CN101298018A - 一种以氨水吸收烟道气中co2的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种以氨水吸收烟道气中的二氧化碳生成碳酸氢铵的方法，它是将喷淋吸收塔分为两级，在第一级喷淋塔烟道气与6％－18％的氨水逆向接触，生成氨基甲酸铵或氨基甲酸铵和碳酸铵；在二级喷淋塔中，烟道气与一级塔底来的含氨基甲酸铵和碳酸铵吸收液逆向接触，进一步生成碳酸氢铵。最后气体由塔顶部排出。该方法的优点是大大减少了脱除CO2后的烟道气中氨的含量，减少了二次污染，同时降低运行成本。

Description

一种以氨水吸收烟道气中CO2的方法
技术领域
本发明涉及一种以氨水脱除发电厂烟道气中的二氧化碳生成碳酸氢铵的工艺方法。
背景技术
二氧化碳是温室气体主要组成部分，化石燃料的燃烧是最大的大气环境污染源，也是巨大的CO2温室气体释放源，而全球气候变暖将给人类带来空前的灾难，因此，迫切需要脱除燃煤发电厂锅炉烟道气中的二氧化碳。
温室气体二氧化碳的治理已受到全世界的重视。目前工业上采用的技术有：物理吸收法，化学吸收法，物理吸附法，膜分离法，低温分馏法，生物法等，以上诸多方法归纳为两类：一类是改变现有能源的消费构成，提高能源利用率和节能；另一类是回收CO2，利用并加以处置CO2，以减少向大气层的排放。
用氨水洗涤烟气脱除CO2是一种新的方法，由于同时生成碳酸盐，不仅真正意义上脱除了温室气体二氧化碳，而且还可以产生化肥，实现资源回收利用。中国专利CN1833756A提出了利用超重力场用氨水吸收二氧化碳，该方法的气体阻力降较小脱除效率较高，但不适合大型发电装置烟道气的处理。由于电厂锅炉烟气流量大，且考虑能耗问题一般采用常压吸收，采用氨水一级吸收烟道气，使随烟道气带走的氨量较大，造成二次污染、且成本增高；即使在吸收塔后增设清洗塔，由于系统水平衡要求，往往需要稀氨水提浓循环操作，很难避免这一问题。
发明内容
本发明为克服现有技术中存在的问题，提供一种新的脱除烟道气中二氧化碳生成碳酸氢铵的工艺方法。
本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明的技术思路为将氨吸收烟道气中二氧化碳生成碳酸氢铵，分为两步进行：第一步氨与二氧化碳反应生成氨基甲酸铵和碳酸铵，第二步是碳酸铵和氨基甲酸铵与二氧化碳反应，生成最终产物碳酸氢铵NH4HCO3。由于氨基甲酸铵和碳酸铵溶解度较大，不会出现固体结晶，且溶液中游离氨较少，与烟道气接触后，烟道气中夹带的氨量很少。
NH3与CO2化学反应方程式如下：
首先发生反应：        CO2+2NH3＝NH2COONH4
或                    CO2+2NH3+H2O＝(NH4)2CO3
然后生成的产物遇H2O发生反应：
                      NH2COONH4+H2O＝NH4HCO3+NH3
                      (NH4)2CO3+CO2+H2O＝2NH4HCO3
最后得产物NH4HCO3；
本发明一种以氨水吸收烟道气中CO2的方法，包括以下步骤：
①将工业用O2、N2、CO2按照电厂烟气成分，按各成份体积比为2～6％的O2、0～86％的N2、12～100％的CO2混合成的烟道气首先通过气体压缩机加压到0.1～1.0MPa，然后由底部送入一级氨水喷淋塔；也可通过开启控制阀使部分烟道气直接进入二级碳酸铵喷淋塔。
②将浓度为6％-18％的氨水从一级氨水喷淋塔的顶部由氨水喷淋器喷入，使上面喷淋的氨水和烟气充分接触；产生气液两相接触反应。
③控制一级氨水喷淋塔塔内反应温度为25～50℃，反应产物为碳酸铵和氨基甲酸铵溶液。
④然后将碳酸铵和氨基甲酸铵溶液由循环泵送入换热器，将该溶液冷却到35℃以下，通过管路再进入二级碳酸铵喷淋塔的顶部，由喷淋器喷入，与来自一级氨水喷淋塔的烟道气再次接触反应，生成结晶固体即碳酸氢铵，随母液溶液一起由塔的底部排出集中于贮槽。
⑤然后进行碳酸氢铵固体与母液溶液的分离操作，将碳酸氢铵固体经离心机分离后的液体进入氨水罐，调节氨水浓度为7％～8％，由循环系统并入初始反应液，如此循环。
