leyu尹希文：高钙粉煤灰固碳降碱反应特性及煤矿井下规模化利用新途径“碳中和科学与工程”专题原标题：尹希文：高钙粉煤灰固碳降碱反应特性及煤矿井下规模化利用新途径“碳中和科学与工程”专题

　　（1）提出了CO2矿化制备煤矿井下防灭火材料新思路，构建了实验室CO2矿化反应系统，揭示了粉煤灰固碳降碱反应机理及关键影响因素，确定了最优矿化反应参数：CO2浓度10%~15%、固液比300 g/L、气体流量每升浆液1.0 L/min、温度不高于55 °C，为工业化应用提供理论基础。

　　（2）通过实验室小试和扩试试验，发现了涡流式反应器在固碳降碱反应速度方面优于旋桨式反应器，旋桨式反应器在装置容积和反应规模上优于涡流式反应器，综合二者优势提出了串并联两级耦合固碳降碱工艺流程，为建立全流程生产系统提供技术依据。

　　作者：尹希文1, 2，于秋鸽1, 2，甘志超1, 2，浮耀坤1, 2，樊振丽1, 2，纪 龙3

　　单位：1.中煤科工开采研究院有限公司;2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部;3.华中农业大学 工学院

　　煤炭在未来较长时间内仍是我国的主体能源，2020年煤炭在全国一次能源消费中的占比为56.7%，燃煤发电是我国CO2排放的主要来源之一，占全国排放总量的40%以上。同时，我国煤炭燃烧发电每年 还产生超6亿t粉煤灰，由于其具有碱性高、含有重金属等特点，处置不当易造成环境危害。CO2矿化 技术是投入能耗低、环境风险小的负碳技术，具有较 大的减碳潜力。据专家预测，当前我国每年产生的粉 煤灰若全部使用CO2矿化技术，可实现CO2直接减 排超过0.5亿t;若能使用CO2矿化技术得到的负碳 材料替代天然矿物作为工业原料实现过程减排，每年 可实现CO2间接减排超过5亿t。

　　CO2矿化技术是利用富含钙镁的碱性矿物直接 或间接与CO2反应，将CO2以碳酸盐的形式固定。早在1995年，LACKNER首次采用蛇纹石直接矿化固定CO2，反应2h后CO2的转化率最大达到25%;2000年，O’CONNOR提出天然矿物湿法固定CO2方法;FERNANDEZ BERTOS研究认为过多的水可能堵塞固体材料的孔道系统进而限制CO2的渗透性和进入的反应位点。UKWATTAGE采用澳大利亚维 多利亚州的3座电厂粉煤灰、HERNANDE采用CaO质量分数为4.1%的粉煤灰开展湿法固定CO2试验， 每吨粉煤灰固碳量分别为10.71、26.19kg。近年来，随着我国“双碳”战略目标的提出leyu·(中国)官方网站，CO2矿化受到国内学者的广泛关注。马立强等开展了CO2矿化利用粉煤灰制保水开采负碳充填材料实验室试验;秦 波涛等提出了粉煤灰在防灭火技术领域“长效防 火−协同固碳−智能调控”发展方向;蔡洁莹等研究认为固碳量随温度升高和固液比的增加而降低;王晓龙、纪龙等研究得到每吨粉煤灰固碳能力为20~120kg，反应后粉煤灰浆液pH可由11.0~12.4降低至7，不同种粉煤灰的固碳能力与活性矿物含量密切 相关。

　　榆林地区为我国的煤炭和煤电企业的聚集地，2020年粉煤灰年产量超700 万t，利用率约20%。初 步测试结果表明，该地区粉煤灰含钙量较高，浆液pH一般超12，按照《一般工业固体废物贮存和填埋污染 控制标准》规定属二类固废，直接输送到煤矿井下利用易污染地下水。同时，该地区的煤层具有构造少、埋藏深度浅及易自燃等特点，煤炭开采过程中普遍采用开挖地表黄土进行黄泥灌浆防灭火，对地表生态破坏大。已有煤矿采用粉煤灰代替黄泥进行煤矿井下防灭火，但主要用于应急时期，利用量较少。

　　为实现煤矿井下粉煤灰规模化利用，笔者选取陕 西榆林地区某煤电一体化企业粉煤灰作为研究对象，开展CO2矿化利用粉煤灰鼓泡塔及扩试试验，研究粉煤灰固碳降碱反应过程中浆液pH变化规律及主要影响因素，提出粉煤灰矿化CO2制备煤矿井下防灭火材料工艺流程，探索粉煤灰在煤矿井下规模化利用新途径。

　　高钙粉煤灰浆pH较高，直接用于煤矿井下防灭火易污染地下水。为研究CO2矿化利用粉 煤灰制井下防灭火材料固碳降碱反应特性，选取陕北某煤电一体化企业粉煤灰为样品leyu·(中国)官方网站，通过XRF、XRD分析了粉煤灰组分及物相结构，利用N2和CO2的混合气模拟电厂烟气，开展了CO2矿化利 用粉煤灰实验室小试及扩试试验，研究了粉煤灰固碳降碱反应过程中浆液pH变化规律及模拟烟 气CO2体积分数、烟气流量、固液比、温度、搅拌方式等关键参数对矿化反应过程的影响，并从粉煤灰固碳降碱浆液特性、矿化反应装置研制等方面提出了井下规模化应用有待攻克的关键技术， 研究结果表明:

　　(2)CO2与粉煤灰中含Ca2+、Mg2+等碱性矿物产生矿化反应，反应后CO2以方解石型碳 酸钙附着在粉煤灰球形颗粒表面，表明了高钙粉煤灰固碳降碱具有可行性。

　　(3)矿化反应过程中， 浆液pH下降呈“慢—快—慢”3个阶段，当粉煤灰浆液pH降至7.0~7.5后，浆液返碱pH不会超过9，满足煤矿井下粉煤灰防灭火材料要求。

　　(4) 确定了最优矿化反应参数为CO2体积分数10%~15%、固液比300 g/L、每升浆液的烟气流量1.0L/min、温度不高于55°C;5 综合考虑固碳量、降碱返碱速度以及反应规模等因素，提出了涡流式反应器与旋桨式反应器串并联两级耦合反应系统。

　　尹希文，1981年10月，博士，研究员，博士生导师，现任中国煤炭科工集团首席科学家，中煤科工开采研究院安环分院院长，兼任中国岩石力学与工程学会采动损害及生态修复分会副主任委员、采矿分会理事，中国煤炭工业协会矿区勘探与水害防治专家委员会委员，《煤炭科学技术》青年专家委员会委员，获煤炭青年科技奖，《煤炭学报》创刊五十周年百篇最具影响力学术论文。

　　提出了揭示煤壁片帮机理的“压杆模型”、支架围岩双周期动态作用模型、浅埋煤层覆岩“切落体”结构模型，发明了工作面矿压双周期分析预测新方法，开发了“采煤沉陷区空地地孔协同监测平台”，获中国煤炭工业协会两化融合重点推荐优秀项目，北京电视台专题报导；首次提出粉煤灰固碳及井下规模化利用新思路，获国家“十四五”重点研发项目计划支持。主持企业横向项目40余项，获中国专利银奖1项，省部级科技奖励16项，国内核心期刊发表论文25篇，授权专利30余项，主持参与编写学术专著3本。

　　尹希文，于秋鸽，甘志超leyu·(中国)官方网站，等.高钙粉煤灰固碳降碱反应特性及煤矿井下规模化利用新途径[J].煤炭学报，2023，48(7):2717−2727.