CO₂ mineral sequestration with the use of ground granulated blast furnace slag

• Autorzy: Uliasz-Bocheńczyk A. , Mokrzycki E.

Identyfikatory

DOI

10.1515/gospo-2017-0008

Warianty tytułu

PL

Mineralna sekwestracja CO₂ przy zastosowaniu granulowanych żużli wielkopiecowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The mineral sequestration using waste products is a method of reducing CO₂ emissions that is particularly interesting for major emitters and producers of mineral wastes, such as iron and steel industries. The CO₂ emissions from iron and steel production amounted to 6,181.07 kt in 2014 (PNIR 2016). The aforementioned industry participates in the EU emission trading system (EU ETS). However, blast furnace processes produce mineral waste – slag with a high content of CaO which can be used to reduce CO₂ emissions. Metallurgical slag can be used to carry out direct (a one-step process) or indirect (two-stage process) process of mineral sequestration of carbon dioxide. The paper presents the degree of carbonation of the examined samples of granulated blast furnace slags defined by the six-digit code (10 02 01) for the waste and the respective two-digit (10 02) chapter heading, according to the Regulation of the Minister of the Environment of 9 December 2014 on the waste catalogue. The carbonation process used the direct gas-solid method. The slags were wetted on the surface and treated with CO₂ for 28 days; the obtained results were compared with the analysis of fresh waste products. The analyzed slags are characterized by a high content of calcium (nearly 24%), while their theoretical binding capacity of CO₂ is up to 34.1%. The X-ray diffraction (XRD) analysis of the phase composition of slags has revealed the presence of amorphous glass phase, which was confirmed with the thermogravimetric (DTA/TG) analysis. The process of mineral sequestration of CO₂ has resulted in a significant amount (9.32%) of calcium carbonate – calcite, while the calculated degree of carbonation of the examined blast furnace slag is up to 39%. The high content of calcium, and a significant content of CaCO₃–calcite, has confirmed the suitability of the discussed waste products to reduce carbon dioxide emissions.

PL

Mineralna sekwestracja przy wykorzystaniu odpadów jest metodą redukcji CO₂ szczególnie interesującą dla znaczących emitentów, którzy są zarazem wytwórcami odpadów mineralnych, tak jak przemysł hutniczy. Emisja CO₂ z produkcji żelaza i stali wyniosła 6 181,07 kt w 2014 roku (PNIR 2016). Przemysł ten bierze udział w systemie handlu pozwoleniami na emisję ditelnku węgla − EU ETS, a zarazem w procesach wielkopiecowych powstają odpady mineralne − żużle o wysokiej zawartości CaO, które mogą być stosowane do redukcji emisji CO₂. Żużle hutnicze mogą być stosowane do realizacji procesu mineralnej sekwestracji ditelenku węgla metodą bezpośrednią (jednoetapową) oraz pośrednią (dwuetapową). W artykule przedstawiono wyniki badań stopnia karbonatyzacji granulowanych żużli wielkopiecowych klasyfikowanych według Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 9 grudnia 2014 r. w sprawie katalogu odpadów do podgrupy 10 02 odpady z hutnictwa żelaza i stali jako odpad o kodzie 10 02 01. Do prowadzenia procesu karbonatyzacji zastosowano metodę bezpośrednią gaz−ciało stałe. Zwilżone żużle były poddawane procesowi sekwestracji ditelnku węgla przez 28 dni, a uzyskane wyniki porównano z analizą świeżych odpadów. Poddane badaniom żużle charakteryzują się wysoką zawartością wapnia, wynoszącą prawie 24%, a ich obliczona teoretyczna pojemność związania CO₂ wynosi 34,1%. Analiza składu fazowego żużli wykorzystanych w badaniach, prowadzona metodą rentgenograficzną, wykazała jedynie obecność amorficznej fazy szklistej, co potwierdzają wyniki analizy DTA/TG. Proces mineralnej sekwestracji CO₂ spowodowało powstanie w znaczącej ilości 9,32% węglanu wapnia–kalcytu, a obliczony stopień karbonatyzacji badanych żużli wielkopiecowych wynosi maksymalnie 39%. Wysoka zawartość wapnia oraz powstanie znaczącej zawartości CaCO₃–kalcytu, potwierdza szczególne predyspozycje tych odpadów do redukcji emisji ditlenku węgla.

