wt.%。
11.该步骤中，煤矸石经高温煅烧后，结晶态的高岭石可分解为无定形的sio2和al2o3，化学反应式为：。
12.进一步的，待步骤2反应结束后，需利用烟气分析仪进行成分检测，排出烟气中co2的含量为7~10%。
13.进一步的，为保证烟气与材料反应充分，步骤3中碳酸化反应的时间为1~6h，反应过程中的固碳量为15~30wt.%。
14.进一步的，在步骤3中，碱性矿渣与水混合制成的浆料中含水率为10~30%，较低或较高的含水率都会阻塞co2气体有效运移与碳化产物生成，影响碳化固化效果。
15.进一步的，待步骤3反应结束后，需利用烟气分析仪进行成分检测，排出烟气中co2的含量应降低至5%以下。
16.进一步的，在步骤4中，步骤4中活化固碳后的煤矸石和碳酸化反应后的碱性矿渣浆液的质量比为1：0.5~1：1.5。
17.进一步的，在步骤4中，掺入的激发碱性矿渣的碱可以采用市售模数为2.0~3.25的水玻璃或纯度为96%naoh，水玻璃或naoh的用量为煤矸石质量的3~10%。活化固碳后的煤矸石和碳酸化反应后的碱性矿渣的地质聚合过程需要高碱度环境。
18.本发明通过高温活化提高煤矸石火山灰活性，同时利用煤矸石中钙镁等氧化物高温下与co2的碳酸化反应实现烟气中部分co2捕集，活化煤矸石后的烟气通入碱性矿渣浆液进行矿化反应，进一步捕集烟气中co2，活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料本发明的有益效果如下：1. 本发明能够有效回收并利用烟气中的热量，通过干法固碳和湿法固碳相结合，实现对烟气中co2的捕集，降低其对大气环境的污染。
19.2. 本发明采用煤矸石及碱性矿渣为原料活化固碳后制备的地质聚合物具有比普通硅酸盐水泥更优秀的综合性能，而且来源广、成本低、无污染，可以有效解决工业固废资源化利用的难题。
附图说明
20.图1是本发明制备注浆材料方法的工艺流程图；图2是600℃、co2气氛下活化固碳后煤矸石的xrd谱；图3是700℃、co2气氛下活化固碳后煤矸石的xrd谱；图4是600℃、co2气氛下活化固碳后煤矸石的ftir谱；图5是700℃、co2气氛下活化固碳后煤矸石的ftir谱。
具体实施方式
21.以下通过对实施例的描述来介绍本发明的具体实施方式。
22.实施例1选取某煤矿洗选煤矸石，碱性矿渣选用烧结法烧结法赤泥，用x射线荧光光谱（xrf）分析两种材料的主要化学成分见表1。
23.表1 例1中两种原料的主要化学成分（wt.%）将两种原料分别用颚式破碎机破碎后再用球磨机粉磨，用孔径为0.18mm的筛网过筛，矿渣粉需在放入前加水混合搅拌制成矿渣浆液，浆液含水率达16%。
24.将烟气通入放置煤矸石的回转炉中并启动装置，使炉内温度保持600℃，2h后关闭装置，活化固碳后煤矸石的xrd谱见附图2，ftir谱见附图4。
25.将回转炉内气体全部抽送入放置矿渣浆液的反应器中并启动装置，持续通入烟气6h后停止，利用热重分析仪对活化固碳后的煤矸石及经湿法碳酸化反应后的碱性矿渣样品中co2质量损失进行测量，煤矸石的固碳量为7.8wt.%，碱性矿渣的固碳量为21.4wt.%。
26.将回转炉与反应器中的产物搅拌均匀，活化固碳后的煤矸石和碳酸化反应后的碱性矿渣浆液的质量比为1:1，再向其中加入市售模数为3.22，掺量为5%的纳水玻璃作为碱激发剂并充分搅拌，制得注浆材料。
27.测试其净浆试样3d，7d和28d的抗压强度，试样选取三个样本以确定平均抗压强度值分别为1.60mpa，17.42mpa，46.17mpa。再测试其试样的净浆流动度为169.5mm，泌水率为20.1%。
28.实施例2选取某煤矿洗选煤矸石，碱性矿渣选用电石渣，用x射线荧光光谱（xrf）分析两种材料的主要化学成分见表2。
29.表2 例2中两种原料的主要化学成分（wt.%）
将两种原料分别用颚式破碎机破碎后再用球磨机粉磨，用孔径为0.18mm的筛网过筛，矿渣粉需在放入前加水混合搅拌制成矿渣浆液，浆液含水率达15%。
30.将烟气通入放置煤矸石的回转炉中并启动装置，使炉内温度保持700℃，2h后关闭装置，活化固碳后煤矸石的xrd谱见附图3，ftir谱见附图5。
31.将回转炉内气体全部抽送入放置矿渣浆液的反应器中并启动装置，持续通入烟气6h后停止，利用热重分析仪对活化固碳后的煤矸石及经湿法碳酸化反应后的碱性矿渣样品中co2质量损失进行测量，煤矸石的固碳量为5.5wt.%，碱性矿渣的固碳量为20.2wt.%。
32.将回转炉与反应器中的产物搅拌均匀，活化固碳后的煤矸石和碳酸化反应后的碱性矿渣浆液的质量比为1:1，再向其中加入浓度为96%，掺量为5%的naoh作为碱激发剂并充分搅拌，制得注浆材料。
33.测试其净浆试样3d，7d和28d的抗压强度，试样选取三个样本以确定平均抗压强度值分别为0.71mpa，12.67mpa，34.38mpa。再测试其试样的净浆流动度为165.3mm，泌水率为18.5%。

