CN101745299B - 一种三相循环流化床氨法捕获烟气中co2的方法及装置 - Google Patents

一种三相循环流化床氨法捕获烟气中co2的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种三相循环流化床氨法捕获烟气中CO2的方法及装置，采用氨水作为CO2吸收剂，反应装置为三相循环流化床。通过控制烟气流速和主水流流速，使得三相循环流化床中的气液流动状态处于连续鼓泡状态，气液发生化学反应生成碳酸氢铵，烟气中的飞灰可以促进酸氢铵结晶，便于回收利用；三相循环流化床中具有剧烈的气液返混和传质，具有较高的CO2脱除效率和处理能力；工艺流程设备运行简单，对烟气除尘要求不高，不容易发生堵塞，较之填料塔便于维修，占地面积小，投资成本低。

Description

一种三相循环流化床氨法捕获烟气中CO2的方法及装置
技术领域
本发明涉及电厂烟气中CO2处理技术，特别涉及一种利用循环流化床氨法捕获烟气中CO2的方法及装置，属于CO2处理及排放技术领域。
背景技术
世界上75％的CO2来自于化石燃料排放，其中燃煤电站约占总排放量40.6％，因此采用捕获、储存或利用电厂烟气中CO2的方法被认为是近期内减缓CO2排放较为可行的办法。现有的电厂烟气的CO2捕获技术主要有吸收法、吸附法、膜法和低温法。由于电厂烟气一般流量较大，处于常压，并且CO2的体积分数低，常规烟气中约为8％～16％，除此之外，还含有大量的惰性气体、飞灰颗粒、重金属等，因此采用化学吸收法是相对比较经济和工艺相对成熟的一种技术。
对于化学吸收法的吸收剂的选择，通常选用碱性吸收溶液，目前受关注较多的是醇胺类溶液利用吸收塔和再生塔组成系统对CO2进行捕获，一般需消耗0.2～1.6Kg吸收剂/t CO2，但是醇胺法脱碳的主要问题是循环过程中CO2的吸收效率不高，并且再生能耗大，初投资和运作成本偏高。近年来，研究者提出利用氨水脱碳的技术，并对氨水吸收CO2的性能和经济性进行了大量基础研究，发现利用氨水溶液作为吸收剂捕获烟气中CO2的技术是可行的，并且具有成本低，较高的CO2脱除效率和负荷能力。
采用氨水捕获CO2的技术方法目前没有大规模的商业化，技术工艺多选用填料塔的喷淋的形式。填料塔通过液体洗淋的形式，气体上行，通过气体和液相的充分接触来吸收烟气中的CO2，可以保证较高的反应效率。为保证喷淋过程液体的均匀分布，填料塔中填料的选取非常重要，可以增加液体和气体的接触面积，通过填料表面润湿的液膜和烟气反应脱除CO2。但是填料塔对填料的要求比较高，需要较好的耐腐蚀性和机械强度，并且要求填料的孔隙率较大，以避免产生沟流和气液分布均匀，因此填料塔的造价相对较高。在电站烟气处理系统中，由于烟气量大，要求塔的处理量比较大，因此塔径很大，循环量高，放大效应引起气液分布不均匀的问题严重。并且，填料塔会经常发生堵塔，清理检修麻烦。因此，采用填料塔氨法捕获燃煤电站CO2的技术方案收到很多限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种三相循环流化床氨法捕获烟气中CO2的方法及装置，使其不仅具有较高的CO2脱除效率和处理能力，而且工艺流程设备运行简单，对烟气除尘要求不高，不容易发生堵塞；较之填料塔便于维修，占地面积小，投资成本低。
本发明的技术方案如下：
一种三相循环流化床氨法捕获烟气中CO2的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
将质量浓度为10％～30％的氨水通过增压泵1后分为两路，一路作为主水流，一路作为辅助水流；所述的主水流从提升管底部经主水流分布器4上行进入提升管8，主水流流速为0.5～1m/s；烟气从侧面经气体分布器7进入提升管，所述的烟气温度为100℃～180℃，烟气流速为0.01～0.5m/s；提升管气液相处于连续鼓泡状态，烟气中CO2和氨水发生反应生成NH4HCO3，并且在飞灰颗粒的促进下，NH4HCO3形成结晶颗粒；尾气从提升管上部排气口9排出，液固混合物通过斜管进入液固分离器10；通过液固分离器10的分离，飞灰颗粒和结晶颗粒由液固分离器的下部排出进入颗粒储罐12堆积，底部粗颗粒经排渣口13排出；液体通过液固分离器的上部排出；辅助水流经过辅助水流分布器5进入提升管底部，使颗粒储罐12中下行的细小固体颗粒松动并向上运动进入提升管主水流，形成固体颗粒循环，通过辅助水流节流阀2调节辅助水流流量，用以控制固体颗粒的循环流量。
本发明提供的一种实现所述方法的一种三相循环流化床氨法捕获烟气中CO2装置，其特征在于：该装置把包括提升管8，设置在提升管底部的辅助水流分布器5，主水流分布器4和气体分布器7，设置在提升管外部并与提升管顶部相连的液固分离器10，以及与所述的液固分离器10底部相连接的颗粒储罐12；颗粒储罐12通过斜管和提升管8的下部相连，连接口位置位于辅助水流分布器5的上方，低于主水流分布器4，颗粒储罐12的底部设有粗颗粒排渣口13；所述的提升管8顶部设置有排气口9，液固分离器10上部设排液口11。
所述的主水流分布器4通过主水流节流阀3和增压泵1连接，辅助水流分布器5通过辅助水流节流阀2和增压泵1连接。
所述的主水流分布器为顶部开孔的管式分布器，辅助水流分布器为多孔分布器。
