CN102489148A - 微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中co2的方法及装置 - Google Patents

微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中co2的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的方法，为：在流化床煅烧反应器的下部和上部分别布置微波反应器，吸波固体颗粒在水蒸气的流化作用下，通过吸收微波而迅速升温。钙基吸收剂进入流化床煅烧反应器，与高温吸波固体进行对流换热，从而使钙基吸收剂分解成CaO和CO2，CaO进入到流化床碳酸化反应器，流化床煅烧反应器内烟气经冷凝、除水和液化后可实现CO2存储。CaO进入流化床碳酸化反应器，捕集锅炉烟气中的CO2，反应生成的CaCO3进入流化床煅烧反应器内循环利用。本方法能量利用率高，可有效减缓钙基吸收剂循环捕集CO2性能的衰减，降低CO2捕集系统能耗和经济成本。

Description

微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的方法及装置
技术领域
本发明涉及微波煅烧钙基吸收剂脱除锅炉烟气中CO2的方法及装置，属于环境污染物防治与清洁燃烧技术领域。
背景技术
全球变暖问题目前是国际社会共同关注的热点问题，全球变暖主要是由CO2气体大量排放所引起的。作为CO2主要排放源之一的燃煤电站必须进行严格的CO2排放控制。对燃煤电站进行CO2捕集和封存，被认为是短期内减少碳排放的主要途径。尽管目前已提出了较多针对燃煤电站的CO2控制技术，但在工业应用时必须综合考虑技术经济性。近年来，钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化反应捕集燃煤锅炉烟气CO2技术受到国际学者的广泛关注，被认为是最具有可行性的燃煤电站大规模捕集CO2技术之一。该技术主要利用分布广泛、价格低廉的钙基吸收剂如石灰石和白云石等作为CO2吸收剂。钙基吸收剂首先进入流化床煅烧反应器，经过高温煅烧后变成CO2和CaO(如(1)式所示)。煅烧反应器内采用煤在O2/CO2气氛下燃烧产生的热量使钙基吸收剂分解，煅烧反应器出口CO2浓度可达95％以上，经过冷凝、除水和液化后可以进行储存。煅烧产生的CaO进入到碳酸化反应器，该炉采用锅炉烟气作为流化介质，CaO与烟气中的CO2发生碳酸化反应生成CaCO3(如(2)式所示)，从而实现CO2的捕集，生成的CaCO3则进入流化床煅烧反应器进行煅烧，钙基吸收剂的煅烧反应和碳酸化反应如此循环进行，排出失活吸收剂同时补充钙基吸收剂，这就形成了钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化捕集CO2技术。
Figure BDA0000111636790000011
该技术仍然存在几个不利因素：
(I)在煅烧反应器内，为了实现钙基吸收剂的煅烧和CO2的富集，一般采用煤在O2/CO2气氛下燃烧，所需O2由空气分离技术得到，这增加了燃煤电站的能量消耗和经济成本。
(II)由于钙基吸收剂在O2/CO2燃烧气氛下煅烧，此时煅烧反应器内CO2浓度接近100％，因而需要较高的煅烧温度(＞900℃)才能使钙基吸收剂分解。研究表明，高浓度CO2气氛和高煅烧温度易加重钙基吸收剂的烧结，使钙基吸收剂循环捕集CO2性能随循环次数的增加而衰减严重。
(III)煅烧反应器内由煤中硫元素燃烧而形成的SO2易与煅烧产生的CaO发生硫酸化反应，生成CaSO4，如(3)式所示，该反应为不可逆反应，从而造成CaO的损失。另外，更为严重的是，生成的致密产物层CaSO4包围着CaO，在碳酸化反应器内烟气中的CO2难以通过该产物层与CaO进行碳酸化反应，这样就大大降低了钙基吸收剂的CO2捕集性能。
CaO+1/2O2+SO2→CaSO4                        (3)
