CN102580526A - 一种富氧燃烧电厂烟气中co2光催化还原方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种富氧燃烧电厂烟气中CO2光催化还原方法，具体为：在富氧燃烧电厂烟气脱硫和CO2压缩之间，对烟气中CO2进行光催化还原反应，收集还原反应得到的液态产物。本发明还提供了还原装置，包括反应单元、产物收集单元和隔板；反应单元包括反应腔，所述反应腔的两端分别设有烟气入口和出口，反应腔内部等间距设有多个挡板，挡板与反应腔壁形成气体通道，挡板上固定有负载催化剂的光纤束，反应腔的顶端设有石英玻璃板盖板；产物收集单元包括位于所述反应腔下方的收集腔，隔板位于反应腔和收集腔之间，在隔板上与光纤束一一对应的位置处开孔。本发明同时实现CO2减排和资源化利用，有较强的CO2处理能力且成本低、无污染、能耗低。

Description

一种富氧燃烧电厂烟气中CO2光催化还原方法与装置
技术领域
本发明提供一种将煤基富氧燃烧电厂烟气中高浓度CO2还原的方法与装置，尤其是一种利用负载稀土改性纳米二氧化钛膜的光纤光催化还原富氧燃烧电厂烟气中CO2的方法与装置。
背景技术
大量温室气体如CO2、CH4等的排放引起的温室效应已成为全球关注热点。近年来，由于人类生产活动引起的大气中CO2浓度的增加已加速了温室效应对全球气候的影响。如何有效地控制CO2排放已成为各国的当务之急。由于煤炭是我国最主要的一次能源，我国CO2的排放主要来自于燃煤，这其中又以燃煤电厂为主。找到一种有效控制电厂CO2排放的技术迫在眉睫。
目前燃煤CO2气体排放控制技术主要分为三大类，一类是燃后控制技术，包括化学方法、物理方法等；一类是燃前控制技术，主要是煤气化技术；一类是富氧燃烧技术，其采用空气分离获得的纯氧和一部分锅炉排烟构成的混合气体代替空气作为燃烧时的氧化剂，使得燃烧产物中CO2含量达到85％以上，几乎不必分离、经过简单纯化就可将大部分烟气直接液化处理。富氧燃烧技术由于烟气处理简单，电厂的效率比使用CO2分离与回收过程的效率更高，处理成本也更低，是目前可能最可行的大规模CO2捕获技术。前两类技术往往存在能耗高、成本高、可能对环境产生危害等缺点。当前的富氧燃烧技术虽可实现燃煤烟气中CO2的大规模捕捉，但是无法对烟气中CO2进行资源化利用。
发明内容
本发明提供一种富氧燃烧电厂烟气中CO2光催化还原方法和装置，实现对烟气中CO2的捕获和资源化利用。
一种富氧燃烧电厂烟气中CO2光催化还原方法，在富氧燃烧电厂烟气脱硫和CO2压缩之间，对烟气中CO2进行光催化还原反应，收集还原反应得到的液态产物。
实现所述还原方法的还原装置，包括反应单元、产物收集单元和隔板；
所述反应单元包括反应腔，所述反应腔的两端分别设有烟气入口和出口，所述反应腔的内部等间距设有多个挡板，所述挡板与反应腔壁形成气体通道，所述挡板上固定有负载催化剂的光纤束，所述反应腔的顶端设有石英玻璃盖板；
所述产物收集单元包括收集腔，所述收集腔位于所述反应腔下方，
所述隔板位于所述反应腔和收集腔之间，在隔板上与光纤束一一对应的位置处开孔，还原反应得到的液体产物通过开孔落入收集腔，
进一步地，所述收集腔底部内侧为斜面。
进一步地，所述催化剂为稀土掺杂的TiO2或Cu掺杂的TiO2或InTaO4。
本发明的技术效果体现在：
本发明在富氧燃烧电厂烟气脱硫和CO2压缩之间，利用光催化还原的方法将煤基富氧燃烧烟气中的高浓度CO2转化为甲醇等液态物，对还原反应得到的液态反应产物进行回收，实现CO2的捕获和CO2的资源再利用。可采用半导体材料(一般是锐钛矿型的TiO2)作为催化剂，当能量高于半导体禁带宽度的光照射到催化剂表面时，就会激发半导体内的电子从价带跃迁至导带，形成具有很强活性的电子空穴对，使得CO2的还原反应得以进行。该方法能耗低、成本低、无污染，在降低CO2排放的同时还实现了CO2的资源化利用。与现有技术相比，该方法成本低，无污染、能耗低、阻力小、可用于燃煤烟气的连续处理，对发电效率基本无影响。在本发明中，优选掺杂稀土改性纳米TiO2膜，扩大其吸收光谱范围，使其可利用可见光进行光催化反应。光源可在可见光与紫外光之间切换。