本发明具有以下优点及突出性效果：①在本发明所述的氨水浓度下，氨水的吸收能力达到1kgCO2/Kg溶剂，捕获效率可以达到95～99％，高于常规的乙醇胺法90％的捕获效率；满足高脱碳效率、高吸收能力、抗氧化和低腐蚀性的特点，并且氨水的价格相对低廉，具有良好的经济实用性。②气液固三相循环流化床反应器占地面积小，结构紧凑，运行操作方便。作为化工反应器，气液固三相循环流化床的流动状态处于连续鼓泡状态，气液固三相充分接触，气体和固体在液相中的返混剧烈，加剧了吸收反应的进行，强烈的传质过程可以提高对CO2的吸收。相对于填料塔容易堵塞，对除尘要求高的缺点，本工艺对于烟气中固体飞灰颗粒没有限制，飞灰颗粒的存在可以作为碳酸氢铵的结晶核，通过控制固体颗粒循环流量，可以促进碳酸氢铵结晶的进行，回收的固体排渣颗粒可以用作化肥等用途，提高了副产品的可利用性。
附图说明
图1是本发明提供的三相循环流化床氨法捕获烟气中CO2装置的原理结构示意图。
图中：1-增压泵；2-辅助水流节流阀；3-主水流节流阀；4-主水流分布器；5-辅助水流分布器；6-风机；7-气体分布器；8-提升管；9-排气口；10-液固分离器；11-排液口；12-颗粒储罐；13-排渣口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的作进一步的说明
一种三相循环流化床氨法捕获烟气中CO2的方法，包括如下步骤：
将质量浓度为10％～30％的氨水通过增压泵1后分为两路，一路作为主水流，一路作为辅助水流；所述的主水流从提升管底部经主水流分布器4上行进入提升管8，主水流流速为0.5～1m/s；烟气从侧面经气体分布器7进入提升管，所述的烟气温度为100℃～180℃，烟气流速为0.01～0.5m/s；提升管气液相处于连续鼓泡状态，烟气中CO2和氨水发生反应生成NH4HCO3，并且在飞灰颗粒的促进下，NH4HCO3形成结晶颗粒；尾气从提升管上部排气口9排出，液固混合物通过斜管进入液固分离器10；通过液固分离器10的分离，飞灰颗粒和结晶颗粒由液固分离器的下部排出进入颗粒储罐12堆积，底部粗颗粒经排渣口13排出；液体通过液固分离器的上部排出；辅助水流经过辅助水流分布器5进入提升管底部，使颗粒储罐12中下行的细小固体颗粒松动并向上运动进入提升管主水流，形成固体颗粒循环，通过辅助水流节流阀2调节辅助水流流量，用以控制固体颗粒的循环流量。
本发明提供的一种三相循环流化床氨法捕获烟气中CO2的装置，该装置包括提升管8，设置在提升管底部的辅助水流分布器5，主水流分布器4和气体分布器7，设置在提升管外部并与提升管顶部相连的液固分离器10，以及与所述的液固分离器10底部相连接的颗粒储罐12；颗粒储罐12通过斜管和提升管8的下部相连，颗粒储罐与提升管的连接口位置位于辅助水流分布器5的上方，且低于主水流分布器4；在颗粒储罐12的底部设有粗颗粒排渣口13；所述的提升管8顶部设有排气口9，液固分离器10上部设有排液口11。
所述的主水流分布器4通过主水流节流阀3和增压泵1连接，辅助水流分布器5通过辅助水流节流阀2和增压泵1连接，用于调节主水流和辅助水流的流量。
所述的主水流分布器采用顶部开孔的管式分布器，辅助水流分布器为多孔分布器。
本发明的原理是：
氨水作为吸收剂，可以和烟气中的CO2发生如下化学反应，总的化学反应式为CO2+NH3+H2O＝NH4HCO3。实际的反应比较复杂，其中包括多步的可逆反应，中间产物有NH2COOH、(NH4)2CO3等，反应的最终产物是NH4HCO3，在碳化度达到0.5时，碳酸氢铵会形成大量结晶颗粒。根据实验结果，氨水脱除CO2浓度的选择弹性很大，一般可选择10％～30％，都可以达到较高的脱除效率，更高的氨水浓度会造成氨损失较大，影响工艺的经济性。气液固三相循环流化床是由气相、液相和固相三相组成，其中液相是连续相，固体颗粒悬浮在气相和液相中。三相循环流化床在废水处理和生物中已经有了一定的应用，它反应器结构简单，流体混合性能优良，传质效果好，在处理生物废水方面的应用应景显示出了良好的经济实用效果。利用三相循环流化床作为反应器，占地面积小，并且飞灰颗粒可以作为结晶核，促进NH4HCO3的结晶，因此对燃煤电厂烟气除尘要求不高，符合燃煤电厂烟气后处理的实际情况。
实施例1：
电厂烟气经过静电除尘器或布袋除尘器，含有一定质量分数的细小飞灰，所述的烟气温度为120℃。根据投煤量和过量空气系数计算实际烟气排放量，按照实际烟气的流量调节风机6，保证提升管截面气体流速0.1m/s，烟气从侧面经气体分布器7进入提升管；将质量浓度为25％的氨水通过增压泵1后分为两路，一路作为主水流，一路作为辅助水流；所述的主水流从提升管底部经主水流分布器4上行进入提升管8，通过调节增压泵1和主水流节流阀3保证主水流流速0.5m/s；提升管气液相处于连续鼓泡状态，烟气中CO2和氨水发生反应生成NH4HCO3，并且在飞灰颗粒的促进下，NH4HCO3形成结晶颗粒；尾气从提升管上部排气口9排出，液固混合物通过斜管进入液固分离器10；通过液固分离器10的分离，飞灰颗粒和结晶颗粒由液固分离器的下部排出进入颗粒储罐12堆积，底部粗颗粒经排渣口13排出；液体通过液固分离器的上部排出；辅助水流经过辅助水流分布器5进入提升管底部，使颗粒储罐12中下行的细小固体颗粒松动并向上运动进入提升管主水流，形成固体颗粒循环，通过辅助水流节流阀2调节辅助水流流量，用以控制固体颗粒的循环流量。本实例中的主水流分布器4采用管状分布器，由伸入提升管内的3根不锈钢管组成，开孔率约占总床面积的19.5％；辅助水流分布器5是多孔分布器，开孔率4.8％。
以国内某电厂蒸发量130/h燃煤发电锅炉为例计算，投煤量13789kg/h，烟气排放130309m3/h，排烟温度120℃，烟气中CO2体积浓度10％，采用25％质量浓度氨水作为吸收剂，吸收能力约为1kgCO2/Kg氨水，脱除效率95％，氨水耗量约为26000kg/h，对发电成本的增加约为18％，具有良好的经济适用性。