⑥经吸收反应后的烟道气通过排气口排出。
其中，氨水对烟道气的吸收经一级氨水喷淋塔反应后生成氨基甲酸铵和碳酸铵，二氧化碳的吸收率可在45％～70％范围内进行调整；控制一级氨水喷淋塔的塔内反应温度为30～40℃。
所述步骤②中氨水的浓度为10％～15％。
所述一级氨水喷淋塔和二级碳酸铵喷淋塔可以是喷淋空塔也可以是喷淋填料塔。
所述系统的操作压力在常压至1MPa范围内。
所述换热器为外置换热器。
在塔内可设置间接换热装置即换热器，也可将换热器设置为外换热器，带走反应放出的热，使反应温度控制在40℃以下，有利于吸收反应和碳酸氢铵结晶。
本发明中使用的装置，吸收反应塔主要由两级组成：即一级氨水喷淋塔和二级碳酸铵喷淋塔，还包括：填料、氨水喷淋器、进气控制阀、溶液出口(用于排出含有碳酸氢铵结晶的水溶液)、循环泵、喷淋器、换热器和排气口。
通过调节氨水浓度和流量，在一级氨水喷淋塔中氨水吸收液与塔底来的烟道气逆向接触，生成氨基甲酸铵和碳酸铵；在二级碳酸铵喷淋塔中烟道气与从一级氨水喷淋塔塔底来的含氨基甲酸铵和碳酸铵溶液逆向接触反应，得产物碳酸氢铵。
在一级氨水喷淋塔中，所用的氨水的浓度为6％-18％。氨水对烟道气的吸收经一级氨水喷淋塔反应后生成氨基甲酸铵和碳酸铵，二氧化碳的吸收率为45％-70％。进入二级碳酸铵喷淋塔的氨基甲酸铵和碳酸铵溶液浓度为10％-20％左右、温度小于35℃，最终二氧化碳的吸收率可保持80％-94％，一般可达90％以上。
根据对烟道气中二氧化碳脱除率的要求，二级吸收反应塔进口气可以是一级氨水喷淋塔出口气体，或者部分或全部采用新鲜烟道气，通过调节阀门来控制。
根据采用的燃烧方法不同，例如富氧燃烧、纯氧燃烧、金属氧化物催化燃烧等，烟道气中CO2的浓度可以从12％到接近100％不等。烟道气中CO2浓度直接影响到最终碳酸氢铵结晶的多少和颗粒的大小。CO2浓度过低，在常压操作时，由于气相中的CO2分压低，受平衡限制，溶液中生成碳酸氢铵的含量太低，不能形成结晶，需要在进入吸收塔之前进行加压。根据烟道气中的CO2含量，系统的操作压力在常压到1MPa的范围内。
本发明与现有技术相比具有以下显著的优点：
本发明解决了尾气夹带氨的问题，不会造成二次污染，对二氧化碳脱除效率可以保持在80％-94％之间，一般为90％以上。
并且，本发明的最终产物主要是碳酸氢铵，也有少量其它的碳酸盐类，都可以作为氮肥使用，故本发明既减少了温室气体二氧化碳，又变废为宝。
附图说明
图1为本发明工艺流程示意图；
图2为本发明另一实施方式的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明工艺流程图，图1中，本发明中使用的装置，吸收反应塔主要由两级组成：即一级氨水喷淋塔2和二级碳酸铵喷淋塔7，还包括：填料3、氨水喷淋器4、进气控制阀5、溶液出口6、循环泵1、喷淋器8、换热器10、排气口9。
所述填料3的作用是增大气液接触面积，提高传质速率，如波纹板填料。
所述溶液出口6用于排出含有碳酸氢铵结晶的水溶液。
图2所示为本发明另一实施方式的流程示意图，一级氨水喷淋塔2和二级碳酸铵喷淋塔7可以合并制作成分上下两部分的一个塔，如图2，反应原理和过程与附图1所示工艺流程相同。
实施例1
如附图1，一种以氨水吸收烟道气中CO2的方法：
①将由工业用O2、N2、CO2按照电厂烟气成分，按各成份体积比的3％的O2、84％的N2、13％的CO2混合成的烟道气首先通过气体压缩机加压到0.4～0.6MPa，然后由底部送入一级氨水喷淋塔2。根据吸收效果，通过开启进气控制阀5使部分烟道气直接进入二级碳酸铵喷淋塔7。
②将浓度为15％的氨水从一级氨水喷淋塔2的顶部由氨水喷淋器4喷入，使上面喷淋的氨水和烟气充分接触，使气液两相接触反应。
③控制一级氨水喷淋塔2塔内反应温度为35℃，反应产物为碳酸铵和氨基甲酸铵溶液。
④然后将碳酸铵和氨基甲酸铵溶液由循环泵1送入换热器10，可以为外置换热器，将该溶液冷却到35℃以下，通过管路再进入二级碳酸铵喷淋塔7的顶部，由喷淋器8喷入，与来自一级氨水喷淋塔2的烟道气再次接触反应，生成结晶固体(碳酸氢铵)，随母液溶液一起由塔的底部溶液出口6排出集中于贮槽。
