[发明专利]一种利用钾长石-硫酸钙矿化CO2联产硫酸钾的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用矿物矿化CO₂达到固定CO₂目的的方法，尤其涉及一种利用钾长石-硫酸钙矿化CO₂联产硫酸钾的方法。

背景技术

目前，化石燃料的消耗逐年增加，导致CO₂的排放量随之增加。全球CO₂排放量从2006年的280亿 t，增加到2010年的302亿t（IEA，2012）。预计到2100年，温室气体的排放将导致海平面上升38 cm，全球平均气温上升1.9 ℃（B. Melt et al.，Cambride Univ, 2005）。CO₂的减排问题已经达成全球共识。作为末端减排手段，对大规模二氧化碳的捕捉、封存（CCS），主要包括地质封存、海洋封存和矿化封存三种方式。地质封存和海洋封存可能引发泄漏、地质灾害、地下水污染等次生灾害。矿化相比前两种方式，能将CO₂转化为稳定的碳酸盐，长期固定下来，安全性更高（谢和平等，科学通报，2012），但是这种方法目前存在的最大问题就是经济上不可行。

钾肥是农业生成必须的基础肥料，每年世界钾肥产量为3500万吨左右，中国2012年表观消费量为700万吨，钾肥需求量占世界总需求量20%。但目前钾肥主要以水溶性钾矿资源生产，对于中国这样水溶性钾资源短缺的国家，开辟非水溶性资源势在必行。中国水溶性钾资源只有青海湖、柴达木碰地等少数盐湖钾资源，水溶性钾资源仅占世界1%(马鸿文，地学前缘，2010)。中国非水溶性富钾矿石储量巨大，已探明可经济开采的钾长石总量约为97亿t，如果将其加以开采利用，能够满足我国100年的钾肥需求。世界范围内钾长石资源量也巨大，可以作为巨大的钾资源储备。

美国和日本先后进行了钾长石分解制钾肥的研究，后因成本上不能与水溶性钾资源生产钾肥工艺竞争，均未取得大规模的工业化。鉴于钾资源特征，中国从上个世纪60、70年代就开始研究钾长石的利用，对钾长石的研究主要是以高温法生产复合肥料，主要产品是钾钙肥、钾镁磷钾肥、硅镁钾肥（汪碧容等，广东农业科学，2011）。钾钙肥的生产方法主要是将钾长石、石灰石和煤按一定比例经破碎、粉磨、成球，经1200℃焙烧后磨成细粉，制得钾钙肥，有效K₂O含量约为5%；钙镁磷钾肥的生产方法主要是将钙镁磷肥工艺中的硅石原料用钾长石全部或者部分替代制得，有效K₂O含量约为4%；硅镁钾肥生产方式主要是将钾长石、白云石和煤按一定比例配料，高温熔融，在经水淬，干燥制得，K₂O含量约为3%-8%（申军，化工矿物与加工，2000）。这些过程生产的钾肥含钾率低，能耗高。

中国在70、80年代开发了窑灰钾肥同时联产水泥。此法是将钾长石掺入到水泥配料中一起高温焙烧，煅烧温度为1350℃，部分钾挥发进入窑灰，将窑灰用干法或者湿法收集起来制得窑灰钾肥（马鸿文，矿产综合利用，1998）。高温法普遍存在能耗高，CO₂排放量大，产品有效钾含量低等问题。

针对上述问题，科学家后期主要研究了用低温分解钾长石。例如中国专利（ZL 95104123.1）公开了一种低温分解钾长石的方法，将钾长石与无机酸和氟化物在常压低温下反应，产物加工生产出硫酸钾铵、铝系列和硅系列产品。钾长石分解率为93%，硫酸钾铵纯度只有约20%。低温分解钾长石虽然不需要高温，但对设备的耐腐蚀性要求高，且硫酸钾产纯度不高，若要得到高纯度的硫酸钾产品必须进一步分离提纯，能耗和设备投入均会大大增加。

马鸿文等研究了热水法提取钾肥（马鸿文，现代地质，2005）但水热法需要高温高压，设备成本高。

以上提取钾肥的过程都集中在钾的水溶性转化，就单纯提取钾来看，很难同现有的水溶性钾盐资源生产钾肥竞争。

我国是磷肥生产大国，每年磷肥产量为2000万吨左右。磷肥行业副产磷石膏主要来源于湿法磷酸工艺，每生产1t P₂O₅约排放4.5～5t磷石膏，我国磷石膏的年排放量为20 Mt，主要以堆存为主（郑苏云等，化工生产与技术，2003）。磷石膏的排放不仅占用大量土地还污染了环境。

目前，磷石膏的利用主要集中在三个方面：一是作为硫钙资源生产化工产品；二是建筑原材料；三是改良土壤（李飞，副产品综合利用，2012）。