Słowa kluczowe

EN

CO2 mineral sequestration; ground granulated blast furnace slag; direct gas solid method

PL

mineralna sekwestracja CO2; żużel wielkopiecowy granulowany; metoda bezpośrednia gaz-ciało stałe

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN ; Komitet Zrównoważonej Gospodarki Surowcami Mineralnymi PAN
• Czasopismo: Gospodarka Surowcami Mineralnymi
• Rocznik: 2017
• Tom: T. 33, z. 1
• Strony: 111--124
• Opis fizyczny: Bibliogr. 39 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Uliasz-Bocheńczyk A.

• AGH Univeristy of Science and Technology, Faculty of Mining and Geoengineering, Krakow, Poland

autor

Mokrzycki E.

• Mineral and Energy Economy Research Institute of the Polish Academy of Sciences Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Baciocchi et al. 2008 − Baciocchi, R., Costa, G., Di Bartolomeo, E., Di Kamillo, V., Polettini, A. and Pomi, R. 2008. Accelerated carbonation of different size fractions of stainless steel slag. Proceedings of 2nd International Conference on Accelerated Carbonation for Environmental and Materials Engineering, Roma, pp. 257−266.
• [2] Baciocchi et al. 2009a – Baciocchi, R., Costa, G., Polettini, A., Pomi, R. and Prigiobbe, V. 2009. Influence of particle size on the carbonation of stainless steel slag. Energy Procedia 1, pp. 4859–4866.
• [3] Baciocchi et al. 2010a − Baciocchi, R., Costa, G., Di Bartolomeo, E., Polettini, A. and Pomi, R. 2010a. Comparison of different process routes for stainless steel slag carbonation. Proceedings of Third International Conference on Accelerated Carbonation for Environmental Engineering ACEME10, Åbo Akademi University, Åbo/Turku, pp. 193−202.
• [4] Baciocchi et al. 2010b − Baciocchi, R., Costa, G., Polettini, A. and Pomi, R. 2010b. The influence of carbonation on major and trace elements leaching from various types of stainless steel slag. Third International Conference on Accelerated Carbonation for Environmental Engineering ACEME10, Åbo Akademi University, Åbo/Turku, pp. 215−226.
• [5] Bonenfant et al. 2008 – Bonenfant, D., Kharoune L., Sauve, S., Hausler, R., Niquette, P., Mimeault, M. and Kharoune, M., 2008. CO2 sequestration potential of steel slags at ambient pressure and temperature. Industrial & Engineering Chemistry Research 47, pp. 7610–7616.
• [6] Boone et al. 2014 − Boone, M.A., Nielsen, P., De Kock, T., Boone, M.N., Quaghebeur, M. and Cnudde, V. 2014. Monitoring of stainless−steel slag carbonation using X−ray computed microtomography. Environmental Science and Technology 48, pp. 674–680.
• [7] Chang et al. 2011 − Chang, E.-E., Shu-Yuan, P., Yi-Hung, Ch., Hsiao-Wen, Ch., Chu-Fang, W. and Pen-Chi, Ch. 2011. CO2 sequestration by carbonation of steelmaking slags in an autoclave reactor. Journal of Hazardous Materials 195, pp. 107–114.
• [8] Deja, J. 2004. Trwałość zapraw i betonów żużlowo-alkalicznych. Prace Komisji Nauk Ceramicznych 83, 144 pp.
• [9] Diener et al. 2010 – Diener, S., Herrmann, I., Ecke, H. and Lagerkvist, A. 2010. Waste Management 30, pp. 132–139.
• [10] EC 2016. European Comission. Paris Agreement. [Online] Available at: http://ec.europa.eu/clima/policies/international/negotiations/paris_pl [Accessed: 1.12.2016].
• [11] Eloneva et al. 2008a − Eloneva, S., Teir, S., Salminen, J., Fogelholm, C.J. and Zevenhoven, R. 2008a. Fixation of CO2 by carbonating calcium derived from blast furnance slag. Energy 33, pp. 1561−1467.
