Enhanced Calcium Extraction From Steel Converter Slag Using Wet Extractive Grinding And Comparison With Traditional Mechanical Mixing - Selective extraction of Ca, V, Si and Mg
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2021-10-08
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
52 + app. 36
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 110/2021
Abstract
This thesis belongs to the field of process engineering. The goal of this research is to develop an effective recovery method for calcium from industrial waste streams to produce precipitated calcium carbonate, PCC. This would reduce our dependency on virgin raw material resources, reduce CO2 emissions and offer a pathway to circular economy by closing material loops in industrial processes. We focused on the utilization of steel converter slag as a source of calcium for the pH-swing process named as X2PCC (X refers to Ca-bearing materials). As the first process step, we extract calcium from steelmaking slag using aqueous ammonium chloride solvent and separate solids by filtering. In the second step, the Ca-rich solution is treated with CO2 gas to produce precipitated calcium carbonate (PCC). The main scientific objective of this thesis is to experimentally analyze phenomena in Ca extraction step and develop process solutions for increasing the Ca dissolution rate and yield. As a part of the work, we developed the new wet extractive grinding (EG) method. Traditional mechanical mixing (MM) process is first briefly explained and then compared with the new wet extractive grinding process. The carbonation step was left out of the scope of this thesis. In this thesis, the effects of various process parameters on the performance of these two techniques are systematically and quantitatively investigated. The first part (paper I) focuses on the experimental study on the traditional mechanical mixing with respect to particle size distribution and strength of the solvent. Aqueous ammonium chloride (NH4Cl) was used as an extracting solvent with concentrations of 0-2 mol/L. The slag to solvent ratio was constant 100 g/L for all experiments. The main objective of this part was to determine the optimal concentrations of solvent and particle size for leaching out the maximum amount of calcium from the slag. All the tests were conducted at ambient pressure and temperature. The extraction rate of different size fractions of the slag, 0–50 μm, 50–74 μm and 74–125 μm were studied. If was found that the smaller the particle size, and the higher the solvent molarity, the higher the yield of Ca. We found that Ca extraction is limited by the mass transfer and the availability of Ca within the large particles. We proposed a mechanism that the surface layer of the slag particles could be get blocked by reaction products, mainlySiO2, and this stops the reaction. This would explain the lower yield in the larger particles. The second part (papers II and III) of the work focuses on the new wet extractive grinding method and optimizing it for the maximum extraction efficiency of calcium from steel slag. Extractive grinding was compared with our traditional mechanical mixing to give better understanding of the performance of our new extractive grinding method, and to study the effects of the different process parameters on the calcium extraction and dissolution of other trace elements such as V, Si and Mg. Physical and chemical characterization is performed for the analysis of particle morphology before and after the extraction. Here, we found that with our new method we can achieve up to 73 % Ca-extraction efficiency as compared to below 40 % in MM. EG process, that combines grinding and extraction stages, reduces the overall energy requirement of the process. There are two mechanism that makes this possible: the processing time reduces due to reaction surface grinding effects and the Ca yield also significantly increases. The main scientific contribution of this thesis is in identifying the limiting factors in the Ca extraction stage and presenting and analyzing the new wet extractive grinding method. We were able to show that with the EG method, Ca yield increased from 35 to 73%, processing time decreased from earlier used 30 to 5 min. To obtain Ca yield higher than 70% via mechanical mixing, energy intensive fine grinding is required. With EG method, based on preliminary calculations, energy saving can be up to 56 % compared to fine grinding and mechanical mixing path. We also found that EG method does not significantly affect the particle size distribution, which means that there are fewer filtering issues expected, compared with the fine-grinded slag. We are presenting unique data on the effects of solvent molarity, slag to solvent ratio, particle size distribution, process time. These will be later used in the actual process design and feasibility analysis. Finally, we studied also initially a concept for the integration of CO2-capture Ca-looping integrated with our X2PCC process. Initial results show that CO2 capture potential of the process could be significantly increased by this. This will be further studied in our future work and we will evaluate what would be the optimal use for the PCC produced in terms of circular economy and environment. Tämä väitöskirja kuuluu prosessitekniikan tutkimusalaan. Tutkimuksen laajempi tavoite on kehittää tehokas menetelmä kalsiumin talteen ottamiseksi teollisuuden sivu- ja jätevirroista ja valmistaa tästä saostettua kalsium karbonaattia (PCC). Tämä askel vähentäisi riippuvuuttamme neitseellisistä