CN101298023B - 高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中co2的装置及方法 - Google Patents

Abstract

高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中CO₂的装置及方法中，该装置主要由两个循环流化床反应器、两套埋管式换热器、两套物料循环装置以及气体发生、混合、输送装置组成。脱硫后烟气与利用蒸汽轮机排汽余热产生的水蒸汽混合后送入第一个循环流化床反应器，在反应器内与高活性钾基吸收剂反应，将烟气中的CO₂脱除；反应后吸收剂送入另一个循环流化床反应器，反应器内通过设置埋管利用电站锅炉产生的热烟气的热量，使吸收剂再生。产生的混合气体经冷凝器脱水后，获得高纯CO₂。一部分CO₂作为再生反应器的流化介质，剩余的收集处理。该装置与燃煤发电系统有机结合，利用燃煤烟气提供装置运行所需能量，是投资和能耗较低的一种优化方案。

Description

高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中CO2的装置及方法

技术领域

本发明涉及化石燃料燃烧产生的烟气中CO₂的脱除和浓缩方法，尤其是一种采用高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中CO₂的装置及方法。属于二氧化碳捕集和减排技术领域。

背景技术

二氧化碳是一种典型的“温室效应”气体。由于其排放量巨大，且呈不断增长的趋势，其对地球近地面气温升高的影响日益突出并已成为全球关注的热点问题。煤、石油、天然气等化石燃料的使用是CO₂等温室效应气体的主要来源。据统计，2006年度我国煤炭消费占能源消费总量的69.7％。从我国一次能源地质储量的构成、一次能源的价格和能源的战略安全性等方面看，我国以煤为主要能源的格局将长期存在，而其中发电行业的煤炭消耗所占比重最大。目前，我国约50％的产煤用于发电，火力发电占总发电量的78％。燃煤电厂成为了化石燃料燃烧利用领域CO₂排放量最大、最集中的场所。但对于发电行业，CO₂减排的研究仅处于起步阶段，迄今还未有可有效脱除CO₂且投资和运行费用适中的技术。因此，研发适用于燃煤电厂的CO₂减排技术具有十分重要的战略意义。

目前正在研究的各种CO₂减排技术中，碱金属基吸收剂干法脱除CO₂技术(属燃烧后捕集技术)，由于其碳酸化温度低，再生反应能耗少，吸收剂不易失活，循环利用率高，对设备腐蚀轻，无二次污染等优点开始引起人们的关注。

美国Louisiana State University，Research Triangle Institute和Church & Dwight在DOE的资助下，开展了碱金属碳酸盐(Na₂CO₃、K₂CO₃)干法脱除CO₂技术的研究，并申请了美国专利：第6387337B1(2002.5.14.)、第6280503B1(2001.8.28.)等。韩国Kyungpook National University，Yeungnam University，Korea ElectricPower Research Institute和Korea Institute of Energy Research在韩国科学技术部“21st Century Frontier Programs”的资助下也开展了相关的研究。韩国电力公社在中国申请了专利：CN200410101564.0，在美国申请了专利：USP20060148642。需要说明的是，上述专利均是针对吸收剂及其制备方法的，有关CO₂脱除装置和工艺方法的专利还未见报道。东南大学近几年也针对该项技术开展了相关的研究工作，并正在申请有关高活性钾基吸收剂的国家发明专利。

东南大学所开发高活性钾基吸收剂以六方晶系碳酸钾作为活性组分，该物质与CO₂的反应速率比RTI或韩国电力公社研究的碳酸钠或单斜晶系碳酸钾快10倍以上；以活性炭或粗孔硅胶作为载体材料，其廉价易得，具有较好的负载能力和流化特性。该吸收剂再生性能良好，循环利用率高。

碱金属基吸收剂干法脱除CO₂技术通过以下2个主要的化学反应实现CO₂的脱除和浓缩：

碳酸化反应：M₂CO₃(s)+CO₂(g)+H₂O(g)→2MHCO₃(s)         (1)

再生反应：2MHCO₃(s)→M₂CO₃(s)+CO₂(g)+H₂O(g)           (2)

                                      (M为Na或K)

