磷石膏-钾长石矿化CO2联产硫酸、钾肥的基础研究

By coupling the carbothermal reaction of industrial solid waste of gypsum with the thermal activation of potash feldspar and the extraction of potassium with hydrothermal CO2 mineralization, a novel process to simultaneously produce sulphuric acid, potash fertilizer and cement feedstock from gypsum, potash feldspar and CO2 was proposed. This new method for CO2 mineralization utilization provides a new routine to match the challenges in climates, environments and resources. The fundamental researches will focus on the solid phase reaction mechanism, melt phase diagrams, ion diffusions in high temperature solid phase, feldspar activation methods, aqueous chemistry, as well as gas-liquid-solid multiphase reactions. Furthermore, the mechanism and kinetics of gypsum activation and reduction reactions, the effects of thermal, water quenching, mechanical and chemical activations on the extraction of potassium and CO2 mineralization, the relationship between crystal structure and reactivity, the hydrothermal dissolution and crystallization of Si-Al frameworks，will be comprehensively studied. For the engineering concerns, the activation, reaction and separation techniques, the energy-saving principle for high temperature reaction and the recovery of the low temperature heat energy in hydrothermal reaction, economic evaluation and lifecycle assessment for the integrated process will be well investigated. It will establish a new scientific knowledge system for the new routine of CO2 mineralization utilization.

通过对硫酸钙（磷石膏）高温还原分解反应-钾长石高温热活化、钾长石水热浸钾-CO2水热矿化两个反应进行创新性的耦合，采用工业固废磷石膏分解废渣活化钾长石、浸钾渣矿化CO2联产硫酸、钾肥及水泥原料，是CO2矿化利用新途径，将为我国应对气候、环境和资源挑战提供新的思路。研究高温反应体系的固态反应机理、熔融相变规律和固相离子迁移，研究水热条件下活化方法、溶液化学、气液固三相反应过程，将奠定两个耦合反应体系的基础理论。研究磷石膏活化还原反应的机理和动力学，钾长石的热活化、水淬活化、机械活化和化学活化原理，晶体结构与反应活性之间的构效关系，水热条件下硅铝骨架溶解-晶化特征，构建新反应系统的化学反应工程知识体系。集成不同活化技术、反应技术和分离手段，研究高温反应的节能原理和水热反应的低温热能回收方法，对耦合工艺的技术经济和生命周期进行评价，形成该工艺的工程科学基础支撑。

CO2是人类社会进步所需能量的副产物，大量CO2排放增强了大气对太阳光的吸收，引起气候变化等一系列环境问题， CO2减排是国际重要课题。CO2矿化利用作为工业过程末端的CO2减排方法，是维持我国经济发展与人民生活需求，同时实现CO2减排的有效途径之一。结合我国大量工业固废堆放的现状，本项目创新性地提出了采用天然钾长石与固废磷石膏耦合矿化CO2联产钾肥、回收硫同时碳减排的低能耗低成本技术路线。.通过研究钾长石提钾、磷石膏固废处理与CO2矿化利用耦合过程的原理与反应强化方法，重点围绕钾长石、石膏等矿物的活化、浸出，对相关矿物晶体结构变化规律、多元固体相间作用原理、固体离子交换等基础科学研究，并在此基础上进行过程系统集成、碳全生命周期评价和技术经济分析，以及开展百吨级扩试试验研究，主要取得如下创新性结果：.（1）建立了五种典型钾长石矿物基础物性数据与活化反应数据库，获得了不同地区钾长石提钾活性与CO2矿化能力基础数据。弄清了磷石膏与钾长石高温活化的晶体结构演变规律，建立了高温CaO-CaSO4-KAlSi3O8三元固体熔融相图；.（2）开发了钾长石-磷石膏高温热活化、机械活化、热碳还原活化等工艺技术，阐明了相应的活化原理，热碳还原活化工艺过程达到磷石膏硫回收率~66%，钾长石提钾率88%，CO2矿化率14%；.（3）获得了活化提钾与矿化过程的反应基本原理，钾长石中K+与磷石膏发生离子交换反应形成K2SO4，Ca2+经过离子交换进入钾长石的分子骨架结构中形成钙长石，随后部分钙长石被H2CO3电离出的H+溶解而释放出Ca2+，游离的Ca2+与HCO3-反应生成Ca(HCO3)2，最终生成CaCO3。.（4）开发钾长石矿化CO2尾渣制备水泥熟料工艺，所得产品达到砌筑水泥国家标GB/T3182-2003及GB/T175-2007。.（5）建立300吨/年钾长石处理量的扩大试验装置，形成了钾长石CO2矿化利用联产钾肥的生产工艺。建立钾长石矿化CO2联产钾肥工艺生命周期评价和全生命周期成本分分析方法，评价结果较传统钾长石与磷石膏加工工艺碳减排达60-80%，成本可节省约30-40%。此外，还拓展了CO2矿化利用发电技术，研制了2代CO2矿化发电膜电池；.本项目研究形成了固废处理-矿物加工-CO2矿化利用并联产硫酸、钾肥等产品的新技术，为解决我国气候、环境、资源问题开辟了新的路径。