CN101797470A - 钙基吸收剂循环捕集二氧化硫和二氧化碳方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是针对电站煤粉炉提出的一种大规模捕集SO2和CO2的方法。电站煤粉炉产生的烟气经脱硫塔脱硫后，进入流化床碳酸化反应器，该反应器内CaO在水蒸气作用下生成固体Ca(OH)2，Ca(OH)2颗粒进行碳酸化反应捕集CO2，产物CaCO3进入流化床煅烧炉，采用生物质燃料富氧燃烧产生的热量使CaCO3分解为CaO和CO2，CaO被引入碳酸化反应器捕集CO2，实现循环利用。失去活性的CaO从流化床煅烧炉下部排出，同时补充钙基吸收剂。从煅烧炉排出的部分失去活性的CaO被引入消化反应器中形成Ca(OH)2溶液，再进入脱硫塔进行脱硫，可实现SO2和CO2的分别脱除，降低了系统能耗。

Description

钙基吸收剂循环捕集二氧化硫和二氧化碳方法
技术领域
本发明涉及一种钙基吸收剂循环捕集二氧化硫和二氧化碳方法，属于环境污染防治与洁净煤燃烧技术领域。
背景技术
日益增多的CO2排放是造成全球变暖的主要原因。煤电CO2排放量最大，同时煤电是最集中的CO2固定排放源，因此被作为主要的CO2减排目标。钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化反应捕集CO2技术由于采用廉价和资源丰富的石灰石、白云石等作为CO2吸收剂，具有良好的技术经济性，从而近年来引起了世界各国学者的广泛关注。
钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化反应捕集CO2技术是目前一种有效控制CO2排放的技术。捕集CO2过程如下所述：钙基吸收剂进入流化床煅烧炉分解成CaO与CO2，如反应(1)所示，该反应器由煤纯氧燃烧提供给吸收剂分解所需的热量，因此烟气中CO2浓度可达95％以上，CO2经过冷凝、除水后可以直接进行利用或封存；CaO从流化床煅烧炉进入流化床碳酸化反应器捕集烟气中的CO2，如反应(2)所示，烟气中的CO2浓度降至5％以下，形成的CaCO3进入流化床煅烧炉，再煅烧成CaO，这样反应循环进行。由于在循环捕集CO2过程中，CaO随着循环次数增加捕集CO2性能逐渐衰减，因此需从流化床煅烧炉内排出失去活性的CaO，同时补充钙基吸收剂。
CaCO3→CaO+CO2        (1)
CaO+CO2→CaCO3        (2)
在研究钙基吸收剂循环捕集CO2的过程中发现烟气中SO2的存在会对CaO碳酸化反应产生极为不利的影响，SO2与CaO发生硫酸化反应生成比较稳定的CaSO4，因而使循环反应中能够碳酸化的CaO迅速减少，同时致密的CaSO4产物层也阻碍了CO2与未反应CaO的进一步反应。
在小型鼓泡流化床上已经证实烟气中SO2的存在加速了CaO循环捕集CO2性能的衰减，在CaO表面形成的硫酸化产物层严重影响了碳酸化反应的进行。实验表明，与石灰石仅捕集CO2相比，在石灰石同时捕集SO2和CO2时，即使SO2浓度非常低，如100ppmv，也会对石灰石的碳酸化转化率有明显的下降。由于SO2对钙基吸收剂捕集CO2性能所带来的严重阻碍作用，燃煤电站为了保证保持较高的CO2捕集效率不得不加大钙基吸收剂的投入量，大量钙基吸收剂在反应器内循环不仅使运行成本增加，使煅烧过程能耗增加，而且还能使反应器的磨损、粘污和腐蚀加剧。尤其在使用人工制备的具有较高经济代价的高活性钙基吸收剂循环捕集CO2时，SO2的存在会使活性吸收剂严重失活，增加经济成本。