其中，碳酸化反应温度为50℃～80℃，再生反应温度为150℃～250℃。碳酸化反应为高放热反应，如碳酸化反应器中的热量无法及时散失，将导致碳酸化反应体系的温度升高，直至超出最佳反应温度区，从而影响碳酸化反应的正常进行。因此，在设计碳酸化反应器时必须考虑采取适当的措施维持均匀、正常的反应温度。而再生反应是吸热反应，必须为其提供稳定的热源，以确保反应的正常进行；另一方面，由于再生反应所需温度较低，如能采用较低品位的热源为其供热，可有效提高系统的热经济性，这也是本发明将着力解决的一个关键技术问题。碳酸化反应所需补充的水蒸汽量有限，合理利用电厂汽水系统中的低品位热源并有效简化水蒸汽发生系统是本发明所需解决的又一个技术难点。为有效提高再生反应器内固体物料与供热介质间的传热系数，采用循环流化床反应器是一个理想的选择，为保证最终捕集到的CO₂气体的纯度，再生反应器流化介质的合理选择也十分重要。

发明内容

技术问题：本发明旨在提供一种高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中CO₂的装置及方法。该装置与燃煤发电系统有机结合，利用燃煤烟气提供系统所需能量，是投资和能耗较低的一种优化方案。

技术方案：本发明的高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中CO₂的装置由水蒸汽发生器、气体混合器、增压风机、碳酸化反应器、埋管式散热器、物料循环装置I、物料循环装置II、再生反应器、埋管式加热器、水蒸汽冷凝器和循环风机组成；其中，水蒸汽发生器的水蒸汽输出端接气体混合器，气体混合器的输出端通过增压风机接碳酸化反应器的底部，碳酸化反应器的中部接物料循环装置I的上部，物料循环装置I的下部通过料腿接再生反应器的下部；再生反应器的中部接物料循环装置II，物料循环装置II的下部接通过料腿接碳酸化反应器的下部，再生反应器的气体输出端接水蒸汽冷凝器，水蒸汽冷凝器的输出端通过循环风机接再生反应器的底部。

高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中CO₂的装置的脱除烟气中CO₂方法为：脱硫后的烟气与水蒸汽混合后由增压风机送入碳酸化反应器，在碳酸化反应器内与高活性钾基吸收剂反应，将烟气中的CO₂脱除；反应后的吸收剂经物料循环装置I进入再生反应器，经加热分解再生后，经物料循环装置II返回碳酸化反应器循环利用；再生反应产生的CO₂和水蒸汽混合气体经水蒸汽冷凝器冷凝脱水后，获得高纯CO₂；高纯CO₂一部分作为流化介质由循环风机送入再生反应器，剩余的进行收集处理；水蒸汽发生器所需热量由电厂蒸汽轮机排汽提供，蒸汽轮机排汽在水蒸汽发生器中凝结放热后返回电厂的汽水系统。

在碳酸化反应器内设置埋管式散热器，埋管式散热器内的吸热介质为来自锅炉鼓风机的冷空气，冷空气在埋管式散热器内吸热升温后再送入锅炉的空气预热器内。

所述的碳酸化反应器和再生反应器均为循环流化床操作方式。

在再生反应器内设置埋管式加热器，埋管式加热器内通入的加热用烟气为由锅炉省煤器出口引出的部分烟气，与部分脱硫后烟气混合而成；经埋管降温后的烟气再引入脱硫塔进行脱硫。

所述的再生反应器采用烟气处理过程中产生的高纯度CO₂作为流化介质。

有益效果：

1、高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中CO₂工艺的CO₂脱除效率高，系统所需能耗低，设备和运行成本较低，是高效，节能，经济的优化方案。

2、碳酸化反应所需补充的水蒸汽由专门设置的水蒸汽发生器提供(如脱硫处理后的烟气中水蒸汽的含量足够碳酸化反应需要，则可不设置水蒸汽发生器)，水蒸汽发生器所需热量由电厂蒸汽轮机排汽提供。有效利用了蒸汽轮机排汽的余热，提高了系统运行的经济性。

3、采用空气埋管散热器解决碳酸化反应的散热问题，可及时带走反应产生的热量，使反应器内温度维持恒定，保证碳酸化反应正常进行；碳酸化反应产生的反应热得到有效利用，提高了系统运行的经济性。

4、碳酸化反应器和再生反应器均采用循环流化床操作方式，使反应器内物料混合充分，温度分布均匀，有利于反应进行，也使得碳酸化反应器和再生反应器之间的物料循环容易实现，有效简化了系统，节省投资和运行费用。