• [12] Eloneva et al. 2008b − Eloneva, S., Teir, S., Salminen, J., Revitzer, H., Kontu, K., Forsman, A.M., Zevenhoven, R. and Fogelholm C.J. 2008b. Pure calcium carbonate product from the carbonation of steelmaking slag. Proceedings of 2nd International Conference on Accelerated Carbonation for Environmental and Materials Engineering, 1−3 October, Roma, Italy, pp. 239−248.
• [13] Eloneva et al. 2010 − Eloneva, S., Said, A., Mannisto, P., Fogelholm C.J. and Zevenhoven, R. 2010. Ammonium salt based steelmaking slag carbonation: precipitation of CaCO3. Third International Conference on Accelerated Carbonation for Environmental Engineering ACEME10, Åbo Akademi University, Åbo/Turku, pp. 169−178.
• [14] Fernandez Bertos et al. 2004 – Fernandez Bertos, M., Simons, S.J.R., Hills, C.D. and Carey, P.J., 2004 – A review of accelerated carbonation technology in the treatment of cement-based materials and sequestration of CO2. Journal of Hazardous Materials B112, pp. 193–205.
• [15] Galos et al. 2009 − Galos, K., Gawlicki, M., Hycnar, E., Lewicka, E., Nieć, M., Ratajczak, T., Szlugaj, J. and Wyszomirski, P. 2009. Mineralne surowce odpadowe. Kraków: Wydawnictwo Instytutu GS MiE PAN, 261 pp.
• [16] Huijgen et al. 2004 − Huijgen, W.J.J., Witkamp, G.J. and Comans, R.N.J. 2004. Mineral CO2 sequestration in alkaline solid residues. Proceedings Materials of 7th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, Vancouver, Canada.
• [17] Huijgen et al. 2005 – Huijgen, W.J.J., Witkamp, G.J. and Comans, R.N.J. 2005. Mineral CO2 sequestration by steel slag carbonation. Environmental Science and Technology 39, pp. 9676−9682.
• [18] Huijgen, W.J.J. 2007. Carbon dioxide sequestration by mineral carbonation. feasibility of enhanced natural weathering as a CO2 emission reduction technology. Energy Research Centre of The Netherlands, 232 pp.
• [19] Huijgen, W.J.J. and Comans, R.N.J. 2005. Mineral CO2 sequestration by carbonation of industrial residues. ECN . ECN-C-05-074. [Online] Available at: www.ecn.nl [Accessed: 1.12.2016].
• [20] Huijgen, W.J.J. and Comans, R.N.J. 2006. Carbonation of steel slag for CO2 sequestration: Leaching of products and reaction mechanisms. Environmental Science and Technology 40, pp. 2790−2796.
• [21] Johnson, D.C. 2000. Accelerated carbonation of waste calcium silicate materials. SCI Lecture Papers Series, Society of Chemical Industry. ISSN 1353-114X.
• [22] Kodama et al. 2006 – Kodama, S., Nishimoto, T., Yogo, K. and Yamada, K., 2006. Design and evaluation of a new CO2 fixation process using alkaline−earth metal wastes. 8th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies, 19−22 June, Trondheim, Norway.
• [23] Kodama et al. 2008 – Kodama, S., Nishimoto, T., Yamamoto, T., Yogo, K. and Yamada, K., 2008. Development of a new pH−swing CO 2 mineralization process with a recyclable reaction solution. Energy 33, pp. 776−784.
• [24] Kunzler et al. 2011 – Kunzler, C., Alves, N., Pereira, E., Nienczewski, J., Ligabue, R., Einloft, S. and Dullius, J. 2011. CO2 storage with indirect carbonation using industrial waste. Energy Procedia 4, pp. 1010−1017.
• [25] Małolepszy, J. ed. 2008. Materiały budowlane. Podstawy technologii i metody badań. Kraków: Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne AGH , 393 pp.
• [26] Mun, M. and Cho, H. 2013. Mineral Carbonation for Carbon Sequestration with Industrial Waste. Energy Procedia 37, pp. 6999–7005.