本发明还提供了实现上述还原方法的装置，在该装置中，光纤依附在挡板上均匀的布置在反应腔内，光催化剂直接负载在光纤表面，一方面使催化剂能够得到充分光照，另一方面使得烟气能与光催化剂充分接触反应，避免了传统的固定床式光催化反应器中存在的反应介质对光的吸收和散射，光利用率大大提高。催化剂的表面积也大大提高，增强了反应器的处理能力。
附图说明
图1是本发明用于煤基富氧燃烧电厂烟气处理流程图；
图2是本发明光催化装置示意图；
图3是光催化装置俯视图；
图4负载稀土改性纳米二氧化钛膜的光纤制备流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1，在电厂脱硫装置之后烟气干燥和CO2压缩装置之前设置一个可以将烟气中高浓度CO2还原为甲醇等有机物的光催化装置。
如图2，一种光纤光催化装置包括反应单元1和产物收集单元2。反应单元1包括反应腔，反应腔的两端分别设有烟气入口和出口，反应腔的内部等间距设有多个挡板4(参见图3)，将光纤束3通过光纤固定架以层状布置挡板4上，每根光纤表面均负载有催化剂稀土掺杂的TiO2。光源通过顶部石英玻璃盖板从光纤层一端射入，烟气进入反应腔沿着挡板4与反应腔壁构成的通道流动，在光照作用下烟气中的CO2发生还原反应生成甲醇等液态反应产物。产物收集单元2设置在反应单元1下方，包括收集腔，优选将其底部内侧处理成斜面。在光催化反应单元和产物收集单元之间设有隔板5，在隔板对应光纤束的位置开孔，还原产物甲醇通过开孔落入产物收集单元。
催化剂不局限于稀土掺杂的TiO2.还可使用稀土掺杂的TiO2、Cu掺杂的TiO2、InTaO4等等。
如图4所示，以上负载稀土改性纳米二氧化钛膜的光纤可通过如下方式制备：
先将光纤在500℃下煅烧3h以去除光纤表面的有机层，然后将光纤用10M的氢氧化钠水溶液和去离子水各清洗数次，最后在烘箱中(80-100℃)将光纤烘干。将钛酸丁酯、无水乙醇、冰醋酸、去离子水按照一定的体积比(1∶6∶0.6∶0.4)进行混合，然后加入稀土盐类，常温下搅拌直到形成透明溶胶。将处理过的光纤垂直浸入溶胶，静置5min后，通过步进电机以30mm/min的速度提升出溶胶。在室温下成膜后，在100℃烘箱中干燥1h。重复该浸渍-干燥过程数次以获得不同厚度的膜。最后经高温(500℃)煅烧3h，除去有机物，得到负载稀土掺杂二氧化钛膜的光纤。

Claims (4)

1.一种富氧燃烧电厂烟气中CO2光催化还原方法，在富氧燃烧电厂烟气脱硫和CO2压缩之间，对烟气中CO2进行光催化还原反应，收集还原反应得到的液态产物。
2.实现权利要求1所述方法的还原装置，包括反应单元、产物收集单元和隔板；
所述反应单元包括反应腔，所述反应腔的两端分别设有烟气入口和出口，所述反应腔的内部等间距设有多个挡板，所述挡板与反应腔壁形成气体通道，所述挡板上固定有负载催化剂的光纤束，所述反应腔的顶端设有石英玻璃板；
所述产物收集单元包括收集腔，所述收集腔位于所述反应腔下方，
所述隔板位于所述反应腔和收集腔之间，在隔板上与光纤束一一对应的位置处开孔，还原反应得到的液体产物通过开孔落入收集腔。
3.根据权利要求2所述的还原装置，其特征在于，所述收集腔底部内侧为斜面。
4.根据权利要求2或3所述的还原装置，其特征在于，所述催化剂为稀土掺杂的TiO2或Cu掺杂的TiO2或InTaO4。
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