发明内容
本发明的目的是为电站煤粉炉提供一种采用钙基吸收剂循环捕集酸性污染性气体SO2和温室气体CO2的方法。该方法可实现SO2和CO2的分别脱除，以消除SO2存在时对钙基吸收剂循环捕集CO2带来的严重阻碍。采用流化床煅烧炉下部排出的失去活性的CaO制备Ca(OH)2溶液捕集SO2，减少了因捕集SO2所需的钙基吸收剂的投入量，并且降低了这部分吸收剂煅烧再生为CaO的能耗，从而降低了电站捕集CO2和SO2的运行成本。
一种钙基吸收剂循环捕集SO2和CO2方法，包括电站煤粉炉、脱硫塔、流化床碳酸化反应器和流化床煅烧炉，电站煤粉炉产生的烟气经脱硫塔脱硫后，进入流化床碳酸化反应器CO2被捕集后排入大气，生成的CaCO3进入流化床煅烧炉分解成CaO和CO2，CaO进入流化床碳酸化反应器被循环利用，失去活性的CaO从流化床下部排出，并补充钙基吸收剂，其特征在于：流化床碳酸化反应器内CaO在水蒸气作用下捕集CO2，反应温度保持在280～300℃，生成的CaCO3进入流化床煅烧炉进行煅烧，煅烧炉采用生物质燃料富氧燃烧，流化床煅烧炉下部排出的部分失去活性的CaO引入消化反应器制备成Ca(OH)2溶液，Ca(OH)2溶液再进入脱硫塔。Ca(OH)2溶液进入脱硫塔捕集SO2时的钙硫摩尔比为1.1～1.3。所说的水蒸气来自蒸汽轮机抽气，在流化床碳酸化反应器内水蒸气与CaO最佳的摩尔比为1.2。
电站煤粉炉产生的烟气经脱硫塔脱硫后，进入流化床碳酸化反应器，CO2被捕集后排入大气，在该反应器内CaO在来自蒸汽轮机的水蒸气作用下生成固体Ca(OH)2，反应如(3)所示，Ca(OH)2颗粒进行碳酸化反应捕集CO2，产物为CaCO3和水蒸气，反应如(4)所示。CaCO3进入流化床煅烧炉，采用生物质燃料富氧燃烧产生的热量使CaCO3分解为CaO和CO2，煅烧温度为900～950℃，CaO被引入碳酸化反应器捕集CO2，实现循环利用。研究表明，在CaO循环捕集CO2过程中随循环反应次数增加，CaO捕集CO2的活性逐渐降低。失去活性的CaO从流化床煅烧炉下部排出，同时在煅烧炉内补充钙基吸收剂。从煅烧炉排出的失去活性的CaO被引入消化反应器中，与水进行消化反应后形成Ca(OH)2溶液，再进入脱硫塔进行脱硫，反应如(5)式所示，可实现SO2和CO2的分别脱除，以避免SO2对CO2捕集带来的不利影响。
CaO(s)+H2O(g)→Ca(OH)2(s)                     (3)
Ca(OH)2(s)+CO2(g)→CaCO3(s)+H2O(g)            (4)
Ca(OH)2(l)+SO2(g)+1/2O2(g)→CaSO4(s)+H2O(l)   (5)
碳酸化反应器和煅烧炉通过实验表明，在碳酸化反应器内CaO与水蒸气的摩尔比和反应温度均对CO2的捕集效果产生明显影响，当CaO与水蒸气的摩尔比为1.2和碳酸化温度为280～300℃时吸收剂具有最佳的CO2捕集性能。在流化床煅烧炉采用生物质作为燃料，因为生物质含有较低的硫分，可避免燃烧过程中SO2对CaCO3煅烧过程的不利影响。实验表明，采用煅烧炉排出的失去活性CaO制备的Ca(OH)2溶液比由普通CaO制备的Ca(OH)2溶液具有更高的脱硫效率，钙硫摩尔比在1.1～1.3时效果脱硫最佳，脱硫效率可达96％以上。
电站煤粉炉采用钙基吸收剂循环捕集SO2和CO2方法具有以下优点：