Claims (4)

1.一种三相循环流化床氨法捕获烟气中CO2的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)将质量浓度为10％～30％的氨水通过增压泵后分为两路，一路作为主水流，一路作为辅助水流；所述的主水流从提升管底部经提升管内的主水流分布器上行进入提升管，主水流流速为0.5～1m/s；烟气从侧面经提升管内的气体分布器进入提升管，所述的烟气温度为100℃～180℃，烟气流速为0.01～0.5m/s；提升管气液相处于连续鼓泡状态，烟气中CO2和氨水发生反应生成NH4HCO3，并且在飞灰颗粒的促进下，NH4HCO3形成结晶颗粒；尾气从提升管上部排气口排出，液固混合物通过斜管进入液固分离器；通过液固分离器的分离，飞灰颗粒和结晶颗粒由液固分离器的下部排出进入颗粒储罐堆积，底部粗颗粒经排渣口排出；液体通过液固分离器的上部排出；
2)辅助水流经过提升管内的辅助水流分布器进入提升管底部，使颗粒储罐中下行的细小固体颗粒松动并向上运动进入提升管主水流，形成固体颗粒循环，通过辅助水流节流阀调节辅助水流流量，用以控制固体颗粒的循环流量。
2.实现如权利要求1所述方法的一种三相循环流化床氨法捕获烟气中CO2的装置，其特征在于：该装置包括提升管(8)，设置在提升管内底部的辅助水流分布器(5)，主水流分布器(4)和气体分布器(7)，设置在提升管外部并与提升管顶部相连的液固分离器(10)，以及与所述的液固分离器(10)底部相连接的颗粒储罐(12)；所述的颗粒储罐(12)通过斜管和提升管(8)的下部相连，连接口位置位于辅助水流分布器(5)的上方，并低于主水流分布器(4)；颗粒储罐(12)的底部设有粗颗粒排渣口(13)；所述的提升管(8)顶部设有排气口(9)，液固分离器(10)上部设有排液口(11)。
3.按照权利要求2所述的一种三相循环流化床氨法捕获烟气中CO2的装置，其特征在于：所述的主水流分布器(4)通过主水流节流阀(3)和增压泵(1)连接，辅助水流分布器(5)通过辅助水流节流阀(2)和增压泵(1)连接。
4.按照权利要求2所述的一种三相循环流化床氨法捕获烟气中CO2的装置，其特征在于：所述的主水流分布器(5)为顶部开孔的管式分布器，辅助水流分布器(5)为多孔分布器。
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