高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中CO₂的裝置及方法

2023-07-20 07:37:36

專利名稱：高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中CO2的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及化石燃料燃燒產生的煙氣中co2的脫除和濃縮方法，尤其是一 種採用高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中co2的裝置及方法。屬於二氧化碳捕
集和減排技術領域。
背景技術：
二氧化碳是一種典型的"溫室效應"氣體。由於其排放量巨大，且呈不斷增長 的趨勢，其對地球近地面氣溫升高的影響日益突出並已成為全球關注的熱點問
題。煤、石油、天然氣等化石燃料的使用是C02等溫室效應氣體的主要來源。據
統計，2006年度我國煤炭消費佔能源消費總量的69.7%。從我國一次能源地質儲 量的構成、 一次能源的價格和能源的戰略安全性等方面看，我國以煤為主要能源 的格局將長期存在，而其中發電行業的煤炭消耗所佔比重最大。目前，我國約50 %的產煤用於發電，火力發電佔總發電量的78%。燃煤電廠成為了化石燃料燃燒 利用領域C02排放量最大、最集中的場所。但對於發電行業，C02減排的研究僅 處於起步階段，迄今還未有可有效脫除C02且投資和運行費用適中的技術。因此， 研發適用於燃煤電廠的C02減排技術具有十分重要的戰略意義。
目前正在研究的各種C02減排技術中，鹼金屬基吸收劑幹法脫除C02技術(屬
燃燒後捕集技術)，由於其碳酸化溫度低，再生反應能耗少，吸收劑不易失活， 循環利用率高，對設備腐蝕輕，無二次汙染等優點開始引起人們的關注。
美國Louisiana State University, Research Triangle Institute禾卩Church & Dwight 在DOE的資助下，開展了鹼金屬碳酸鹽(Na2C03、 K2C03)幹法脫除(302技術的 研究，並申請了美國專利第6387337B1 (2002.5.14.)、第6280503B1 (2001.8.28.) 等。阜韋國Kyungpook National University, Yeungnam University, Korea Electric Power Research Institute禾卩Korea Institute of Energy Research在卓爭國禾鬥學技術部 "21st Century Frontier Programs"的資助下也開展了相關的研究。韓國電力公社在 中國申請了專利CN200410101564.0,在美國申請了專利USP20060148642。 需要說明的是，上述專利均是針對吸收劑及其製備方法的，有關C02脫除裝置和工藝方法的專利還未見報導。東南大學近幾年也針對該項技術開展了相關的研究 工作，並正在申請有關高活性鉀基吸收劑的國家發明專利。
東南大學所開發高活性鉀基吸收劑以六方晶系碳酸鉀作為活性組分，該物質與 CO2的反應速率比RTI或韓國電力公社研究的碳酸鈉或單斜晶系碳酸鉀快10倍以上；
以活性炭或粗孔矽膠作為載體材料，其廉價易得，具有較好的負載能力和流化特性。 該吸收劑再生性能良好，循環利用率高。
鹼金屬基吸收劑幹法脫除C02技術通過以下2個主要的化學反應實現C02的
脫除和濃縮
碳酸化反應M2C03(s)+C02(g)+H20(g)—2MHC03(s) (1)
再生反應2MHC03(s)—M2C03(s)+C02(g)+H20(g) (2)