• [27] Nienczewski 2008 – Nienczewski, J.R., Alves, S.M.S., Costa, G.S., Amaral, L.C., Dullis, J.E.L., Ligabue, R.A., Ketzer, J.M. and Einloft, S. 2008. Improving the extraction of calcium and magnesium oxides of steel slag aiming carbonates for mitigation of steelmaking slag. Proceedings of 2nd International Conference on Accelerated Carbonation for Environmental and Materials Engineering, 1−3 October, Roma, Italy, pp. 249−256.
• [28] PNIR 2016. Poland’s National Inventory Report. Greenhouse Gas Inventory for 1988−2014. National Centre for Emission Management (KO BiZE ) at the Institute of Environmental Protection – National Research Institute, Warszawa 2016.
• [29] Regulation of the Minister of the Environment of 9 December 2014 (Dziennik Ustaw (Journal of Laws), 2014, item 1923) on the waste catalogue.
• [30] Sanchez, M. and Martinez, M.M. 2010. Dry accelerated carbonation reaction studies for lime, hydrated lime and steel slag. Proceedings of Third International Conference on Accelerated Carbonation for Environmental Engineering ACEME10, Åbo Akademi University, Åbo/Turku, pp. 179−188.
• [31] Santos et al. 2013 − Santos, R., Van Bouwela, J., Vandeveldea, E., Mertensb,G., Elsenb, J. and Van Gerven, T. 2013. Accelerated mineral carbonation of stainless steel slags for CO2 storage and waste valorization: Effect of process parameters on geochemical properties. International Journal of Greenhouse Gas Control 17, pp. 32–45.
• [32] Sobczyński, P. 1999. Żużle hutnicze – ich natura oraz przydatność gospodarcza. Konf. „Odpady przemysłowe i komunalne – powstawanie oraz możliwości wykorzystania”. Kraków, 15−16.04.1999.
• [33] Sun et al. 2011 – Sun Y., Ming−Shun, Y., Zhangb, J.-P. and Yang G. 2011. Indirect CO2 mineral sequestration by steelmaking slag with NH 4Cl as leaching solution. Chemical Engineering Journal 173, pp. 437–445.
• [34] Teir et al. 2007 – Teir, S., Eloneva, S., Fogelholm, C.J. and Zevenhoven, R. 2007. Dissolution of steelmaking slags in acetic acid for precipitated calcium carbonate production. Energy 32, pp. 528−539.
• [35] Uliasz-Bocheńczyk, A. 2009. Mineralna sekwestracja CO2 w wybranych odpadach. Kraków: Wyd. IGS MiE PAN, 139 pp.
• [36] Uliasz-Bocheńczyk, A. and Mokrzycki, E. 2016. Wpływ mineralnej sekwestracji CO2 na wymywalność zanieczyszczeń z żużli z hutnictwa stali. Rocznik Ochrona Środowiska 18, pp. 682−694.
• [37] United Nations. Intended Nationally Determined Contributions (INDCs). [Online] Available at: http://unfccc.int/focus/indc_portal/items/8766.php [Accessed: 1.12.2016].
• [38] Van Der Laan et al. 2008 − Van Der Laan, S.R., Van Hoek, C.J.G., Van Zomeren, A., Comans, R.N.J., Kobesen, J.B.A. and Broersen, P.G.J. 2008. Chemical reduction of CO2 to carbon at ambient conditions during artificial weathering of converter slag while improving environmental properties. Proceedings of 2nd International Conference on Accelerated Carbonation for Environmental and Materials Engineering, 1−3 October, Roma, Italy, pp. 229−238.
• [39] Zevenhoven et al. 2010 – Zevenhoven, R., Wiklund, A., Fagerlund, J., Eloneva, S., In’T Veen, B., Geerlings, H., Van Mossel, G. and Boerrigter, H., 2010. Carbonation of calcium containing mineral and industrial by-byproduct. Frontiers of Chemical Engineering in Chin 4, pp. 110–119.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).