⑤然后进行碳酸氢铵固体与母液溶液的分离操作，将碳酸氢铵固体经离心机分离后的液体，通过循环设备进入氨水罐，调节氨水浓度为8％，由循环系统并入初始反应液，进行循环使用。
⑥经吸收反应后的烟道气通过排气口9排除，二氧化碳脱除效率可以达90％以上。
实施例2：
如附图2，一种脱除烟道气中高浓度二氧化碳的工艺方法：
①将由工业用O2、N2、CO2配制成如下各组分含量的模拟烟道气：3％的O2、47％的N2、50％的CO2。模拟烟道气通过进气装置由底部送入一级氨喷淋塔2。根据吸收效果，通过开启进气控制阀5使部分烟道气直接进入二级碳酸铵喷淋塔7。
②将浓度为15.0％的氨水从一级喷淋塔2的顶部由氨水喷淋器4喷入，使气液两相接触反应，使烟气和上面喷淋的氨水充分接触。
③控制一级氨水喷淋塔2的塔内反应温度为35℃，反应产物为碳酸铵和氨基甲酸铵溶液。
④然后将碳酸铵和氨基甲酸铵溶液由循环泵1送入换热器10，此处为外置换热器，将该溶液冷却到35℃以下，通过管路再进入二级碳酸铵喷淋塔7的顶部，由喷淋器8喷入，与来自一级氨水喷淋塔的含二氧化碳浓度为25.0％左右的烟道气(其它成份分别为N2 62.3％，O2 4％)再次接触反应，生成结晶固体(碳酸氢铵)，随母液溶液一起由塔的底部排出集中于贮槽。
⑤然后进行碳酸氢铵固体与母液溶液的分离操作，将碳酸氢铵固体经离心机分离后的液体进入氨水罐，调节氨水浓度为8％左右由循环系统并入初始反应液，进行循环。
⑥经吸收反应后的烟道气通过排气口9排除，二氧化碳脱除效率可以达90％以上。
本发明方法也可以应用为，烟道气中CO2的浓度范围为12％～100％。
本发明既可以应用在脱除电厂烟道气中的二氧化碳，也可以应用在其它类似的烟道气中二氧化碳的脱除，不限于本发明实施例的所述，也适于其它类似本发明的工业上的应用。

Claims (6)

1、一种以氨水吸收烟道气中CO2的方法，其特征是，它包括以下步骤：
①将工业用O2、N2、CO2按照电厂烟气成分，按各成份体积比为2～6％的O2、0～86％的N2、12～100％的CO2混合成的烟道气首先通过气体压缩机加压到0.1～1.0MPa，然后由底部送入一级氨水喷淋塔(2)；也可通过开启进气控制阀(5)使部分烟道气直接进入二级碳酸铵喷淋塔(7)；
②将浓度为6％-18％的氨水从一级氨水喷淋塔(2)的顶部由氨水喷淋器(4)喷入，使上面喷淋的氨水和烟气充分接触；产生气液两相接触反应；
③控制一级氨水喷淋塔(2)塔内反应温度为25～50℃，反应产物为碳酸铵和氨基甲酸铵溶液；
④然后将碳酸铵和氨基甲酸铵溶液由循环泵(1)送入换热器(10)，将该溶液冷却到35℃以下，通过管路再进入二级碳酸铵喷淋塔(7)的顶部，由喷淋器(8)喷入，与来自一级氨水喷淋塔(2)的烟道气再次接触反应，生成结晶固体即碳酸氢铵，随母液溶液一起由塔的底部排出集中于贮槽；
⑤然后进行碳酸氢铵固体与母液溶液的分离操作，将碳酸氢铵固体经离心机分离后的液体进入氨水罐，调节氨水浓度为7％～8％，由循环系统并入初始反应液，如此循环；
⑥经吸收反应后的烟道气通过排气口(9)排出。
2、如权利要求1所述的一种以氨水吸收烟道气中CO2的方法，其特征是，氨水对烟道气的吸收经一级氨水喷淋塔(2)反应后生成氨基甲酸铵和碳酸铵，二氧化碳的吸收率可在45％～70％范围内进行调整；控制一级氨水喷淋塔(2)的塔内反应温度为30～40℃。
3、如权利要求1所述的一种以氨水吸收烟道气中CO2的方法，其特征是，所述步骤②中氨水的浓度为10％～15％。
4、如权利要求1所述的一种以氨水吸收烟道气中CO2的方法，其特征是，所述一级氨水喷淋塔(2)和二级碳酸铵喷淋塔(7)可以是喷淋空塔也可以是喷淋填料塔。
5、如权利要求1所述的一种以氨水吸收烟道气中CO2的方法，其特征是，系统的操作压力在常压至1MPa范围内。
6、如权利要求1所述的一种以氨水吸收烟道气中CO2的方法，其特征是，所述换热器(10)为外置换热器。
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