raaka-aineista, vähentäisi fossiilisia CO2 päästöjä ja veisi alan kehitystä kohti kiertotaloutta sulkemalla materiaalikiertoja. Työssä keskityttiin teräskuonaan X2PCC prosessimme raaka-aineena. X viittaa tässä materiaaleihin, jotka sisältävät runsaasti kalsiumia. X2PCC-prosessimme ensimmäisessä vaiheessa kalsium liuotetaan selektiivisesti ja kiintoaines suodatetaan pois. Puhtaaseen kalsiumliuokseen puhalletaan sen jälkeen CO2 kaasua, jolloin tuotteena syntyy saostettua kalsiumkarbonaattia, CaCO3. Työn tieteellinen tavoite oli tutkia kokeellisesti kalsiumin liuotusta ja siihen liittyviä ilmiöitä sekä kehittää menetelmää, joilla prosessia saataisiin tehostettua. Osana työtä kehitimme uuden märkäjauhatukseen perustuvan liuotusmenetelmän (EG). Perinteistä mekaanista sekoitusmenetelmää tutkittiin ensin ja sen jälkeen vertailtiin uuteen EG menetelmään. Karbonointivaihe rajattiin työn ulkopuolelle.Työn ensimmäinen osa (Julkaisu I) keskittyy mekaaniseen sekoitukseen ja kuonan kokojakauman ja liuottimen vahvuuden vaikutusten tutkimiseen. Vesiliukoista ammoniumkloridia (NH4Cl) käytettiin liuottimena vaihtelemalla sen molaarisuutta välillä 0-2 mol/L. Kuona-liuotinsuhde oli vakio 100 g/L kaikissa kokeissa. Tavoite oli löytää parametrit, joilla Ca-saanto kuonasta saadaan maksimoitua. Kokeet tehtiin ilmakehän paineessa ja huoneen lämpötilassa. Kuonajauhe seulottiin mekaanisesti kokoluokkiin 0–50 μm, 50–74 μm ja 74–125 μm. Havaittiin että mitä pienempi partikkelikoko ja mitä suurempi molaarisuus, sitä korkeampi Ca-saanto. Hypoteesimme on, että suurilla partikkeleilla Ca-saantoa rajoittaa aineensiirto ja kalsiumin saatavuus reaktioiden käyttöön. Ehdottamassamme reaktiota rajoittavassa mekanismissa reaktiotuotteet, pääasiassa SiO2, tukkii huokoset ja hidastaa reaktiota olennaisesti. Tämä ilmiö selittäisi suurempien partikkelien matalamman Ca-saannon. Työn toinen osa (julkaisut II ja III) keskittyvät uuteen märkäjauhatusliuotukseen ja sen parametrien optimointiin teräskuonalla. Uutta menetelmään verrattiin mekaaniseen sekoitukseen, jotta saataisiin parempi käsitys uuden menetelmän eduista eri prosessiparametreillä. EG menetelmää karakterisoitiin kemiallisesti ja fysikaalisesti ja tutkittiin kuonan morfologian muutoksia prosessin aikana. Havaittiin, että uudella EG menetelmällä on mahdollista kasvattaa saantoa mekaanisen sekoituksen alle 40 % arvosta yli 70% tasolle. EG menetelmässä yhdistetään jauhatuksen teho sekä liuotusvaihe. Tällöin prosessin läpimenoaika pienenee huomattavasti ja saanto kasvaa. Tämän ansiosta energian kulutus myös pienenee huomattavasti. Väitöskirjan tieteellinen kontrobuutio on, että pystytiin identifioimaan Ca-liuotuksen kontrolloivia mekanismeja sekä kehitettiin uusi märkäjauhatusliuotus menetelmä. Pystyimme näyttämään, että EG menetelmällä Ca-saanto nousi 35 % arvosta 73% tasolle, prosessiaika lyheni 30 minuutista 5 min tasolle. Jotta vastaava saanto saataisiin aikaiseksi mekaanisella sekoituksella, täytyisi kuona jauhaa erittäin pieneksi (<50 μm), vaatien paljon aikaa ja energiaa. Alustavien laskelmien mukaan energian kulutus voisi olla 50-60% alhaisempi uudella menetelmällä. Havaitsimme myös, että EG menetelmä ei juuri vaikuta partikkelikokojakaumaan, joka tarkoittaa sitä, että hienoksi jauhetun kuonan tapauksessa esiintyviä suodatukseen liittyviä ongelmia on huomattavasti vähemmän. Työssä on myös esitetty suuri määrä täysin uusia mittaustuloksia molaarisuuden, partikkelikoon, kuona-liuotinsuhteen ja prosessiajan vaikutuksista prosessin käyttäytymiseen, joita voidaan käyttää tulevaisuudessa teollisen kokoluokan prosessin suunnittelussa, optimoinnissa ja taloudellisen kannattavuuden arvioinnissa. Työn lopuksi teimme vielä alustavia laskelmia CO2 talteenottopotentiaalin kasvatusmahdollisuuksista. Alustavien tulosten mukaan, jos X2PCC prosessi yhdistettäisiin Ca-looping CO2 talteenottomenetelmään ja käyttämällä valmistamaamme CaCO3:a talteenottoprosessin sorbenttina, hiilidioksidin talteenottopotentiaalia voitaisiin kasvattaa merkittävästi. Tätä tutkitaan tulevaisuudessa laajemmin ja arvioidaan PCC tuotteemme parasta käyttökohdetta kiertotalouden ja ympäristön kannalta.Description
Defence is held on 8.10.2021 12:00 – 15:30
Remotely via Zoom https://aalto.zoom.us/j/69652895150
Supervising professor
Järvinen, Mika, Assoc. Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Said, Arshe, Dr., Aalto University, FinlandOther note
Parts
-
[Publication 1]: Muhammad Owais, Mika Järvinen, Pekka Taskinen, and Arshe Said. 2019. Experimental study on the extraction of calcium, magnesium, vanadium, and silicon from steelmaking slags for improved mineral carbonation of CO2. Journal of CO2 Utilization, vol. 31, pp. 1–7, May 2019.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201905062845DOI: 10.1016/j.jcou.2019.02.014 View at publisher
-
[Publication 2]: Muhammad Owais, Roza Yazdani, and Mika Järvinen.2020. Wet extractive grinding process for efficient calcium recovery from steelmaking slags. Journal of Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, vol. 151, p. 107917, May 2020.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202004092770DOI: 10.1016/j.cep.2020.107917 View at publisher
-
[Publication 3]: Muhammad Owais, Roza Yazdani, and Mika Järvinen. 2021. Detailed Performance Analysis of the Wet Extractive Grinding Process for Higher Calcium Yields from Steelmaking Slags. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification Volume 166, September 2021, 108489.
Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202107017821DOI: 10.1016/j.cep.2021.108489 View at publisher