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以轉爐石與冷軋廢水於旋轉填充床捕捉二氧化碳之研究
CO2 Capture Using Basic Oxygen-Furnace Slag with Cold-Rolling Wastewater in a Rotating Packed Bed
摘要
本研究主要目標為利用超重力旋轉填充床(Rotating Packed Bed, RPB)系統進行捕捉二氧化碳的實驗，並建立系統的質量平衡關係，最後建立 RPB 系統中的 碳酸化反應動力學，用以描述碳酸化的過程中的質傳現象與化學反應。在本研究 中，主要利用煉鋼製程中所產生的的轉爐石與冷軋廢水，進行攪拌後，形成漿體 (slurry)並且進行 90 分鐘的溶出實驗，偵測水中金屬離子的濃度；再將溶出實驗後的漿體，分別進行分離液體、固體以及不分離液體、固體的處理，之後再通入 RPB 反應器中，進行捕捉二氧化碳的實驗；所使用的煉鋼爐石為中國鋼鐵公司 所提供的轉爐石，以及煉鋼冷軋過程中所產生的鹼性冷軋廢水，並在常溫(30 oC)、常壓(1 atm)、液固比 20 mL/g，70 vol. %氮氣與 30 vol.%二氧化碳的混和氣體、氣體流速 4 L/min 以及液體流速 1.2 L/min 的情況下，使用不同的轉爐石粒徑範圍(≦125, 125~350, 350~500, 500~840 and 840~1190 μm)，加入至冷軋廢水和去離子水，進行金屬離子溶出與捕捉二氧化碳之效果的比較，並即時監測 RPB 處理後之尾氣的二氧化碳濃度之變化。反應後的液項、固項產物分別會透過感應耦合式電漿原子發射光譜分析儀(ICP-AES)和熱重分析儀(TGA)進行定量分析，固項產物則會藉由掃描式電子顯微鏡(SEM-EDX)以及粉末單晶繞射儀(Powder-XRD)進行定性分析。研究結果發現在溶出實驗經過 90 分鐘，以鈣離子(Ca2+)濃度的含量最多，在碳酸化反應後也只有鈣離子濃度被明顯的消耗，此外，在碳酸化反應時間 20 分鐘、RPB 轉速 750 rpm、30oC、氣壓 14.7 psig、粒徑範圍為≦125μm、並以不分離液體、固體的操作方式的情況下,有最大之單位爐石補碳量 0.331 g CO 2 /g slag；由掃描式電子顯微鏡與粉末單晶繞射儀的結果可發現，主要產物為碳酸鈣(CaCO 3 )。將氣相中二氧化碳濃度的消耗、液相中總無機碳之濃度的變化以及固相中碳酸鈣的生成，建立二氧化碳的質量平衡；也經由水中鈣離子濃度在反應前後的變化量與碳酸鈣的生成量，建立鈣物種的質量平衡；最後，根據質量平衡的關係，建立 RPB 系統中的碳酸化反應動力模式，定義兩種操作方式的碳酸化反應常數 k c1 和 k c2 ，並模擬轉換率和尾氣的二氧化碳之濃度的預測值。本研究不僅可證實二氧化碳的減量技術，更可以將鹼性廢棄物成為再利用的規劃與出路。
並列摘要
Basic oxygen furnace (BOF) slag, a residue from basic oxygen converter in the steelmaking process, is a potential material for CO2 capture due to it abundance in calcium species. Moreover, the cold-rolling wastewater (CRW), a residue from the same process, is highly alkaline and suitable for CO 2 capture. Co-utilization of alkaline waste is a novel approach for CO2 capture. The objectives of this study were to determine the degree of leaching and carbonation kinetics of BOF slag in different liquid agents. The mass balance of CO2 among gas, liquid, and solid phases was established as well. Two types of liquids, e.g., alkaline CRW and DIW, were selected to evaluate the degree of various metal ions leached from the BOF slag at different particle sizes with mechanical stirring up to 90 minutes. After that, the accelerated carbonation reaction was carried out with pure CO2 stream for 20 minutes in a rotating packed bed (RPB). The solid products were qualitatively analyzed with scanning electron microscopy and X-ray diffraction (XRD) and quantitatively with thermo-gravavimetric analysis (TGA). In addition, the leachate was analyzed with inductively coupled plasma-optical emission spectroscopy (ICP-OES). The results revealed that Ca2+ had the highest concentration than other ions in BOF slag. A model based on mass balance results and reaction constant k c was established to describe the carbonation kinetics. Consequently, carbonation of BOF slag in CRW was a promising method to enhance the CO2 capture capacity and reduce the environmental impact of alkaline wastes.