采用分布广泛、价格低廉的钙基吸收剂捕集SO2和CO2具有良好的技术经济性。该法能够消除烟气中存在SO2时对钙基吸收剂循环捕集CO2所带来的严重阻碍作用，从而避免了由于这种阻碍作用而额外增大的钙基吸收剂的投入量，减缓了反应器的磨损、粘污和腐蚀，降低了由吸收剂额外增加而引起的系统能耗和经济成本的增长。
由于采用流化床煅烧炉下部排出的CaO制备Ca(OH)2溶液捕集SO2，对失去活性的CaO进行再利用，节约了因捕集SO2所需的钙基吸收剂的投入量，同时也减少了这部分吸收剂煅烧为CaO是所引起的能耗，从而降低了电站捕集CO2和SO2的运行成本。
在流化床煅烧炉内采用生物质作为燃料，由于生物质燃料含有极低的硫分，从而消除了煅烧过程中SO2对再生成的CaO的损耗。
附图说明
图1为本发明的一种钙基吸收剂循环捕集SO2和CO2方法流程示意图；
其中，1为电站煤粉炉，2为脱硫塔，3为流化床碳酸化反应器，4为流化床煅烧炉，5为消化反应器，6为水蒸气，7为烟气，8为CaCO3，9为氧气，10为生物质燃料，11为钙基吸收剂，12为高浓度CO2烟气，13为CaO，14为失去活性的CaO，15为水溶液，16为Ca(OH)2溶液。
具体实施方式
如图1所示，电站煤粉炉1产生的烟气经脱硫塔2脱硫后，进入流化床碳酸化反应器3，CO2被捕集后烟气7中CO2的含量很低，可直接排入大气，在流化床碳酸化反应器3内CaO在来自汽轮机的水蒸气6作用下生成固体Ca(OH)2，CaO13与水蒸气6的摩尔比为1.2。Ca(OH)2颗粒进行碳酸化反应捕集CO2，反应温度为280～300℃，产物为CaCO38和水蒸气。CaCO38进入流化床煅烧炉4进行煅烧，采用生物质燃料10富氧燃烧产生的热量使CaCO38分解为CaO和CO2，煅烧温度为900～950℃，CaO13被引入流化床碳酸化反应器3捕集CO2，实现循环利用。在循环捕集CO2中失去活性的CaO14从流化床煅烧炉下部排出，同时在煅烧炉内补充钙基吸收剂11。从流化床煅烧炉排出的部分失去活性的CaO14被引入消化反应器5中，与水溶液15进行消化反应后形成Ca(OH)2溶液16，Ca(OH)2溶液16再进入脱硫塔2进行脱硫，脱硫时的钙硫摩尔比应在1.1～1.3之间。对流化床煅烧炉排出的高浓度CO2烟气12进行捕集。采用流化床反应器分别作为流化床碳酸化反应器3和流化床煅烧炉4，使气固反应更加充分，以增强CO2捕集和碳酸化产物煅烧的效果。

Claims (3)

1.一种钙基吸收剂循环捕集SO2和CO2方法，包括电站煤粉炉、脱硫塔、流化床碳酸化反应器和流化床煅烧炉，电站煤粉炉产生的烟气经脱硫塔脱硫后，进入流化床碳酸化反应器CO2被捕集后排入大气，生成的CaCO3进入流化床煅烧炉分解成CaO和CO2，CaO进入流化床碳酸化反应器被循环利用，失去活性的CaO从流化床下部排出，并补充钙基吸收剂，其特征在于：流化床碳酸化反应器内CaO在水蒸气作用下捕集CO2，反应温度保持在280～300℃，生成的CaCO3进入流化床煅烧炉进行煅烧，煅烧炉采用生物质燃料富氧燃烧，流化床煅烧炉下部排出的部分失去活性的CaO引入消化反应器制备成Ca(OH)2溶液，Ca(OH)2溶液再进入脱硫塔。
2.根据权利要求1所述的一种钙基吸收剂循环捕集SO2和CO2方法，其特征在于：Ca(OH)2溶液进入脱硫塔捕集SO2时的钙硫摩尔比为1.1～1.3。
3.根据权利要求1所述的一种钙基吸收剂循环捕集SO2和CO2方法，其特征在于：所说的水蒸气来自蒸汽轮机抽气，在流化床碳酸化反应器内水蒸气与CaO最佳的摩尔比为1.2。
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