5、再生反应所需热量完全由锅炉产生的热烟气提供，有效简化了系统，节省投资和运行费用并提高了系统的热经济性。

6、采用CO₂作为再生反应器的流化介质，在实现再生反应器循环流化床操作的前提下解决了确保再生反应器排气CO₂纯度的问题。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。其中有：水蒸汽发生器1、气体混合器2、增压风机3、碳酸化反应器4、埋管式散热器5、物料循环装置I 6、物料循环装置II7、再生反应器8、埋管式加热器9、水蒸汽冷凝器10、循环风机11。A为脱硫后烟气；B为引自电厂蒸汽轮机的蒸汽；C为换热后的凝结水；D为通入的液态水；E为产生的蒸汽；F为锅炉鼓风机；G为锅炉鼓风机产生的直接送入空气预热器的冷空气；H为吸热升温后的空气；I为脱除CO₂后的烟气；J为引自锅炉省煤器出口的高温烟气；K为冷凝水；L为可以进行收集处理的高纯CO₂；M为降温后烟气。

具体实施方式

本发明的高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中CO₂的装置由水蒸汽发生器、气体混合器、增压风机、碳酸化反应器、埋管式散热器、物料循环装置、再生反应器、埋管式加热器、水蒸汽冷凝器和循环风机等组成。

本发明的高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中CO₂的工艺流程为：脱硫后的烟气与一定量的水蒸汽混合后(如脱硫处理后的烟气中水蒸汽的含量足够碳酸化反应需要，则可不设置水蒸汽发生器)由增压风机送入碳酸化反应器，在反应器内与高活性钾基吸收剂反应，将烟气中的CO₂脱除；反应后的吸收剂经物料循环装置I进入再生反应器，经加热再生后，经物料循环装置II返回碳酸化反应器循环利用。再生反应产生的CO₂和水蒸汽混合气体经冷凝器冷凝脱水后，获得高纯CO₂，一部分作为流化介质由循环风机送入再生反应器，剩余的进行收集处理。

碳酸化反应所需补充的水蒸汽由专门设置的水蒸汽发生器提供(如脱硫处理后的烟气中水蒸汽的含量足够碳酸化反应需要，则可不设置水蒸汽发生器)，水蒸汽发生器所需热量由电厂蒸汽轮机排汽提供，在汽轮机排汽管路上设置旁路，引出一部分低压蒸汽经流量调节装置调至所需流量后引入水蒸汽发生器，凝结放热后返回电厂的汽水系统。水蒸汽发生器产生的水蒸汽引入气体混合器，与脱硫后的烟气混合。

碳酸化反应器采用循环流化床反应器，在碳酸化反应器的密相区均匀布置埋管式散热器，埋管内的吸热介质为来自锅炉鼓风机的冷空气。在锅炉鼓风机与空气预热器的连接风道上设置旁路，部分冷空气由旁路经流量调节装置送入埋管式散热器内，空气在埋管内吸热升温后再送入锅炉的空气预热器内。这样可有效利用碳酸化反应过程中产生的反应热，进一步提高系统的经济性。

再生反应器同样采用循环流化床操作方式。再生反应器内布置埋管式加热器，埋管内通入加热用烟气，为再生反应提供所需热量。加热用烟气为由锅炉省煤器出口引出的部分400℃左右的烟气，与部分脱硫后100℃左右的烟气混合而成，通过流量调节分配，控制到所需温度后通入埋管，经埋管降温后的烟气再引入脱硫塔进行脱硫。

碳酸化反应器和再生反应器之间设置两套物料循环装置，分别将吸附CO₂后的吸收剂由碳酸化反应器送入再生反应器，将再生后的吸附剂由再生反应器送入碳酸化反应器。

高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中CO₂的装置应用于燃煤电厂烟气的CO₂脱除和浓缩。整套装置置于脱硫塔之后。脱硫后的烟气除少部分与由锅炉省煤器出口引出的部分400℃左右的热烟气混合作为再生反应器热源外，其余通入碳酸化反应器进行脱碳。脱硫后烟气的温度一般在100℃左右，除含有N₂、O₂和部分水蒸汽外，含有约10％～20％的CO₂。为保证碳酸化反应充分进行，必须有相同莫尔数的水蒸汽存在，如脱硫处理后的烟气中水蒸汽的含量足够，则可不设置水蒸汽发生器，否则需增设水蒸汽发生器。水蒸汽发生器所需热量由电厂蒸汽轮机排汽提供，在汽轮机排汽管路上设置旁路，引出一部分低压蒸汽经流量调节装置调至所需流量后引入水蒸汽发生器，凝结放热后返回电厂汽水系统。水蒸汽发生器产生的水蒸汽引入气体混合器，与脱硫后的烟气混合。