(IV)由于以上问题的存在，导致钙基吸收剂的循环CO2捕集性能严重下降，为了保证燃煤电站较高的CO2脱除效率，不得不加大钙基吸收剂的投入量，这样煅烧反应器所需燃料量、O2量也相应增加，因此燃煤电站捕集CO2的经济代价和能量消耗都相应增大。
发明内容
针对上述现有技术，针对常规钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化捕集锅炉烟气CO2过程中，煅烧反应器采用煤的O2/CO2燃烧提供钙基吸收剂分解所需热量方法存在的各种问题，本发明提供了一种利用微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的方法及装置，该方法不需要通过煤的O2/CO2燃烧提供钙基吸收剂分解所需的热量，而是采用微波加热吸波固体颗粒，固体颗粒主要通过对流方式使钙基吸收剂达到分解温度，有效减轻和避免烧结及硫酸化对钙基吸收剂循环捕集CO2的不利影响。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的方法，为：在流化床煅烧反应器的下部和上部分别布置微波反应器，吸波固体颗粒在流化介质的作用下，通过吸收微波而迅速升温到1200℃以上；钙基吸收剂颗粒通过给料器I进入流化床煅烧反应器，与流化床煅烧反应器内的高温吸波固体颗粒进行对流换热，从而使钙基吸收剂颗粒的温度达到800℃以上，并分解成CaO和CO2，CaO颗粒通过旋风分离器II进入到流化床碳酸化反应器，流化床煅烧反应器内的烟气经旋风分离器II排出，经冷凝、除水和液化后进行存储；流化床煅烧反应器内，吸波固体颗粒在对流换热过程中同时吸收微波，从而使温度保持恒定，通过给料器II补充损失的吸波固体颗粒(少量的吸波固体颗粒随着CaO颗粒进入到流化床碳酸化反应器中造成损失)；CaO颗粒进入流化床碳酸化反应器后，捕集锅炉烟气中的CO2，反应生成CaCO3，失活的CaO颗粒通过排渣管排出，被吸收了CO2的烟气经旋风分离器I与CaCO3颗粒分离，烟气被排出，CaCO3颗粒则进入流化床煅烧反应器内循环利用。
所述的吸波固体为碳化硅。
所述钙基吸收剂为石灰石或白云石。
所述吸波固体颗粒粒径介于2000～3000微米，钙基吸收剂颗粒粒径小于500微米。
所述流化床煅烧反应器采用的流化介质为水蒸气。
所述流化介质水蒸气在流化床煅烧反应器内的流化速度高于钙基吸收剂颗粒的终端速度，且低于碳化硅颗粒的终端速度。
一种微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的装置，包括流化床煅烧反应器、流化床碳酸化反应器、给料器I、给料器II、旋风分离器I和旋风分离器II，其中，给料器I和给料器II均与流化床煅烧反应器连接，旋风分离器I分别与流化床煅烧反应器、流化床碳酸化反应器连接，旋风分离器II分别与流化床煅烧反应器、流化床碳酸化反应器连接，流化床碳酸化反应器底部设有排渣管，流化床煅烧反应器的下部和上部分别设有微波反应器。
所述给料器I连接在流化床煅烧反应器中部或中下部，给料器II连接在流化床煅烧反应器上部或顶部。
所述旋风分离器I分别与流化床煅烧反应器中部、流化床碳酸化反应器上部或顶部连接，旋风分离器II分别与流化床煅烧反应器上部或顶部、流化床碳酸化反应器下部连接。
碳化硅是最好的吸波材料之一。在微波条件下，碳化硅颗粒会迅速升温达到设计温度，水蒸气也具有很强的吸波能力。在水蒸气的流化作用下碳化硅颗粒与钙基吸收剂颗粒发生强烈的对流换热，煅烧气氛中的CO2浓度较低(CO2来自钙基吸收剂的分解)，从而使钙基吸收剂在较低的煅烧温度下分解，减缓了在高煅烧温度下的严重烧结。在流化床煅烧反应器内水蒸气的流化速度高于钙基吸收剂颗粒的终端速度，低于碳化硅颗粒的终端速度，能保证绝大多数碳化硅颗粒不被带出炉膛，而煅烧后的钙基吸收剂则大部分飞出炉膛，进入碳酸化反应器捕集CO2。
本发明的微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的方法，采用微波加热技术将吸波材料自身吸收的微波能转化为材料内部分子的动能和势能，热量从材料内部产生，而不是来自于其它发热体，这种内部的体加热所产生的热力学梯度和热传导方式与传统加热(对流、传导和辐射)不同，具有加热速度快、加热均匀、能量利用率高等优点，很好地弥补了传统加热方式所引起的加热速度慢、能量利用率等缺点。