技术特征：

1.一种利用烟气活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料的方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：在粉碎机中将煤矸石及碱性矿渣的原料分别破碎粉磨；步骤2：将高温烟气持续通入装有粉磨后的煤矸石的回转炉中，使煤矸石发生热活化，同时实现烟气中部分碳的捕集；步骤3：将活化煤矸石后的烟气通入粉磨后的碱性矿渣与水的浆料中进行碳酸化反应，实现对高温烟气及活化煤矸石产生的烟气中碳的脱除；步骤4：将活化固碳后的煤矸石、碳酸化反应后的碱性矿渣浆液按比例进行混合，向混合物中加入碱激发剂制备注浆材料。2.根据权利要求1所述的一种利用烟气活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料的方法，其特征在于：步骤1中所述煤矸石及碱性矿渣破碎粉磨粒度在0.2mm以下，碱性矿渣包括高炉矿渣、烧结法赤泥或电石渣。3.根据权利要求1所述的一种利用烟气活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料的方法，其特征在于：步骤2中所述回转炉中烟气的温度为500~900℃，反应时间应为1~3h，煤矸石的固碳量为5~20wt.%。4.根据权利要求1所述的一种利用烟气活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料的方法，其特征在于：步骤2反应结束后，排出烟气中co2的含量为7~10%。5.根据权利要求1所述的一种利用烟气活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料的方法，其特征在于：步骤3中碳酸化反应的时间为1~6h，反应过程中的固碳量为15~30wt.%。6.根据权利要求1所述的一种利用烟气活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料的方法，其特征在于：步骤3中碱性矿渣与水混合制成的浆料中含水率为10~30%。7.根据权利要求1所述的一种利用烟气活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料的方法，其特征在于：步骤3反应结束后，排出烟气中co2的含量为5%以下。8.根据权利要求1所述的一种利用烟气活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料的方法，其特征在于：步骤4中活化固碳后的煤矸石和碳酸化反应后的碱性矿渣浆液的质量比为1：0.5~1：1.5。9.根据权利要求1所述的一种利用烟气活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料的方法，其特征在于：步骤4中所述激发碱性矿渣的碱包括模数为2.0~3.25的水玻璃或纯度为96%naoh，水玻璃或naoh的用量为煤矸石质量的3~10%。

技术总结

本发明的目的在于提供一种利用烟气活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料的方法，属于固废资源化制备注浆材料同时实现碳减排的技术领域，本发明通过高温活化提高煤矸石火山灰活性，同时利用煤矸石中钙镁等氧化物高温下与CO2的碳酸化反应实现烟气中部分CO2捕集，活化煤矸石后的烟气通入碱性矿渣浆液进行矿化反应，进一步捕集烟气中CO2，活化固碳后煤矸石及碱性矿渣制备注浆材料。通过本发明能够有效回收并利用烟气中的热量，通过干法固碳和湿法固碳相结合，实现对烟气中CO2的捕集，降低其对大气环境的污染。对大气环境的污染。对大气环境的污染。