混合后的烟气由增压风机送入碳酸化反应器，碳酸化反应器内装载适量粒径为0.5mm～1mm的颗粒状高活性钾基吸收剂。反应器温度维持在60℃～80℃之间，此为其最佳反应温度范围。烟气中的CO₂和水蒸汽在反应器内与高活性钾基吸收剂反应，CO₂脱除率可接近100％。碳酸化反应器采用循环流化床反应器，流化介质为需脱CO₂的混合烟气，它从碳酸化反应器的底部送入，在保证高活性钾基吸收剂正常流化的同时实现CO₂的脱除。高活性钾基吸收剂在碳酸化反应器内与烟气充分混合并进行碳酸化反应，反应产生热量由在反应器密相区均匀布置的埋管式散热器带走，埋管内的吸热介质为来自锅炉鼓风机的冷空气。在锅炉鼓风机与空气预热器的连接风道上设置旁路风道，由旁路风道将部分冷空气经流量调节装置送入埋管式散热器内，空气在埋管内吸热升温后再送入锅炉的空气预热器内。这样可有效利用碳酸化反应过程中产生的反应热，进一步提高系统的经济性。

脱除CO₂后的烟气直接经烟道和烟囱排入大气。反应后的吸收剂颗粒经物料循环装置I进入再生反应器。在再生反应器内经加热分解后再生，经物料循环装置II返回碳酸化反应器循环利用。再生反应产生的CO₂和水蒸汽的混合气体经冷凝器冷凝脱水后，可获得纯度大于99％的CO₂，高纯度CO₂一部分作为流化介质由循环风机送入再生反应器，剩余的进行收集处理。

再生反应器采用循环流化床操作方式。再生反应器内布置埋管式加热器，埋管内通入加热用烟气，为再生反应提供所需热量。加热用烟气为由锅炉省煤器出口引出的部分400℃左右的烟气，与部分脱硫后100℃左右的烟气混合而成，通过流量调节分配，控制到所需温度后通入埋管，经埋管降温后的烟气再引入脱硫塔进行脱硫。

碳酸化反应器和再生反应器之间设置两套物料循环装置，分别将吸附CO₂后的吸收剂由碳酸化反应器送入再生反应器，将再生后的吸附剂由再生反应器送入碳酸化反应器。

Claims (1)

1.一种高活性钾基吸收剂干法脱除烟气中CO₂的方法，其特征在于该方法使用的装置由水蒸汽发生器(1)、气体混合器(2)、增压风机(3)、碳酸化反应器(4)、埋管式散热器(5)、物料循环装置I(6)、物料循环装置II(7)、再生反应器(8)、埋管式加热器(9)、水蒸汽冷凝器(10)和循环风机(11)组成；其中，水蒸汽发生器(1)的水蒸汽输出端接气体混合器(2)，气体混合器(2)的输出端通过增压风机(3)接碳酸化反应器(4)的底部，碳酸化反应器(4)的中部接物料循环装置I(6)的上部，物料循环装置I(6)的下部通过料腿接再生反应器(8)的下部；再生反应器(8)的中部接物料循环装置II(7)，物料循环装置II(7)的下部接通过料腿接碳酸化反应器(4)的下部，再生反应器(8)的气体输出端接水蒸汽冷凝器(10)，水蒸汽冷凝器(10)的输出端通过循环风机(11)接再生反应器(8)的底部；

脱硫后的烟气与水蒸汽混合后由增压风机(3)送入碳酸化反应器(4)，在碳酸化反应器(4)内与高活性钾基吸收剂反应，将烟气中的CO₂脱除；反应后的吸收剂经物料循环装置Ⅰ(6)进入再生反应器(8)，经加热分解再生后，经物料循环装置Ⅱ(7)返回碳酸化反应器(4)循环利用；再生反应产生的CO₂和水蒸汽混合气体经水蒸汽冷凝器(10)冷凝脱水后，获得高纯CO₂；高纯CO₂一部分作为流化介质由循环风机送入再生反应器(8)，剩余的进行收集处理；水蒸汽发生器(1)所需热量由电厂蒸汽轮机排汽提供，蒸汽轮机排汽在水蒸汽发生器中凝结放热后返回电厂的汽水系统；

在碳酸化反应器(4)内设置埋管式散热器，埋管式散热器内的吸热介质为来自锅炉鼓风机的冷空气，冷空气在埋管式散热器内吸热升温后再送入锅炉的空气预热器内；

所述的碳酸化反应器(4)和再生反应器(8)均为循环流化床操作方式；

在再生反应器(8)内设置埋管式加热器，埋管式加热器内通入的加热用烟气为由锅炉省煤器出口引出的部分烟气，与部分脱硫后烟气混合而成；经埋管降温后的烟气再引入脱硫塔进行脱硫；

所述的再生反应器采用烟气处理过程中产生的高纯度CO₂作为流化介质。 

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