本发明与常规钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化捕集锅炉烟气中CO2的方法相比，具有以下优点：
(1)钙基吸收剂煅烧所需热量不需要通过煤的O2/CO2燃烧方式提供，节约了因制氧而消耗的能量。
(2)由于不采用O2/CO2燃烧方式，煅烧反应器内CO2浓度较低，因此钙基吸收剂在较低煅烧温度下就可以分解，减缓了吸收剂在高煅烧温度下的严重烧结，有利于钙基吸收剂高效循环捕集CO2。
(3)避免了采用煤O2/CO2燃烧-煅烧钙基吸收剂过程中，由于硫酸化竞争反应而导致的钙基吸收剂捕集CO2能力大幅下降的问题。
(4)钙基吸收剂能够保持较高的循环捕集CO2性能，从而减少了钙基吸收剂补充量，降低了经济成本和系统能耗。
(5)煅烧反应器内微波热源能量利用率高，清洁无污染，不会产生SO2、NOx及N2O等燃烧污染物。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的工艺流程示意图。
其中，1、流化床煅烧反应器；2、下端微波反应器；3、上端微波反应器；4、给料器I；5、旋风分离器II；6、流化床碳酸化反应器；7、给料器II；8、排渣管；9、旋风分离器I；A、流化介质；B、钙基吸收剂颗粒；C、流化床煅烧反应器内的烟气；D、吸波固体颗粒；E、锅炉烟气；F、失活的CaO颗粒；G、流化床碳酸化反应器内的烟气。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
一种微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的装置，包括流化床煅烧反应器1、流化床碳酸化反应器6、给料器I 4、给料器II 7、旋风分离器I 9和旋风分离器II 5，如图1所示，其中，给料器I 4连接在流化床煅烧反应器1中部，给料器II 7连接在流化床煅烧反应器1顶部，旋风分离器I 9分别与流化床煅烧反应器1中部、流化床碳酸化反应器6上部连接，旋风分离器II 5分别与流化床煅烧反应器1上部、流化床碳酸化反应器6下部连接，流化床碳酸化反应器6底部设有排渣管8，流化床煅烧反应器1的下部设有下端微波反应器2，上部设有上端微波反应器3。
一种利用上述装置进行循环脱除锅炉烟气中CO2的方法，为：吸波固体颗粒D在流化介质A的作用下，通过吸收微波而迅速升温到1200℃以上；钙基吸收剂颗粒B通过给料器I 4进入流化床煅烧反应器1，与流化床煅烧反应器1内的高温吸波固体颗粒D进行对流换热，从而使钙基吸收剂颗粒B的温度达到800℃以上，并分解成CaO和CO2，CaO颗粒通过旋风分离器II 5进入到流化床碳酸化反应器6，流化床煅烧反应器内的烟气C主要由CO2和水蒸气混合气组成，经旋风分离器II 5排出，经冷凝、除水和液化后进行存储；流化床煅烧反应器1内，吸波固体颗粒D在对流换热过程中同时吸收微波，从而使温度保持恒定，通过给料器II 7补充损失的吸波固体颗粒D；CaO颗粒进入流化床碳酸化反应器6后，捕集锅炉烟气中的CO2，反应生成CaCO3，失活的CaO颗粒F通过排渣管8排出，被吸收了CO2的流化床碳酸化反应器内的烟气G经旋风分离器I 9与CaCO3颗粒分离并被排出，CaCO3颗粒进入流化床煅烧反应器1内循环利用(由图1可见，旋风分离器I与煅烧反应器相连，所以被吸收了CO2的烟气和CaCO3一起进入旋风分离器I 9后，CaCO3就会被分离器捕集下来，从而进入流化床煅烧反应器1；旋风分离器的作用就是实现气体和固体颗粒的分离)。
所述的吸波固体为碳化硅。
所述钙基吸收剂为石灰石。
所述吸波固体颗粒粒径介于2000～3000微米之间，钙基吸收剂颗粒粒径小于500微米。
所述流化床煅烧反应器采用的流化介质A为水蒸气。
所述流化介质水蒸气在流化床煅烧反应器内的流化速度介于3～10m/s之间，流化速度按照高于钙基吸收剂颗粒的终端速度低于碳化硅颗粒的终端速度进行计算，这样煅烧后的钙基吸收剂则大部分飞出炉膛进入碳酸化反应器捕集CO2，而碳化硅颗粒基本上不被带出炉膛。