(M為Na或K)
其中，碳酸化反應溫度為50。C 8(TC,再生反應溫度為150。C 25(TC。碳酸 化反應為高放熱反應，如碳酸化反應器中的熱量無法及時散失，將導致碳酸化反 應體系的溫度升高，直至超出最佳反應溫度區，從而影響碳酸化反應的正常進行。 因此，在設計碳酸化反應器時必須考慮採取適當的措施維持均勻、正常的反應溫 度。而再生反應是吸熱反應，必須為其提供穩定的熱源，以確保反應的正常進行； 另一方面，由於再生反應所需溫度較低，如能採用較低品位的熱源為其供熱，可 有效提高系統的熱經濟性，這也是本發明將著力解決的一個關鍵技術問題。碳酸 化反應所需補充的水蒸汽量有限，合理利用電廠汽水系統中的低品位熱源並有效 簡化水蒸汽發生系統是本發明所需解決的又一個技術難點。為有效提高再生反應 器內固體物料與供熱介質間的傳熱係數，採用循環流化床反應器是一個理想的選 擇，為保證最終捕集到的C02氣體的純度，再生反應器流化介質的合理選擇也十 分重要。

發明內容
技術問題本發明旨在提供一種高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中C02的裝 置及方法。該裝置與燃煤發電系統有機結合，利用燃煤煙氣提供系統所需能量， 是投資和能耗較低的一種優化方案。
技術方案本發明的高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中C02的裝置由水蒸 汽發生器、氣體混合器、增壓風機、碳酸化反應器、埋管式散熱器、物料循環裝
置i、物料循環裝置n、再生反應器、埋管式加熱器、水蒸汽冷凝器和循環風機組成；其中，水蒸汽發生器的水蒸汽輸出端接氣體混合器，氣體混合器的輸出端 通過增壓風機接碳酸化反應器的底部，碳酸化反應器的中部接物料循環裝置I的 上部，物料循環裝置I的下部通過料腿接再生反應器的下部；再生反應器的中部 接物料循環裝置II,物料循環裝置II的下部接通過料腿接碳酸化反應器的下部， 再生反應器的氣體輸出端接水蒸汽冷凝器，水蒸汽冷凝器的輸出端通過循環風機 接再生反應器的底部。
高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中C02的裝置的脫除煙氣中C02方法為 脫硫後的煙氣與水蒸汽混合後由增壓風機送入碳酸化反應器，在碳酸化反應器內
與高活性鉀基吸收劑反應，將煙氣中的C02脫除；反應後的吸收劑經物料循環
裝置I進入再生反應器，經加熱分解再生後，經物料循環裝置II返回碳酸化反應
器循環利用；再生反應產生的C02和水蒸汽混合氣體經水蒸汽冷凝器冷凝脫水
後，獲得高純C02;高純C02—部分作為流化介質由循環風機送入再生反應器， 剩餘的進行收集處理；水蒸汽發生器所需熱量由電廠蒸汽輪機排汽提供，蒸汽輪
機排汽在水蒸汽發生器中凝結放熱後返回電廠的汽水系統。
在碳酸化反應器內設置埋管式散熱器，埋管式散熱器內的吸熱介質為來自鍋 爐鼓風機的冷空氣，冷空氣在埋管式散熱器內吸熱升溫後再送入鍋爐的空氣預熱 器內。
所述的碳酸化反應器和再生反應器均為循環流化床操作方式。 在再生反應器內設置埋管式加熱器，埋管式加熱器內通入的加熱用煙氣為由
鍋爐省煤器出口引出的部分煙氣，與部分脫硫後煙氣混合而成；經埋管降溫後的 煙氣再引入脫硫塔進行脫硫。
所述的再生反應器採用煙氣處理過程中產生的高純度C02作為流化介質。
有益效果
1、 高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中C02工藝的C02脫除效率高，系統所
需能耗低，設備和運行成本較低，是高效，節能，經濟的優化方案。
