Automation of precipitation step in Slag2PCC mineral carbonation process

Abstract

Significant amounts of steelmaking slags are produced as a by-product of the steel industry. Steel manufacturing also accounts for approximately 5 % of all global carbon dioxide emissions. The Slag2PCC process offers a method to utilize steelmaking slags and simultaneously sequestrate CO2 to produce precipitated calcium carbonate using mineral carbonation phenomena. The main steps of the Slag2PCC process are grinding of the steel making slag, extraction of calcium from the slag using a liquid solvent and the precipitation of the calcium as CaCO3. The produced PCC is a valuable product and an important raw material to many industries making the Slag2PCC process also economically very attractive.

In this work, carbonation experiments were performed to investigate the relation between CO2 input flow rate, total CO2 consumption and the yield of PCC. The amount of CO2 consumed by the carbonated Ca2+ rich solution as a fraction of the amount of CO2 required for complete carbonation of all calcium and the flow rate of CO2 were varied between carbonation cycles to determine to optimal CO2 input regime.

With the lower CO2 input flow rate of 0.5 L/min, significantly higher PCC yields were obtained, and the carbonation process proceeded more intensively. There was no clear link between end pH and PCC yield. However, end pH value of 7.0 might be optimal and a slight peak in the yield was obtained approximately at that value with the lower flow rate. The phase of rapid pH decline begins at pH value 7.7 after which careful control of CO2 flow rate is required in order to reach a desired end pH..

With the higher flow rate of 0.8 L/min, less CO2 participated in the carbonation reaction and more was arguably absorbed by the solution. However, a clear link was observed between the end pH and the PCC yield. The yield increased steadily as the amount of used CO2 was increased and the end pH values decreased down to 7.79 as a result.

Further experiments with the higher flow rate aiming at end pH values at approximately 6.5–7.0 are recommended to verify the results obtained with the lower flow rate and if the optimal pH value lies around 7.0.

Teräksenvalmistuksessa syntyy sivutuotteena suuria määriä teräskuonaa. Lisäksi terästeollisuus tuottaa noin 5 % kaikista globaaleista hiilidioksidipäästöistä. Niin kutsuttu Slag2PCC-prosessi voi mahdollistaa teräskuonan hyötykäytön saostetun kalsiumkarbonaatin (PCC, Precipitated Calcium Carboante) tuotantoon. Prosessin päävaiheet ovat kuonan jauhatus hienommaksi, kalsiumin uutto jauhetusta teräskuonasta sekä uutossa syntyneen kalsiumliuoksen karbonointi hiilidioksidilla. Lopputuotteena syntyvä PCC on arvokas tuote, jota tarvitaan raaka-aineena monilla teollisuuden aloilla. Siksi myös Slag2PCC-teknologian taloudellinen potentiaali on suuri.

Osana tätä diplomityötä suoritettiin karbonointikokeita, joissa pyrittiin selvittämään hiilidioksidin syöttönopeuden, käytetyn hiilidioksidin kokonaismäärän ja PCC:n saannon välistä yhteyttä. Käytetyn hiilidioksidin määrää verrattiin stoikiometriseen määrään, joka vaadittaisiin kaiken karbonoitavassa liuoksessa olevan kalsiumin karbonointiin. Tätä käytetyn ja stoikiometrisen määrien suhdetta sekä hiilidioksidin syöttönopeutta vaihdeltiinkarbonointisyklien välillä.

Pienemmällä hiilidioksidin syöttönopeudella saatiin tuotettua enemmän PCC:tä, ja karbonointiprosessi eteni tehokkaammin. PCC:n saanto ei kuitenkaan selvästi riippunut pH:n loppuarvosta. Karbointiprosessissa tapahtuva nopean pH-laskun vaihe todettiin kuitenkin yleisesti alkavan pH-arvossa 7.7, jonka jälkeen hiilidioksidin syöttövirtaa on säädettävä tarkasti, mikäli halutaan saavuttaa tietty tarkka pH:n loppuarvo.

Suuremmalla syöttönopeudella pienempi osa hiilidioksidista osallistui karbonointireaktioon ja suurempi osa ilmeisesti absorboitui liuokseen. PCC:n saanto riippui kuitenkin selvästi pH:n loppuarvosta. Saanto kasvoi tasaisesti, kun syötetyn hiilidioksidin kokonaismäärää kasvatettiin ja pH:n loppuarvot laskivat aina 7.79:än.

Kokeiden jatkamista suuremmalla tilavuusvirralla tähdäten 6.5–7.0 pH-loppuarvoihin suositellaan, jotta pienemmällä tilavuusvirralla saadut havainnot voitaisiin varmistaa sekä tutkia tarkemmin, onko 7.0 optimaalinen pH:n loppuarvo.