Claims (9)

1.一种微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的方法，其特征在于：在流化床煅烧反应器的下部和上部分别布置微波反应器，吸波固体颗粒在流化介质的作用下，通过吸收微波而升温到1200℃以上；钙基吸收剂颗粒通过给料器I进入流化床煅烧反应器，与流化床煅烧反应器内的吸波固体颗粒进行对流换热，从而使钙基吸收剂颗粒的温度达到800℃以上，并分解成CaO和CO2，CaO颗粒通过旋风分离器II进入到流化床碳酸化反应器，流化床煅烧反应器内的烟气经旋风分离器II排出；流化床煅烧反应器内，吸波固体颗粒在对流换热过程中同时吸收微波，从而使温度保持恒定，通过给料器II补充损失的吸波固体颗粒；CaO颗粒进入流化床碳酸化反应器后，捕集锅炉烟气中的CO2，反应生成CaCO3，失活的CaO颗粒通过排渣管排出，被吸收了CO2的烟气经旋风分离器I与CaCO3颗粒分离，烟气被排出，CaCO3颗粒则进入流化床煅烧反应器内循环利用。
2.根据权利要求1所述的微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的方法，其特征在于：所述吸波固体为碳化硅。
3.根据权利要求1所述的微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的方法，其特征在于：所述钙基吸收剂为石灰石或白云石。
4.根据权利要求1所述的微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的方法，其特征在于：所述吸波固体颗粒粒径介于2000～3000微米，钙基吸收剂颗粒粒径小于500微米。
5.根据权利要求1所述的微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的方法，其特征在于：所述流化床煅烧反应器采用的流化介质为水蒸气。
6.根据权利要求1所述的微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的方法，其特征在于：所述流化介质在流化床煅烧反应器内的流化速度高于钙基吸收剂颗粒的终端速度，且低于吸波固体颗粒的终端速度。
7.一种微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的装置，包括流化床煅烧反应器、流化床碳酸化反应器、给料器I、给料器II、旋风分离器I和旋风分离器II，其中，给料器I和给料器II均与流化床煅烧反应器连接，旋风分离器I分别与流化床煅烧反应器、流化床碳酸化反应器连接，旋风分离器II分别与流化床煅烧反应器、流化床碳酸化反应器连接，流化床碳酸化反应器底部设有排渣管，其特征在于：所述流化床煅烧反应器的下部和上部分别设有微波反应器。
8.根据权利要求7所述的微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的装置，其特征在于：所述给料器I连接在流化床煅烧反应器中部或中下部，给料器II连接在流化床煅烧反应器上部或顶部。
9.根据权利要求7所述的微波煅烧钙基吸收剂循环脱除锅炉烟气中CO2的装置，其特征在于：所述旋风分离器I分别与流化床煅烧反应器中部、流化床碳酸化反应器上部或顶部连接，旋风分离器II分别与流化床煅烧反应器上部或顶部、流化床碳酸化反应器下部连接。
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C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20120613

Assignee: XUZHOU DONGDA BOILER CO., LTD.

Assignor: Shandong University

Contract record no.: 2014320000556

Denomination of invention: Method and device for circulating removal of CO2 in boiler flue gas by microwave calcination of calcium based absorbent

Granted publication date: 20130918

License type: Exclusive License

Record date: 20140703

LICC Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
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Granted publication date: 20130918

Termination date: 20201123