2、 碳酸化反應所需補充的水蒸汽由專門設置的水蒸汽發生器提供(如脫硫 處理後的煙氣中水蒸汽的含量足夠碳酸化反應需要，則可不設置水蒸汽發生器)， 水蒸汽發生器所需熱量由電廠蒸汽輪機排汽提供。有效利用了蒸汽輪機排汽的餘 熱，提高了系統運行的經濟性。
3、 採用空氣埋管散熱器解決碳酸化反應的散熱問題，可及時帶走反應產生 的熱量，使反應器內溫度維持恆定，保證碳酸化反應正常進行；碳酸化反應產生的反應熱得到有效利用，提高了系統運行的經濟性。
4、 碳酸化反應器和再生反應器均採用循環流化床操作方式，使反應器內物 料混合充分，溫度分布均勻，有利於反應進行，也使得碳酸化反應器和再生反應 器之間的物料循環容易實現，有效簡化了系統，節省投資和運行費用。
5、 再生反應所需熱量完全由鍋爐產生的熱煙氣提供，有效簡化了系統，節 省投資和運行費用並提高了系統的熱經濟性。
6、 採用C02作為再生反應器的流化介質，在實現再生反應器循環流化床操
作的前提下解決了確保再生反應器排氣C02純度的問題。


圖1是本發明裝置的結構示意圖。其中有水蒸汽發生器1、氣體混合器2、
增壓風機3、碳酸化反應器4、埋管式散熱器5、物料循環裝置I6、物料循環裝 置117、再生反應器8、埋管式加熱器9、水蒸汽冷凝器IO、循環風機ll。 A為 脫硫後煙氣；B為引自電廠蒸汽輪機的蒸汽；C為換熱後的凝結水；D為通入的 液態水；E為產生的蒸汽；F為鍋爐鼓風機；G為鍋爐鼓風機產生的直接送入空
氣預熱器的冷空氣；H為吸熱升溫後的空氣；I為脫除C02後的煙氣；J為引自 鍋爐省煤器出口的高溫煙氣；K為冷凝水；L為可以進行收集處理的高純C02;
M為降溫後煙氣。
具體實施例方式
本發明的高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中C02的裝置由水蒸汽發生器、氣
體混合器、增壓風機、碳酸化反應器、埋管式散熱器、物料循環裝置、再生反應 器、埋管式加熱器、水蒸汽冷凝器和循環風機等組成。
本發明的高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中C02的工藝流程為脫硫後的
煙氣與一定量的水蒸汽混合後(如脫硫處理後的煙氣中水蒸汽的含量足夠碳酸化 反應需要，則可不設置水蒸汽發生器)由增壓風機送入碳酸化反應器，在反應器
內與高活性鉀基吸收劑反應，將煙氣中的C02脫除；反應後的吸收劑經物料循 環裝置I進入再生反應器，經加熱再生後，經物料循環裝置II返回碳酸化反應器
循環利用。再生反應產生的C02和水蒸汽混合氣體經冷凝器冷凝脫水後，獲得 高純C02， 一部分作為流化介質由循環風機送入再生反應器，剩餘的進行收集處理。
碳酸化反應所需補充的水蒸汽由專門設置的水蒸汽發生器提供(如脫硫處理 後的煙氣中水蒸汽的含量足夠碳酸化反應需要，則可不設置水蒸汽發生器)，水 蒸汽發生器所需熱量由電廠蒸汽輪機排汽提供，在汽輪機排汽管路上設置旁路， 引出一部分低壓蒸汽經流量調節裝置調至所需流量後引入水蒸汽發生器，凝結放 熱後返回電廠的汽水系統。水蒸汽發生器產生的水蒸汽引入氣體混合器，與脫硫 後的煙氣混合。
碳酸化反應器採用循環流化床反應器，在碳酸化反應器的密相區均勻布置埋 管式散熱器，埋管內的吸熱介質為來自鍋爐鼓風機的冷空氣。在鍋爐鼓風機與空 氣預熱器的連接風道上設置旁路，部分冷空氣由旁路經流量調節裝置送入埋管式 散熱器內，空氣在埋管內吸熱升溫後再送入鍋爐的空氣預熱器內。這樣可有效利 用碳酸化反應過程中產生的反應熱，進一步提高系統的經濟性。
再生反應器同樣採用循環流化床操作方式。再生反應器內布置埋管式加熱 器，埋管內通入加熱用煙氣，為再生反應提供所需熱量。加熱用煙氣為由鍋爐省 煤器出口引出的部分40(TC左右的煙氣，與部分脫硫後IO(TC左右的煙氣混合而 成，通過流量調節分配，控制到所需溫度後通入埋管，經埋管降溫後的煙氣再引 入脫硫塔進行脫硫。
碳酸化反應器和再生反應器之間設置兩套物料循環裝置，分別將吸附C02 後的吸收劑由碳酸化反應器送入再生反應器，將再生後的吸附劑由再生反應器送 入碳酸化反應器。
高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中C02的裝置應用於燃煤電廠煙氣的C02脫 除和濃縮。整套裝置置於脫硫塔之後。脫硫後的煙氣除少部分與由鍋爐省煤器出 口引出的部分40(TC左右的熱煙氣混合作為再生反應器熱源外，其餘通入碳酸化 反應器進行脫碳。脫硫後煙氣的溫度一般在10(TC左右，除含有N2、 02和部分 水蒸汽外，含有約10% 20%的C02。為保證碳酸化反應充分進行，必須有相同 莫爾數的水蒸汽存在，如脫硫處理後的煙氣中水蒸汽的含量足夠，則可不設置水 蒸汽發生器，否則需增設水蒸汽發生器。水蒸汽發生器所需熱量由電廠蒸汽輪機 排汽提供，在汽輪機排汽管路上設置旁路，引出一部分低壓蒸汽經流量調節裝置 調至所需流量後引入水蒸汽發生器，凝結放熱後返回電廠汽水系統。水蒸汽發生 器產生的水蒸汽引入氣體混合器，與脫硫後的煙氣混合。
混合後的煙氣由增壓風機送入碳酸化反應器，碳酸化反應器內裝載適量粒徑為0.5mm lmm的顆粒狀高活性鉀基吸收劑。反應器溫度維持在60'C 8(TC之 間，此為其最佳反應溫度範圍。煙氣中的C02和水蒸汽在反應器內與高活性鉀 基吸收劑反應，C02脫除率可接近100%。碳酸化反應器採用循環流化床反應器， 流化介質為需脫C02的混合煙氣，它從碳酸化反應器的底部送入，在保證高活 性鉀基吸收劑正常流化的同時實現C02的脫除。高活性鉀基吸收劑在碳酸化反 應器內與煙氣充分混合併進行碳酸化反應，反應產生熱量由在反應器密相區均勻 布置的埋管式散熱器帶走，埋管內的吸熱介質為來自鍋爐鼓風機的冷空氣。在鍋 爐鼓風機與空氣預熱器的連接風道上設置旁路風道，由旁路風道將部分冷空氣經 流量調節裝置送入埋管式散熱器內，空氣在埋管內吸熱升溫後再送入鍋爐的空氣 預熱器內。這樣可有效利用碳酸化反應過程中產生的反應熱，進一步提高系統的 經濟性。
脫除C02後的煙氣直接經煙道和煙囪排入大氣。反應後的吸收劑顆粒經物 料循環裝置I進入再生反應器。在再生反應器內經加熱分解後再生，經物料循環
裝置n返回碳酸化反應器循環利用。再生反應產生的co2和水蒸汽的混合氣體
經冷凝器冷凝脫水後，可獲得純度大於99%的C02，高純度C02—部分作為流
化介質由循環風機送入再生反應器，剩餘的進行收集處理。
再生反應器採用循環流化床操作方式。再生反應器內布置埋管式加熱器，埋 管內通入加熱用煙氣，為再生反應提供所需熱量。加熱用煙氣為由鍋爐省煤器出
口引出的部分40(TC左右的煙氣，與部分脫硫後IOO'C左右的煙氣混合而成，通 過流量調節分配，控制到所需溫度後通入埋管，經埋管降溫後的煙氣再引入脫硫 塔進行脫硫。
碳酸化反應器和再生反應器之間設置兩套物料循環裝置，分別將吸附C02 後的吸收劑由碳酸化反應器送入再生反應器，將再生後的吸附劑由再生反應器送 入碳酸化反應器。
權利要求
1、一種高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中CO2的裝置，其特徵在於該裝置由水蒸汽發生器(1)、氣體混合器(2)、增壓風機(3)、碳酸化反應器(4)、埋管式散熱器(5)、物料循環裝置I(6)、物料循環裝置II(7)、再生反應器(8)、埋管式加熱器(9)、水蒸汽冷凝器(10)和循環風機(11)組成；其中，水蒸汽發生器(1)的水蒸汽輸出端接氣體混合器(2)，氣體混合器(2)的輸出端通過增壓風機(3)接碳酸化反應器(4)的底部，碳酸化反應器(4)的中部接物料循環裝置I(6)的上部，物料循環裝置I(6)的下部通過料腿接再生反應器(4)的下部；再生反應器(8)的中部接物料循環裝置II(7)，物料循環裝置II(7)的下部接通過料腿接碳酸化反應器(8)的下部，再生反應器(8)的氣體輸出端接水蒸汽冷凝器(10)，水蒸汽冷凝器(10)的輸出端通過循環風機(11)接再生反應器(8)的底部。
2. 一種如權利要求1所述的高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中C02的裝置 的脫除煙氣中C02方法，其特徵在於脫硫後的煙氣與水蒸汽混合後由增壓風機(3)送入碳酸化反應器(4)，在碳酸化反應器(4)內與高活性鉀基吸收劑反應， 將煙氣中的C02脫除；反應後的吸收劑經物料循環裝置I (6)進入再生反應器(8)，經加熱分解再生後，經物料循環裝置n (7)返回碳酸化反應器(4)循環利用；再生反應產生的C02和水蒸汽混合氣體經水蒸汽冷凝器(10)冷凝脫水後，獲得高純C02;高純C02—部分作為流化介質由循環風機送入再生反應器 (8)，剩餘的進行收集處理；水蒸汽發生器(1)所需熱量由電廠蒸汽輪機排汽提供，蒸汽輪機排汽在水蒸汽發生器中凝結放熱後返回電廠的汽水系統。
3. 根據權利要求2所述的高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中C02的裝置的 脫除煙氣中C02方法，其特徵在於在碳酸化反應器(4)內設置埋管式散熱器， 埋管式散熱器內的吸熱介質為來自鍋爐鼓風機的冷空氣，冷空氣在埋管式散熱器 內吸熱升溫後再送入鍋爐的空氣預熱器內。
4. 根據權利要求2所述的高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中C02的裝置的 脫除煙氣中C02方法，其特徵在於所述的碳酸化反應器(4)和再生反應器(8)均為循環流化床操作方式。
5. 根據權利要求2所述的高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中C02的裝置的 脫除煙氣中C02方法，其特徵在於在再生反應器(8)內設置埋管式加熱器，埋管式加熱器內通入的加熱用煙氣為由鍋爐省煤器出口引出的部分煙氣，與部分脫 硫後煙氣混合而成；經埋管降溫後的煙氣再引入脫硫塔進行脫硫。
6、根據權利要求2所述的高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中C02的裝置的 脫除煙氣中C02方法，其特徵在於所述的再生反應器採用煙氣處理過程中產生的高純度C02作為流化介質。
全文摘要
高活性鉀基吸收劑幹法脫除煙氣中CO2的裝置及方法中，該裝置主要由兩個循環流化床反應器、兩套埋管式換熱器、兩套物料循環裝置以及氣體發生、混合、輸送裝置組成。脫硫後煙氣與利用蒸汽輪機排汽餘熱產生的水蒸汽混合後送入第一個循環流化床反應器，在反應器內與高活性鉀基吸收劑反應，將煙氣中的CO2脫除；反應後吸收劑送入另一個循環流化床反應器，反應器內通過設置埋管利用電站鍋爐產生的熱煙氣的熱量，使吸收劑再生。產生的混合氣體經冷凝器脫水後，獲得高純CO2。一部分CO2作為再生反應器的流化介質，剩餘的收集處理。該裝置與燃煤發電系統有機結合，利用燃煤煙氣提供裝置運行所需能量，是投資和能耗較低的一種優化方案。
文檔編號B01D53/83GK101298023SQ20081012264
公開日2008年11月5日 申請日期2008年6月17日 優先權日2008年6月17日
發明者財 梁, 趙傳文, 趙長遂, 陳曉平 申請人:東南大學